Cas 60 : Batteries à base d’eau

Le marché

Le marché mondial des batteries représentera en 2011 près de 74 milliards de dollars. Le marché Chinois est le plus important et celui qui croît le plus rapidement. Les États-Unis, pour leur part, pèsent un chiffre d’affaires d’environ 15 milliards de dollars pour 15 milliards de batteries. Les batteries coûteuses sont celles qui connaissent la plus forte croissance. Le marché mondial des matériaux pour la fabrication de batteries s’élève à 3,8 milliards de dollars annuels. La valeur ajoutée générée à partir des métaux extraits pour créer un produit fini est presque de l’ordre de un pour vingt. La fabrication et la vente de batteries est définitivement une activité rentable. Bien que les batteries automobiles soient presque recyclées à 100 %, on estime que 40 milliards de batteries finiront dans les décharges cette année. Cela signifie qu’environ 2 milliards de dollars de métaux précieux et rares seront rejetés. Alors que la première batterie remonte à deux mille ans, c’est Thomas Edison qui a créé la première batterie alcaline d’une puissance de 1 à 1,35 V. Aujourd’hui, la puissance électrique des batteries est calculée en Joules (1 Joule = 1 Watt par seconde). Un Wattheure (Wh) représente donc 3600 joules. Le marché mondial des batteries a énormément évolué au cours des dernières années. Les batteries au plomb-acide coûtent 0,17 $ le Wh. Ce sont les moins chères et celles qui font rouler la voiture. Les batteries nickel-cadmium coûtent presque dix fois plus cher (1,50 $). Les batteries au lithium ion, sont quant à elles la norme utilisée dans les véhicules électriques Nissan pour un coût associé de 0,47 $ le Wh. Peu de gens se rendent compte qu’un kilowattheure d’électricité produite par la batterie peut coûter de 100 à 500 fois plus cher que l’électricité du réseau. La société est prête à payer un prix élevé pour la mobilité. La plus grande batterie de stockage d’énergie a été construite par ABB à Fairbanks, en Alaska. L’énorme batterie nickel-cadmium fournit 40 MW, soit assez d’électricité pour 12 000 personnes pendant sept minutes au maximum. La plus petite batterie mesure 2,9 mm sur 1,3 mm, la taille d’une pointe de crayon et peut être chargée pendant 10 ans.

L’innovation

Un inconvénient majeur pour les batteries est leur poids. Les batteries légères sont une priorité pour l’industrie. Le ravitaillement des batteries par pompage d’un électrolyte rechargeable, au lieu d’avoir à remplacer ou recharger une unité entière, est une autre innovation qui est éminente. L’arrivée de la batterie à base de vanadium pouvant être rechargée au moins 10 000 fois est une autre percée, même si le média est en pénurie pour satisfaire la demande mondiale. Cependant, les batteries sont limitées en termes d’exploitation minière, de recyclage et de potentiel énergétique. Un kilogramme de pétrole brut représente 50 mégajoules (MJ) d’énergie, tandis qu’un kilogramme d’accumulateurs au plomb-acide ne peut servir qu’à produisent 0,1 MJ d’électricité, soit 500 fois moins. Cela explique pourquoi l’énergie provenant des batteries est si chère et pourquoi la récupération de l’électricité excédentaire en énergie provenant d’une batterie de stockage sera toujours désavantagée sur le plan concurrentiel. Poids pour poids, même les meilleures batteries au monde ne pourraient théoriquement produire que 6 % de l’énergie qu’offre le pétrole.

Le professeur Bo Nordell de l’Université de technologie de Luleå en Suède a longtemps été impressionné par la capacité de l’eau à stocker la chaleur. Il a étudié le stockage de l’énergie thermique et s’est rendu compte qu’un mètre cube d’eau peut contenir 334 MJ ou 93 kWh de chaleur. La possibilité d’utiliser de la glace, de stocker l’énergie des mois d’hiver gelés ou d’utiliser de l’eau chauffée à l’énergie solaire (voir le cas 53), représente un mécanisme de stockage bon marché qui fonctionne très efficacement lorsqu’il est appliqué à grande échelle, avec un coût d’infrastructure minimal. Il n’y a pas de limite au nombre de recharges. Le professeur Nordell a soutenu la thèse de doctorat de Kjell Skogberg qui a mené à la construction de la première installation de refroidissement de la neige au monde à Sundsvall, en Suède, pour le principal hôpital de la ville, en exploitant la fraîcheur de la neige recueillie pendant l’hiver.

