Comment une nouvelle classe de startups travaille pour résoudre le casse-tête du stockage en grille

Illustration conceptuelle d'une batterie faite d'un puzzle cube rubiks Nicolas Ortega

Voici le problème : les panneaux solaires et les éoliennes sont des sources d'électricité bon marché, propres et fiables, jusqu'à ce qu'ils ne le soient pas. Le soleil se couche; les drapeaux de vent. Ils ne peuvent pas alimenter un réseau électrique seuls.

Les centrales au charbon et au gaz naturel peuvent aujourd'hui combler les lacunes. Mais à mesure que les réglementations climatiques fermeront davantage ces sources de rejet de carbone, il y aura éventuellement des jours, voire des semaines chaque année, où les énergies renouvelables ne suffiront pas à garder les lumières allumées. Quelque chose d'autre devra intervenir.

Form Energy est convaincu que quelque chose pourrait être une batterie. Mais il faudrait que ce soit une batterie comme aucune autre au monde n'en ait vu.

Pour être aussi bon marché, fiable et flexible que le gaz naturel, un tel système de batterie devrait coûter moins de 10 $ par kilowattheure. Les meilleures batteries de grille d'aujourd'hui, les grands systèmes lithium-ion, coûte des centaines de dollars par kilowattheure (estimations précises varier ). Cela pourrait même prendre des décennies pour que ce prix tombe en dessous de 100 $.

C'est un énorme bond en avant. Mais les fondateurs de Form pensent qu'ils pourraient atteindre cet objectif en développant de grosses batteries qui reposent sur des matériaux extrêmement bon marché et à haute densité énergétique. Nous pensons pouvoir y arriver, déclare Yet-Ming Chiang, professeur au MIT, cofondateur et scientifique en chef de Form. Nous pensons que nous pouvons faire correspondre la technologie à ces exigences.

Une forme de stockage d'énergie peu coûteuse et durable qui pourrait être construite n'importe où serait à peu près ce qui se rapproche le plus d'une solution miracle pour nettoyer le secteur de l'électricité. Il tirerait le meilleur parti des coûts en forte baisse du solaire et de l'éolien, sans les nombreux problèmes environnementaux, de sécurité ou esthétiques soulevés par d'autres moyens d'équilibrer les fluctuations des énergies renouvelables.

L'énigme du stockage en grille

Form, basée à Somerville, dans le Massachusetts, a attiré l'attention du monde des batteries lors de sa création en 2017. Chiang est l'un des meilleurs scientifiques mondiaux des batteries. Il a publié des centaines d'articles scientifiques, détient plus de 80 brevets , et a cofondé six startups. Plusieurs ont gagné valorisations supérieures à 1 milliard de dollars , y compris Systèmes A123 , qui fabrique des batteries lithium-ion pour véhicules électriques.

PDG de Form, Matthieu Jaramillo , précédemment assemblé et dirigé une unité commerciale de Tesla qui vend des systèmes de batteries pour les maisons et est en train de construire certains les plus grands projets de batterie de réseau autour du monde. À ce jour, Form a levé environ 50 millions de dollars auprès de Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates, du géant italien de l'énergie Eni et d'autres.

L'équipe fondatrice de Form Energy. Avec l'aimable autorisation de Form Energy

Une vague d'entreprises de stockage en réseau a échoué (voir Pourquoi de mauvaises choses arrivent aux startups d'énergie propre). Form n'est que l'un des nombreux organismes qui ont récemment levé des fonds pour s'attaquer au problème.

Le principal besoin de stockage sur le réseau aujourd'hui est connu sous le nom de stockage intrajournalier. Il fournit des sursauts rapides d'électricité pendant quelques heures pour lisser les inadéquations entre la production et la demande tout au long de la journée et au moins jusqu'en début de soirée.

Une part croissante de ce stockage provient des batteries lithium-ion, qui alimentent également les téléphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques et deviennent de plus en plus moins chères et plus puissantes. La quantité de stockage d'énergie du réseau installée dans le monde a augmenté de près de 150 % l'an dernier pour atteindre six gigawattheures, selon le cabinet de recherche Wood Mackenzie . C'est presque le double du taux moyen au cours des cinq années précédentes, et les systèmes lithium-ion ont représenté la majeure partie de l'augmentation.

Tesla, par exemple, prévoit de construire des centaines de son nouveau système de trois mégawattheures Mégapack systèmes de batteries à Moss Landing, en Californie. le projet , qui comprend également d'autres développeurs de stockage d'énergie, remplacerait un trio de centrales à gaz vieilles de plusieurs décennies sur le site géré par Calpine, une grande compagnie d'électricité américaine.

