Des chercheurs de Stanford ont développé une batterie à base d'eau qui pourrait fournir un moyen peu coûteux de stocker l'énergie éolienne ou solaire générée lorsque le soleil brille et que le vent souffle afin qu'elle puisse être réinjectée dans le réseau électrique et redistribuée lorsque la demande est élevée.

Le prototype de batterie manganèse-hydrogène, rapporté aujourd'hui dans Énergie naturelle , mesure seulement trois pouces de hauteur et génère à peine 20 milliwattheures d'électricité, ce qui est comparable aux niveaux d'énergie des lampes de poche à LED, on peut accrocher un porte-clés.

Malgré la faible production du prototype, les chercheurs sont convaincus qu'ils peuvent transformer cette technologie de table en un système de qualité industrielle qui pourrait charger et recharger jusqu'à 10, 000 fois, créer une batterie à l'échelle du réseau avec une durée de vie utile bien supérieure à une décennie.

Yi Cui, professeur de science des matériaux à Stanford et auteur principal de l'article, a déclaré que la technologie des batteries au manganèse-hydrogène pourrait être l'une des pièces manquantes du puzzle énergétique du pays - un moyen de stocker l'énergie éolienne ou solaire imprévisible afin de réduire le besoin de brûler des combustibles fossiles fiables mais émettant du carbone lorsque les sources renouvelables ne le sont pas disponible.

"Ce que nous avons fait, c'est jeter un sel spécial dans l'eau, tombé dans une électrode, et créé une réaction chimique réversible qui stocke des électrons sous forme d'hydrogène gazeux, " dit Cui.

Chimie intelligente

L'équipe qui a imaginé le concept et construit le prototype était dirigée par Wei Chen, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Cui. En substance, les chercheurs ont cajolé un échange d'électrons réversible entre l'eau et le sulfate de manganèse, un pas cher, sel industriel abondant utilisé pour fabriquer des piles sèches, les engrais, papier et autres produits.

Pour imiter comment une source éolienne ou solaire pourrait alimenter la batterie, les chercheurs ont attaché une source d'alimentation au prototype. Les électrons entrant ont réagi avec le sulfate de manganèse dissous dans l'eau pour laisser des particules de dioxyde de manganèse accrochées aux électrodes. Les électrons en excès se sont dégagés sous forme d'hydrogène gazeux, stockant ainsi cette énergie pour une utilisation future. Les ingénieurs savent comment recréer de l'électricité à partir de l'énergie stockée dans l'hydrogène gazeux. La prochaine étape importante était donc de prouver que la batterie à base d'eau peut être rechargée.

Les chercheurs l'ont fait en reconnectant leur source d'alimentation au prototype épuisé, cette fois dans le but d'amener les particules de dioxyde de manganèse accrochées à l'électrode à se combiner avec de l'eau, reconstituer le sel de sulfate de manganèse. Une fois ce sel restitué, les électrons entrants sont devenus excédentaires, et l'excès de puissance pourrait bouillonner sous forme d'hydrogène gazeux, dans un processus qui peut être répété encore et encore.

Cui a estimé que, étant donné la durée de vie prévue de la batterie à base d'eau, il en coûterait un sou pour stocker suffisamment d'électricité pour alimenter une ampoule de 100 watts pendant douze heures.

« Nous pensons que cette technologie prototype sera en mesure d'atteindre les objectifs du Département de l'énergie (DOE) en matière de stockage électrique à l'échelle des services publics, " dit Cui.

Le DOE a recommandé que les batteries pour le stockage à l'échelle du réseau stockent puis déchargent au moins 20 kilowatts de puissance sur une période d'une heure, être capable d'au moins 5, 000 recharges, et avoir une durée de vie utile de 10 ans ou plus. Pour le rendre pratique, un tel système de batterie devrait coûter 2 $, 000 ou moins, ou 100 $ par kilowattheure.

Ancien secrétaire du Département de l'énergie et lauréat du prix Nobel Steven Chu, maintenant professeur à Stanford, a un intérêt de longue date à encourager les technologies pour aider la transition de la nation vers les énergies renouvelables.

« Alors que les matériaux et la conception précis doivent encore être développés, ce prototype démontre le type de science et d'ingénierie qui suggèrent de nouvelles façons d'atteindre un faible coût, batteries utilitaires longue durée, " dit Chu, qui n'était pas membre de l'équipe de recherche.

