Pourquoi Les Batteries À Flux De Vanadium Peuvent Être L’Avenir Du Stockage D’Énergie À L’Échelle Des Services Publics

Une batterie à flux de vanadium d’Invinity Energy Systems en cours de test au National Renewable Energy… Laboratoire (2019).

Invinity Energy Systems

Plus tôt cette année, la Commission de l’énergie de Californie (CEC) a publié un appel d’offres de 20 millions de dollars pour financer des projets de recherche pour le déploiement du stockage d’énergie de longue durée. L’objectif était de développer une compréhension claire du rôle que le stockage d’énergie de longue durée (10 heures ou plus) peut jouer pour aider à remplir les mandats de l’État de décarboniser le secteur de l’électricité d’ici 2045. Les batteries au lithium-ion ont été exclues de l’appel d’offres.

La CCE a sélectionné quatre projets de stockage d’énergie intégrant des batteries à flux de vanadium (” VFB “) d’Amérique du Nord et d’Invinity Energy Systems plc, basée au Royaume-Uni. Les quatre sites sont tous des installations commerciales ou industrielles qui souhaitent s’auto-produire de l’énergie (comme l’énergie solaire) et, dans certains cas, ont la capacité de fonctionner hors réseau. La portée totale d’Invinity est de 7,8 mégawattheures (MWh) de batteries dans les quatre projets. Une partie de l’objectif est de pouvoir mettre ces installations hors réseau pendant une période prolongée, afin d’éviter les interruptions de leur alimentation électrique lors des pannes du réseau.

Qu’est-ce qu’un VFB et en quoi diffère-t-il de la batterie lithium-ion plus omniprésente? Pour répondre à ces questions et en savoir plus sur Invinity Energy Systems, j’ai discuté cette semaine avec Matt Harper, Directeur Commercial et cofondateur d’Invinity, et Joe Worthington, Directeur de la communication de l’entreprise.

Matt est ingénieur en mécanique de formation et il a expliqué qu’il construisait des technologies d’énergie propre depuis 25 ans. Depuis 15 ans, il développe des batteries à flux.

Le vanadium est un élément qui peut généralement exister dans quatre états d’oxydation différents. Cela signifie simplement qu’il peut exister sous forme d’ion avec différentes charges. Par exemple, un ion vanadium auquel il manque trois électrons aurait une charge de V3+. Si vous y ajoutez un électron, il se convertit en ion V2+. Ce transfert d’électrons d’avant en arrière est ce qui fait que les VFB se chargent et se déchargent, car les ions vanadium dans la batterie oscillent de V2 + à V5+.

Cela diffère des batteries lithium-ion en ce que chaque fois que le lithium se charge et se décharge, il plaçait et appauvrissait le lithium métal sur la cathode. Bien que cette réaction soit presque complètement réversible, elle entraînera une dégradation après quelques milliers de cycles et les performances diminueront.

Un VFB est constitué de deux réservoirs d’électrolyte dissous dans l’eau et séparés par une membrane échangeuse de protons. Les deux électrolytes sont à base de vanadium. Lorsque les batteries sont chargées et déchargées, les ions vanadium sont simplement déplacés entre les états d’oxydation. Selon Matt, cela peut être fait des dizaines de milliers de fois sur une période de temps mesurée en décennies, sans dégradation de la capacité des solutions de vanadium à se charger.

Ils estiment que tous les 10 à 20 ans, la membrane que l’espèce ionique traverse nécessitera un remplacement. Encore une fois, cela diffère d’une batterie lithium-ion où toute la batterie devrait être remplacée. Ils ont comparé cela à l’entretien d’une voiture. Matt a indiqué qu’ils avaient des produits sur le terrain qui ont fait plus de 30 ans de cycles de charge et de décharge.

Les batteries Li-ion ont un avantage en densité d’énergie, c’est pourquoi les VFB sont ciblés pour les applications stationnaires. Cependant, par rapport aux batteries Li-ion pour le stockage à l’échelle du réseau, il n’y a aucun risque d’incendie avec les VFB. Les batteries Li-ion doivent être espacées plus loin ou avoir une suppression d’incendie suffisante. Ainsi, les VFB peuvent être emballés plus étroitement que le lithium, de sorte que l’empreinte pour le fonctionnement à l’échelle du réseau est comparable.

