Publié à l'origine sur RMI Outlet, blog du Rocky Mountain Institute
Par Madeline Tyson
Avec l'énorme développement de la capacité de l'usine de fabrication de batteries lithium-ion (Li-ion) au cours des dernières années et les engagements à court terme pour de nouvelles expansions, les coûts de stockage des batteries continuent de baisser de façon spectaculaire. La baisse des coûts, associée à l'amélioration des performances, permet de nouvelles applications de batteries qui accéléreront considérablement la transition énergétique.
Pour de nombreux investisseurs, décideurs et planificateurs de systèmes, les caractéristiques de performance au-delà du prix qui retiennent le plus l'attention sont souvent des paramètres tels que la densité énergétique ou la sécurité. Au cours des cinq prochaines années, cependant, les améliorations ciblant la dégradation de la batterie (durée de vie) pourraient être plus critiques, non seulement pour étendre l'adoption des véhicules électriques, mais aussi pour ouvrir de nouvelles applications pour les batteries telles que les services de véhicule à réseau, les utilisations de seconde vie. pour les batteries qui ne sont plus adaptées à la mobilité et au stockage de longue durée. Ces applications pourraient modifier considérablement l'économie des batteries et ouvrir de nouveaux horizons d'opportunités le long de chaînes de valeur jusque-là inexploitées. En d'autres termes, elles changeraient la donne en termes d'accélération de la transition vers un système d'énergie propre.
Ce que beaucoup ne réalisent pas, c'est que les batteries Li-ion comprennent une grande diversité de dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. Comme expliqué dans les Batteries révolutionnaires de RMI rapport, il existe de nombreux types de batteries Li-ion, toutes avec des caractéristiques de performance et des compromis différents. Les pays, les entités de recherche et les fabricants investissent considérablement dans la recherche et le développement à la recherche de batteries Li-ion meilleures et encore moins chères.
Récemment, beaucoup de buzz ont fait surface à propos de la prétention de Tesla d'avoir développé une chimie de batterie Li-ion qui peut parcourir un million de kilomètres au cours de sa durée de vie, suggérant une amélioration spectaculaire des performances de dégradation. Bien que l'implication la plus évidente soit la capacité de parcourir un million de kilomètres avec la même batterie (une fonctionnalité utile pour les taxis robots), l'amélioration de la durée de vie des batteries de VE a de nombreuses autres implications pour l'expansion des cas d'utilisation de l'électrification.
Les batteries Li-ion se dégradent en raison de plusieurs facteurs :le temps, le nombre de cycles, la profondeur du cycle et la température. Les batteries Li-ion optimisées pour la densité d'énergie, telles que les chimies cathodiques NMC ou NCA, ont historiquement eu des durées de vie plus courtes si elles sont régulièrement déchargées complètement (100 % de profondeur de décharge). L'autre chimie Li-ion la plus courante fabriquée aujourd'hui est le phosphate de fer au lithium (LFP), qui est beaucoup plus lourd et moins dense en énergie (pas aussi bon pour les véhicules légers) mais avec une durée de vie plus longue.
Des améliorations significatives du cycle de vie des produits chimiques Li-ion à haute densité d'énergie constitueront un grand pas en avant vers la mise en œuvre de la charge rapide des véhicules électriques, des capacités de connexion du véhicule au réseau et des installations de stockage de plus longue durée, y compris l'utilisation de batteries de seconde vie. Cependant, ces améliorations posent également des défis :
Chargement rapide
La recharge rapide est un élément crucial de l'avenir de la mobilité électrique, car il est essentiel que les véhicules électriques offrent les mêmes fonctionnalités et la même facilité de transport, sinon meilleures, qui existent aujourd'hui. Pourtant, les taux de détérioration de certains types de batteries Li-ion sont importants lorsqu'elles sont rapidement chargées ou déchargées. Les améliorations de la cathode et de l'électrolyte qui atténuent la gravité de la détérioration et prolongent la durée de vie de la batterie réduiront les impacts négatifs de la charge rapide.
Recharge du véhicule au réseau (V2G)
L'idée que les véhicules peuvent jouer un rôle dans l'équilibrage du réseau électrique est passionnante, mais elle est pleine de défis. Nissan et Fiat sont engagés dans des projets pilotes pour tester les modèles V2G. Encore une fois, les batteries EV se désintègrent avec les cycles de charge et de décharge. Les fournisseurs de garantie de batterie ne sont pas intéressés à déprécier les capacités de mobilité de ces actifs en échange d'un petit remboursement du réseau électrique.
