La meilleure batterie de grille d'Ambri

Une petite startup appelée Ambri veut transformer notre système énergétique avec des batteries massives à métal liquide. Par

• Martin LaMonica page d'archives

18 février 2013

Debout à côté de la table de ping-pong dans les bureaux de la startup de batteries Ambri, le directeur de la technologie David Bradwell a besoin des deux mains pour ramasser ce qu'il espère être la pierre angulaire d'un nouveau type de réseau électrique. Fabriqué en acier épais, c'est un récipient en forme de grand moule à gâteau rond de 16 pouces de diamètre. À l'intérieur se trouvent deux rondelles en métal et de la poudre de sel ; une plaque ronde a été soudée au sommet pour faire une cellule de batterie de 100 livres.

En enchaînant un certain nombre de ces grandes cellules, Ambri prévoit de fabriquer d'énormes batteries, aussi grandes que des conteneurs maritimes de 40 pieds. Ce n'est pas seulement leur taille qui les rend nouveaux : la chimie de la technologie d'Ambri est différente de toute autre actuellement utilisée dans les batteries. Lorsque la cellule est chauffée à environ 500 °C, les disques et la poudre à l'intérieur (respectivement les électrodes et l'électrolyte de la batterie) fondent. Le résultat est une batterie dont les composants sont tous liquides. Les batteries rechargeables conventionnelles ont des électrodes solides qui se dégradent avec l'utilisation, mais une batterie contenant uniquement des pièces liquides peut durer des années sans perdre une grande partie de sa capacité de stockage d'énergie. Les matériaux fondus peuvent également fonctionner à des densités de courant beaucoup plus élevées que les solides, et pendant des périodes de temps plus longues.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2013

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Le cofondateur d'Ambri, Donald Sadoway, professeur de chimie des matériaux au MIT, a conçu la cellule à métal liquide comme un moyen de construire une batterie de grille qui pourrait stocker de nombreuses heures d'énergie solaire et éolienne à très faible coût. Parce qu'une batterie stationnaire destinée à stocker de l'énergie pour le réseau n'aurait pas besoin d'être légère comme les batteries de nos ordinateurs portables, voitures et lampes de poche, il était libre de s'écarter radicalement de la chimie qui alimente ces appareils. Le résultat est une batterie fabriquée à partir de matériaux abondants et peu coûteux dans un processus de production simple. Il peut gérer en toute sécurité des courants importants et fournir de l'énergie en rafales rapides ou pendant une période prolongée.

Si Ambri ou quelqu'un d'autre peut rendre le stockage sur réseau bon marché et fiable, cela changera la façon dont nous obtenons de l'électricité. Étant donné que la production des parcs éoliens et solaires est intermittente, ces sources renouvelables à elles seules ne peuvent pas alimenter de manière fiable l'ensemble du réseau, ni même la majeure partie. Les gestionnaires de réseau doivent assurer un équilibre constant entre la puissance consommée et la quantité produite. Le système doit être en mesure de répondre à la demande de pointe, qui se produit généralement lorsque les gens allument leur climatisation pendant les chaudes journées d'été. Cela signifie que les parcs éoliens et solaires sont généralement soutenus par des centrales au gaz naturel qui peuvent rapidement s'ajouter à l'approvisionnement en électricité.

La capacité d'apporter de l'énergie stockée en cas de besoin signifierait que certaines de ces centrales électriques à combustibles fossiles pourraient être fermées et que de nouvelles n'auraient pas à être construites. Mais jusqu'à présent, nous n'avons pas de bon moyen polyvalent pour stocker l'énergie pour le réseau. Aujourd'hui, 99 % du stockage du réseau prend la forme d'hydroélectricité pompée : l'eau est pompée en amont vers un réservoir et libérée pour faire tourner un générateur lorsque de l'énergie est nécessaire. Cette méthode low-tech est efficace et bon marché sur le long terme, mais elle est limitée aux endroits avec des montagnes et de l'eau facilement disponible. En conséquence, il fournit moins de 1% de la capacité électrique aux États-Unis un jour donné, selon Mark Johnson, directeur du programme de stockage en réseau à l'agence de recherche ARPA-E du ministère de l'Énergie.

Des dizaines d'entreprises développent de nouveaux dispositifs de stockage d'énergie, notamment divers types de batteries géantes, de grands cylindres en rotation appelés volants d'inertie et même des réservoirs de stockage d'air comprimé. Mais jusqu'à présent, aucune de ces approches n'est suffisamment bon marché pour être compétitive. Selon sa taille, une centrale hydroélectrique à pompage peut fournir de l'électricité pendant des dizaines d'heures à un coût d'environ 100 $ le kilowattheure. Les batteries au niveau du réseau peuvent coûter 10 fois plus cher, c'est pourquoi il n'y a que quelques centaines de mégawatts de puissance de batterie sur le réseau, soit moins que la quantité fournie par une centrale électrique pleine grandeur.

