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Des batteries sous terre pour des mines plus sûres Les systèmes de stockage d’énergie hors réseau LA REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS

La technologie des batteries Passé, présent et futur de l’utilisation du nickel

Vol. 32, nº 1. Mai 2017

Maîtriser l’offre et la demande sur les réseaux électriques

© SOLAR IMPULSE | MERZ | REZO.CH

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ÉTUDE DE CAS 09

 Le Solar Impulse 2 survolant la Suisse lors d’un vol d’essai en 2014

SOLAR IMPULSE 2 V

olant jour et nuit pour faire le tour du monde sans aucun carburant, propulsé seulement par l’énergie solaire stockée dans ses batteries, le Solar Impulse 2 (Si2) est entré dans l’histoire en bravant tous les obstacles. Ses cocréateurs, Bertrand Piccard et André Borschberg, se sont relayés à son poste de pilotage monosiège pour survoler l’Asie, le Pacifique, les États-Unis, l’Atlantique, la Méditerranée et le MoyenOrient en 17 étapes, totalisant ainsi 43 041 km.

Piccard et Borschberg savaient dès le départ qu’ils devaient concevoir un appareil ultraléger de grande envergure, de manière à réduire la traînée et disposer d’une surface supportant assez de cellules photovoltaïques pour emmagasiner dans ses batteries toute l’énergie nécessaire à un vol durant toute la nuit. « L’aéronef a été réalisé à partir des technologies les plus avancées, ce qui a stimulé la recherche scientifique dans les domaines des structures composites, des matériaux ultralégers, de la propulsion électrique et des méthodes de gestion et de stockage de l’énergie », fait remarquer André Borschberg.

Ce dernier a établi un record en reliant le Japon à Hawaï par un vol sans escale de cinq jours et cinq nuits au-dessus du Pacifique, tandis que Bertrand Piccard est le premier à avoir traversé l’Atlantique à bord d’un avion solaire. Ils affichent à leur palmarès un total de 19 records du monde établis ou en instance de validation par la Fédération aéronautique internationale (FAI). « Il nous fallait tirer le maximum de chaque watt fourni par le soleil et stocker tout surplus dans nos batteries.

Nous avons donc traqué le moindre gain de rendement énergétique », explique André Borschberg.

Le Si2 utilise les batteries lithium-ion NMC (nickel-manganèse-cobalt) « à ultra haute énergie » de la société sud-coréenne Kokam. Cette batterie a été choisie pour sa forte densité d’énergie et son rendement énergétique élevé, ainsi que pour sa capacité à fonctionner dans une grande plage de conditions de température, d’humidité et de pression.

Les 17 248 cellules photovoltaïques du Si2 ont produit 11 000 kWh d’électricité, dont une grande partie a servi à charger les quatre blocs batterie NMC de 38,5 kWh (composés de cellules de 150 Ah et capables de stocker un total de 154 kWh) qui devaient alimenter les moteurs pendant la nuit.

Ces batteries NMC « à ultra-haute énergie » offrent une densité d’énergie d’environ 260 watts-heures par kilogramme (Wh/kg). Cette forte densité d’énergie permet de stocker plus d’énergie sans augmenter le poids ou la taille du Si2. Qui plus est, avec leur rendement énergétique de 96 %, ces batteries perdent moins d’énergie pendant la charge et la décharge.

2 ÉTUDE DE CAS

 Le Solar Impulse 2 sur l’aérodrome de Payerne (Suisse) en 2014

LE SOLAR IMPULSE 2 EN CHIFFRES : • 17 248 cellules photovoltaïques intégrées aux ailes chargent quatre blocs batterie de 38,5 kWh alimentant chacun un des quatre moteurs électriques à hélice de 13,5 kW • Aéronef monosiège en fibre de carbone • Cockpit de 3,8 m3 non pressurisé et non chauffé • Envergure : 72 m (contre 68 m pour le Boeing 747) • Longueur : 25 m • Poids : 2 300 kg (comparable à une grande voiture familiale) • Vitesse de croisière : 45 à 55 km/h (vitesse indiquée de 25 à 30 nœuds au niveau de la mer) • Altitude max. : 8 500 m Niveau de vol max. : 280 (28 000 pieds) • Rendement énergétique du système de propulsion : 93 % (seulement 7 % de perte)

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

La revue spécialisée du nickel et de ses applications ISTOCKPHOTO.COM © LILIBOAS

La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org David Butler, président Rédactrice en chef : Clare Richardson Collaborateurs : John Chapman, Parul Chhabra, Gary Coates, Peter Kelly-Detwiler, Carly Leonida, Geir Moe, Kim Oakes, Marcel Onink, Kristina Osterman, Nigel Ward Conception graphique : Constructive Communications

Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y fier pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard.

