Condensateurs à béton : l'avenir du stockage d'énergie

Stockage d'énergie dans des condensateurs en béton

En matière de stockage d'énergie, toute l'attention se porte sur les batteries. Si, pendant un temps, l'accent était principalement mis sur la technologie lithium-ion en constante amélioration, des batteries sodium-ion, à semi-conducteurs et d'autres types de chimies alternatives sont désormais également en cours de développement ou atteignent le stade commercial.

Dans tous les cas, ces batteries stockent l’électricité sous forme chimique, en utilisant généralement des ions métalliques pour transporter le changement de charge électrique.

Source: Parlons science

Ce n'est cependant pas la seule façon de stocker l'électricité. Une autre option consiste à utiliser un supercondensateur.

Contrairement aux batteries stockant la charge électrique dans une masse d’ions métalliques, les supercondensateurs et ultracondensateurs retiennent la charge électrique à la surface d’un matériau conducteur.

Source: Sinovoltaïque

Cette différence fondamentale dans le concept de stockage d'énergie modifie le fonctionnement des condensateurs par rapport aux batteries. L'énergie étant disponible à la surface du matériau, elle peut être mobilisée très rapidement, permettant des cycles de charge et de décharge ultra-rapides, tandis que les batteries sont ralenties par la vitesse des réactions chimiques requises.

Jusqu’à présent, les condensateurs étaient principalement un produit de niche, car ils retiennent moins de charge que les batteries et sont souvent plus chers, car ils nécessitent des matériaux plus coûteux.

Cela pourrait changer avec le développement de condensateurs à base de béton par quatre chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui pourraient à terme être utilisés pour transformer des bâtiments et des routes en batteries géantes.

Ils ont publié leur dernière conception dans la prestigieuse revue scientifique Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) sous le titre «Supercondensateurs carbone-ciment à haute densité énergétique pour le stockage d'énergie architectural ».

Applications des condensateurs

La faible charge des condensateurs par rapport aux batteries a jusqu'à présent entravé leur utilisation pour le stockage d'énergie à grande échelle ou à long terme, malgré leur durabilité remarquable.

Cependant, leur capacité à gérer des changements très rapides de charge électrique et une tension beaucoup plus élevée, sans subir de dommages, les rend utiles pour les applications où une grande quantité d'énergie est produite ou nécessaire à la fois.

Par exemple, les supercondensateurs sont utilisés dans les automobiles, les trains, les grues et les ascenseurs, pour le stockage d’énergie à court terme, le freinage régénératif ou la distribution d’énergie en mode rafale.

Bien que l’énergie totale ne soit pas nécessairement si élevée, l’intensité et la vitesse le sont.

Pour les réseaux électriques et les applications de stockage d’énergie, les supercondensateurs sont particulièrement efficaces pour combler les écarts de puissance qui durent de quelques secondes à quelques minutes et peuvent être rechargés rapidement.

Amélioration des condensateurs à base de béton

Faire du béton un réservoir d'énergie

Pour les batteries, le différentiel d’énergie entre les différentes réactions électrochimiques et la quantité de métal réactif disponible limitent généralement la capacité.

Pour les condensateurs, la principale limitation réside dans la surface totale du matériau. Ainsi, les matériaux les plus poreux transportent généralement beaucoup plus de charges.

Pour cette raison, les matériaux hétérogènes (constitués de plusieurs éléments) sont souvent les meilleurs, ainsi que tout matériau résultant de la polymérisation de matériaux plus simples, avec de nombreux pores et alvéoles à l'intérieur.

Déjà en 2023, les chercheurs du MIT avaient exploré le potentiel du béton, un matériau à la structure microscopique complexe qui pourrait, en théorie, être transformé en condensateur.

Ce résultat a été obtenu grâce à l'utilisation de ciment, d'eau, de noir de carbone ultrafin (avec des particules nanométriques) et d'électrolytes. Ensemble, ils ont créé ce que l'on appelle le béton de carbone conducteur d'électrons (ec³, prononcé « ec-cubé »).

ec³ contient un « nanoréseau de carbone » à l’intérieur du béton qui peut stocker et conduire l’électricité.

Abondance concrète

Le ciment et le béton sont de loin les matériaux les plus produits sur Terre, atteignant des volumes et une masse totaux de 1.7 milliard de mètres cubes et 4.1 milliards de tonnes, plus élevés que tout autre matériau, y compris le sable et l'acier.

Source: Visual Capitaliste

En conséquence, cela signifie que même la transformation d’une très petite fraction du béton mondial en stockage d’énergie pourrait radicalement changer la façon dont nous stockons l’énergie dans nos maisons, nos bureaux et nos villes.

« Une clé de la durabilité du béton est le développement du « béton multifonctionnel », qui intègre des fonctionnalités telles que le stockage d’énergie, autocicatrisation et la séquestration du carbone.

Le béton est déjà le matériau de construction le plus utilisé au monde, alors pourquoi ne pas profiter de cette échelle pour créer d’autres avantages ?

Admir Masic - Aprofesseur associé de génie civil et environnemental (CEE) au MIT.

Améliorer les performances d'ec³

Augmenter la densité énergétique

Le prototype original de 2023 était suffisamment dense en énergie pour que 45 mètres cubes d’ec³, soit à peu près la quantité de béton utilisée dans un sous-sol typique, suffisent à répondre aux besoins quotidiens d’une maison moyenne.

