Révolution écologique : Des batteries au zinc à double rendement et capables de produire de l’hydrogène

La révolution des énergies renouvelables pose des défis considérables à l’Allemagne et à d’autres pays dans le monde. L’un de ces défis est de trouver le bon moyen de stocker l’énergie verte. Les sources renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire deviennent de plus en plus abordables et pourraient un jour fournir suffisamment d’électricité pour de longues périodes. Mais leur nature imprévisible signifie que l’énergie éolienne et solaire souffrira toujours de dunkelflauten, un terme allemand utilisé dans le monde entier pour désigner les périodes où le soleil ne brille pas et où le vent ne souffle pas. Ces dunkelflauten doivent actuellement être couverts par des centrales électriques conventionnelles, ce qui oblige les pays à maintenir une double infrastructure électrique complexe, à brûler des combustibles fossiles et à retarder la transition vers les énergies renouvelables.

Un consortium d’instituts de recherche et les partenaires commerciaux Zn2H2 GmbH et Steel PRO Maschinenbau GmbH se sont associés dans le cadre du projet Zn-H2 afin d’étudier des idées novatrices pour le stockage de l’énergie verte. Leur objectif est de concevoir une batterie longue durée explicitement destinée au stockage à long terme de l’énergie. En partant de modèles de batteries éprouvés qui utilisent des anodes en zinc, les chercheurs ajoutent l’électrolyse de l’eau alcaline pour mettre au point une technologie totalement nouvelle. Contrairement aux piles au lithium courantes, les piles au zinc sont nettement moins chères et ne nécessitent que des matériaux facilement disponibles et entièrement recyclables (acier, zinc et hydroxyde de potassium). Et ce n’est pas le seul tour qu’ils ont dans leur sac : Le système serait capable de produire de l’hydrogène à la demande. Au terme de leurs travaux, les chercheurs espèrent disposer d’un système de stockage d’hydrogène électriquement rechargeable, capable de stocker l’énergie sous forme de zinc métallique et de la restituer sous forme d’énergie électrique et d’hydrogène en cas de besoin.

Robert Hahn, du Fraunhofer IZM, est chargé de coordonner les travaux sur le projet. Il explique les processus chimiques qui se déroulent à l’intérieur de la batterie : “Pendant la charge, l’eau s’oxyde en oxygène, tout en réduisant l’oxyde de zinc en zinc métallique. Lors de la décharge, l’oxyde de zinc redevient de l’oxyde de zinc. L’eau est à nouveau réduite et libère de l’hydrogène. Il s’agit d’une combinaison unique d’une batterie ordinaire et d’une source d’hydrogène, avec une efficacité totale de stockage électrique de 50 %, soit le double de l’efficacité des autres systèmes de conversion de l’énergie en gaz actuellement privilégiés”. Le coût des matériaux étant inférieur d’un ordre de grandeur à celui des batteries au lithium, la nouvelle technologie promet une alternative commercialement attrayante pour le stockage de l’énergie verte.

Les chercheurs ont prouvé la viabilité du nouveau système dans des conditions de laboratoire et ont testé l’efficacité et la stabilité des cellules individuelles sur un certain nombre de cycles. L’objectif, à la fin de l’année, est de disposer d’une unité de démonstration pour les essais de fonctionnement dans un dispositif d’essai dédié. À terme, huit cellules, chacune d’une capacité d’environ 12 V et 50 Ah, seront connectées. Pour la production rentable à grande échelle du catalyseur à double fonction (produisant tour à tour de l’oxygène et de l’hydrogène), les chercheurs misent sur le dépôt galvanique. La fiabilité et la reproductibilité du procédé seront testées avant les essais de batterie proprement dits.

L’équipe Fraunhofer IZM de Berlin a pris en charge la conception de l’unité de démonstration, la construction des systèmes d’essai et les tests de fiabilité proprement dits. Les piles zinc-hydrogène étant une première mondiale, il a également fallu mettre au point un environnement d’essai approprié, en utilisant des commandes intelligentes et très précises pour ajuster et optimiser toute une série de paramètres.

L’un des paramètres cruciaux concerne la charge, qui doit être parfaitement réglée pour garantir des opérations stables sur plusieurs milliers de cycles. Cette stabilité de cycle n’a été atteinte dans aucune des batteries au zinc de pointe existantes, car la formation de dendrites de zinc ou de zinc mousseux entraîne généralement des courts-circuits à un moment ou à un autre de la vie des batteries.

Les premiers essais sur des cellules individuelles ont donné des résultats très prometteurs : Dans un cycle d’utilisation réaliste avec des fluctuations saisonnières de la lumière du jour et dans une utilisation quotidienne pour le stockage de l’énergie solaire, les catalyseurs bon marché à construire devraient fournir une durée de vie de dix ans ou plus. Le système doit encore être mis à l’échelle et faire l’objet d’un effort d’ingénierie des systèmes avant d’être prêt pour une utilisation industrielle, mais l’un des partenaires commerciaux du projet, Zn2H2, a déjà déposé plusieurs demandes de brevet pour cette technologie. Avec l’ensemble du consortium de recherche, ils ouvrent ainsi la voie à une solution innovante pour le stockage de l’énergie verte et la production d’hydrogène comme l’un des carburants de l’ère des énergies renouvelables.

Le projet Zn-H2 est soutenu par le ministère allemand de l’éducation et de la recherche (code de financement 03SF0630A) et devrait s’achever en septembre 2025. Les partenaires coopérants sont : Zn2H2 GmbH, Steel PRO Maschinenbau GmbH, Fraunhofer IFAM, l’Université technique de Berlin, l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck et Fraunhofer IZM.

La source:Révolution écologique : Des batteries au zinc à double rendement et capables de produire de l’hydrogène (chemeurope.com)