Ambri fait le pari qu'en utilisant des matériaux bon marché et une conception de batterie simple sans pièces mobiles, il peut fournir un stockage d'énergie en vrac fiable pour bien en deçà de 500 $ par kilowattheure. C'est toujours plus cher que l'hydroélectricité pompée, mais comme les batteries peuvent être placées presque n'importe où, Ambri pense que sa technologie peut être le choix le plus économique pour de nombreuses applications.

Une métrique compte plus que toute autre chose sur la grille, dit Johnson. C'est le coût, le coût, le coût.

Verres à liqueur

Lorsque Sadoway a envisagé pour la première fois le stockage en réseau en 2005, il s'est inspiré des fonderies d'aluminium. Ces machines massives, qui peuvent s'étendre sur plus de 200 000 pieds carrés, utilisent d'énormes quantités d'électricité pour extraire l'aluminium de l'oxyde d'aluminium fondu par électrolyse. Sadoway, qui a une formation de métallurgiste, s'est rendu compte que la fusion pourrait fournir un modèle pour une batterie rechargeable qui tolère les niveaux de courant nécessaires pour le réseau. J'ai regardé ça et j'ai dit, Wow, ça ressemble à la moitié d'une batterie ! Et c'est gros, c'est évolutif, et c'est bon marché, dit-il.

Après avoir eu l'idée de la batterie à métal liquide, Sadoway a recherché les électrodes parfaites : il a fini par choisir le magnésium et l'antimoine car ils sont bon marché et se séparent naturellement lorsqu'ils sont sous forme liquide, le magnésium plus léger atteignant le sommet. Un électrolyte liquide-sel repose entre les électrodes de magnésium et d'antimoine, créant une cellule à trois couches.

Lorsque la batterie est appelée à fournir de l'énergie à la grille, les atomes de magnésium de la couche supérieure - l'anode - émettent des électrons. Les ions magnésium résultants traversent l'électrolyte et réagissent avec l'antimoine, formant un alliage et dilatant la couche inférieure de la cellule, la cathode. Lorsque la batterie se charge, elle agit comme la fonderie, libérant le magnésium de son alliage et le renvoyant à travers l'électrolyte pour rejoindre l'électrode de magnésium. Le flux intense de courant génère la chaleur utilisée pour maintenir les métaux à l'état fondu. (Ambri est passé à des alliages métalliques moins chers et à un mélange de sels, mais la chimie fonctionne de la même manière.)

En 2007, alors que Bradwell était étudiant dans le laboratoire de Sadoway, il a utilisé la technologie magnésium-antimoine pour fabriquer une batterie expérimentale d'environ le diamètre d'un verre à liqueur. En 2009, il avait attiré près de 11 millions de dollars de financement de recherche de l'ARPA-E et de la compagnie pétrolière française Total. L'année suivante, Sadoway et Bradwell ont créé une société appelée Liquid Metal Battery Corporation ; ils ont ensuite obtenu un financement de démarrage de Bill Gates et de Total.

Les fondateurs s'attendaient à ce que le travail technique prenne plus de cinq à sept ans que les investisseurs en capital-risque sont généralement prêts à attendre avant d'encaisser. À l'été 2011, cependant, il était temps de créer un produit. Sadoway a recruté un nouveau PDG, Philip Giudice, qui a aidé à sécuriser un cycle d'investissement de 15 millions de dollars dirigé par Khosla Ventures. La société a changé son nom pour Ambri, basé sur le nom de Cambridge, où la technologie a été inventée.

Au moins au début, Ambri veut éviter de travailler avec les services publics d'électricité, explique Giudice, un ancien responsable de l'énergie de l'État du Massachusetts : les services publics sont conservateurs et ont peu d'incitations financières ou de pression réglementaire pour essayer de nouvelles technologies. Au lieu de cela, il ciblera initialement les bases militaires et autres installations prêtes à payer pour une alimentation de secours, telles que les centres de données. Ces applications ne représentent pas un marché énorme, mais elles permettront de démontrer et de tester la batterie.

Pour fabriquer les cellules de batterie d'Ambri, des électrodes en métal liquide et un électrolyte liquide-sel sont scellés dans un conteneur en acier comme celui-ci.

Plus tard cette année, l'entreprise prévoit de fabriquer un module de la taille d'un réfrigérateur en empilant des centaines de cellules de la taille d'une rondelle de hockey et en les câblant en série. D'ici 2014, les chercheurs s'attendent à ce que 80 de ces modules soient regroupés dans un prototype commercial à grande échelle qui générera 500 kilowatts et stockera deux mégawattheures, suffisamment pour alimenter 70 foyers américains pendant une journée complète.

