Les piles sont partout. Ils sont dans nos téléphones, nos avions, nos voitures à essence, même - dans le cas de personnes portant un stimulateur cardiaque ou un autre dispositif médical implanté - notre corps.
Les batteries qui vont vraiment compter dans le futur, cependant, ne sont pas celles qui vous aideront à jouer à Angry Birds sur votre téléphone pendant 12 heures d'affilée ou à démarrer votre véhicule par une froide matinée d'hiver. Les batteries susceptibles de transformer les perspectives énergétiques mondiales alimenteront les véhicules électriques et assureront le stockage du réseau électrique.
«Si vous pouviez agir avec une baguette magique et résoudre les problèmes énergétiques du monde, il vous suffirait de changer une chose: les batteries», explique Ralph Eads, vice-président de la banque d'investissement Jeffries LLC, qui investit dans les nouvelles technologies énergétiques.
Le problème de l’énergie n’est pas que nous n’en avons pas assez; De nouvelles technologies telles que le forage horizontal et la fracturation hydraulique, ou «fracturation», ont récemment permis de débloquer des quantités de combustibles fossiles inimaginables il y a seulement dix ans. Le problème est que notre dépendance à l'égard de ces combustibles fossiles pour la majeure partie de notre énergie est gravement malsaine, provoquant des millions de décès prématurés chaque année et modifiant le climat de manière radicale et imprévisible.
Mais les combustibles fossiles ne sont pas une source d'énergie populaire simplement parce qu'ils sont si abondants. Ils sont populaires parce qu'ils peuvent stocker beaucoup d'énergie dans un petit espace. Les batteries stockent également de l'énergie, mais dans une comparaison livre à livre, elles ne peuvent tout simplement pas rivaliser. Le meilleur endroit pour démontrer cette différence est dans une voiture:
La batterie de la Toyota Prius hybride consomme environ 225 wattheures par livre. C'est la densité d'énergie de la batterie de voiture - la quantité d'énergie qui peut être stockée par unité de volume ou de poids. L'essence de cette Prius contient 6 000 wattheures par livre. La différence de densité énergétique entre les carburants à base de pétrole liquide et même les batteries les plus sophistiquées crée un scénario dans lequel une Suburban de 7 200 livres peut parcourir 650 kilomètres avec un réservoir d'essence et une Nissan Leaf entièrement électrique, qui pèse moins de la moitié de ce poids., n’a qu’une portée d’environ 100 milles.
Et bien que près de 80% des trajets en voiture effectués par les Américains parcourent moins de 40 km, une étude de la consommation a montré que les conducteurs souffrent d’anxiété. Ils veulent des voitures capables de faire de longs trajets en voiture, mais aussi de se rendre au travail. les courses en ville.
La densité d'énergie est restée la bête noire des piles pendant 100 ans. Chaque fois qu'une nouvelle technologie ou conception qui augmente la densité énergétique augmente, un autre aspect crucial des performances de la batterie - disons la stabilité à haute température ou le nombre de fois qu'elle peut être vidangée et rechargée - en souffre. Et quand l'un de ces aspects est amélioré, la densité d'énergie en souffre.
La technologie du phosphate de fer et de lithium en est un bon exemple. Ces batteries, du fabricant chinois BYD, sont largement utilisées dans les véhicules électriques et hybrides du sud de la Chine. Elles se chargent plus rapidement que les batteries lithium-ion utilisées dans d’autres véhicules électriques, tels que la Leaf, mais elles sont moins denses en énergie.
Un autre aspect très apprécié dans la conception des batteries est le nombre de fois où les batteries peuvent être chargées et déchargées sans perdre leur capacité à stocker de l'énergie. Les batteries au nickel-métal hydrure, ou NiMH, qui sont la bête de somme des véhicules hybrides, notamment les Prius et les hybrides Escape de Ford depuis plus de dix ans, se débrouillent bien dans cette catégorie. Ted J. Miller, qui travaille sur la technologie de batterie de pointe pour Ford Motor Company, a déclaré que Ford avait retiré les batteries des hybrides Escape utilisés pour 260 000 km de taxi à San Francisco et avait découvert qu'ils disposaient encore de 85% de leur capacité d'origine. . Cette durabilité est un avantage, mais pour les véhicules purement électriques, les batteries NiMH sont beaucoup plus lourdes pour la même quantité d’énergie stockée par une batterie lithium-ion; le poids supplémentaire diminue l'autonomie du véhicule. Les piles NiMH sont également toxiques - évitez donc de les jeter à la poubelle quand elles sont à court de jus - elles doivent être recyclées. Et comme le nickel sera peut-être plus rare à l'avenir que le lithium, ces batteries pourraient coûter plus cher.
Les batteries polymères lithium-ion ont une densité d'énergie légèrement supérieure à celle des versions lithium-ion classiques (un prototype de véhicule Audi parcourait une distance de 60 km) sur une seule charge, mais elles ne peuvent pas être chargées et épuisées aussi souvent, de sorte qu'elles ont une endurance moindre.
Il convient de rappeler que, malgré ces limitations, les batteries conçues pour alimenter les voitures ont parcouru un long chemin depuis relativement peu de temps. Il y a tout juste 40 ans, une batterie dont la densité d'énergie était inférieure à la moitié de celle des véhicules hybrides et électriques considéré comme un rêve exotique - et ils sont appelés à s’améliorer davantage. «Nous voyons une voie claire pour doubler la capacité de la batterie», déclare Miller de Ford. «Sans changer radicalement la technologie, mais en améliorant le processus, nous avons des batteries automobiles de haute qualité avec le même contenu énergétique que celles que nous trouvons aujourd'hui sur les appareils portables.»