Bien qu’intéressant, les questions de coûts et de praticité ont rendu ce numéro peu exploitable commercialement.

Les nouvelles versions du produit des chercheurs peuvent stocker la même quantité d'énergie dans 1/9^th le volume, soit seulement 5 mètres cubes (176 pieds cubes).
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Analyse en profondeur

Ces performances supérieures ont été obtenues grâce à l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé pour éliminer successivement de fines couches de matériau ec³. Ces couches ont ensuite été analysées au microscope électronique à balayage (tomographie FIB-SEM).

Cela a permis aux chercheurs de reconstruire une image haute résolution du nanoréseau conducteur. Ils ont découvert qu'il forme une « toile fractale » entourant les pores de l'ec³, ce qui permet à l'électrolyte de s'infiltrer et au courant de circuler dans le système.

Grâce à cet outil d’analyse supérieur, l’équipe de recherche a continué à expérimenter différents électrolytes et leurs concentrations pour voir comment ils impactaient la densité de stockage d’énergie.

« Nous avons découvert qu’il existe une large gamme d’électrolytes qui pourraient être des candidats viables pour ec³.

Cela inclut même l'eau de mer, ce qui pourrait en faire un bon matériau pour une utilisation dans des applications côtières et marines, peut-être comme structures de support pour les parcs éoliens offshore. »

Damian Stefaniuk - Chercheur scientifique du pôle EC³

Ils ont mesuré que les électrolytes organiques, en particulier ceux qui combinaient des sels d’ammonium quaternaire présents dans les produits de tous les jours comme les désinfectants, fonctionnaient mieux lorsqu’ils étaient mélangés à de l’acétonitrile, un liquide conducteur clair souvent utilisé dans l’industrie.

Meilleure fabrication de batteries en béton

Auparavant, la méthode utilisée consistait à durcir les électrodes ec³, puis à les tremper dans l'électrolyte. Ils ont désormais découvert qu'il était possible d'ajouter l'électrolyte directement à l'eau de gâchage.

Cela était essentiel pour mouler des électrodes plus épaisses qui stockaient plus d’énergie.

Pour démontrer cette technologie, l’équipe a construit une arche miniature en béton ec³ pour montrer comment la forme structurelle et le stockage d’énergie peuvent fonctionner ensemble.

Fonctionnant à 9 volts, l'arche supportait son propre poids et une charge supplémentaire tout en alimentant une lumière LED.

Surveillance automatique de l'intégrité structurelle

Un phénomène surprenant s'est produit lorsqu'ils ont augmenté la charge de l'arche d'essai. À un moment donné, la lumière a commencé à scintiller, reflétant la dégradation du béton et la défaillance du système de stockage d'électricité.

Cela rend apparents les dommages structurels malgré l'absence de fissures visibles. Une telle capacité pourrait s'avérer très utile dans les bâtiments réels.

Il pourrait y avoir ici une sorte de capacité d'autosurveillance. Si l'on considère une arche ec³ à l'échelle architecturale, sa production peut fluctuer lorsqu'elle est soumise à un facteur de stress comme des vents violents.

Nous pourrions être en mesure d’utiliser cela comme un signal indiquant quand et dans quelle mesure une structure est soumise à des contraintes, ou de surveiller sa santé globale en temps réel. »

Admir Masic - Aprofesseur associé de génie civil et environnemental (CEE) au MIT.

Béton auto-chauffant

Cette conception en béton permet non seulement de stocker de l'énergie, mais présente également une conductivité thermique supérieure. Elle contribue ainsi à faire fondre la glace déposée sur elle. Elle a déjà été utilisée à cette fin à Sapporo, au Japon, représentant une alternative potentielle au salage.

L’énergie stockée puis transformée sous forme de chaleur pourrait également être utilisée pour faire fondre la glace sur les routes, les trottoirs et les sentiers pédestres.

L'avenir des batteries en béton et du stockage d'énergie

Jusqu’à présent, les batteries à grande échelle ont été principalement imaginées comme des batteries thermiques, des batteries de stockage d’hydrogène ou des batteries utilisant des matériaux à faible coût comme le sodium, le fer ou l’aluminium, pour remplacer les batteries lithium/cobalt/nickel plus chères des batteries lithium-ion.

Cependant, si nous voulons augmenter le stockage des batteries pour alimenter pleinement la civilisation industrialisée avec l’énergie solaire, un matériau plus omniprésent comme le béton pourrait être idéal.

Tout d’abord, il utilise des matériaux encore moins rares, car même les batteries à chimie alternative nécessitent encore beaucoup de cuivre, par exemple.

Deuxièmement, il pourrait également être intégré de manière plus harmonieuse dans les paysages et les constructions urbaines du quotidien.

L’équipe travaille déjà sur des applications telles que des places de stationnement et des routes qui pourraient recharger les véhicules électriques, ainsi que des maisons qui peuvent fonctionner entièrement hors réseau.

Étant donné que le béton obtenu présente la même intégrité structurelle que le béton normal, il pourrait être judicieux de simplement l'utiliser à la place, évitant ainsi entièrement le besoin d'espace supplémentaire et la procédure de construction des parcs de batteries.

« En combinant la nanoscience moderne avec un élément constitutif ancien de la civilisation, nous ouvrons la porte à une infrastructure qui ne se contente pas de soutenir nos vies, elle les alimente. »

Admir Masic - Aprofesseur associé de génie civil et environnemental (CEE) au MIT.

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