S'éloigner du carbone

Selon les estimations du DOE, environ 70 pour cent de l'électricité américaine est produite par des centrales au charbon ou au gaz naturel, qui représentent 40 pour cent des émissions de dioxyde de carbone. Le passage à la production éolienne et solaire est un moyen de réduire ces émissions, mais cela crée un nouveau défi impliquant la variabilité de l'alimentation électrique. De toute évidence, le soleil ne brille que le jour et, parfois, le vent ne souffle pas.

Mais une autre forme de variabilité moins bien comprise mais importante provient des augmentations de la demande sur le réseau - ce réseau de fils à haute tension qui distribuent l'électricité dans les régions et, finalement, dans les foyers. Un jour chaud, quand les gens rentrent du travail et allument la climatisation, Les services publics doivent avoir des stratégies d'équilibrage de charge pour répondre à la demande de pointe :un moyen d'augmenter la production d'électricité en quelques minutes pour éviter les baisses de tension ou les pannes qui pourraient autrement entraîner une panne du réseau.

Aujourd'hui, les services publics y parviennent souvent en démarrant des centrales électriques à la demande ou « dispatchables » qui peuvent rester inactives une grande partie de la journée, mais peut être mis en ligne en quelques minutes - produisant de l'énergie rapidement mais augmentant les émissions de carbone. Certains services publics ont développé un équilibrage de charge à court terme qui ne repose pas sur des centrales à combustible fossile. L'effet le plus courant et le plus coûteux d'une telle stratégie est le stockage hydroélectrique par pompage :utiliser l'excès d'énergie pour envoyer l'eau en amont, puis le laisser redescendre pour générer de l'énergie pendant les pics de demande. Cependant, le stockage hydroélectrique ne fonctionne que dans les régions avec l'eau et l'espace, ainsi, pour rendre l'éolien et le solaire plus utiles, le DOE a encouragé les batteries à haute capacité comme alternative.

Grande capacité, à bas prix

Cui a déclaré qu'il existe plusieurs types de technologies de batteries rechargeables sur le marché, mais il n'est pas clair quelles approches répondront aux exigences du DOE et prouveront leur faisabilité aux services publics, régulateurs et autres parties prenantes qui entretiennent le réseau électrique du pays.

Par exemple, Cui a dit des batteries rechargeables au lithium-ion, qui stockent les petites quantités d'énergie nécessaires au fonctionnement des téléphones et ordinateurs portables, sont basés sur des matériaux rares et sont donc trop chers pour stocker de l'électricité pour un quartier ou une ville. Cui a déclaré que le stockage à l'échelle du réseau nécessite un faible coût, grande capacité, batterie rechargeable et le procédé manganèse-hydrogène semble prometteur.

"Les autres technologies de batteries rechargeables coûtent facilement plus de 5 fois ce coût sur la durée de vie, " ajouta Cui.

Chen a dit la nouvelle chimie, des matériaux à faible coût et une relative simplicité ont rendu la batterie au manganèse-hydrogène idéale pour un déploiement à faible coût à l'échelle du réseau.

« La percée que nous rapportons dans Énergie naturelle a le potentiel de répondre aux critères d'échelle de grille du DOE, " dit Chen.

Le prototype a besoin d'un travail de développement pour faire ses preuves. D'une part, il utilise du platine comme catalyseur pour stimuler les réactions chimiques cruciales à l'électrode qui rendent le processus de recharge efficace, et le coût de cette composante serait prohibitif pour un déploiement à grande échelle. Mais Chen a déclaré que l'équipe travaillait déjà sur des moyens moins coûteux d'amadouer le sulfate de manganèse et l'eau pour effectuer l'échange d'électrons réversible.

« Nous avons identifié des catalyseurs qui pourraient nous amener en dessous de l'objectif de 100 $ par kilowattheure du DOE, " il a dit.

Les chercheurs ont rapporté avoir fait 10, 000 recharges des prototypes, qui est le double des exigences du DOE, mais disons qu'il sera nécessaire de tester la batterie manganèse-hydrogène dans des conditions réelles de stockage sur le réseau électrique afin d'évaluer véritablement ses performances et son coût sur sa durée de vie.

Cui a déclaré qu'il avait cherché à breveter le processus par le biais du Stanford Office of Technology Licensing, et envisage de former une société pour commercialiser le système.

Yi Cui est également professeur à la Direction de la science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory, et Senior Fellow de l'Institut de l'énergie de Précourt, membre de Stanford Bio-X et du Stanford Neurosciences Institute. Les coauteurs supplémentaires incluent Guodong Li, un chercheur invité en science et ingénierie des matériaux et maintenant avec l'Académie chinoise des sciences; boursiers postdoctoraux Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen et Jiangyan Wang; chercheur invité Hao Zhang; et les étudiants diplômés Zheng Liang, Yuzhang Li et Allen Pei.