Zinc
Au cours des sept dernières années, 110 villages d’Afrique et d’Asie ont été alimentés en électricité par des batteries utilisant le zinc et l’oxygène, la base d’un système de stockage d’énergie développé par NantEnergy, basé en Arizona.
L’approvisionnement abondant, la stabilité fondamentale et le faible coût du zinc en font une alternative attrayante au lithium, mais les efforts pour le rendre commercialement viable à l’échelle ont été rares. Le système de batterie zinc-air de NantEnergy remplace une deuxième électrode par une électrode qui « respire de l’air », utilisant l’oxygène de l’atmosphère pour extraire l’énergie du zinc.
Selon un rapport publié par Lux Research, « le zinc-air est une chimie bien adaptée aux micro-réseaux, fournissant une solution de stockage d’énergie bon marché ». Les batteries à flux peinent à s’adapter à la taille d’un micro-réseau typique, et les batteries lithium-ion ne sont pas compétitives en termes de coût. »
Important, NantEnergy a également développé une technique permettant au zinc de conserver sa charge pendant de longues périodes, résolvant ainsi le problème habituel de la réutilisation limitée des batteries zinc et zinc-air. Selon l’entreprise, cette méthode peut être fabriquée localement sans matériaux rares ou coûteux, ce qui réduit la dépendance aux importations et contribue aux emplois et aux économies locales.
Les batteries zinc-air ne contiennent également aucun composé toxique et ne sont ni très réactives ni inflammables, ce qui permet de les recycler et de les éliminer en toute sécurité.
Cependant, bien que le zinc soit l’un des métaux les plus abondants sur Terre, son utilisation à l’échelle comme alternative au lithium pourrait poser des problèmes à l’avenir. Sri Narayan, professeur de chimie à l’université de Californie du Sud, a déclaré au New York Times : « Au rythme actuel de production de zinc, les réserves de zinc dureront environ 25 ans. »
« Il n’est donc pas clair, à partir des réserves disponibles, si nous aurons assez de zinc pour soutenir l’énorme besoin qui résultera de la demande de batteries à l’échelle du réseau. »
Sodium-soufre
Les batteries sodium-soufre sont une autre alternative au lithium, et ont déjà vu une utilisation significative à l’échelle dans des sites à travers le monde.
En février 2019, Abu Dhabi a installé la plus grande batterie de stockage au monde qui fait usage de cellules de batterie sodium-soufre. Elle est cinq fois plus grande que la deuxième plus grande batterie de stockage à 108 mégawatts (MW)/648 mégawattheures (MWh).
Les batteries sodium-soufre ont une durée de vie plus longue que leurs homologues au lithium-ion, avec des durées de vie d’environ 15 ans contre les deux ou trois ans attendus des batteries au lithium. Le sodium et le soufre sont également des matériaux abondants et peu coûteux, ce qui atténue l’un des principaux problèmes des batteries au lithium.
Pour autant, la manipulation du sodium et du soufre comporte des risques en raison de la nature volatile des deux réactifs. Le sodium liquide entrant en contact avec l’eau dans l’atmosphère présente un risque important en raison de la réaction hautement exothermique, qui pourrait devenir explosive lorsqu’on travaille à l’échelle.
Les usines de batteries sodium-soufre et les installations qui les utilisent ont été le théâtre de plusieurs incendies, comme celui de 2011 à l’usine de Tsukuba au Japon qui a poussé le fabricant NGK à suspendre temporairement la production de ses batteries sodium-soufre.
Un autre inconvénient des batteries sodium-soufre est la température de fonctionnement élevée de 300 °C, qui est nécessaire pour liquéfier le sodium. Ces températures élevées pourraient endommager la membrane céramique séparant les composants anodiques et cathodiques de la batterie, et pourraient également exacerber la volatilité des réactifs dans les batteries.
Piles à combustible à l’hydrogène
L’hydrogène a été présenté par un certain nombre de sociétés d’énergie comme une alternative neutre en carbone au gaz naturel liquéfié, et les piles à combustible à l’hydrogène sont également développées comme une alternative aux batteries traditionnelles au lithium.
Les piles à combustible à l’hydrogène ont un rapport énergie/poids dix fois supérieur à celui des batteries au lithium, en raison de l’utilisation d’hydrogène et d’oxygène comme réactifs. Cela signifie que les piles à hydrogène peuvent être plus légères et occuper des espaces plus petits tout en fournissant une puissance équivalente à celle des batteries au lithium, ce qui permet d’économiser les ressources.
L’hydrogène est extrêmement abondant dans l’atmosphère, ce qui en fait une alternative attrayante aux matériaux dont l’approvisionnement est limité, comme le lithium ou le zinc.
Les piles à combustible à hydrogène ont également une plus grande autonomie que les batteries au lithium et ne produisent que de l’eau et de la chaleur dans le cadre du processus de production d’énergie, présentant une source d’énergie efficace et neutre en carbone par rapport aux batteries conventionnelles.
Bien que les processus de fabrication des batteries (et des appareils qu’elles alimentent) libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, cet effet peut être atténué en alimentant les processus avec des sources d’énergie renouvelables. Les piles à hydrogène consomment également moins de dioxyde de carbone à la fabrication que les piles au lithium en vertu du fait qu’elles ne nécessitent pas d’efforts d’extraction à forte intensité énergétique.
Cependant, les piles à hydrogène sont une technologie relativement nouvelle et présentent leurs propres inconvénients.
Comme le sodium, l’hydrogène est hautement inflammable et peut réagir de manière explosive s’il n’est pas manipulé correctement. La modération de la température des piles à combustible est importante pour éviter les réactions volatiles, et parce que les piles à combustible ont besoin d’eau liquide pour fonctionner, par opposition à la vapeur ou à la glace.
Le stockage de l’hydrogène est coûteux et consomme beaucoup d’énergie, à la fois sous forme de gaz et stocké sous forme liquide à basse température. Malgré son abondance dans l’atmosphère, l’hydrogène est également difficile et coûteux à produire et à transporter, en particulier à l’échelle.
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