Une batterie redox-flow innovante

Environ 12 % de la production d'électricité à l'échelle industrielle aux États-Unis provient actuellement de sources éoliennes et solaires, qui fluctuent en fonction des conditions météorologiques quotidiennes. Pour que l'éolien et le solaire jouent un rôle plus important dans la décarbonisation du réseau électrique tout en répondant de manière fiable à la demande des consommateurs, les opérateurs de réseau reconnaissent la nécessité de déployer des systèmes de stockage de l'énergie, mais ceux-ci ne se sont pas encore avérés rentables à l'échelle.

Une batterie d'oxydo-réduction innovante, dont le développement commercial est en cours, pourrait contribuer à faire pencher la balance. Se distinguant par l'utilisation d'un électrolyte organique aqueux, cette batterie à écoulement a été mise au point par des spécialistes des matériaux et des chimistes de Harvard dirigés par Michael Aziz et Roy Gordon à l'école d'ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS) et au département de chimie et de biologie chimique. L'Office of Technology Development (OTD) de Harvard a accordé à Quino Energy une licence exclusive et mondiale pour commercialiser des systèmes de stockage d'énergie utilisant la chimie identifiée par les laboratoires, notamment des composés de quinone ou d'hydroquinone comme matériaux actifs dans l'électrolyte. Les fondateurs de Quino estiment que le système peut offrir des avantages qui changent la donne en matière de coût, de sécurité, de stabilité et de puissance.

"Le coût de l'électricité éolienne et solaire a tellement baissé que le principal obstacle à l'obtention de la grande majorité de notre électricité à partir de ces sources renouvelables est leur intermittence. Un moyen de stockage sûr, évolutif et rentable pourrait résoudre ce problème", a déclaré M. Aziz, qui est titulaire de la chaire Gene et Tracy Sykes de matériaux et de technologies énergétiques au SEAS de Harvard et membre associé de la faculté du Centre pour l'environnement de l'université de Harvard. Il est cofondateur de Quino Energy et siège à son conseil consultatif scientifique. "Pour le stockage stationnaire à l'échelle du réseau, vous voulez être en mesure de faire fonctionner votre ville pendant la nuit et lorsque le vent ne souffle pas, sans brûler de combustibles fossiles. Dans un schéma météorologique typique, il peut se passer deux ou trois jours sans vent, et il se passera certainement huit heures sans soleil. Il peut donc être très utile de disposer d'une durée de décharge à la puissance nominale de 5 à 20 heures. C'est le point idéal pour les batteries à flux, où nous pensons qu'elles peuvent être particulièrement compétitives par rapport aux batteries lithium-ion à plus courte durée."

"Le stockage sur réseau et micro-réseau à plus longue durée est une opportunité énorme et croissante, en particulier ici en Californie où nous faisons la démonstration de nos prototypes", a déclaré Eugene Beh, PhD, cofondateur et PDG de Quino Energy. Originaire de Singapour, Beh a obtenu son baccalauréat et sa maîtrise à Harvard en 2009 et son doctorat à l'université de Stanford. Il est retourné à Harvard en tant que chercheur postdoctoral de 2015 à 2017.

Par rapport à d'autres batteries à écoulement qui reposent sur des métaux coûteux, extraits de mines et peu évolutifs, comme le vanadium, la mise en œuvre organique et hydrosoluble de l'équipe de Harvard pourrait constituer une approche plus abordable et plus pratique. Seize inventeurs, en plus de Gordon et Aziz, ont mis à profit leur expertise en science des matériaux et en synthèse chimique pour identifier, créer et tester des familles de molécules présentant une densité énergétique, une solubilité, une stabilité et un coût de synthèse favorables. Plus récemment, dans une publication parue dans Nature Chemistry en juin 2022, ils ont fait la démonstration d'un système complet de batterie à écoulement qui surmonte la propension de ces molécules d'anthraquinone à se décomposer avec le temps. En soumettant le système à une impulsion de tension occasionnelle, ils ont pu recomposer électrochimiquement les molécules porteuses d'énergie, prolongeant considérablement la durée de vie du système et réduisant ainsi son coût global.

"Nous avons conçu et redessiné des versions de ces produits chimiques en gardant à l'esprit la stabilité à long terme, c'est-à-dire que nous avons essayé de les battre de diverses manières", a déclaré Gordon, professeur émérite de chimie et de biologie chimique Thomas D. Cabot, et conseiller scientifique de Quino. "Nos étudiants ont fait preuve d'une grande diligence pour identifier les molécules capables de résister aux conditions qu'elles rencontreront dans une batterie dans différents états. Sur la base de nos résultats, nous sommes optimistes quant au fait que les batteries à flux remplies d'éléments bon marché et abondants ont le potentiel de répondre au besoin futur de stockage amélioré de l'électricité."

