Batteries thermiques mûrissent rapidement sans besoin d’extraction de métaux

Stockage d’énergie à grande échelle nécessaire

Il y a un besoin croissant de systèmes de batteries capables de retenir beaucoup d’énergie pendant plusieurs heures ou jours. Cela s’explique par le caractère intermittent du solaire et de l’éolien, qui fluctuent tout au long de la journée et d’un jour à l’autre.

Un autre facteur est la demande énergétique des processus industriels, tels que la métallurgie. Ces usines ont besoin d’énergie 24 h/24, généralement pour générer beaucoup de chaleur dans la fourchette de 1 000‑1500 °C.

Utiliser des batteries lithium‑ion comme pour les véhicules électriques ne constitue probablement pas une solution viable à grande échelle. Elles sont simplement trop coûteuses, pas assez durables et consomment trop de matières premières.

C’est pourquoi de nombreuses chimies alternatives de batteries ont été envisagées pour le stockage d’énergie à l’échelle utilitaire. Nous examinons la plupart de ces options dans notre article “L’avenir du stockage d’énergie – Technologie des batteries à l’échelle utilitaire“, incluant le lithium‑fer‑phosphate, le sodium‑ion, le flux redox, le fer‑air, le métal fondu, le nickel‑hydrogène, le sodium‑soufre, etc.

Toutes ces batteries stockent l’énergie sous forme d’électricité d’une manière ou d’une autre, généralement via l’oxydation et la réduction d’un métal.

Le problème est que même des métaux très courants comme le fer ou l’aluminium nécessiteraient encore beaucoup d’extraction. Et si nous stockions l’énergie sous une autre forme ?

Stockage de la chaleur

Il existe un nombre étonnamment élevé d’options pour stocker l’énergie sans recourir à l’électricité comme moyen de stockage. Nous les avons étudiées plus en détail dans “Alternatives non chimiques aux batteries pour la transition énergétique“. Ces options comprennent :

• Air comprimé.
• Batteries gravitationnelles (roches, hydroélectricité pompée).
• Batteries thermiques.
• Volants d’inertie.
• Solaire thermique.

Chacune de ces options, batteries et non‑batteries, possède des avantages et des inconvénients. La solution de stockage idéale devrait répondre à quelques caractéristiques :

• Pas besoin de métaux ni de matériaux rares.
• Stockage d’énergie de longue durée.
• Faible coût.
• Facilement extensible sans limitation de sites ou de ressources disponibles.
• Peut être utilisée comme électricité avec des pertes minimales.

Pour les 4 / 5 premiers critères, le stockage de chaleur correspond parfaitement. Les batteries à sable, comme celles de l’entreprise finlandaise Polar Night Energy, peuvent stocker l’énergie excédentaire de l’été pour l’hiver, indispensable pour alimenter les systèmes de chauffage dans les hivers glacials et sans soleil du Nord. Elles n’utilisent que du sable de basse qualité et un peu de métal pour le cadre et la tuyauterie.

Source: Polar Night Energy

Une batterie thermique similaire est envisagée par Rondo Energy, avec des briques pouvant être chauffées jusqu’à 1500 °C, utilisant la chaleur pour des procédés industriels comme la production de ciment ou d’acier.

Ces batteries thermiques fonctionnent bien lorsque le produit souhaité est d’abord chauffé, que ce soit pour le chauffage urbain d’appartements ou pour la chaleur industrielle.

Source: Rondo Energy

Cependant, les batteries thermiques étaient jugées peu adaptées pour fournir de l’énergie au réseau, car l’efficacité de conversion de la chaleur en électricité se situe généralement dans la fourchette basse de 20‑30 %. Cela signifierait que jusqu’à 4 / 5 de l’énergie « stockée » est réellement perdue. Autrement dit, l’énergie stockée devient soudainement cinq fois plus chère que lorsqu’elle a été produite.

Même si l’énergie solaire est aujourd’hui comparable à l’énergie des combustibles fossiles, elle reste loin d’être cinq fois moins chère. Cependant, ce problème pourrait n’être que temporaire, grâce à l’innovation dans une technologie appelée thermophotovoltaïque.

Cellules thermophotovoltaïques – Photovoltaïque, mais avec de la chaleur

Les thermophotovoltaïques consistent à créer de l’énergie de manière similaire aux panneaux photovoltaïques traditionnels, mais en utilisant la chaleur plutôt que la lumière du soleil — ou, plus précisément, la lumière infrarouge émise par des matériaux chauffés.