Usine de batteries de réseau de Telsa à Kauaʻi, Hawaï. Avec l'aimable autorisation de Tesla

Pendant ce temps, un nombre croissant de développeurs d'énergies renouvelables, comme Recurrent Energy et First Solar, sont proposer des fermes solaires géantes couplées à d'immenses systèmes de stockage par batteries , permettant aux centrales de continuer à fournir de l'électricité pendant des heures après le coucher du soleil.

Mais le soleil et le vent ne se fanent pas pendant des heures ; parfois ils plongent pendant des jours ou des semaines. Si nous voulons passer principalement aux énergies renouvelables, nous aurons besoin de beaucoup plus de stockage qui peut durer beaucoup plus longtemps.

Avec la technologie actuelle des batteries, les coûts monteraient en flèche, explique Jesse Jenkins, professeur adjoint à Princeton qui étudie les systèmes énergétiques. Cela nécessiterait des batteries sur des banques de batteries lithium-ion, dont beaucoup ne pourraient être utilisées que quelques fois par an. Nous aurions également besoin de construire plus de parcs solaires et éoliens pour générer suffisamment d'électricité excédentaire pour les recharger. (Voir La raison de 2,5 billions de dollars pour laquelle nous ne pouvons pas compter sur les batteries pour nettoyer le réseau.)

L'économie s'effondre dans ce scénario. Si ces actifs sont censés rester inutilisés pendant les trois quarts de l'année, vous venez de multiplier par 4 le coût effectif, déclare Don Sadoway, un chimiste du MIT qui a cofondé Ambri, qui a développé une batterie à grille de métal liquide qui dure environ une heure de plus que ceux au lithium-ion.

Mais c'est en fait encore pire. Nous aurions besoin de surconstruire les énergies renouvelables et le stockage pour répondre à la demande lors des événements les plus rares : les reflux prolongés du soleil ou du vent qui se produisent toutes les quelques années, peut-être même une fois par décennie.

Les régions n'ont pas à résoudre ce problème entièrement par le stockage. Rencontrer juste un petite part de la demande totale par d'autres moyens faciliterait les objectifs de coûts que les sociétés de stockage devraient atteindre, d'autres recherches montrent . Cela pourrait inclure des réacteurs nucléaires, de l'énergie hydroélectrique, des centrales au gaz naturel avec des systèmes qui capturent les émissions de carbone ou des lignes de transmission longue distance qui peuvent équilibrer les énergies renouvelables à travers les fuseaux horaires. Mais ces options sont politiquement impopulaires, coûteuses, géographiquement limitées, ou les trois. Les batteries ont l'avantage de ne pas particulièrement déranger les gens.

Nous devons penser à ces problèmes futurs aujourd'hui, car les technologies nécessaires pourraient prendre des années, voire des décennies, à se développer. Les régions à forte proportion d'énergies renouvelables, comme la Californie et l'Allemagne, produisent déjà plus d'énergie solaire ou éolienne que le réseau ne peut en utiliser pendant certaines périodes, ce qui sape les incitations économiques à en construire davantage. De nombreuses autres régions commencent à réaliser qu'il existe un fossé béant que certaines technologies devront combler si elles espèrent éliminer les combustibles fossiles.

L'approche du formulaire

Le développement de batteries bon marché et de longue durée a déconcerté les chercheurs pendant des décennies, principalement parce que les métaux et les produits chimiques qui ont le mieux fonctionné jusqu'à présent sont chers. Les utiliser pour répondre à des besoins de stockage plus longs signifie en empiler de plus en plus. Form est prudent quant à la manière dont il tente de contourner ces défis, mais une partie de l'approche de l'entreprise ressort clairement d'un article publié par Chiang et ses collègues dans la revue Joule fin 2017 (voir La nouvelle entreprise d'un entrepreneur de batteries en série s'attaque au plus gros problème de l'énergie propre).

Énergie de forme

Form Energy a été créée en 2017, lorsque Baseload Renewables, une entreprise dérivée du MIT, a fusionné avec Verse Energy, qui a été lancée par Mateo Jaramillo, qui dirigeait auparavant l'activité de stockage d'énergie de Teslau2019. La société a levé environ 50 millions de dollars à ce jour.

