Imaginez une alimentation stable et une densité énergétique élevée ! C’est exactement ce qui a été développé par des scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) sous la forme d’un système de stockage d’énergie à base de carbone. Cela pourrait être une alternative potentielle aux systèmes de stockage d’énergie à grande échelle à base d’hydrogène qui souffrent d’une faible densité énergétique, nous permettant d’exploiter efficacement les sources d’énergie renouvelables pour répondre à la demande d’énergie propre.
Système de batterie secondaire carbone/air et démonstration de sa charge-décharge. Crédit : Kameda et al. (2021)
L’un des obstacles à la production d’électricité à partir de l’énergie éolienne et solaire est leur nature intermittente. Une alternative prometteuse pour faire face aux fluctuations de la puissance de sortie dans des conditions environnementales défavorables sont les systèmes de stockage d’hydrogène, qui utilisent l’hydrogène produit à partir de la division de l’eau pour générer de l’électricité propre. Cependant, ces systèmes souffrent d’une faible efficacité et doivent souvent être de grande taille pour la compenser. Ceci, à son tour, entraîne une gestion thermique complexe et une densité d’énergie et de puissance réduite.
Dans une étude publiée dans Journal des sources d’énergie, des chercheurs de Tokyo Tech ont maintenant proposé un système de stockage d’énergie électrique alternatif qui utilise le carbone (C) comme source d’énergie au lieu de l’hydrogène. Le nouveau système, appelé « batterie secondaire carbone/air (CASB) », se compose d’un combustible à oxyde solide et d’une cellule d’électrolyse (SOFC/EC) où le carbone généré par électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), est oxydé avec de l’air pour produire de l’énergie. Les SOFC/EC peuvent être fournis avec du CO liquéfié comprimé2 pour constituer le système de stockage d’énergie.
« Semblable à une batterie, le CASB est chargé en utilisant l’énergie générée par les sources renouvelables pour réduire le CO2 en C. Au cours de la phase de décharge suivante, le C est oxydé pour générer de l’énergie », explique le professeur Manabu Ihara de Tokyo Tech.
Comme le carbone est stocké dans un espace confiné dans les SOFC/EC, la densité énergétique du CASB est limitée par la quantité de carbone qu’il peut contenir. Malgré cette limitation, les chercheurs ont découvert que le CASB avait une densité d’énergie volumétrique plus élevée que les systèmes de stockage d’hydrogène.
Un autre indicateur des performances de la batterie est l’efficacité de charge-décharge. Pour évaluer cette métrique, les chercheurs ont effectué une expérience de charge-décharge. Ils ont observé que les transformations entre C et CO2 étaient dues à des « réactions de Boudouard » caractérisées par une réaction redox d’un mélange de monoxyde de carbone (CO), CO2 et C. Plus précisément, pendant la phase de charge, C s’est déposé sur l’électrode via la réduction électrochimique du CO2 et la réduction du CO via la décomposition de Boudouard. Pendant la phase de décharge, le C a été oxydé en CO et CO2 via respectivement la réaction de gazéification de Boudouard et l’oxydation électrochimique. Les chercheurs ont découvert que l’utilisation du C pour la production d’énergie du CASB dépendait de l’équilibre entre les 3 espèces de carbone différentes (C, CO2, CO), également appelé « équilibre de Boudouard ».
Le système CASB a pu utiliser la majeure partie du carbone déposé sur l’électrode pour la production d’énergie, démontrant une efficacité coulombienne élevée de 84 %, indiquant que la plupart de l’énergie stockée peut être obtenue pendant la phase de décharge. De plus, il a montré une densité de puissance supérieure de 80 mW/cm2 et une efficacité de charge-décharge de 38 % qui a été maintenue sur 10 cycles de charge-décharge. Cela suggère qu’aucune dégradation de l’électrode à combustible ne s’est produite.
« Par rapport aux systèmes de stockage d’hydrogène, le système CASB devrait avoir une taille de système plus petite et une efficacité de système plus élevée », explique le professeur Ihara. Leur nouveau système pourrait jeter les bases de systèmes de stockage d’énergie carbonique compacts et efficaces qui pourraient fonctionner avec les sources d’énergie renouvelables pour un avenir sans combustibles fossiles.
En effet, nous pourrions combattre le carbone par le carbone.
Référence:
K. Kameda, et al. « Système de batterie secondaire carbone/air et démonstration de sa charge-décharge« . Journal des sources d’énergie, 516 (2021).
La source: Institut de technologie de Tokyo
