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L’âge du fer attend avec impatience son retour après des siècles restés dans l’ombre, et la transition énergétique lui offre enfin un nouveau départ. Le fer est l'ingrédient clé des nouvelles plates-formes de stockage d'énergie à grande échelle et de longue durée qui achemineront davantage de ressources renouvelables vers le réseau, garantissant ainsi la résilience et la fiabilité même lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas.

Pourquoi avons-nous besoin de nouvelles plates-formes de stockage d’énergie, de toute façon ?

Les batteries lithium-ion sont devenues la technologie de stockage d’énergie incontournable pour les ressources renouvelables. Ils atténuent les variations de l'électricité produite par les éoliennes et les panneaux solaires pendant quelques heures à la fois, ce qui est suffisant pour gérer la plupart des tâches quotidiennes de gestion du réseau ainsi que pour fournir une alimentation de secours en cas de besoin.

Néanmoins, cette année, le ministère américain de l’Énergie lance un nouvel accélérateur technologique de pointe en matière de stockage d’énergie, d’une valeur de 75 millions de dollars, appelé Grid Storage Launchpad, et la grande question est de savoir pourquoi. Les batteries lithium-ion peuvent s'étendre à l'échelle du réseau, comme l'illustre l'énorme 750 mégawatts Réseau de batteries lithium-ion de Moss Landing en Californie.

Le ministère américain de l’Énergie est prêt à apporter une réponse. Ils ont défendu la cause pendant longue durée des plateformes de stockage d’énergie pouvant durer au moins 10 heures, voire beaucoup plus, pour s’adapter à un réseau saturé de ressources énergétiques intermittentes. Aussi grande soit-elle, l'installation de Moss Landing n'offre qu'une durée de décharge de quatre heures.

« Alors que des systèmes de stockage de plus courte durée sont actuellement installés pour soutenir le niveau actuel de production d'énergie renouvelable, des technologies de stockage de plus longue durée sont nécessaires à mesure que davantage d'énergies renouvelables sont déployées sur le réseau », explique le ministère de l'Énergie.

En plus d'allonger la durée du système, le ministère de l'Énergie cherche également à réduire les coûts de 90 %, en partie en déployant des matériaux abondants sur Terre qui ne sont pas exposés à des coûts élevés, aux risques de chaîne d'approvisionnement, aux problèmes de toxicité et aux risques d'incendie.

Une alternative éprouvée existe déjà sous la forme de systèmes de stockage d'hydroélectricité par pompage. Cependant, leur application est géographiquement limitée en raison des exigences en matière d’eau et d’altitude. Les questions socioculturelles et environnementales peuvent également présenter des obstacles, même si reconversion d'anciens sites d'énergie fossile peut offrir une option moins controversée.

Le retour de l’âge du fer, encore une fois

L'âge du fer est une relique de la comptabilité historique du XIXe siècle, qui divise l'histoire humaine ancienne en trois périodes chronologiques définies par un matériau clé : l'âge de pierre, l'âge du bronze et l'âge du fer. Bien entendu, aucun de ces matériaux n’a jamais complètement quitté la scène. Le fer (symbole chimique Fe) est notamment un élément important de l’économie industrielle moderne, notamment grâce à son utilisation dans la fabrication de l’acier. Être le quatrième élément le plus abondant à la surface de la Terre est également utile.

Le fer a déjà commencé à s'imposer dans le domaine du stockage d'énergie à petite échelle, un exemple étant le nouveau batterie EV lithium-fer-phosphate développé par la célèbre société chinoise CATL.

Les innovateurs en matière de stockage d’énergie à grande échelle commencent également à redécouvrir le fer, avec l’aide du ministère de l’Énergie. Un exemple est la startup américaine ESS. L'entreprise a reçu un financement du bureau ARPA-E du ministère de l'Énergie pour des projets à haut risque et à haute récompense en 2012, afin de l'aider à commercialiser sa nouvelle batterie à flux à base de fer.

Les batteries à flux déploient la capacité de deux fluides spécialisés à générer de l’électricité lorsqu’ils circulent l’un à côté de l’autre, séparés par une fine membrane. ESS a pris le ballon et a couru avec.

« ESS a présenté son batterie à flux tout fer à Intersolar North America en 2017 et a franchi une autre étape en 2019 lorsque le département américain de la Défense — un grand fan de technologies propres — a installé la batterie à flux Energy Warehouse™ de l'entreprise au camp de base du Corps des Marines Pendleton à San Diego », CleanTechnica noté dans 2021.

Depuis, l’ESS a été plutôt occupée. Entre autres développements récents, l'automne dernier, la société a annoncé une nouvelle collaboration stratégique avec Honeywell.

« La relation s'appuie sur le développement de systèmes de stockage d'énergie par chaque entreprise et associe la conception IFB [batterie à flux de fer] brevetée et leader du marché d'ESS avec l'expertise avancée d'Honeywell en matière de matériaux et de systèmes énergétiques », a expliqué ESS.