Fondateurs

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24M
nTed Wiley, Aquion Energy

Bailleurs de fonds

Entreprises énergétiques révolutionnaires
Groupe nEni
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s Le moteur
nSaudi Aramco
nLe programme ARPA-E du ministère de l'Énergieu2019

Toutes les batteries contiennent deux composants de base : un électrolyte, généralement un produit chimique liquide, et une paire d'électrodes, l'anode et la cathode, qui sont faites de matériaux différents (souvent, mais pas toujours, des métaux). Les atomes chargés, appelés ions, transportent le courant à travers l'électrolyte entre les deux électrodes lorsque la batterie se charge ou se décharge. Dans les batteries lithium-ion, l'électrolyte est un composé de lithium mélangé à d'autres produits chimiques.

Dans l'article de 2017, Chiang et ses collègues ont souligné le potentiel d'une batterie à flux de soufre aqueux respirant de l'air. Une batterie à flux commence à contourner le problème de coût en séparant les composants de la batterie fournissant de l'électricité, y compris les électrodes, de la partie de stockage d'énergie, l'électrolyte.

Une batterie à flux standard a deux électrolytes différents, connus sous le nom de catholyte et d'anolyte, chacun pouvant être stocké dans de grands réservoirs facilement interchangeables. Donc, si vous voulez plus de stockage, vous pouvez simplement ajouter des réservoirs plus grands tandis que les autres pièces coûteuses, y compris les électrodes, restent les mêmes.

Pour le rendre vraiment peu coûteux, cependant, les électrolytes remplissant ces réservoirs géants doivent également être bon marché. La clé de la batterie à flux dans le Papier Joule consiste à utiliser une solution à base de soufre comme anolyte. Le soufre est l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre ainsi qu'un sous-produit du raffinage du carburant, il est donc extrêmement bon marché et peut stocker beaucoup d'énergie.

Sur la base de la charge stockée par dollar, le soufre était plus d'un facteur 10 meilleur que la meilleure chose suivante, m'a dit Chiang en 2017.

Au total, les coûts des produits chimiques dans une telle batterie à flux pourraient être aussi bas que 1 $ par kilowattheure, selon l'étude.

Lorsque j'ai parlé à Chiang en août dernier, il a confirmé que le soufre faisait toujours partie de notre feuille de route. Il a dit que c'est l'approche qu'ils utilisent dans un projet financé par le programme Moonshot ARPA-E du ministère de l'Énergie . Mais Form dit qu'il développe maintenant plusieurs chimies, bien qu'il ne dise pas ce que sont les autres.

Yet-Ming Chiang, professeur au MIT et cofondateur de Form Energy. Simon Simard

Alors que la plupart des entreprises de stockage en réseau se concentrent uniquement sur la partie stockage, Jaramillo a également déclaré ils explorent la possibilité de centrales électriques bidirectionnelles , qui générerait de l'énergie renouvelable sur place à l'aide de l'énergie solaire ou éolienne, la stockerait dans de grosses batteries et la fournirait au réseau selon les besoins.

Autres voies vers le stockage de longue durée

Mais une batterie électrochimique, qu'elle soit basée sur la chimie du soufre ou du lithium-ion ou autre, n'est qu'un moyen parmi d'autres de stocker de grandes quantités d'énergie.

Début septembre, un groupe d'ingénieurs s'est entassé autour d'un cylindre trapu en argent de la taille d'un réservoir de gril à l'arrière d'un atelier encombré du Lawrence Berkeley National Lab, niché dans les collines surplombant la baie de San Francisco. Mis à part leur regard intense sur l'écran d'ordinateur adjacent, le seul indice que quelque chose était au travail était une lueur orange visible dans une petite fenêtre près du bas de l'appareil.

Les chercheurs d'Antora Energy développent un nouveau type de stockage thermique. C'est un approche rarement utilisée qui retient l'énergie sous forme de chaleur ou de froid extrême dans une variété de substances, comme les roches souterraines ou les blocs de glace. Dans le cas d'Antora, la substance à l'intérieur du réservoir était un bloc de carbone qui, à ce moment-là, tournait bien au-dessus de 2 000 ˚C.

L'espoir est qu'ils pourraient utiliser l'électricité excédentaire des parcs solaires ou éoliens pour chauffer ce matériau, puis reconvertir la chaleur en électricité en cas de besoin. Généralement, dans le stockage thermique, cela se fait encore dans le style très inefficace du XIXe siècle : en créant de la vapeur qui entraîne un générateur à turbine. Mais la majeure partie de l'énergie est gaspillée en raison de frottements mécaniques, de fuites de vapeur et d'autres problèmes.

