Le stockage d'électricité par accumulateurs "flow"

          Nous avons vu divers moyens de stockage de l’énergie électrique. Aujourd’hui je vais vous expliquer ce qu’est une batterie « redox » et somment on pense les adapter au stockage d’énergie électrique.
         Comme je ne connais pas quelles sont les connaissances dans ce domaine de mes lectrices et lecteurs, je vais rappeler certaines  notions. Si vous les connaissez déjà, sautez le paragraphe.

Les accumulateurs électriques :

          Il s’agit en fait « d’accumulateurs » électriques (qui sont en quelque sorte des piles rechargeables), que l’on réunit en « batteries ».
Ce terme les désigne couramment aujourd’hui.
         Ils permettent de stocker de manière réversible l'énergie électrique sous forme chimique.
         En fonction des besoins en tension et en puissance électriques, on assemble le nombre voulu d’accumulateurs de nature donnée, ces accumulateurs unitaires étant appelés « cellules » ou « modules ».
         Les plus petites batteries sont utilisées dans tous nos appareils électriques et électroniques (comme les smartphones ou les appareils de bricolage), les batteries plus puissantes dans les véhicules électriques, et des batteries particulières peuvent être imaginées pour le stockage d’énergie, que l’on dénomme « stationnaires ».
         Un accumulateur électrique utilise des réactions chimiques réversibles entre deux électrodes immergées dans un électrolyte. Lors de la charge, l'énergie électrique fournie à l’accumulateur, est transformée en énergie chimique; lors de la décharge, l'énergie chimique est convertie en énergie électrique pour alimenter un circuit électrique et lui fournir de l’énergie.

Fonctionnement des batteries :

        Deux exemples de batteries : les batteries au plomb des voitures et les batteries lithium-ion aux multiples usages.

        Dans la batterie au plomb, l’anode (négatif) est un ensemble de grilles d’alliage plomb-étain, remplies de plomb métallique poreux, et la cathode (positif) est constituée de grilles analogues, mais remplies avec une pâte d’oxyde de plomb PbO2. L’électrolyte est de l’acide sulfurique. Un séparateur isolant en fibres cellulosiques, empêche les courts circuits entre plaques positives et négatives, tout en étant poreux et résistant à l’acide sulfurique.
          A la décharge l’électrolyte se détruit et les électrodes se sulfatent en libérant les électrons de l’ion SO₄-. L’oxygène libéré à la cathode s’unit aux ions H+ pour donner de l’eau. A la charge les électrodes se désulfatent et l’électrolyte est régénéré.

         Les batteries au lithium sont intéressantes car le lithium expulse facilement un électron et c’est le plus léger des métaux
         La cathode est en dioxyde de cobalt et l’anode en graphite. L’électrolyte est un sel de lithium dissous dans des molécules organiques que l’on inclue dans des polymères; il est isolant électrique, mais laisse passer les ions.
         A la décharge le lithium stocké dans l’anode de graphique pour laquelle il a peu d’affinité, cède son électron, qui ne peut migrer dans l’électrolyte isolant, tandis que l’ion Li+ libéré va se diriger vers l’électrode de cobalt pour laquelle il a une affinité plus grande, formant un oxyde de lithium-cobalt, en ayant récupéré son électron par le circuit électrique. La batterie supporte mal une décharge totale. (il est recommandé de charger fréquemment son téléphone portable).
         A la charge, on extrait de la cathode, le lithium, qui va à nouveau se stocker dans l’électrode négative de graphite

Les oxydo-réductions :

       Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons, entre deux corps chimiques
          Le corps qui perd et émet des électrons est le réducteur : par exemple une solution de sulfate de zinc (SO42- Zn++) dans laquelle baigne une électrode de zinc métal.
          La réaction potentielle est  Zn métal --> Zn++ + 2e-    et si l'on capte les électrons produits, la barre de zinc "fond" peu à peu et la solution s'enrichit en ions Zn++. Le zinc métal est le réducteur qui cède ces électrons captés par Zn++, l'oxydant
          Le corps qui gagne des électrons est l'oxydant : par exemple une solution de sulfate de cuivre (SO42- Cu++) dans laquelle baigne une électrode de cuivre métal.
          La réaction potentielle est  Cu++ + 2e-  --> Cu métal  et si l'on capte les électrons produits, la barre de cuivre "grossit" peu à peu et la solution s'appauvrit en ions Cu++. L'ion cuivre est l'oxydant qui capte les électrons et Cu métal le réducteur
          Les réactions sont potentielles mais les électrons ne sortent pas des éléments chimiques ou n'y entrent pas spontanément. La neutralité électrique veut que les électrons émis soient capturés. Il faut donc qu'il y ait simultanément une réaction de réduction, qui émet les électrons et une réaction d'oxydation qui les capture.
         Pour que la réaction se fasse il faut donc deux couples oxydant-réducteur.
         Dans notre exemple, le résultat final est  Cu++ + Zn --> Zn++ + Cu

Les batteries « redox » à flux

        Ces batteries utilisent des accumulateurs dans lequel l'énergie est stockée dans un ou plusieurs électrolytes contenant des couples oxydant-réducteur particuliers. Elles sont composées d'une cellule électrochimique contenant deux électrodes séparées par un séparateur permettant le passage des ions H+
         Les électrolytes sont stockées dans des cuves séparées et aussi grande que l’on veut, reliées à la cellule grâce à un système de pompage. (Voir schéma ci-dessous).

        Les tensions de fonctionnement sont faibles et il s'agît d'un stockage encombrant et volumineux. Un dispositif de pompage est nécessaire pour faire circuler les électrolytes, d’où une consommation d'électricité et une baisse du rendement énergétique. L’investissement est important.
       Par contre on peut choisir et modifier la taille des réservoir et donc stocker de grandes quantité d’électricité. De plus en cas de besoin, la batterie peut être rechargée instantanément en remplissant les réservoirs avec de l'électrolyte « neuf ».
       Ce type de stockage serait donc particulièrement utile pour stocker l’énergie électrique intermittente.

        La batterie la plus utilisé est la batterie au Vanadium. Elle utilise les les couples d’oxydoréduction V2+ / V3+ dans l’électrolyte relié à l’anode, et à la cathode l'oydoréduction V5+ / V4+ sous forme d’oxyde de vanadium, l'équation globale étant :

      Mais il existe d’autres batteries en cours d’études : zinc / brome, fer : / chrome, notamment.

       En général, ces systèmes ont des capacités de stockage de 10-100 MWh, et délivrent une puissance de 1-100 MW, pour un rendement de 70 % à 90 %. La plus grande installation signée Sumitomo, se trouve actuellement au Minami-Hayakita (Japon): sa capacité est de 60 MWh pour une puissance de 15 MW.
(voir la photo en tête d'article)