L’ÉNERGIE DU FUTUR Le marché des batteries est en marche, au propre comme au figuré. L’inquiétude face au changement climatique, la campagne pour les économies d’énergie et les objectifs de réduction des émissions de CO2 fixés par les gouvernements contribuent tous à promouvoir l’adoption des véhicules hybrides et tout électrique. À quoi s’ajoute l’intérêt croissant pour le stockage des énergies renouvelables au moyen de batteries, ainsi que la demande mondiale de batteries durant plus longtemps pour alimenter les appareils électroniques, les téléphones intelligents et les vélos électriques. Les lignes bougent, et dans le bon sens !

LA PART CROISSANTE DES BATTERIES LITHIUM-ION CONTENANT DU NICKEL

ISSN 0829-8351 Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group Couverture : Constructive Communications Photo de couverture : Constructive Communications

SOMMAIRE Étude de cas Solar Impulse 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Point de mire Éditorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Dossier spécial Passé, présent et futur des batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5 L’importance du nickel . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Le stockage par batteries pour équilibrer le réseau . . . . . . . . . . . . 6-7 Systèmes de maîtrise de la demande en énergie . . . . . . . . . . 8-9 Recyclage des batteries . . . . . . . . . . . 10-11 Applications Mines souterraines . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13 De l’acier nickelé pour les batteries . . . 15 La Chevrolet Bolt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 En bref Stockage de l’énergie solaire . . . . . . . . . 14 Un pont résistant aux séismes . . . . . . . . 14 Liens Web. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

NMC bas Ni 19 %

3% 7% NCA NMC moy. Ni 10 %

NMC haut Ni

LMO 13 %

LCO 25 %

LFP 22 % LTO 1%

2016 39 % au nickel

NMC haut Ni NMC moyen Ni 18 % 18 % 13 % NMC bas Ni

NMC : nickel-manganèse-cobalt

NCA 9% LMO 12 %

LCO 15 %

LTO 1%

LFP 14 %

2025 58 % au nickel

NCA : nickel-manganèse-aluminium LFP : lithium-fer-phosphate LCO : lithium-dioxyde de cobalt LMO : lithium-oxyde de manganèse LTO : lithium-titanate

SOURCE : ROSKILL

Coordonnées du Nickel Institute : Rue Belliard 12 1040 Bruxelles, Belgique Tél. : +32 2 290 32 00 communications@nickelinstitute.org

Les véhicules tout électrique ne représentent encore qu’une petite proportion de la production automobile mondiale, mais leur part de marché continue de croître. Leurs prévisions de croissance varient, mais indiquent toutes de fortes augmentations. À l’heure actuelle, le tout électrique compte pour moins de 1 % des véhicules en circulation. Les estimations récentes donnent à penser que cette proportion atteindra 7 à 11 % d’ici 2025 et que beaucoup de ces véhicules seront propulsés par des batteries lithium-ion contenant du nickel.

Les nouveaux couples électrochimiques utilisant le nickel sont aussi appelés à jouer un rôle important dans le stockage des énergies renouvelables. Comme les éoliennes et les panneaux photovoltaïques ne génèrent de l’électricité que sous l’effet du vent ou de la lumière du jour, il est nécessaire de stocker cette énergie dans des batteries pour pouvoir l’utiliser au moment voulu.

Cela fait des années qu’on parle de l’importance de cette technologie pour l’avenir des réseaux électriques, et de grandes marques mondiales, comme Nissan et Tesla, ont enfin commencé à s’y investir.

Début 2015, Tesla a annoncé son entrée sur le marché du stockage de l’énergie avec une batterie au lithium intégrant une cathode en alliage de nickel.

