Condensateurs en béton : le futur du stockage d’énergie

Stocker l’énergie dans des condensateurs en béton

En matière de stockage d’énergie, toute l’attention se porte sur les batteries. Après avoir longtemps privilégié l’amélioration du lithium-ion, l’industrie développe désormais des batteries sodium-ion, tout-solide et d’autres chimies, dont certaines atteignent le stade commercial.

Dans tous les cas, ces batteries stockent l’électricité sous forme chimique, généralement au moyen d’ions métalliques qui transportent la charge.

Ce n’est toutefois pas la seule façon de stocker l’électricité. Une autre solution consiste à utiliser un supercondensateur.

Alors que les batteries emmagasinent la charge dans une masse d’ions métalliques, les supercondensateurs la retiennent à la surface d’un matériau conducteur.

Cette différence fondamentale modifie leur fonctionnement. L’énergie étant disponible à la surface du matériau, elle peut être mobilisée très rapidement, ce qui autorise des cycles de charge et de décharge ultrarapides. Les batteries restent limitées par la vitesse des réactions chimiques nécessaires.

Jusqu’ici, les condensateurs sont restés un produit de niche : ils stockent moins d’énergie que les batteries et coûtent souvent plus cher en raison des matériaux requis.

Cette situation pourrait changer grâce aux condensateurs en béton développés par quatre chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui pourraient transformer bâtiments et routes en batteries géantes.

Les chercheurs ont publié leur nouvelle conception dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), sous le titre « High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage ».

Applications des condensateurs

La faible capacité des condensateurs par rapport aux batteries a jusqu’ici limité leur utilisation pour le stockage massif ou de longue durée, malgré leur remarquable longévité.

En revanche, leur capacité à supporter sans dommage de brusques variations de charge et des tensions bien plus élevées les rend utiles lorsqu’une grande quantité d’énergie doit être fournie ou absorbée instantanément.

Les supercondensateurs sont ainsi utilisés dans les voitures, trains, grues et ascenseurs pour le stockage de courte durée, le freinage régénératif ou la fourniture de pics de puissance.

L’énergie totale n’est pas nécessairement élevée, mais l’intensité et la rapidité le sont.

Pour les réseaux électriques, les supercondensateurs sont particulièrement efficaces pour combler des interruptions de quelques secondes à quelques minutes et se rechargent rapidement.

Améliorer les condensateurs à base de béton

Faire que le béton stocke de l’énergie

Dans une batterie, la capacité est généralement limitée par l’écart énergétique entre les réactions électrochimiques et par la quantité de métal réactif disponible.

Dans un condensateur, la principale limite est la surface totale du matériau. Les matériaux les plus poreux peuvent donc porter beaucoup plus de charge.

Les matériaux hétérogènes, composés de plusieurs éléments, et ceux issus de la polymérisation de matériaux plus simples conviennent souvent le mieux grâce à leurs nombreux pores et alvéoles.

Dès 2023, les chercheurs du MIT avaient étudié le béton, dont la structure microscopique complexe pouvait théoriquement être transformée en condensateur.

Ils ont combiné ciment, eau, noir de carbone ultrafin et électrolytes pour créer un béton carbone-ciment conducteur d’électrons, appelé ec³.

L’ec³ contient dans le béton un nanoréseau de carbone capable de stocker et de conduire l’électricité.

Abondance du béton

Le ciment et le béton sont de loin les matériaux les plus produits au monde : 1,7 milliard de mètres cubes et 4,1 milliards de tonnes, davantage que tout autre matériau, y compris le sable et l’acier.

Transformer ne serait-ce qu’une très faible part du béton mondial en dispositif de stockage pourrait donc modifier radicalement la façon dont nos logements, bureaux et villes emmagasinent l’énergie.

« La durabilité du béton passe notamment par le développement d’un béton multifonctionnel, qui associe le stockage d’énergie, l’autoréparation et la séquestration du carbone.