Sans amélioration du cycle et de la longévité des batteries des véhicules électriques, le taux de tarification nécessaire pour encourager la recharge du véhicule au réseau serait probablement beaucoup trop élevé. Des investissements de stockage d'énergie différents et supplémentaires seraient probablement nécessaires pour fournir cette capacité d'équilibrage. Par exemple, associer le stockage d'énergie local à une infrastructure de recharge rapide pourrait encore générer de tels avantages tout en modérant les impacts des pics de demande dus à la recharge rapide. Le potentiel des véhicules électriques seuls à fournir un équilibrage du réseau distribué ou une résilience localisée est peu probable sans des améliorations significatives des performances de la batterie du véhicule électrique.
Stockage de plus longue durée
La grande majorité des projets de batteries connectées au réseau ont ciblé des événements de stockage de courte durée, mais comme le coût des batteries a diminué, la durée moyenne de ces projets est passée de 1,5 heure en 2015 à 2,2 heures aujourd'hui. En plus du fait que l'énergie supplémentaire augmente les coûts des projets, les développeurs de projets de stockage Li-ion surconsomment généralement la quantité d'énergie dont ils ont besoin de 10 à 30 %. Cette capacité supplémentaire permet de réduire le nombre de fois que les batteries sont complètement déchargées et peut permettre une certaine dégradation.
De plus, les installations de plus longue durée donnent souvent la priorité aux opportunités de plus courte durée lorsque cela est possible, y compris les services auxiliaires ou le transfert d'énergie à court terme (par exemple, 15 minutes). La préférence des développeurs de batteries et des propriétaires d'actifs pour ces marchés à court terme peut saper les avantages de la résilience des batteries pour le réseau. Les batteries avec une meilleure longévité et de meilleures performances n'auront pas besoin d'avoir autant de capacité tampon ou de craindre les coûts de dégradation de la batterie. En conséquence, des projets de plus longue durée seront installés qui utiliseront plus souvent leur capacité entièrement installée d'une manière qui améliore considérablement l'économie des projets de batteries. Les planificateurs de système, les régulateurs et les investisseurs doivent tenir compte de ces attributs lors de la conception et de la sélection des systèmes.
Batteries de seconde vie pour un stockage de longue durée
Le Li-ion LFP a déjà une durée de vie relativement longue et constitue un choix logique pour de nombreuses installations de réseau. Cependant, le prix plancher ultime du LFP devrait être d'environ 60 $/kWh sur la base des coûts des composants. Ceci est probablement trop élevé pour le type de stockage saisonnier de longue durée qui sera nécessaire pour des pénétrations plus élevées d'énergie renouvelable. Cela est particulièrement vrai dans les régions les plus froides du monde qui font face à des pics de demande d'énergie en hiver avec une disponibilité limitée des ressources, parfois pendant de longues périodes.
Form Energy s'est attaqué à ce problème avec sa technologie propriétaire innovante qui cible un coût en capital inférieur à 10 $/kWh. Récemment, l'entreprise a signé un accord pour démontrer un projet de stockage d'une durée de 150 heures avec Great River Energy, ce qui constitue une étape importante et une avancée pour la transition énergétique.
Les batteries Li-ion de seconde vie pourraient être une autre solution économique pour le stockage de longue durée, car leur moindre coût pourrait atteindre le seuil nécessaire. Cela nécessitera une extension de l'écosystème Li-ion pour inclure la collecte, le test, le recyclage et le traitement des batteries.
Les batteries Li-ion actuelles pourraient être difficiles à monétiser pour une large sélection d'applications de seconde vie en raison de la variabilité de la santé des batteries et des déclins spectaculaires de la durée de vie et de la sécurité des cycles. À ce jour, les batteries Li-ion de seconde vie ont été principalement utilisées pour des applications de résilience sur les tours de télécommunications, mais certaines entreprises testent des applications de réseau de seconde vie. À mesure que les marchés du stockage de plus longue durée arrivent à maturité, une meilleure longévité des batteries sera nécessaire pour donner confiance dans le contenu énergétique restant des batteries de VE réutilisées afin de faire correspondre la valeur restante au cas d'utilisation. De plus, la consolidation du marché du Li-ion vers moins de chimies et des normes partagées entre les fabricants aiderait grandement les marchés de la seconde vie à suivre et à résoudre ce problème.
Une vision prospective du réseau électrique comprend une charge rapide, une capacité véhicule-réseau et un stockage d'énergie de longue durée qui comprend des batteries de seconde vie. Ces cas d'utilisation émergents seront considérablement accélérés avec une batterie de VE qui a une longévité améliorée. Les investisseurs, les planificateurs de systèmes et les décideurs doivent tenir compte de l'impact du cyclisme sur l'activation de futurs cas d'utilisation lorsqu'ils cherchent à inciter et à investir dans des solutions de stockage. Cela devrait inclure la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement de batteries robuste qui est de plus en plus standardisée et qui peut surveiller et comparer la durée de vie restante des batteries dans les batteries de seconde vie.