Une telle batterie pour véhicules 100% électriques transformerait le transport en le rendant beaucoup plus écologique. Les transports représentent environ 27% des émissions de gaz à effet de serre des États-Unis et environ 14% des émissions mondiales. Quatre-vingt-quinze pour cent des véhicules de tourisme américains fonctionnent au pétrole. Si ces voitures et ces camions pouvaient être remplacés par des véhicules électriques, cela réduirait considérablement la pollution, même si l'électricité continue à provenir principalement du charbon, a déclaré le ministère de l'Énergie. En effet, les moteurs à combustion interne sont tellement inefficaces, perdant jusqu'à 80% de leur énergie pour chauffer, tandis que les moteurs électriques consacrent la quasi-totalité de leur énergie à la propulsion du véhicule.
Les batteries peuvent également jouer un rôle dans le changement de source d'électricité en stockant de l'énergie produite à partir de sources renouvelables telles que le vent et le solaire. Alors que les services publics ont augmenté le pourcentage d’électricité qu’ils produisent à partir de ces sources, le principe directeur a été que des centrales électriques au gaz naturel seraient nécessaires pour répondre à la demande lorsque les éoliennes et les cellules photovoltaïques ne produisent pas. Si l'excédent d'énergie renouvelable produit lorsque la demande est faible pouvait être transféré à une batterie, stocké sans perte importante et évacué rapidement lorsque la demande augmentait - et si le système était suffisamment bon marché -, il serait inutile de recourir aux énergies renouvelables alimentées au charbon. remplacer, et les centrales au gaz naturel considérées essentielles pour accompagner l’énergie éolienne et solaire.
«Les batteries de gros volumes capables de différer l’énergie changeraient la donne, a déclaré Peter Rothstein, président du New England Clean Energy Council.
Les batteries qui stockent de l'énergie pour le réseau ont des exigences différentes de celles utilisées dans les voitures, car les véhicules ont besoin de batteries relativement compactes capables de transférer leur énergie presque instantanément. Les technologies qui ne fonctionnent pas bien pour alimenter les véhicules électriques peuvent donc permettre de stocker de l’énergie pour le réseau.
Les batteries au lithium-air, une technologie relativement nouvelle qui a suscité beaucoup d'enthousiasme, peuvent avoir une densité d'énergie supérieure à celle des batteries au lithium existantes, mais elles fournissent beaucoup moins de l'énergie nécessaire pour accélérer un véhicule, explique M. Ford de Ford. «Si vous avez besoin d'une puissance de 120 kilowatts, avec le lithium-air, vous aurez peut-être besoin de 80 à 100 kilowattheures d'énergie pour répondre à cette exigence», explique Miller. «C’est une batterie très lourde et très lourde.» Cela ne fonctionnerait pas bien dans une voiture. En comparaison, la Ford Focus EV consomme un peu plus de 100 kilowatts avec une batterie de 23 kilowattheures. assis à côté d'un parc éolien.
Les batteries à flux de vanadium, autre développement prometteur, ont également une densité énergétique élevée et un temps de décharge rapide, ce qui les rend idéales pour le stockage. C'est l'application pour laquelle Ron MacDonald, PDG d'American Vanadium, les propose. «Il y a beaucoup de bonnes options de stockage, mais chacune a un problème», reconnaît MacDonald. «Notre problème a toujours été le coût initial, car nous sommes plus chers.» Une batterie au vanadium peut durer 20 ans, «donc nous sommes en dessous de la plupart des autres si vous regardez le coût sur la durée de vie de la batterie». il dit.
Mais le développement du réseau dit «intelligent» - qui utilisera des algorithmes avancés et une technologie de communication pour réagir rapidement à mesure que l'alimentation et la demande du consommateur fluctuent - et le stockage distribué a peut-être rendu moins nécessaires les batteries plus denses en énergie les experts ont pensé dans le passé. Avec des dizaines de milliers de petites batteries dans les voitures, les feux de circulation et ailleurs dans une ville, un service public d'électricité pourrait théoriquement tirer le courant de ces batteries pendant les périodes de forte demande et restituer l'énergie aux clients quelques heures plus tard.
Les services publics peuvent également tenter de changer le moment et la manière dont les gens utilisent l’énergie en facturant des tarifs exorbitants pour les achats d’électricité supérieurs à un certain niveau pendant les périodes de forte demande. On découragera les clients de placer de lourdes charges sur le système, par exemple en faisant fonctionner de gros appareils ou en chargeant leur voiture électrique, pendant ces périodes. Comme les batteries, de telles pratiques auraient pour effet d’aplanir la courbe des besoins de production d’électricité imposée au service public.
«La réponse à la demande jouera un rôle aussi important que le stockage», a déclaré Randy Howard, directeur de la planification et du développement du système d'alimentation au département de l'eau et de l'électricité de Los Angeles.
Néanmoins, Howard aimerait voir une batterie apporter aux services publics le type d’avancée que les producteurs de pétrole et de gaz ont vue. «Nous espérons tous qu'il y aura un saut technologique dans les batteries, mais cela ne s'est pas encore produit», a déclaré Howard. "Nous recherchons notre fracking dans le monde de la batterie."