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

Admir Masic – professeur associé en génie civil et environnemental au MIT

Améliorer les performances d’ec³

Augmenter la densité énergétique

Le prototype de 2023 avait une densité suffisante pour que 45 mètres cubes d’ec³, soit environ le béton d’un sous-sol ordinaire, couvrent les besoins quotidiens d’un foyer moyen.

Le concept était intéressant, mais son coût et ses contraintes pratiques rendaient ce volume peu exploitable commercialement.

Les nouvelles versions stockent la même énergie dans un neuvième du volume, soit seulement 5 mètres cubes.
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Analyse approfondie

Cette performance a été obtenue en retirant successivement de fines couches d’ec³ avec un faisceau d’ions focalisé, puis en les analysant par microscopie électronique à balayage et tomographie FIB-SEM.

Les chercheurs ont ainsi reconstitué une image haute résolution du nanoréseau conducteur. Celui-ci forme une toile de type fractal autour des pores de l’ec³, permettant à l’électrolyte de pénétrer et au courant de circuler.

Grâce à cet outil, l’équipe a testé différents électrolytes et différentes concentrations afin de mesurer leur effet sur la densité de stockage.

« Nous avons constaté qu’un large éventail d’électrolytes pouvait convenir à l’ec³.

Cela comprend même l’eau de mer, ce qui pourrait rendre ce matériau utile dans des applications côtières et marines, notamment comme structure de soutien pour les parcs éoliens en mer. »

Damian Stefaniuk – chercheur au centre EC³

Les électrolytes organiques, notamment ceux associant des sels d’ammonium quaternaire présents dans des produits courants comme les désinfectants, ont donné les meilleurs résultats lorsqu’ils étaient mélangés à l’acétonitrile, un liquide transparent et conducteur utilisé dans l’industrie.

Meilleure fabrication des batteries en béton

Auparavant, il fallait faire durcir les électrodes d’ec³ puis les imprégner d’électrolyte. Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient ajouter directement l’électrolyte à l’eau de mélange.

Cette avancée était essentielle pour couler des électrodes plus épaisses capables de stocker davantage d’énergie.

Pour démontrer la technologie, l’équipe a construit une arche miniature en béton ec³ montrant comment structure porteuse et stockage d’énergie peuvent fonctionner ensemble.

Alimentée sous 9 volts, l’arche supportait son propre poids et une charge supplémentaire tout en allumant une LED.

Surveillance automatique de l’intégrité structurelle

Un phénomène surprenant est apparu lorsque la charge de l’arche a augmenté : la lumière s’est mise à clignoter, signalant que le béton commençait à s’endommager et que le stockage faiblissait.

Le dispositif rend ainsi les dommages structurels perceptibles avant même l’apparition de fissures visibles, une capacité potentiellement très utile dans les bâtiments.

« Il pourrait exister une forme d’autosurveillance. À l’échelle d’un bâtiment, la puissance d’une arche ec³ pourrait fluctuer sous l’effet de vents violents.

Ce signal pourrait indiquer quand et à quel point une structure subit une contrainte, ou permettre de suivre son état en temps réel. »

Admir Masic – professeur associé en génie civil et environnemental au MIT

Béton auto‑chauffant

Cette conception en béton stocke l’électricité tout en offrant une conductivité thermique supérieure. Elle peut ainsi faire fondre la glace et a déjà été utilisée à cette fin à Sapporo, au Japon, comme solution de remplacement possible du salage.

L’énergie stockée puis libérée sous forme de chaleur pourrait également déglacer routes, trottoirs et chemins piétonniers.

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

Jusqu’ici, les batteries de réseau étaient surtout envisagées sous forme de stockage thermique, d’hydrogène ou de chimies à base de sodium, de fer ou d’aluminium, moins coûteuses que le lithium, le cobalt et le nickel.

Mais si le stockage doit être assez massif pour alimenter une civilisation industrielle grâce au solaire, un matériau omniprésent comme le béton pourrait être idéal.

Il utilise d’abord encore moins de matériaux rares, alors que même les batteries à chimie alternative exigent beaucoup de cuivre.

