Les microgrids à batteries à flux redox pourraient être la solution aux pannes causées par des catastrophes.
Les catastrophes naturelles comme les incendies de forêt engendrent des pannes d’électricité d’urgence et des coupures tournantes. Lorsque des pannes de courant surviennent, les réseaux locaux mettent en œuvre des mesures de contre-attaque pour fournir de l’énergie à partir de leurs batteries de stockage vers des tableaux de distribution de charges critiques spécifiques. Cependant, des mesures plus étendues sont nécessaires pour fournir plus d’énergie à des zones plus larges. Les batteries à flux redox pourraient être la solution.
Comment fonctionnent les batteries à flux redox ? Vidéo utilisée avec la permission de Sumitomo Electric
L’Organisation de développement de nouvelles technologies et d’industrialisation (NEDO) et Sumitomo Electric ont opéré un projet de microgrid à batteries à flux redox (RFB) en Californie depuis 2015. Le projet collabore avec le gouvernement californien et la San Diego Gas & Electric Company (SDG&E). L’opérateur du système RFB, Sumitomo Electric, a reçu le prix ISGAN 2024 pour le succès du projet.
Système de batterie à flux redox à San Diego. Image utilisée avec la permission de NEDO
Qu’est-ce que les batteries à flux redox ?
Les RFB fonctionnent grâce à une réaction redox (réduction et oxydation), dans laquelle les ions vanadium circulent dans un électrolyte autour de la batterie et subissent oxydation et réduction pour se décharger et se recharger. L’état de valence des ions vanadium change durant ce processus.
Lors de la décharge, la réaction d’oxydation entraîne la perte d’électrons des ions vanadium à l’électrode négative (qui pénètrent ensuite dans le circuit externe). Ces électrons voyagent vers l’électrode positive, où ils sont acceptés et subissent une réaction de réduction. Ce processus génère un courant électrique. Lors de la charge, le processus est inversé, tout comme la direction du courant, ce qui permet de stocker de l’énergie dans le système puisque les ions vanadium sur le côté négatif de la cellule stockent les électrons excédentaires en changeant leur état de valence. Des ions hydrogène positifs équilibrent le système, maintenant la neutralité de charge.
Structure de batterie à flux redox. Image utilisée avec la permission de Sumitomo Electric
Dans les RFB, l’électrolyte et les matériaux actifs sont pompés à travers des électrodes perméables (souvent en graphite), une membrane de séparation des ions séparant les deux électrodes. Grâce à cette architecture, les RFB sont des systèmes plus volumineux car ils nécessitent deux réservoirs chimiques pour abriter la solution électrolytique contenant les ions vanadium.
Cependant, comme le processus n’implique pas l’intercalation ou la désintercalation des ions mais repose sur le changement d’état de valence, les électrodes subissent peu de dommages. Cela fait des RFB un moyen de stockage d’énergie à longue durée de vie. Les batteries utilisent également des matériaux non combustibles et ignifuges, réduisant ainsi les risques d’incendie. L’état de charge (SOC) est mesurable, et la modification de la quantité d’électrolyte peut changer facilement la puissance de sortie (kW) et la capacité de puissance (kWh).
Batterie à Flux Redox de Sumitomo Installée en Californie
Entre 2015 et 2021, Sumitomo a installé une batterie de 2 MW/8 MWh en Californie capable d’alimenter jusqu’à 1 000 foyers pendant quatre heures. La RFB a été installée dans un sous-station SDG&E pour étudier la flexibilité et la fiabilité de l’approche microgrid RFB.
Le projet a démontré que la microgrid RFB pouvait fournir de l’énergie aux zones subissant des pannes. Les batteries RFB pourraient être utilisées comme source d’énergie indépendante en cas de situations préalablement planifiées ou d’urgence, et générer des revenus via des transactions sur le marché de l’électricité pendant les scénarios d’exploitation normaux. Ce projet est le premier aux États-Unis ou au Japon où une microgrid a fonctionné sur un réseau de distribution commercial utilisant des batteries de stockage comme source principale d’alimentation.
Le projet a également montré que les RFB pouvaient stabiliser la tension et la fréquence des lignes de distribution d’électricité en chargeant ou déchargeant de l’énergie selon l’offre et la demande à différents moments. Cela pourrait également aider à stabiliser les fluctuations de la génération d’énergie solaire dans les microgrids. Les RFB pourraient passer sans effort d’un état connecté au réseau à un état indépendant, leur permettant de démarrer sans avoir besoin de puissance auxiliaire lors d’un démarrage à froid et veillant à ce que les utilisateurs du réseau ne subissent aucune perte de courant pendant les pannes.
Les RFB n’ont enregistré qu’une légère diminution de leur capacité énergétique, même lorsqu’elles étaient complètement chargées et déchargées entre 0 % et 100 % de SOC. Les RFB peuvent maintenir leur capacité énergétique nominale de 8 MWh pendant au moins 20 ans. Le projet a également validé que les RFB ont subi très peu de dégradations, sans défaillances majeures du système et un taux de disponibilité de 99 %.
Caractéristiques Clés de la Batterie à Flux Redox de Sumitomo
Les RFB de Sumitomo ont été choisies pour le projet californien en raison de leurs nombreux avantages pour résister aux pannes et protéger le réseau électrique (au-delà de leur capacité à changer d’états de fonctionnement).
Les composés de sulfate de vanadium utilisés dans les RFB ne sont pas inflammables, donc même si les liquides des côtés positif et négatif de la batterie se mélangent, cela ne provoquera pas d’incendie. Des matériaux ignifuges sont utilisés dans d’autres parties de la batterie. Les RFB sont également plus écologiques, car les électrodes ne subissent pas de dégradation – comme une dissolution ou un dépôt – lors de la charge et de la décharge, de ce fait, elles peuvent durer plus longtemps. Les solutions électrolytiques peuvent également être recyclées et réutilisées.
Étant donné qu’il n’y a pas de dégradation, les RFB peuvent être utilisées sur de longues périodes, ce qui permet de réduire les coûts de cycle de vie. La possibilité de recycler l’électrolyte contribue également à limiter les coûts de cycle de vie.
Cycles de vie RFB vs. batteries lithium-ion. Image utilisée avec la permission de Sumitomo Electric
Enfin, l’opération et la conception sont simples. Les RFB ne nécessitent pas de systèmes complexes pour fonctionner ou pour modifier la puissance de sortie, et plusieurs blocs de cellules peuvent être intégrés dans un conteneur de batterie pour changer la puissance de sortie. Chaque bloc est conçu de manière indépendante, ainsi il est facile d’ajouter plus ou moins de blocs pour modifier facilement la puissance de sortie. Étant donné que l’état de charge est le même pour toutes les cellules, il est simple de déterminer la charge restante de chaque bloc de cellules indépendant.
Regard vers le Japon et les États-Unis
Les États-Unis et le Japon font face à leur part de catastrophes naturelles, et les deux sont des sites clés pour tester les systèmes RFB afin de renforcer la résilience des réseaux. Après le succès du projet californien, NEDO et Sumitomo ont déclaré qu’ils continueraient à travailler pour améliorer la résilience des réseaux.