L’État du charbon tue le charbon grâce au stockage de l’énergie

Form Energy est une autre entreprise américaine qui exploite le fer pour le stockage d'énergie de longue durée. Sa contribution dans ce domaine est une batterie fer-air, qui exploite la capacité du fer à rouiller et à se reformer. "Les batteries fer-air fonctionnent littéralement en exposant le fer à un courant d'air", CleanTechnica noté en 2021. « Avec l’aide d’un électrolyte et d’une membrane, le résultat est un courant électrique et un tas de rouille. Charger la batterie il s’agit simplement d’appliquer un courant électrique, reformulant la rouille en fer.

Ce n'est en fait pas si simple, mais Form est prêt à commercialiser sa nouvelle plateforme de stockage d'énergie. L'entreprise construit sa première usine en Virginie occidentale, en choisissant la ville industrielle de Weirton sur la rivière Ohio parmi un pool de 500 autres sites proposés.

"L'attraction consistait en partie dans la disponibilité d'une friche industrielle appropriée, l'usine abandonnée de Weirton Steel sur la rivière Ohio", CleanTechnica observé. « L’accès aux corridors de transport fluvial, ferroviaire et routier était un autre facteur. »

La Virginie occidentale a une longue et profonde histoire dans l'industrie des énergies fossiles et elle figure toujours parmi les principaux États producteurs de charbon et de gaz naturel aux États-Unis. Il est donc un peu ironique de voir la Virginie occidentale accueillir une entreprise de stockage d'énergie visant directement à éliminer le charbon. de la situation de la production d’électricité aux États-Unis, et du gaz naturel en plus.

Néanmoins, certains responsables publics de Virginie-Occidentale ont vu ce qui se passait sur le mur de la transition énergétique. Un autre facteur influençant la décision de Form de s'installer en Virginie occidentale est un programme d'incitation de 290 millions de dollars conçu par le ministère du Développement économique de l'État.

Apparemment, le trésorier républicain de l’État, Riley Moore, n’a pas reçu la même note. Même si son État d’origine accueillera bientôt une usine qui permettra d’envoyer de nouvelles technologies de stockage d’énergie de longue durée dans tout le pays, Moore se présente actuellement au Congrès sur une plateforme protectionniste en matière d’énergie fossile. "J'ai stoppé l'agenda éveillé des entreprises, mis fin au registre des armes à feu, lutté pour le choix de l'école et défendu nos emplois contre le lobby radical de l'énergie verte", déclare le site Web de campagne de Moore.

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Plus et meilleur stockage d’énergie à base de fer pour les États-Unis

Tellement pour ça. Pendant ce temps, les chercheurs du Département de l'énergie du Pacific Northwest National Laboratory développent un nouveau batterie à flux à base d'eau à base de fer, dans le but de réduire les coûts et de simplifier la supply chain tout en améliorant les performances.

«Les chercheurs rapportent dans Communications Nature que leur batterie à base de fer à l'échelle du laboratoire présentait une remarquable stabilité de cyclage sur mille cycles de charge consécutifs, tout en conservant 98.7 % de sa capacité maximale », explique PNNL.

"À titre de comparaison, des études antérieures sur des batteries similaires à base de fer ont signalé une dégradation de la capacité de charge deux ordres de grandeur plus élevée, sur un nombre de cycles de charge inférieur", ajoutent-ils.

Comme décrit par PNNL, la nouvelle batterie est unique car elle déploie un produit chimique industriel couramment disponible en grandes quantités, appelé triphosphonate azoté, acide nitrilotri-méthylphosphonique ou NTMPA. Entre autres utilisations, le NTMA est utilisé pour prévenir la corrosion dans les usines de traitement de l’eau.

« Les phosphonates, dont le NTMPA, constituent une large famille chimique basée sur l’élément phosphore. De nombreux phosphonates se dissolvent bien dans l’eau et sont des produits chimiques non toxiques utilisés, entre autres, dans les engrais et les détergents », note le PNNL.

Avec le NTMPA en main, l'équipe de recherche a formulé un électrolyte liquide qui s'adapte au fer dans des conditions ambiantes, contribuant ainsi à simplifier la technologie et à réduire les coûts. Jusqu’à présent, l’équipe a atteint une densité énergétique allant jusqu’à 9 wattheures par litre (Wh/L). C'est bien en dessous de la densité des produits disponibles dans le commerce batteries à circulation de vanadium. Cependant, PNNL prévoit que sa batterie à flux de fer pourra évoluer pour offrir des performances comparables, sans encourir de coûts excessifs.

Restez à l'écoute pour en savoir plus. Le nouveau Barre de lancement du stockage en grille sera lancé plus tard cette année avec pour mission de transférer les nouvelles technologies de stockage d'énergie, comme la nouvelle batterie à flux PNNL, vers des applications commerciales le plus rapidement possible.

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Image : Les chercheurs en stockage d'énergie du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du Département de l'énergie travaillent sur une batterie à flux à base de fer, visant à surpasser les batteries lithium-ion en termes de durée et de coût.

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• La source: https://cleantechnica.com/2024/04/01/energy-storage-innovators-plumb-iron-age-for-new-coal-killing-batteries/