Ensuite, il pourrait s’intégrer beaucoup plus naturellement aux paysages urbains et aux constructions courantes.

L’équipe travaille déjà sur des places de stationnement et des routes capables de recharger les véhicules électriques, ainsi que sur des maisons entièrement autonomes.

Le béton obtenu ayant la même intégrité structurelle qu’un béton ordinaire, il pourrait simplement le remplacer et éviter l’espace et les travaux supplémentaires propres aux parcs de batteries.

« En associant les nanosciences modernes à l’un des plus anciens matériaux de construction, nous ouvrons la voie à des infrastructures qui ne se contentent pas de soutenir nos vies : elles les alimentent. »

Admir Masic – professeur associé en génie civil et environnemental au MIT

Investir dans le ciment durable

Leader mondial du ciment, CRH jouera un rôle majeur dans la transition vers une construction plus durable. Le groupe occupe la première place en volume total de matériaux de construction fournis aux États-Unis et en Europe.

Présente dans 28 pays sur 3 390 sites, l’entreprise emploie 78 500 personnes. CRH Americas réalise 65 % de ses ventes mondiales.

L’entreprise compte sur les dépenses d’infrastructure soutenues des gouvernements occidentaux pour développer son activité. La réindustrialisation et le rapatriement des productions de haute technologie devraient également l’aider.

Stratégie de durabilité et de décarbonisation de CRH

CRH a réalisé d’importants progrès en matière de durabilité grâce à plusieurs initiatives :

• Premier recycleur d’Amérique du Nord, le groupe a recyclé 43,9 millions de tonnes de déchets et de sous-produits industriels en 2023.
• Il a réduit ses émissions de CO2 de 8 % en 2023 grâce à l’emploi de 36 % de combustibles alternatifs dans ses cimenteries.
• Il vise une baisse de 30 % des émissions d’ici 2030 par rapport à 2021.

Ces avancées sont louables, mais peuvent sembler insuffisantes et tardives.

CRH favorise heureusement des changements plus fondamentaux. Avec Holcim, le groupe a investi 75 millions de dollars dans le cimentier bas carbone Sublime.

Sublime Systems, issue du MIT en 2020, utilise un électrolyseur pour produire du ciment à température ambiante et remplacer les fours très énergivores. Le procédé accepte aussi d’autres sources de calcium et évite le CO2 libéré par le calcaire.

La première usine commerciale de Sublime à Holyoke, dans le Massachusetts, pourrait ouvrir dès 2026. En cas de succès, elle pourrait transformer le secteur et ouvrir la voie à un béton bas carbone produit à grande échelle.

« Sublime bouleverse la fabrication du ciment. Sa technologie repense tout le processus, de l’électricité propre aux matières premières sans carbone. Nous sommes ravis de l’aider à atteindre une production à grande échelle. Cet investissement s’inscrit pleinement dans la stratégie de Holcim visant à accélérer la décarbonation du bâtiment grâce aux technologies les plus innovantes. »

Nollaig Forrest – directrice du développement durable de Holcim

CRH a également investi dans d’autres jeunes entreprises de décarbonation et de durabilité :

• 23,7 millions d’euros dans Cool Planet Technologies, qui développe des solutions de captage du carbone pour les industries difficiles à décarboner.
• 34,7 millions de dollars, avec d’autres investisseurs, dans Carbon Upcycling Technologies, dont la minéralisation entièrement électrique stocke durablement le CO2 dans des sous-produits industriels et des minéraux.
• AICrete, plateforme de « recette en tant que service » qui optimise les matériaux locaux et réduit par intelligence artificielle la quantité de ciment, l’empreinte carbone et les coûts.
• Le financement de série B de FIDO AI, une jeune entreprise qui utilise l’IA pour réduire la consommation d’eau et accroître les économies.

Dans l’ensemble, CRH est un leader rentable du béton qui prépare activement la décarbonation du secteur, tant dans ses propres installations qu’en finançant les entreprises qui développent la prochaine génération de ciment et de béton.

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