Dans un panneau photovoltaïque traditionnel, toute fréquence lumineuse inférieure à un certain seuil n’est pas assez énergétique pour créer un courant et est donc gaspillée. C’est le cas de toute lumière infrarouge, dont les ondes électromagnétiques sont trop basses en énergie.

Ce n’est pas une technologie nouvelle en soi, mais elle a toujours souffert d’une efficacité trop faible pour être largement adoptée. Cela était vrai jusqu’à la récente percée réalisée par des chercheurs de l’Université du Michigan, qui ont publié leurs résultats dans une publication scientifique intitulée “Cellules thermophotovoltaïques à pont aérien à haute efficacité“.

Ils affirment avoir atteint un record de 44 % d’efficacité pour des températures inférieures à 1 500 °C, bien au‑delà des résultats précédents qui n’atteignaient que 37 %.

Et les chercheurs pensent avoir une voie pour atteindre 50 % « dans un avenir pas trop lointain ».

Source: Cell

Comment fonctionnent les cellules thermophotovoltaïques ?

Tout d’abord, le matériau de stockage, qui peut être de la pierre, du sable, du carbone, des briques, de la céramique, etc., doit être chauffé, soit avec l’excédent d’électricité provenant des renouvelables, soit avec la chaleur solaire directe.

À 1435 °C, environ 20‑30 % des photons infrarouges qu’il émettent possèdent suffisamment d’énergie pour générer de l’électricité dans les cellules thermophotovoltaïques de l’équipe de recherche.

Source: Design Boom

Les autres fréquences infrarouges n’étaient pas convertibles en électricité avec le semi‑conducteur utilisé dans le panneau thermophotovoltaïque.

Alors, comment sont-ils passés de 0 % à 44 % ? L’ingénieux « truc » consistait à ajouter une fine couche d’air au-delà du semi‑conducteur et un réflecteur en or au-delà de cet espace d’air.

Cela a retenu les photons avec le bon niveau d’énergie, les maintenant piégés et prêts à produire de l’électricité. Les autres étaient renvoyés vers le matériau chauffé, le réchauffant à nouveau. Ils pouvaient alors avoir une seconde chance d’être dirigés vers la cellule thermophotovoltaïque avec la bonne fréquence lumineuse.

Essentiellement, cela permet à la cellule de recycler ce qu’elle n’a pas capturé la première fois, augmentant ainsi l’efficacité globale de conversion.

Batteries thermiques du futur

Une efficacité de 44 % voire 50 % peut ne pas sembler impressionnante lorsqu’on la compare à l’hydroélectricité pompée (70‑85 %) ou aux batteries lithium‑ion (85‑95 %).

Source: EESI

Cependant, cela ignorerait le fait que le déploiement massif de stockage d’énergie à l’échelle utilitaire dépend autant de l’économie que de la technologie.

Les batteries ont une durée de vie mesurée en années avant de devoir être recyclées. Il n’y a tout simplement pas assez de lithium, et encore moins de cuivre, de nickel ou de cobalt, pour les déployer à cette échelle, surtout que la plupart de cette production métallique est déjà requise pour les véhicules électriques.

En revanche, les batteries thermiques peuvent durer des décennies avec peu ou pas d’entretien. Elles ne nécessitent pratiquement aucun matériau au‑delà de la roche, du sable ou de l’argile. Elles peuvent être construites n’importe où et à n’importe quelle taille, même véritablement gigantesques, avec presque aucun impact sur les écosystèmes, contrairement à l’hydroélectricité.

Enfin, la chaleur est l’une des méthodes les plus efficaces lorsque l’énergie doit être stockée pendant des semaines ou des mois, toutes les batteries « fuyant » de l’énergie avec le temps à un taux bien plus élevé qu’un système de stockage thermique bien isolé.

« C’est une forme de batterie, mais très passive. Vous n’avez pas besoin d’extraire du lithium comme avec les cellules électrochimiques, ce qui signifie que vous ne devez pas rivaliser avec le marché des véhicules électriques.