En plus d'avoir été sélectionnée pour participer aux cohortes 2022 du Harvard Climate Entrepreneur's Circle, du Berkeley Haas Cleantech to Market program, et du Rice Alliance Clean Energy Accelerator, où elle a été nommée l'une des startups les plus prometteuses dans le domaine des technologies de l'énergie, Quino a été sélectionnée par le U.Quino a été sélectionné par le ministère américain de l'énergie (DOE) pour recevoir un financement non dilutif de 4,58 millions de dollars du DOE Advanced Manufacturing Office, qui soutiendra le développement de l'entreprise d'un processus évolutif, continu et rentable pour la synthèse de réactifs aqueux et organiques pour batteries à flux.

M. Beh ajoute : "Nous sommes reconnaissants au DOE pour son généreux soutien. Le procédé en question pourrait permettre à Quino de créer des réactifs de batterie de flux à haute performance à partir des matières premières par le biais d'une réaction électrochimique qui peut être réalisée à l'intérieur même de la batterie de flux. Si nous réussissons, il n'y aura pas besoin d'usine chimique - la batterie à écoulement est l'usine elle-même - ce qui, selon nous, permettra d'atteindre les faibles coûts de production nécessaires au succès commercial."

Grâce aux investissements dans les nouvelles technologies, le DOE vise une réduction de 90 % du coût du stockage de l'énergie à l'échelle du réseau et de longue durée, par rapport à une base lithium-ion, au cours de cette décennie. Une partie de la subvention du DOE accordée à Quino, par le biais d'une relation de sous-traitance, soutiendra des études supplémentaires visant à innover dans la chimie des batteries à écoulement à Harvard.

"La solution de stockage d'énergie de longue durée de Quino Energy offre un outil important aux décideurs politiques et aux opérateurs de réseaux, alors que nous cherchons à atteindre le double objectif politique d'augmenter la pénétration des énergies renouvelables tout en maintenant la fiabilité des réseaux", a déclaré Brett Perlman, ancien commissaire des services publics du Texas et actuel PDG du Center for Houston's Future.

Perlman est également conseiller auprès de Quino Energy.

La subvention de 4,58 millions de dollars du DOE est complétée par le récent tour de table de Quino : la société a levé 3,3 millions de dollars auprès d'un groupe d'investisseurs dirigé par ANRI, l'une des sociétés de capital-risque les plus actives en phase d'amorçage et de démarrage, basée à Tokyo. TechEnergy Ventures, la branche de capital-risque de la division "transition énergétique" du groupe Techint, a également participé à cette opération.

Outre Beh, Aziz et Gordon, l'ingénieur chimiste Meisam Bahari, PhD, est cofondateur de Quino Energy. Ancien chercheur postdoctoral à Harvard, il est aujourd'hui directeur de la technologie de l'entreprise.

"Les marchés de l'électricité ont désespérément besoin d'un stockage de longue durée à moindre coût pour atténuer la volatilité des conditions météorologiques extrêmes sur notre réseau et pour aider à intégrer une forte pénétration des énergies renouvelables", déclare Joseph Santo, directeur des investissements chez Arevon Energy et conseiller de Quino Energy.

Il poursuit : "Les batteries lithium-ion sont confrontées à des vents contraires importants dus aux difficultés de la chaîne d'approvisionnement, à une augmentation de 5 fois du coût du carbonate de lithium au cours de l'année dernière et aux demandes concurrentes des fabricants de véhicules électriques. Il est convaincant que la solution de Quino puisse être produite aux États-Unis à partir de matières premières facilement disponibles et qu'elle puisse atteindre une durée plus longue."

Les recherches menées à Harvard, qui ont permis de mettre au point les innovations cédées sous licence à Quino Energy, ont été soutenues par des subventions de recherche universitaire du DOE, de la National Science Foundation et du National Renewable Energy Laboratory. Le laboratoire d'Aziz a également reçu des fonds pour la recherche expérimentale dans ce domaine de la part du Massachusetts Clean Energy Center. Comme dans tous les accords de licence de Harvard, l'université réserve les droits des institutions de recherche à but non lucratif de continuer à fabriquer et à utiliser la technologie sous licence à des fins de recherche, d'éducation et d'érudition.