En ce qui concerne le coût, Invinity indique qu’ils vendent leurs batteries à un prix dans le même stade que le Li-ion par MWh pour le marché industriel. L’avantage du VFB d’Invinity réside dans le coût nivelé au fil du temps en raison des décennies de service qu’un seul appareil peut fournir. Les VFBS peuvent charger et décharger plusieurs cycles complets par jour pendant 20 ans. Même si vous pouvez obtenir des milliers de cycles avec une batterie Li-ion, pour une application de stockage utilitaire ou commerciale où un cycle quotidien est nécessaire, cela peut ne pas suffire à donner l’avantage au Li-ion.

La technologie de base d’Invinity – la “pile de cellules” au cœur du VFB – est développée et fabriquée à Vancouver, au Canada. La société a également un fournisseur en Chine qui fabrique des boîtiers métalliques. Cependant, l’assemblage final se fait le plus près possible de l’endroit où les projets sont livrés en raison de la taille des installations.

Invinity a des applications commerciales de ses VFB installées sur plus de 40 sites en Europe, en Amérique du Nord, en Afrique, en Asie et en Australasie. Voici un projet de 2 MWh en Chine qui fonctionne depuis deux ans.

2 Installation de MWh à Huanghe Hydro en Chine.

Systèmes énergétiques Invinity.

J’ai demandé ce qu’Invinity fait différemment des concurrents dans cet espace. Matt m’a dit que l’approche adoptée par Invinity était de prendre les principes fondamentaux de la chimie et de les livrer comme un produit clé en main. Ils se sont appuyés sur une fabrication à grand volume pour faire baisser le prix et obtenir un bon contrôle de la qualité. Certains fabricants de VFB ne pouvaient pas fournir de produits à faible coût car ils ne standardisaient pas la production. Invinity a produit environ 250 modules depuis 2017, et ils construisent actuellement un site, faisant partie du Energy Superhub Oxford au Royaume-Uni, qui comptera 162 modules.

Il existe actuellement des applications commerciales des batteries à flux V. L’accent est mis sur les applications commerciales / industrielles qui compensent les périodes tarifaires de pointe, un peu dans la production à l’échelle du réseau, ainsi que sur les microréseaux autonomes où les individus veulent être hors réseau tout le temps ou pendant les pannes de courant.

Enfin, j’ai posé des questions sur l’approvisionnement en vanadium. J’ai appris que le vanadium est le 13e élément métallique le plus abondant de la croûte terrestre. Il est plus abondant que le cuivre. De plus, l’apport de vanadium dans la batterie peut être recyclé pratiquement à l’infini lorsque les ions vanadium sont déplacés entre les états d’oxydation, et non détruits ou dégradés. En plus de l’électrolyte au vanadium réutilisable à l’infini, le reste du VFB d’Invinity est presque entièrement composé de matériaux courants, comme l’acier et les plastiques ménagers, qui peuvent être facilement recyclés.

Il existe d’importantes ressources en vanadium aux États-Unis. À l’heure actuelle, 90% de l’offre est destinée à la fabrication de l’acier. Ainsi, les régions productrices d’acier comme la Chine sont actuellement les plus grands producteurs de vanadium.

En conclusion, Matt a reconnu que les batteries Li-ion ont prouvé que le stockage d’énergie peut être rentable et que les VFB ont bénéficié des progrès. Il a ajouté que les batteries Li-ion sont idéales pour stocker 2 à 4 heures d’énergie 50 fois par an, mais les VFB brillent dans les applications de longue durée où l’énergie est requise tous les jours; par exemple, lorsque vous essayez de rendre l’énergie solaire disponible à la demande 24 heures sur 24.

Mais la concentration autour d’une technologie spécifique — en particulier celle comme la batterie Li-ion qui, pour le stockage sur réseau, est fabriquée presque exclusivement en mer — est une préoccupation. Ainsi, les VFB offrent une diversification de l’espace de stockage, à la fois sur le site de fabrication et sur un marché qui convient peut-être mieux que pour les batteries Li-ion.

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