Ce numéro se penche sur le passé, le présent et le futur des batteries et sur le rôle du nickel dans ce domaine. C’est là un vaste programme, auquel nous avons consacré presque tous les articles, car le tableau est complexe. Les différentes utilisations nécessitent des technologies différentes et aucun type de batterie n’apparaîtra comme étant « le gagnant ». Le nickel s’emploie dans les batteries depuis plus d’un siècle et continuera de jouer un rôle important dans l’avenir prévisible de ce secteur en pleine évolution.

Clare Richardson Rédactrice en chef

POINT DE MIRE 

IMAGES DE WIKIMEDIA COMMONS SAUF MENTION CONTRAIRE

v 1 748 Premier emploi du terme « batterie » (par analogie avec les batteries d’artillerie) – Benjamin Franklin (États-Unis)

1799 w La première pile voltaïque produit un courant continu – Alessandro Volta (Italie)

v 1 859

© ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, INC., 2017

Première batterie rechargeable au plomb – Gaston Planté (France)

1899 w

v 1 959 Premières piles alcalines – Lewis Urry (Canada)

es batteries au plomb aux accumulateurs lithium-ion, le stockage de l’électricité a connu une transformation remarquable au fil des cinq dernières décennies. Depuis longtemps déjà, la batterie au plomb servait à faire démarrer les véhicules à essence, tandis que les piles alcalines alimentaient les appareils d’usage courant tels que lampes de poche, télécommandes et jouets électriques.

L’avènement des accumulateurs lithium-ion Commercialisés dès 1991, les accumulateurs lithium-ion (Li-ion), dont la plupart contiennent du nickel, ont d’abord équipé les premiers caméscopes avant de trouver leur place dans les téléphones intelligents, ordinateurs portables et autres appareils mobiles d’aujourd’hui. Grâce à leur densité de puissance supérieure, essentielle pour accroître l’autonomie des véhicules électriques, les batteries lithium-ion allaient bientôt propulser la nouvelle génération d’automobiles.

Alors qu’elles jouaient un rôle plutôt périphérique il y a un demi-siècle, les batteries sont désormais dans nos poches et sacs à main toute la journée (voire littéralement au cœur de nos vies, pour ceux qui portent un stimulateur cardiaque). Il suffit de regarder les usagers des aéroports aller et venir en quête d’une prise de courant pour voir à quel point elles sont devenues essentielles à notre quotidien.

1967 w Invention de l’accumulateur NiMH – Centre de recherche Battelle de Genève (Suisse)

v 1 980 Accumulateur lithium-ion à cathode d’oxyde de cobalt (États-Unis)

2014 w

D

Avec l’arrivée des accumulateurs rechargeables au nickel — nickelcadmium (NiCd) et, pour durer plus longtemps, nickel-hydrure métallique (NiMH) — bien des choses ont changé dans notre vie et dans notre travail, comme la manière d’alimenter les outils électriques et les caméras numériques. Puis, au milieu des années 90, les batteries NiMH ont fait une percée majeure dans le secteur de l’automobile en équipant la Toyota Prius, entraînant ainsi un changement irréversible qui allait conduire aux véhicules électriques actuels. Cependant, leur densité d’énergie ne répondait pas encore aux attentes des utilisateurs d’automobiles, d’outils, de caméras et d’appareils issus des nouvelles technologies.

Premier accumulateur NiCd – Waldemar Jungner (Suède)

Accumulateur lithium-ion à électrolyte solide (États-Unis)

LES BATTERIES : PERFORMANTES AUJOURD’HUI ET BEAUCOUP PLUS DEMAIN

D’excellentes perspectives à court terme pour le nickel Dans bien des cas, plus on utilise une technologie, plus on veut qu’elle s’améliore. Et les batteries ne font pas exception à la règle. Nous voulons que nos téléphones mobiles et ordinateurs portables fonctionnent plusieurs jours de suite sur une seule charge. Nous voulons que nos véhicules électriques offrent la même autonomie qu’une voiture à essence et se rechargent en moins de dix minutes. Et nous avons de plus en plus besoin de batteries pour équilibrer la charge de nos réseaux électriques toujours plus vastes et plus complexes.

Nous voulons aussi des batteries à la fois plus légères et plus puissantes (offrant une plus grande densité d’énergie) et se chargeant plus rapidement. Mais comment y parvenir ? Faudra-t-il améliorer sans cesse les technologies existantes ? Ou bien faut-il s’attendre à une révolution technologique, et dans ce cas, à quel horizon ?

