Un nouveau système de stockage d'énergie combine batterie et électrolyseur
Un outil pour la transition énergétique : seulement un dixième du coût des matériaux d'une batterie lithium-ion
Un consortium de recherche auquel participe l'Université technique de Berlin travaille sur un nouveau type de pile zinc-hydrogène capable de stocker l'électricité avec un rendement élevé et de libérer non seulement de l'énergie électrique mais aussi de l'hydrogène lors de la décharge. Pour ce faire, l'électrode négative de zinc de la pile est combinée au principe de l'électrolyse alcaline de l'eau. La contre-électrode positive utilisée est une électrode à gaz spéciale hydrogène/oxygène qui sert d'électrocatalyseur. Les premiers tests du nouveau système de stockage d'énergie ont montré un rendement de 50 pour cent pour le stockage de l'électricité et de 80 pour cent pour la production d'hydrogène, avec une durée de vie prévue de dix ans.
Le tournant énergétique en Allemagne nécessite non seulement des installations efficaces pour produire de l'énergie électrique renouvelable à partir du vent et de la lumière du soleil, mais aussi des technologies de stockage et de transport économiques et efficaces. C'est la seule façon d'acheminer l'énergie verte de ses lieux de production vers les agglomérations et les centres industriels allemands et de compenser les fluctuations naturelles de sa production. "Dans l'esprit du public, les technologies des batteries et de l'hydrogène étaient jusqu'à présent en concurrence", explique le professeur Peter Strasser, directeur du département "Electrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences" à l'université technique de Berlin. "La nouvelle approche de notre projet de consortium montre qu'il vaut la peine de remettre en question cette façon de penser et de choisir au contraire le meilleur des deux mondes".
L'électrolyse de l'eau en deux étapes - réparties entre la décharge et la charge
"Le cœur de notre nouvelle batterie combinée est une électrode à gaz bifonctionnelle et catalytiquement active", explique Strasser. Elle se trouve, avec l'électrode négative de zinc, dans un électrolyte liquide composé d'hydroxyde de potassium et d'eau, c'est-à-dire de potasse caustique. Lors du processus de décharge, le catalyseur de l'électrode à gaz sépare les molécules d'eau (H2O) des molécules d'hydrogène (H2). Cet hydrogène s'échappe et peut être stocké et réutilisé. En même temps, les ions OH électriquement négatifs se déplacent dans l'électrolyte vers l'électrode de zinc. Là, ils réagissent avec le zinc et forment de l'oxyde de zinc (ZnO) et de l'eau en libérant des électrons. Ce processus de décharge fournit donc simultanément de l'énergie électrique utilisable et de l'hydrogène gazeux.
"Ce n'est que lorsque la pile est rechargée que la deuxième partie de l'électrolyse, à savoir le dégagement d'oxygène, se produit", explique Strasser. À l'aide d'énergie électrique et d'électrons provenant de l'extérieur, l'électrode en oxyde de zinc est à nouveau réduite en zinc métallique, des ions OH se forment, qui migrent maintenant vers l'électrode à gaz où ils sont transformés en eau par le catalyseur, ce qui laisse échapper de l'oxygène (4 OH → 2 H2O + O2). Pour que ces processus puissent se dérouler en continu, le nouvel accumulateur d'énergie doit être alimenté en eau dans la quantité dans laquelle l'hydrogène et l'oxygène s'échappent.
Bon rendement, matières premières bon marché, recyclage facile
"La particularité de cette batterie Zn-H2 est donc que, lors de la décharge, l'énergie est fournie à la fois sous forme d'électricité et d'hydrogène gazeux", explique Peter Strasser. "L'hydrogène peut ensuite soit être utilisé directement comme matière première dans les processus de l'industrie chimique, soit être transformé en électricité dans des piles à combustible ou des turbines traditionnelles, soit être utilisé comme combustible pour la chaleur dans des centrales à gaz ou des réseaux de chauffage urbain". Par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, la nouvelle batterie utilise exclusivement des matières premières beaucoup moins chères (acier, zinc, hydroxyde de potassium, eau), qui coûtent environ dix fois moins cher. De plus, elles rendent la batterie facilement recyclable.
Les premiers tests effectués à l'Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM), qui est également à la tête du consortium, ont déjà montré de très bons rendements de la nouvelle batterie. Avec un rendement global du stockage "électricité vers électricité" de 50 pour cent, celui-ci est deux fois plus élevé que celui de la plupart des technologies power-to-gas, dans lesquelles, par exemple, l'électricité issue de l'énergie éolienne est transformée en gaz hydrogène par électrolyse traditionnelle, puis l'hydrogène est reconverti en électricité à l'aide de turbines ou de piles à combustible. Pour la production d'hydrogène, le rendement est même de 80 %. De plus, les tests en laboratoire suggèrent une durée de vie des systèmes d'environ dix ans.
Mise en place d'un démonstrateur d'ici fin 2023
"L'Université technique de Berlin a surtout apporté au consortium notre expérience en matière d'électrolyse alcaline de l'eau ainsi que notre expertise de longue date en matière de technologie des catalyseurs", explique Peter Strasser. Les chercheurs* veulent maintenant mettre en place un démonstrateur et effectuer des tests de fiabilité d'ici la fin de l'année. Les paramètres de charge et de décharge doivent être optimisés de manière à permettre un fonctionnement stable sur plusieurs milliers de cycles. Par l'intermédiaire de l'entreprise Zn2H2 GmbH, qui fait également partie du consortium et qui a déjà déposé plusieurs brevets sur le procédé, une mise sur le marché rapide serait garantie en cas de résultats positifs des expériences sur le démonstrateur.
Les autres partenaires du consortium du projet sont Steel PRO Maschinenbau GmbH, le Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) ainsi que le Fritz-Haber-Institut de la Max-Planck-Gesellschaft. Le projet, dont l'abréviation est "Zn-H2", est soutenu par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) sous le numéro de subvention 03SF0630A et se poursuivra jusqu'en septembre 2025.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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