Contrairement à l’eau pompée pour le stockage hydroélectrique, vous pouvez la placer n’importe où et vous n’avez pas besoin d’une source d’eau à proximité »,

Stephen Forrest, professeur d’ingénierie électrique à l’Université du Michigan

Ainsi, globalement, une batterie thermique peut être la solution de stockage d’énergie idéale pour lisser l’intermittence des renouvelables. Elle peut même stocker l’excédent d’énergie des mois venteux ou ensoleillés pour l’hiver dans les climats tempérés, ou pour la saison des pluies dans les climats tropicaux.

Entreprises de stockage thermique / Thermophotovoltaïques

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow est une branche de II-VI Inc., leader de l’industrie dans le (actuellement assez petit) domaine de la production de cellules thermophotovoltaïques. En 2022, II-VI Inc. a acquis le fabricant de lasers Coherent Inc. (COHR ) et a ensuite changé son nom commercial.

L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les wafers épitaxiaux et l’arséniure de gallium. Elle a surtout grandi grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie.

Source: Coherent

L’activité thermophotovoltaïque de la société ne représente qu’une petite partie de son chiffre d’affaires global, les fibres optiques, les lasers et d’autres produits constituant la majeure partie de ses revenus. Cela pourrait toutefois être une bonne nouvelle pour les investisseurs, car cela signifie également que l’entreprise dispose du capital nécessaire pour déployer rapidement de nouvelles technologies à l’échelle industrielle si l’innovation ouvre de nouveaux marchés.

Source: Coherent

Par exemple, le marché massif du stockage à l’échelle utilitaire pour l’énergie renouvelable excédentaire…

Comme l’Université du Michigan a « déposé une demande de protection de brevet (…) et recherche des partenaires pour commercialiser la technologie », il ne serait pas surprenant qu’une société comme Coherent finisse par mettre les nouvelles cellules thermophotovoltaïques sur le marché. D’autant plus compte tenu de son expertise préexistante dans la production industrielle de thermophotovoltaïques et de matériaux avancés similaires.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Les cellules thermophotovoltaïques utilisées par les chercheurs de l’Université du Michigan ont été fabriquées avec de l’InGaAsP (phosphure d’indium‑gallium‑arsénium)”.

“Nous étudions donc si la traduction de l’architecture à pont aérien des absorbeurs ternaires vers le groupe quaternaire III‑V (InGaAsP adapté au substrat InP) peut améliorer l’efficacité dans la plage cible des températures d’émetteur.”

Si cette technologie devient un format standard pour le stockage d’énergie à l’échelle utilitaire, nous aurons besoin d’InGaAsP, et en grande quantité.

Il serait donc logique, dans ce scénario, de miser sur l’entreprise qui, depuis 30 ans, reste le leader de la production d’InGaAsP, le conglomérat japonais Sumitomo.

Depuis plus de 30 ans, la division semi‑conducteurs de Sumitomo Electric maintient sa position de leader mondial en tant que plus grand fabricant de gallium arsenide (GaAs) et d’indium phosphide (InP).

Le nom Sumitomo est devenu synonyme de qualité dans les matériaux III‑V. Sumitomo Electric a acquis cette réputation en fournissant à ses clients mondiaux des substrats de qualité supérieure, ce qui se traduit par des rendements plus élevés et des dispositifs aux caractéristiques électriques cohérentes.

Sumitomo Compound Semiconductor – À propos de nous

Sumitomo Electric Industries, et son département de semi‑conducteurs composés, sont la branche du plus grand conglomérat Sumitomo, l’un des plus grands sōgō shōsha (entreprises de négoce général) au monde.

En plus de l’InGaAsP, l’activité principale de Sumitomo Electric Industries consiste à produire :

• Équipements de télécommunications (fibres optiques, 5G)
• Câblage automobile et câbles haute puissance
• Électronique (circuits imprimés flexibles, fils de données, membranes de filtration)
• Matériaux de haute qualité (carbure, outils de coupe, fils d’acier précontraint).

Source: Sumitomo

L’expertise dans la production de masse de matériaux de haute qualité, le leadership dans la production d’InGaAsP, ainsi que les connexions commerciales liées à l’appartenance à un sōgō shōsha / entreprise de négoce général devraient garantir que Sumitomo Electric Industries sera l’un des principaux bénéficiaires d’une adoption massive des thermophotovoltaïques.

La croissance devrait également être favorable aux télécommunications (numérisation, IA) et aux produits afférents aux véhicules électriques (câbles, fils), qui sont tous deux des secteurs en plein essor.