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La SCF lance le débat sur le stockage de l'électricité

Sylvie Latieule

La chimie a toujours été un fort contributeur pour le développement du secteur de l'énergie. Elle est aujourd'hui particulièrement solicitée sur le nouveau sujet du stockage de l'énergie électrique intermittente d'origine renouvelable.

Organisée par la Société chimique de France (SCF, Division de chimie industrielle) en collaboration avec le magazine Info Chimie, la 6e soirée de la chimie s'est déroulée le 5 mars, à Rueil, dans les locaux de l'IFP Énergies nouvelles. Sous le thème « La contribution de la chimie au développement des énergies renouvelables : les réalités d'aujourd'hui », la soirée a surtout été consacrée à l'apport de la chimie sur le sujet du stockage de l'énergie à travers les interventions de 5 spécialistes : Pierre Papon (professeur émérite ESPCI Paritech), Jean-Marie Tarascon (professeur au Collège de France), Michel Latroche (directeur de l'Institut de chimie et des matériaux Paris-Est - ICMPE), Patricia De Rango (directeur de recherche CNRS - Institut Néel/Creta), Hervé Toulhoat (directeur adjoint de la direction scientifique de l'IFPEN). « Les 5 exposés ont montré à la fois le degré de maturité de différentes technologies et les défis à court et moyen termes qu' industriels et chercheurs doivent relever pour développer des systèmes qui soient plus efficaces tout en ayant une empreinte environnementale faible », explique Jacques Kervennal, président de la DCI.

Ainsi, le professeur Pierre Papon a posé la problématique de la soirée. Selon l'Agence internationale de l'énergie, la consommation énergétique de la planète s'est élevée à 10 GTep en 2000 avec une part d'énergie fossile de 80 %. Pour se restreindre à un scénario de réchauffement climatique de seulement 2°C, tout en satisfaisant les besoins de la population avec une consommation de 15 GTep en 2035, il faudrait réduire la part du fossile à 63 %. D'où l'apparition de fortes contraintes sur les filières énergétiques avec la nécessité de diminuer la part du charbon et d'augmenter celle des énergies renouvelables et du nucléaire, des biocarburants et de l'hydraulique « là où l'on peut », explique Pierre Papon. Ces fondamentaux lui ont permis de décliner les chantiers clés à engager et les verrous technologiques à lever à trois horizons différents : le court terme (10 ans), le moyen terme (entre 15 et 20 ans) et le long terme (supérieur à 20 ans). À brève échéance, l'urgence est, par exemple, au stockage de l'énergie. Sans stockage, il sera difficile de développer plus avant les énergies renouvelables (sachant qu'aujourd'hui, on utilise surtout la technologie STEP (stations de transfert d'énergie par pompage). À long terme, on attend des avancées en biologie de synthèse pour la production des carburants de deuxième génération ou dans le domaine des matériaux pour entrer dans le monde de l'électronique organique.

 

Les limites du Li-ion

 

Jean-Marie Tarascon a axé son propos sur le stockage électrochimique de l'énergie. Il a rappelé que d'ores et déjà, la batterie Li-ion avait su conquérir le marché des équipements électroniques portables (téléphone, ordinateur) avec des puissances de 5-10 Wh. En revanche, le défi du stockage électrochimique de l'énergie intermittente à plus grande échelle reste à relever. Le véhicule électrique n'a pas encore suffisamment d'autonomie pour envisager des applications de masse. Quant au stockage de masse en réseau, tout reste à faire, même si la société A123 Energy propose déjà des systèmes de stockage à partir de batteries jusqu'à 2 MW. Selon lui, il reste des verrous comme celui de la sécurité, du coût, de la capacité de stockage, mais aussi du développement durable. « Le rêve serait de pouvoir utiliser des matériaux issus de la biomasse et de travailler dans des conditions de chimie douce », explique Jean-Marie Tarascon. Enfin, si la technologie Li-ion a ses limites, le chercheur évoque des alternatives en cours d'investigations avec les batteries Li-S ou Li-air. Cette dernière technologie, métal-air, pourrait permettre à un véhicule électrique d'atteindre un jour une autonomie de plus de 500 km contre 160 km aujourd'hui pour le Li-ion. Mais il faudra attendre 2050.

Autre possibilité pour stocker de l'énergie intermittente, faire une électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène qui est ensuite réutilisée dans une pile à combustible, a expliqué Michel Latroche. Reste que dans ce domaine, le stockage de l'hydrogène est encore un défi à relever. Deux possibilités se présentent : le stockage physique et le stockage chimique. Le stockage physique est actuellement le plus utilisé, en particulier la liquéfaction de l'hydrogène qui entraîne une forte consommation d'énergie, tandis que les pertes par évaporation de 1 %/j restent inévitables. Une autre possibilité est celle du stockage par physisorption dans des matériaux de type MOF et MIL à très haute surface spécifique. Dans les deux cas, on doit travailler à forte pression et basse température. Le stockage chimique, sous forme d'hydrures simples ou complexes, constitue donc une alternative intéressante. Il met en oeuvre des réactions réversible du type :

LaNi5 + x/2 H2 -> LaNi5Hx

« Les chimistes peuvent jouer sur les éléments qui peuvent former des hydrures. De nombreux éléments ont été étudiés ZrCr2, TiFe, Mg2Ni, (V,Ti) », souligne Michel Latroche, qui cite également des travaux prometteurs avec des borohydrures (M(BH4)x), alanates (NaAlH4) et amidures (Li3N). Ce stockage chimique commence à être une réalité industrielle avec la société McPhy qui vient d'entrer en Bourse et développe des conteneurs commerciaux de stockage de l'hydrogène. Patricia de Rango, qui a collaboré à la technologie, a expliqué qu'elle est basée sur l'usage d'hydrures de magnésium nanostructurés, additivés et mélangés à du graphite expansé. Cela conduit à la préparation d'un composite qui est ensuite compacté sous forme de disques, puis empilé pour construire des réservoirs. Ces derniers sont eux-mêmes construits avec un matériau à changement de phase (MCP) qui permet de stocker l'énergie thermique du chargement et de la récupérer pour le déchargement, ce qui induit une perte d'énergie minimum.

La conclusion de la soirée a été donnée par Hervé Toulhoat qui a fait état d'un intérêt récent des chercheurs de l'IFPEN pour l'hydrogène et son stockage dans différents matériaux. Le travail, à la fois de recherche et de mise en oeuvre, se fait dans de nombreuses directions. Les axes retenus sont applicables à des domaines d'utilisation différents : mobilité ou stationnaire, faible ou grande capacité. « On ne peut pas exclure qu'en fonction des développements réalisés, les modes de stockage les plus performants aujourd'hui soient dépassés à moyen terme », a-t-il ajouté.

TRANSITION ÉNERGÉTIQUE : LA CHIMIE AVANCE SUR CINQ FRONTS

1) La relation entre les propriétés (ex. : la conductivité électrique) et les structures des matériaux (ex. : une électrode de batterie), 2) la synthèse de matériaux permettant de trouver des propriétés nouvelles ou d'améliorer les performances de matériaux (cas des cellules solaires), 3) la cinétique de réactions via la catalyse (ex. : la production d'hydrogène), 4) l'alliance avec la biologie pour réaliser des synthèses de génomes (ex. : la production de biocarburants), 5) de nouvelles réactions consommant moins d'énergie ou pour extraire des matériaux (ex. : le recyclage de terres rares ou le cycle du plutonium pour le nucléaire). Source le blog de Pierre Papon : www.pierrepapon.fr

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