Même après que ce prototype soit opérationnel, dit Giudice, Ambri prévoit toujours d'éviter le monde complexe et lourd de réglementations des services publics en faveur des producteurs d'électricité indépendants, des entreprises qui développent et possèdent des projets énergétiques. Dans l'ouest du Texas, par exemple, il y a souvent un surplus d'énergie éolienne la nuit, lorsque la demande et les prix sont les plus bas. Le stockage par batterie permettrait à un développeur d'énergie éolienne de fournir cette puissance aux heures de pointe et de gagner plus d'argent. Un autre marché attrayant est celui des villes où les batteries pourraient être plus rentables que l'ajout de nouvelles lignes électriques pour répondre à la demande de pointe en électricité, explique Giudice.

Si tout se passe comme espéré, Ambri sera en mesure de démontrer ses batteries dans plusieurs installations et de montrer aux services publics que la technologie est à faible risque, a déclaré Giudice. À ce stade, l'entreprise peut contacter les services publics et les régulateurs de l'État qui approuvent les investissements dans l'équipement du réseau. Un marché du stockage des services publics pleinement réalisé pourrait valoir des milliards de dollars dans cinq à dix ans.

L'argent

Tenant l'une des cellules d'origine de la taille d'un verre à liqueur à côté de celles de plus en plus grandes - quatre pouces, six pouces et la lourde cellule de 16 pouces - Bradwell montre le chemin parcouru par son équipe. Mais les chercheurs d'Ambri sont maintenant confrontés au défi de faire passer la batterie à métal liquide à une taille industrielle. Entre autres tâches, ils doivent concevoir des joints étanches sur les cellules et créer un système de gestion thermique qui s'assure que la chaleur dégagée par la charge et la décharge est suffisante pour maintenir les composants liquides. Le groupe est toujours en train de déterminer la taille individuelle qui minimisera le coût de fabrication, mais les cellules seront carrées, entre quatre et 16 pouces de côté et environ deux pouces de hauteur.

Ambri a assez d'argent pour construire ses premiers prototypes. Mais l'augmentation de la production nécessitera davantage de capitaux à un moment où l'environnement de financement des entreprises de technologies propres est loin d'être propice. Effrayés par les faibles rendements, une série de faillites très médiatisées et les dépenses liées au renforcement des capacités de fabrication, de nombreux investisseurs en capital-risque ont abandonné les technologies propres, laissant peu d'options de financement.

Les obstacles au financement sont particulièrement élevés car les startups de stockage en réseau relèvent de grands défis techniques dans une industrie qui existe à peine. Les capital-risqueurs aiment prendre des risques technologiques ou commerciaux. Certaines personnes peuvent prendre les deux, mais la plupart ne le font pas, explique Bilal Zuberi, investisseur chez General Catalyst Partners, qui a investi dans une startup développant une technologie de stockage en réseau basée sur l'air comprimé. Lors de son prochain tour, Ambri a l'intention de s'en prendre aux investisseurs du secteur de l'électricité, en espérant que des sociétés telles que General Electric, ABB et Siemens puissent fournir non seulement de l'argent, mais aussi de la crédibilité et de l'expertise dans la fabrication et la commercialisation. Mais même si l'ingénierie d'Ambri est sans faille et que l'entreprise obtient tout l'argent dont elle a besoin, elle sera confrontée au même obstacle auquel sont confrontées tant d'autres entreprises d'énergie alternative : le gaz naturel bon marché. Depuis que le gaz naturel est devenu le combustible préféré pour la production d'électricité aux États-Unis, le prix que toute technologie de stockage en réseau doit respecter pour être compétitive a beaucoup baissé.

Le facteur le plus important en faveur d'Ambri peut en fin de compte être l'état de grincement de la grille elle-même. Les pannes massives causées par les ouragans Sandy et Irene ont douloureusement révélé à quel point le système électrique est vulnérable, amenant les politiciens et le public à exiger des solutions. Le stockage en réseau pourrait ajouter une résilience et une flexibilité indispensables, en fournissant une alimentation de secours aux bâtiments et même aux communautés tout en permettant aux opérateurs de réseau de lisser les fluctuations de l'alimentation électrique. Certaines des grandes centrales électriques centralisées qui doivent maintenant être entretenues pour s'assurer que l'offre peut répondre à la demande ne seraient plus nécessaires.

Réaliser cette vision d'un système électrique protégé par des centaines de grosses batteries prendra de nombreuses années, et cela signifiera bouleverser le statu quo dans l'industrie de l'énergie électrique. Ce n'est pas une tâche facile. Mais Ambri pense que sa batterie offre un moyen de commencer à l'utiliser.

cacher