Plus d’énergie, moins de dioxyde de carbone – L’approche multi‑facettes de la nouvelle technologie de batterie pour la durabilité

Batterie ou capture du carbone ? Pourquoi pas les deux ?

Le développement des énergies bas carbone et de l’électrification vise notamment à réduire les émissions responsables du changement climatique. La production solaire et éolienne varie toutefois avec les conditions météorologiques.

Le stockage peut absorber une partie des surplus de production et restituer l’électricité plus tard. Les batteries stationnaires ne répondent pas exactement aux mêmes contraintes que celles des véhicules électriques. Elles constituent une solution parmi d’autres, aux côtés des réseaux, de la flexibilité de la demande et d’autres moyens de stockage :

• La masse et la densité énergétique sont moins contraignantes : les installations restent sur des sites dédiés, même si leur encombrement compte.
• Le coût total, de la construction à l’exploitation, est déterminant.
• Des matériaux abondants et abordables facilitent un déploiement à grande échelle. Limiter le recours aux métaux coûteux ou critiques peut être un avantage, selon la chimie retenue.
• Une longue durée de vie et une faible perte de capacité sont recherchées, idéalement sur plusieurs décennies. L’absence totale de dégradation n’est pas une caractéristique générale des batteries.

Nous avons étudié ces solutions dans notre article « L’avenir du stockage d’énergie : les technologies de batteries pour les réseaux », qui présente plusieurs chimies en développement.

Ces batteries peuvent faciliter l’utilisation d’électricité bas carbone et réduire indirectement certaines émissions. Les batteries conventionnelles ne sont toutefois pas conçues pour capturer le CO2 pendant leur fonctionnement.

Certaines batteries électrochimiques métal–CO2 régénèrent le CO2 à la recharge. Cela ne décrit pas toutes les technologies appelées « batteries CO2 » : certains systèmes thermomécaniques utilisent ce gaz dans un circuit fermé.

Des prototypes cherchent à associer stockage d’énergie, conversion du CO2 et production d’hydrogène. La durée réelle du stockage du carbone dépend néanmoins du devenir des produits obtenus.

Des batteries qui capturent le carbone

La capture consiste à séparer le CO2 d’un flux de gaz ou de l’air. Il peut ensuite être stocké ou utilisé pour fabriquer des produits. Un aperçu figure dans cet article d’Energy Tracker sur les technologies de capture du carbone. Capture, utilisation et stockage permanent ne sont pas synonymes.

Source : EnergyTracker

La capture ajoute généralement des équipements et des coûts aux procédés industriels. Elle peut néanmoins avoir une utilité climatique ou fournir une matière première; son intérêt dépend du procédé, de l’énergie consommée et du devenir du CO2.

Nous présentons certaines entreprises du secteur dans « Cinq actions du secteur de la capture du carbone à étudier ».

Les chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge étudient l’intégration de la capture du CO2 dans des batteries de stockage stationnaire. Ils ont notamment publié dans le Journal of Power Sources l’étude « Origine de la désactivation d’une batterie aqueuse Na–CO2 et mesures correctives pour le stockage de longue durée ». Il s’agit de travaux de laboratoire, pas d’une installation commerciale pour le réseau.

Améliorer un concept existant

Les batteries métal–CO2 utilisent des réactions entre le CO2 et un métal tel que le sodium, le lithium ou le magnésium. Dans certaines conceptions réversibles, des carbonates se forment puis le CO2 est régénéré. Les réactions précises et les produits diffèrent selon les matériaux; une formule simplifiée n’en décrit pas toute la chimie.

Un problème fréquent est le dépôt de produits solides de décharge, tels que M2CO3(s), où M est Li ou Na, Al2(C2O4)3(s) ou MgCO3(s), sur les électrodes. Ces dépôts peuvent obstruer leur structure poreuse.

Cette obstruction limite les réactions et peut rapidement dégrader les performances.

Les chercheurs ont étudié deux formulations utilisant respectivement du sodium et de l’aluminium, deux matériaux abondants et relativement peu coûteux.

La formulation Na–CO2 emploie un catalyseur fer–nickel peu coûteux, plutôt que certains métaux précieux utilisés dans d’autres approches.

Selon le laboratoire, ces formulations ne régénèrent pas de CO2 gazeux pendant leur fonctionnement. Les carbonates produits se dissolvent d’abord dans l’électrolyte liquide.

