L’avenir appartient à la batterie

Pour réussir la transition énergétique, il faut renforcer massivement les capacités de stockage de l’énergie. Les batteries jouent un rôle clé à cet égard. L’hydrogène est le joker.

L’un des principaux défis de la transition énergétique est la production volatile d’énergies renouvelables. La production d’électricité à partir de sources telles que l’énergie éolienne et solaire est soumise à des variations climatiques et saisonnières. Parce qu’il n’est pas toujours possible de produire suffisamment d’énergie propre pour répondre aux besoins quotidiens ou saisonniers, le stockage intermédiaire de l’énergie, principalement sous forme d’électricité, joue un rôle décisif dans le système énergétique du futur.

Les batteries bénéficient du boom de l’e-mobilité

L’électrification rapide des transports privés stimulera cette croissance au cours des prochaines années. L’accent est mis sur le moteur électrique alimenté par batterie, qui devrait dominer le développement en raison de son efficacité et de ses avantages en termes de coûts. Dans son scénario de base, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) prévoit l’utilisation d’au moins 140 millions de véhicules électriques dans le monde d’ici à 2030. Dans le scénario optimiste, il y en aura 245 millions. En 2019, seuls 7 millions de voitures électriques circulaient dans les rues.

Nombre de véhicules à batterie électrique immatriculés à l’échelle mondiale

La batterie est au cœur du développement de l’e-mobilité. Les progrès technologiques réalisés ces dernières années en ce qui concerne les programmes de soutien public ont permis à la propulsion par batterie électrique d’avancer. En particulier, l’amélioration significative de la densité énergétique a entraîné une augmentation de l’autonomie, critère clé du transport individuel. L’expansion de la production a réduit les coûts de production, de sorte que les voitures électriques n’ont plus à craindre la comparaison des prix avec les véhicules diesel et à essence. Avec la victoire de l’e-mobilité, la demande de batteries augmentera rapidement. 

Demande de batteries pour voitures électriques

La batterie lithium-ion domine le marché

Pendant longtemps, le développement de la cellule lithium-ion a été influencé par l’électronique de consommation: des lecteurs de CD dans les années 90 aux ordinateurs et téléphones portables de l’époque numérique, tous tiraient l’énergie nécessaire des batteries lithium-ion. Depuis une dizaine d’années, l’e-mobilité a pris le rôle de moteur de l’innovation et optimisé la batterie lithium-ion pour l’utilisation comme accumulateur d’énergie mobile.

Dans le secteur du transport, la batterie lithium-ion domine. Sa densité d’énergie relativement élevée assure des dimensions relativement faibles; en plus de sa longue durée de vie, elle est ainsi prédestinée à être utilisée comme accumulateur d’énergie mobile dans les voitures électriques. Dans quelques années déjà, la batterie lithium-ion devrait remplacer la batterie plomb-acide, la «batterie de voiture» classique, en tant qu’accumulateur d’électricité le plus courant dans le secteur mobile. 

La batterie lithium-ion a encore beaucoup de potentiel de développement. L’examen des demandes de brevets croissantes depuis des années montre qu’elle domine la recherche dans le domaine des batteries. Certes, il y a de la concurrence, mais celle-ci en est souvent encore à ses balbutiements. La batterie solide a un potentiel disruptif. Contrairement à la batterie lithium-ion actuelle, elle présente tous les produits chimiques utilisés sous forme solide. Ses principaux avantages sont la densité énergétique potentiellement bien plus élevée et la forte réduction de l’inflammabilité, ce qui diminue le risque d’incendie et simplifie considérablement le recyclage. En outre, sa production a besoin de moins de matières premières et a une durée de vie plus longue. Toutefois, les premières applications commerciales sont attendues au plus tôt en 2025. 

De plus en plus demandées en tant qu’accumulateurs d’énergie stationnaires

Les effets de transmission positifs, appelés effets de débordement, entraînent une forte augmentation de la demande de batteries lithium-ion en tant qu’accumulateurs fixes d’électricité, par exemple dans les centres de données, dans les communications mobiles ou dans le cadre de l’optimisation du réseau électrique. Les besoins en stockage stationnaire continueront d’augmenter avec la transition vers un approvisionnement énergétique durable. Selon l’AIE, le stockage d’énergie stationnaire actuel ne suffit qu’à couvrir 7 secondes de la demande mondiale d’électricité, trop peu pour garantir la stabilité de l’approvisionnement en énergies renouvelables. 

