Une batterie de réseau longue durée pourrait être chargée avec de l’énergie renouvelable, puis décharger cette énergie en cas de besoin plusieurs mois plus tard. Crédit : Animation par Sara Levine Pacific Northwest National Laboratory
Une batterie à base de sels fondus marque une étape vers le stockage saisonnier de l’énergie à l’échelle du réseau.
Les scientifiques ont mis au point une batterie conçue pour le réseau électrique qui peut stocker de l’énergie pendant des mois sans perdre beaucoup de capacité de stockage.
La création de la “batterie gel-dégel”, qui gèle son énergie pour une utilisation ultérieure, est un pas en avant vers les batteries qui peuvent être utilisées pour le stockage saisonnier : économiser l’énergie pendant une saison, comme le printemps, et l’utiliser pendant une autre, comme l’automne.
Le prototype est petit, à peu près de la taille d’un palet de hockey. Cependant, la science qui sous-tend le dispositif est extrêmement prometteuse, car elle préfigure le jour où l’énergie provenant de sources intermittentes, telles que le soleil et le vent, pourra être stockée pendant de longues périodes. L’étude réalisée par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’énergie a été publiée en ligne le 23 mars 2022 dans la revue Cell Reports Physical Science.
“Les technologies de stockage d’énergie de plus longue durée sont importantes pour accroître la résilience du réseau lorsqu’il incorpore une grande quantité d’énergie renouvelable”, a déclaré Imre Gyuk, directeur du stockage d’énergie à l’Office de l’électricité du DOE, qui a financé les travaux. “Cette recherche marque une étape importante vers une solution de stockage par batterie saisonnière qui surmonte les limites d’autodécharge des technologies de batterie actuelles.”
Exploiter et conditionner l’énergie de la nature
Les sources renouvelables fluctuent au gré des cycles de la nature. Il est donc difficile de les inclure dans un flux d’électricité fiable et régulier. Au printemps, dans le nord-ouest du Pacifique, par exemple, les rivières chargées d’eau de ruissellement alimentent les barrages hydroélectriques au maximum, tandis que les vents soufflent avec force dans la gorge du Columbia. Toute cette énergie doit être exploitée immédiatement ou stockée pour quelques jours tout au plus.
Les exploitants de réseaux électriques aimeraient exploiter cette énergie printanière, la stocker dans de grandes batteries, puis la restituer à la fin de l’année lorsque les vents de la région sont lents, que les rivières sont basses et que la demande d’électricité atteint des sommets.
Les batteries permettraient également d’améliorer la capacité des services publics à faire face aux pannes de courant pendant les tempêtes violentes, en mettant à disposition de grandes quantités d’énergie pour alimenter le réseau après un ouragan, un feu de forêt ou toute autre calamité.
“C’est un peu comme faire pousser des aliments dans son jardin au printemps, mettre le surplus dans un récipient dans son congélateur, puis le décongeler pour le dîner en hiver”, a déclaré le premier auteur Minyuan “Miller” Li.
La batterie est d’abord chargée en la chauffant à 180 degrés Celsius, allowing ions to flow through the liquid electrolyte to create chemical energy. Then, the battery is cooled to room temperature, essentially locking in the battery’s energy. The electrolyte becomes solid and the ions that shuttle energy stay nearly still. When the energy is needed, the battery is reheated and the energy flows.
The freeze-thaw phenomenon is possible because the battery’s electrolyte is molten salt—a molecular cousin of ordinary table salt. The material is liquid at higher temperatures but solid at room temperature.
The freeze-thaw concept dodges a problem familiar to anyone who has let their car sit unused for too long: a battery that self-discharges as it sits idle. A fast discharge rate, like that of batteries in most cars or laptops, would hamper a grid battery designed to store energy for months. Notably, the PNNL freeze-thaw battery has retained 92 percent of its capacity over 12 weeks.
In other words, the energy doesn’t degrade much; it’s preserved, just like food in a freezer.
Rushing water can be a powerful, perhaps long-lasting, source of renewable energy. Credit: Photo by RomGams | Shutterstock.com
Ordinary ingredients a plus
The team avoided rare, expensive and highly reactive materials. Instead, the aluminum-nickel molten-salt battery is chock full of Earth-abundant, common materials. The anode and cathode are solid plates of aluminum and nickel, respectively. They’re immersed in a sea of molten-salt electrolyte that is solid at room temperature but flows as a liquid when heated. The team added sulfur—another common, low-cost element—to the electrolyte to enhance the battery’s energy capacity.
One of the biggest advantages of the battery is the composition of a component, called a separator, placed between the anode and the cathode. Most higher-temperature molten-salt batteries require a ceramic separator, which can be more expensive to make and susceptible to breakage during the freeze-thaw cycle. The PNNL battery uses simple fiberglass, possible because of the battery’s stable chemistry. This cuts costs and makes the battery sturdier when undergoing freeze-thaw cycles.
“Reducing battery costs is critical. That is why we’ve chosen common, less-expensive materials to work with, and why we focused on removing the ceramic separator,” said corresponding author Guosheng Li, who led the study.
The Grid Storage Launchpad, where scientists will develop and test grid-scale energy storage technologies. Credit: Architectural rendering by Pacific Northwest National Laboratory
The battery’s energy is stored at a materials cost of about $23 per kilowatt-hour, measured before a recent jump in the cost of nickel. The team is exploring the use of iron, which is less expensive, in hopes of bringing the materials cost down to around $6 per kilowatt-hour, roughly 15 times less than the materials cost of today’s lithium-ion batteries.
The battery’s theoretical energy density is 260 watt-hours per kilogram—higher than today’s lead-acid and flow batteries.
Researchers point out that batteries designed for seasonal storage would likely charge and discharge just once or twice a year. Unlike batteries designed to power electric cars, laptops or other consumer devices, they don’t need to last hundreds or thousands of cycles.
“You can start to envision something like a large battery on a 40-foot tractor-trailer parked at a wind farm,” said coauthor Vince Sprenkle, senior strategic advisor at PNNL. “The battery is charged in the spring and then the truck is driven down the road to a substation where the battery is available if needed during the summer heat.”
Battelle, which operates PNNL, has filed for a patent on the technology. More information is available here.
Other authors of the paper include PNNL researchers Evgueni Polikarpov, Nathan Canfield, Mark Engelhard, J. Mark Weller and David Reed, and former PNNL scientist Xiaowen Zhan.
Reference: “A freeze-thaw molten salt battery for seasonal storage” by Minyuan M. Li, Xiaowen Zhan, Evgueni Polikarpov, Nathan L. Canfield, Mark H. Engelhard, J. Mark Weller, David M. Reed, Vincent L. Sprenkle and Guosheng Li, 23 March 2022, Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100821