Ces produits peuvent enrichir la solution ou être récupérés lorsqu’ils s’accumulent sous forme solide. Leur utilisation dans des applications pharmaceutiques ou cimentières reste à adapter aux exigences de chaque industrie.

Le laboratoire indique que les gaz produits sont l’oxygène et l’hydrogène, qui peuvent présenter un intérêt industriel ou énergétique. Leur récupération doit être maîtrisée. Le bilan climatique global dépend aussi de l’électricité, des matériaux et des éventuelles fuites; l’hydrogène n’est pas sans effet climatique indirect.

Source : Oak Ridge National Laboratory

Surmonter les difficultés techniques

Le concept réunit plusieurs fonctions intéressantes, mais sa mise en œuvre pose des difficultés techniques.

Les chercheurs ont dû résoudre plusieurs problèmes pour obtenir un fonctionnement durable en laboratoire.

Dans la formulation au sodium, les électrodes sont placées dans des compartiments humide et sec séparés par un conducteur ionique solide. Cette barrière ralentit le déplacement des ions, ce qui limite les performances. Il ne s’agit pas du passage des électrons dans l’électrolyte.

Un film finit aussi par se former sur l’électrode de la batterie Na–CO2. À l’aide de microscopes spécialisés et de techniques de rayons X, les chercheurs ont étudié sa formation. Des impulsions asymétriques de charge et de décharge permettaient de limiter les dépôts et de réactiver la cellule.

« Nous montrons pour la première fois qu’une cellule désactivée peut être réactivée.

Et nous avons identifié l’origine de la désactivation et de l’activation. Si l’on charge et décharge symétriquement la batterie trop longtemps, elle finit par ne plus fonctionner. Avec le protocole établi pour notre cellule, le risque de défaillance est très faible. »

Ruhul Amin, chercheur principal du projet

La capture intervient dans les réactions utilisant l’énergie stockée, ce qui permet de la dissocier du moment où les installations renouvelables produisent le plus. Une application envisagée serait le traitement de certains rejets industriels. L’intérêt pour une centrale fossile dépendrait du bilan énergétique et du carbone réellement immobilisé; cela n’en ferait pas automatiquement une production sans émissions.

Vers une conception susceptible de changer d’échelle

Après avoir étudié la réactivation de la cellule au sodium, l’équipe a travaillé sur une autre formulation pour améliorer les possibilités de stockage de longue durée.

Elle a ainsi développé une batterie Al–CO2 reposant sur la conversion électrochimique du CO2, avec une architecture distincte de celle du prototype au sodium.

Les résultats de laboratoire comprennent notamment :

• Plus de 600 heures, soit environ 25 jours, de fonctionnement sans perte de capacité observée lors de l’essai.
• Une capacité de stockage correspondant à plus de dix heures de fourniture d’électricité dans les conditions étudiées.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Le choix de la solution aqueuse et des autres composants de l’électrolyte peut modifier les performances et les sous-produits. L’annonce du laboratoire ne démontre pas que l’eau de mer ou la production d’eau de Javel améliore systématiquement cette batterie; ces possibilités nécessiteraient des essais spécifiques.

Un défi majeur sera de passer du prototype aluminium–CO2 à une installation de taille suffisante pour un usage réel sur le réseau.

Pour la formulation sodium–CO2, l’équipe prévoit de développer une membrane céramique très fine, dense et mécaniquement stable afin de séparer les compartiments tout en facilitant le transport ionique.

Entreprises du secteur des batteries

Ces formulations de capture du CO2 restent peu développées commercialement. Les grands fabricants de batteries peuvent disposer de moyens de recherche utiles, mais les entreprises ci-dessous ne sont pas présentées comme des partenaires du projet d’Oak Ridge ni comme des fournisseurs de ces prototypes.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD est un grand constructeur chinois de véhicules électrifiés, coté en Bourse. En 2022, il a vendu plus de 1,86 million de véhicules à énergie nouvelle, catégorie comprenant les modèles électriques à batterie et hybrides rechargeables, et réalisé un chiffre d’affaires de 424,061 milliards de yuans.

BYD a commencé dans les batteries rechargeables, fourni Motorola à partir de 2000 et pénétré le secteur automobile en 2003. Ses activités comprennent aussi les bus, les systèmes ferroviaires, les semi-conducteurs et le stockage d’énergie.

Source : Byd Company

BYD est devenu le deuxième fournisseur mondial de batteries pour véhicules électriques devant LG Energy Solution selon les données de marché citées pour cette période. Cette position dépend de l’année et de la mesure utilisées.