Le premier flux de trésorerie

Per-Erik Larsson, le chef de projet désigné par le conseil du comté de Västernorrland, a décidé de concevoir et d’exploiter la centrale énergétique. En 2000, l’objectif principal était d’éviter les réfrigérants dangereux à l’ozone, de réduire la consommation d’électricité et de capter la neige hivernale, recueillie principalement sur les routes, les toits et les parkings. Lorsque la neige fond, elle circule dans les tuyaux. La conception est assez simple : avant que l’eau n’atteigne les tuyaux de l’hôpital, elle est filtrée et traversée par des échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur ont une capacité de 3 MW et transfèrent la chaleur de l’hôpital à la neige fondue. L’eau de l’hôpital est refroidie de 12 à 7 degrés Celsius. Le porteur de froid chauffé est ensuite renvoyé à l’entrepôt de neige pour faire fondre davantage de neige, qui est ensuite pompée vers les échangeurs de chaleur et l’hôpital, afin de continuer le refroidissement. Après l’installation du système de refroidissement de la neige, l’hôpital a réduit sa consommation d’électricité liée au refroidissement de plus de 90 %. Cette solution à long terme a une durée de vie minimale de 40 ans, ce qui signifie que le système sera rechargé 40 fois en 40 saisons d’hiver. Les inventeurs ont ensuite créé la société Snowpower AB qui commercialise aujourd’hui cette simple technique de batterie. L’expérience Sundsvall est une application à grande échelle des multiples exemples plus petits qui ont été développés en utilisant l’eau comme moyen de stockage de l’énergie. Cependant, la plupart des systèmes utilisaient de la chaleur (au lieu du froid) mais comme le procédé fonctionne sur la base d’un différentiel de température, il importe peu que le point de départ soit la glace ou l’eau chaude. Josef Jenni a été le pionnier en 1989 avec la première maison solaire, puis en 2005 avec un réservoir solaire qui contient 205 mètres cubes d’eau chaude stockant l’énergie qui peut être convertie en électricité. La ville de Heerlen, aux Pays-Bas, a été la première à utiliser de l’eau chaude dans les puits de mine de charbon anciens et fermés. Même si la mine profonde fournit de l’eau à 35 degrés Celsius, il suffit – grâce à une série d’échanges thermiques – de répondre à tous les besoins de chauffage en hiver et de refroidissement en été pour 350 maisons et un centre commercial. L’eau peut retenir cinq fois plus de chaleur que le béton et constitue donc une alternative idéale pour remplacer les piles dans les opérations de grande envergure.

L’opportunité

Chaque maison et chaque ville dispose d’un système de stockage d’eau élaboré. Lorsque nous réalisons que le chauffage et le refroidissement de l’air et le chauffage de l’eau représentent 80% de la consommation d’énergie d’une maison traditionnelle, la véritable possibilité qui s’offre à nous est non seulement d’opter pour les énergies renouvelables, mais aussi pour le système de stockage le plus efficace de l’énergie. Le milieu le moins cher et le plus abondant est l’eau. Cela permet de jeter un regard neuf sur le besoin de stockage de l’énergie, puisque nous pouvons chauffer (ou capter de l’eau froide) et la stocker. Le premier avantage est que l’eau chaude élimine le risque de contamination bactérienne. En Espagne, les hôtels doivent maintenir toute l’eau à 90 degrés Celsius afin de lutter contre la prolifération d’E. coli, pour ensuite être refroidis dans une douche ou un bain à 38-40 degrés et perdre plus de 50 % de l’énergie embarquée. Si l’on applique le principe de l’utilisation de ce que l’on possède « , l’eau chauffée devient l’une des principales sources d’électricité. Les échangeurs de chaleur à semi-conducteurs n’ont besoin que d’un différentiel de température de 3 degrés pour produire de l’électricité, un phénomène connu sous le nom de « thermoélectricité ». La prochaine fois que vous prendrez une douche, pensez à l’énergie gaspillée qu’implique le mélange d’eau chaude et froide. En même temps, pensez au potentiel si tous les réservoirs d’eau déjà construits pouvaient devenir des réservoirs de stockage d’énergie, transformant un service passif en un composant actif nécessitant un nouveau type de réseau intelligent. Cela offre tant d’opportunités pour l’entreprenariat qu’il pourrait bien définir le métier “d’électricien de l’eau”.