Antora teste un nouveau système thermophotovoltaïque. C'est quelque chose comme un panneau solaire, mais il convertit le rayonnement infrarouge provenant d'un objet chaud, plutôt que la lumière du soleil, en électricité. Fin septembre, les chercheurs ont annoncé qu'ils avaient établi un nouveau record en convertissant plus de 30 % de la chaleur circulant dans la cellule en électricité lors d'une expérience en laboratoire. Ils visent à atteindre plus de 50% d'efficacité.

Les méthodes mécaniques offrent une autre approche du stockage en grille. Cela comprend le pompage d'air dans des cavernes souterraines, la circulation de trains remplis de roches sur des collines ou le transfert d'eau entre des réservoirs à différentes hauteurs. Tous ces éléments fonctionnent à peu près de la même manière, utilisant de l'énergie de réserve lorsqu'elle est disponible pour déplacer quelque chose à une altitude plus élevée ou le placer sous pression. Ensuite, lorsqu'il est libéré, nous pouvons exploiter l'énergie cinétique de l'air qui s'échappe ou des trains ou de l'eau qui descendent pour générer de l'électricité.

En effet, l'hydroélectricité par pompage est de loin notre source de stockage d'énergie de réseau la moins chère et la plus abondante aujourd'hui. Le problème est que vous n'avez pas toujours assez d'eau ou de collines près de chaque centrale électrique.

Dans le cadre de son programme DAYS, l'ARPA-E a investi plus de 30 millions de dollars dans 12 startups ou groupes de recherche essayant de résoudre le problème du stockage en grille. Ceux-ci incluent les batteries à flux de Form et le système thermique d'Antora, ainsi que la tournure de Quidnet Energy sur l'hydroélectricité pompée : le système de la startup de San Francisco pompe l'eau dans les interstices entre les roches confinées sous terre , créant une pression qui force l'eau à remonter et à travers un générateur lorsque l'électricité est nécessaire.

Entreprises énergétiques révolutionnaires , le fonds soutenu par Bill Gates, a fait du stockage de longue durée l'une de ses principales priorités. En plus de Form, il a soutenu Quidnet et Malta, une autre startup thermique qui s'appuie sur le sel fondu comme support de stockage (voir Alphabet est en pourparlers pour développer son jeu de stockage de sel fondu).

Pendant ce temps, le conglomérat japonais SoftBank a récemment investi 110 millions de dollars dans la startup suisse de stockage mécanique Energy Vault, qui utilise des grues et des câbles pour empiler des blocs de béton lorsque les énergies renouvelables génèrent un excès d'électricité. Il laisse ensuite tomber ces blocs au sol sur ces mêmes fils, utilisant leur élan pour faire tourner les moteurs des grues en sens inverse et pomper l'électricité. ( Cette vidéo rend le concept plus clair.)

La nature non conventionnelle de certaines de ces idées montre à quel point il est difficile pour les technologies de passer du stockage de quelques heures à quelques semaines d'énergie.

Si nous parlons de capter, disons, un mois ou deux mois d'énergie pendant l'été et de l'avoir disponible pendant un mois ou deux mois en hiver, ce sont des sommes d'énergie gigantesques, dit Sadoway. Combien de trains de roches avez-vous ?

Très gros si

La plupart des méthodes mécaniques comme les trains ou les grues nécessitent de grandes quantités d'espace. Les méthodes thermiques sont intrinsèquement inefficaces, car il est difficile d'empêcher la chaleur ou le froid de s'échapper. Et la production ou la combustion de la plupart des combustibles liquides crée les émissions climatiques mêmes que nous cherchons à éviter.

Les batteries ont l'avantage d'être propres, compactes, mobiles et efficaces. Donc, si quelqu'un peut les rendre bon marché et durables, ils pourraient se brancher sur n'importe quel réseau. Cela permettrait à l'énergie éolienne et solaire de fournir une bien plus grande partie de notre électricité et, à son tour, à une électricité propre de répondre à une bien plus grande partie de nos besoins énergétiques totaux.

Mais ceux-ci restent de très gros si. Certains observateurs de l'énergie doutent que Form puisse atteindre ses objectifs, ou se demandent quelle quantité de gaz naturel ces batteries supplanteraient même si elles le faisaient. De leur côté, les fondateurs de l'entreprise dire c'est un projet d'au moins une décennie, avec de sérieux risques techniques, financiers et de marché.

Les progrès majeurs de la batterie ne se produisent qu'environ une fois tous les trois décennies en moyenne, et l'histoire du domaine est encombrée d'approches beaucoup plus prometteuses qui n'ont pas abouti que celles qui l'ont fait.

Là encore, la dernière en date, la technologie lithium-ion, est arrivée sur le marché il y a 28 ans. Nous sommes sur le point de faire une autre percée.

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