Comme Tesla (TSLA ), BYD développe aussi des solutions de stockage hors automobile. Sa Battery-Box résidentielle utilise la chimie lithium-fer-phosphate, sans cobalt dans la cathode. Le groupe propose également des solutions New Energy associant production solaire et stockage.

BYD indiquait dans les données citées avoir livré plus de 14 GWh de systèmes de stockage d’énergie. Ce chiffre historique représente des livraisons cumulées, pas une capacité de production annuelle.

BYD est intégré sur plusieurs étapes de la chaîne de valeur, des cellules aux packs. Le groupe travaille aussi sur la seconde vie et le recyclage des batteries, avec notamment une filiale créée en 2022 dans ce domaine. Cela ne signifie pas qu’il possède toutes les ressources minières nécessaires.

BYD développe ses activités à l’étranger, notamment en Europe, avec des objectifs de croissance et un projet de production en Hongrie. Les capacités rapportées pour ce projet étaient de 150 000 véhicules par an, avec une extension possible à 300 000. Il s’agit de plans, pas de production déjà réalisée; leur exécution et leur rentabilité restent à établir.

L’accès au marché américain demeure difficile dans un contexte de tensions commerciales. En mai 2024, les États-Unis ont annoncé leur intention de porter à 100% le droit additionnel Section 301 sur les véhicules électriques chinois, avec une application prévue en 2024. Cela ne concernait pas indistinctement toutes les voitures chinoises.

Source : BYD

BYD dispose de perspectives d’expansion en Asie, en Amérique du Sud et en Europe, ainsi que d’une position forte en Chine. Son action peut être étudiée comme une autre exposition à l’électrification automobile, mais les multiples de valorisation évoluent et ne suffisent pas à établir qu’un titre est bon marché.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

CATL est un des principaux fabricants mondiaux de batteries. Selon les données SNE Research citées par le groupe, il détenait en 2022 37% du marché mondial des batteries pour véhicules électriques et 43,4% des expéditions de batteries de stockage stationnaire. Ces deux catégories ne représentent pas la moitié de toutes les batteries mondiales.

Le groupe développe notamment des batteries lithium-fer-phosphate, qui peuvent offrir un compromis entre coût, sécurité et densité énergétique pour certains véhicules.

CATL étudie aussi d’autres chimies. Il a notamment annoncé en 2021 une batterie sodium-ion de 160 Wh/kg. Le sodium, abondant, peut réduire la dépendance au lithium, mais les coûts dépendent de l’ensemble du produit et de son industrialisation. Pour le lithium, un consortium comprenant CATL a annoncé un projet de 1,4 milliard de dollars en Bolivie; une annonce d’investissement ne garantit pas la production future.

CATL a publié plusieurs annonces concernant la densité énergétique, la longévité et la recharge. Ses travaux sur les technologies de batteries ne démontrent toutefois pas qu’un même produit réunit 330 Wh/kg, un million de miles de durée de vie et une recharge à 80% en cinq minutes. L’utilisation future d’un tel produit par Tesla n’est pas établie ici.

En 2023, CATL a annoncé une batterie dite condensée, avec une densité pouvant atteindre 500 Wh/kg selon le fabricant, et des travaux pour l’aviation électrique. Cela ne constitue pas une homologation d’avion commercial. Le groupe affirme aussi améliorer les performances des batteries par temps froid et leur recharge, mais les résultats dépendent de la chimie, de la température et du système de gestion thermique.

Certains constructeurs développent leurs propres technologies et d’autres concluent des partenariats. Les relations de CATL avec Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda et Mercedes-Benz portent sur des projets et accords différents; elles ne signifient pas toutes la même exclusivité ou le même modèle industriel.

La taille de CATL peut favoriser les économies d’échelle et financer un effort de recherche important. Son positionnement de fournisseur, plutôt que de constructeur automobile, peut aussi intéresser des clients. Ces avantages ne garantissent cependant ni chaque percée technique ni une préférence de tous les constructeurs.

CATL est déjà présent dans le stockage stationnaire, en plus de ses activités automobiles. La croissance des renouvelables peut élargir ce marché; il ne s’agit pas d’un secteur dans lequel le groupe n’aurait pas encore commencé à opérer.

Ces facteurs peuvent soutenir la position de CATL, mais l’investissement reste exposé à la concurrence, aux prix, à l’évolution technologique et aux tensions entre la Chine et les États-Unis.