Aujourd’hui, les centrales de pompage d’eau dominent le marché stationnaire du stockage d’énergie, avec une part globale de plus de 90%. Toutefois, en raison de leur besoin important d’espace et des exigences géographiques, elles ne sont que partiellement adaptées à la flexibilité du réseau électrique moderne. En outre, il existe de nombreuses technologies alternatives, telles que le stockage de l’air comprimé et les roues d’inertie, qui permettent le stockage stationnaire de l’électricité dans des sous-secteurs spécifiques. 

Les batteries lithium-ion présentent également un intérêt pour l’utilisation stationnaire, notamment en raison de la forte baisse des coûts et de la densité d’énergie relativement élevée. 

Coût des packs de batteries lithium-ion

«Second Life»

Un bon exemple des effets de débordement est la «seconde vie» de la batterie lithium-ion. Les batteries qui, en raison de la perte de capacité due à l’âge, ne sont plus attrayantes pour l’utilisation dans les voitures électriques, sont réutilisées en tant qu’accumulateur d’énergie fixe. Dans la «deuxième vie», elles servent d’accumulateurs d’électricité dans les centres de données et de télécommunications ou dans les maisons privées équipées d’un système solaire. Une fois qu’elles ont atteint la fin de leur cycle de vie, les batteries lithium-ion peuvent être largement recyclées. Toutefois, l’industrie en question est encore en phase de démarrage. 

L’hydrogène, le joker de la transition énergétique

Malgré ses progrès, la technologie lithium-ion de la batterie ne peut à elle seule résoudre les défis de la transition énergétique en matière de mobilité. C’est là que l’hydrogène entre en jeu. Le principal avantage de l’hydrogène est sa flexibilité. Le champ d’application potentiel de l’hydrogène en tant qu’accumulateur d’énergie est extrêmement large, allant de l’utilisation directe comme matière première dans l’industrie à l’utilisation comme réservoir d’électricité mobile ou stationnaire en combinaison avec la pile à combustible, en passant par les combustibles synthétiques neutres en carbone à base d’hydrogène (power to X). C’est pourquoi l’élément chimique le plus commun de l’univers joue le rôle de joker dans la transition énergétique. 

L’hydrogène ne devrait pas être un concurrent direct pour d’autres supports de stockage tels que les batteries, mais une technologie complémentaire utilisée là où le stockage de l’énergie de substitution est peu utile en raison d’inconvénients spécifiques. 

En premier lieu, outre la décarbonisation de l’industrie lourde, c’est l’électrification du trafic lourd. En raison de leur faible densité énergétique et de leur ampleur et de leur poids, les propulseurs alimentés par batterie se heurtent à leurs limites: la propulsion à piles à combustible est nettement plus compacte et plus légère. Cela permet d’augmenter les chargements et l’autonomie – un avantage décisif dans le trafic lourd et le transport de passagers en commun. Le développement de camions et d’autobus à piles à combustible est donc bien avancé. 

Power to X en remplacement des combustibles fossiles

Dans les secteurs de l’aviation et de la navigation, les carburants synthétiques à base d’hydrogène sont une alternative aux combustibles fossiles. La technologie est appelée «power to liquid». Un carburant synthétique capable de propulser les moteurs à combustion traditionnels est produit à partir d’hydrogène vert neutre en carbone. L’avantage est évident: l’infrastructure existante peut être réutilisée, ce qui réduit considérablement le coût de la décarbonisation. 

Par contre, lorsque l’hydrogène vert est transformé en gaz neutres en CO₂, tels que le gaz de synthèse et le méthane, on parle de «power to gas». Cette technologie offre un grand potentiel en matière de stockage d’énergie à long terme. Là aussi, l’infrastructure existante peut être largement utilisée. L’énergie peut ainsi être stockée pendant une longue période sans perte dans les réservoirs de gaz existants et transportée sur de longues distances dans le réseau gazier. 

Des coûts élevés

La production d’hydrogène vert est chère en raison de la demande relativement modeste et des faibles économies d’échelle qui en découlent. Pour remédier à cet inconvénient crucial, il est nécessaire de renforcer la promotion réglementaire. Elle pourrait stimuler la demande et soutenir la mise en place d’une vaste industrie de l’hydrogène. Il en résulterait une baisse des prix et une plus grande compétitivité de l’hydrogène par rapport aux autres types de stockage d’énergie. Un tel cycle positif pourrait permettre à l’hydrogène de faire une grande percée en tant qu’accumulateur d’énergie.