Des perspectives moins nettes à plus long terme Examinons d’abord les améliorations au couple lithium-ion existant. L’une des tendances actuelles est la migration vers les cathodes

4 DOSSIER SPÉCIAL NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

nickel-manganèse-cobalt, qui offrent une plus grande densité d’énergie et un plus faible coût par unité d’énergie fournie. On observe également un mouvement en direction des batteries lithium-air (Li-air) à très haute densité d’énergie (Tesla possède des brevets dans ce domaine et d’autres chercheurs réalisent actuellement des progrès considérables). Dans le même temps, le coût des batteries lithium-ion continue de chuter rapidement grâce à une chaîne d’approvisionnement de plus en plus efficace (et à la montée en puissance des capacités de production de la Chine). De nombreux observateurs pensent que cette chute des coûts pourrait atteindre 50 % au cours des prochaines années. À plus long terme, les perspectives deviennent moins nettes. Qu’en est-il des batteries au lithium de nouvelle génération susceptibles de changer la donne ? Viendront-elles ou non ? De quel endroit et à quel moment ? L’un des candidats possibles est l’accumulateur à électrolyte solide, qui est plus sûr, dure plus longtemps et offre une plus grande densité d’énergie (jusqu’à deux fois plus d’énergie dans le même volume), mais qui coûte aussi beaucoup plus cher pour le moment. Ces batteries devront probablement établir une tête de pont dans certains appareils avant que des économies d’échelle ne permettent de réduire les coûts. Il leur faudra sans doute encore quatre ou cinq ans pour arriver dans nos téléphones intelligents.

Le couple lithium-soufre est également candidat, grâce à sa densité d’énergie quatre fois supérieure à celle du couple lithium-ion et au moindre coût des matériaux concernés. Mais il pose encore d’importants problèmes de réalisation technique et de sécurité, quoique des progrès s’accomplissent vers leur résolution.

Des processus d’innovation en voie d’accélération Sur le long terme, l’évolution des accumulateurs dépend entièrement de celle de la science des matériaux. Il s’agit de combiner différents

éléments du tableau périodique pour voir comment se comportent les assemblages résultants. Aujourd’hui, nous sommes en mesure d’étudier les couples électrochimiques par des méthodes impossibles il y a encore quelques années. Avec le calcul intensif haute performance, qui permet d’effectuer plus de mille billions (1015) d’opérations par seconde, il est désormais possible de combiner différents éléments dans un mode virtuel pour examiner rapidement le comportement potentiel des composés résultants. Transmettent-ils la lumière et l’électricité ? Sont-ils malléables ou cassants ? Les composés virtuels intéressants peuvent alors être produits en laboratoire pour des essais en situation réelle. Les chercheurs pensent ainsi pouvoir diviser par deux le délai d’arrivée sur le marché d’une innovation technologique.

Des batteries fondées sur de meilleures technologies D’ici cinq ans, les supercalculateurs devraient commencer à réaliser des simulations utilisant des raisonnements plus proches de ceux de l’intelligence humaine. Comme l’explique le département de l’Énergie des États-Unis dans un document de synthèse sur la recherche technologique, il s’agit de « conjuguer théorie physique, modèles informatiques de pointe et immenses bases de données sur les propriétés des matériaux pour accélérer la conception d’un nouveau composé présentant des attributs propres à l’application visée en optimisant sa composition et son traitement de manière à obtenir la structure et les caractéristiques voulues ».

Voilà qui annonce une accélération du processus de mise sur le marché pour les nouvelles technologies d’accumulateur. Les dix prochaines années devraient voir l’avènement de batteries beaucoup plus performantes, même si les technologies gagnantes restent à préciser.

Ces dernières décennies, le nickel a joué un rôle essentiel dans les piles et batteries qui alimentent notre mode de vie, et il continuera de le faire dans l’avenir prévisible.

L’importance du nickel dans les accumulateurs rechargeables

U

ne batterie électrique est un dispositif composé d’une ou plusieurs cellules électrochimiques comprenant chacune deux électrodes (une anode et une cathode) et un électrolyte. Quand les deux électrodes d’extrémité (les bornes) d’une batterie sont raccordées au circuit électrique d’un appareil, les électrons circulent à travers celui-ci de l’anode vers la cathode.

Mécanisme de décharge d’un accumulateur rechargeable lithium-ion NMC

COUCHES DE GRAPHITE (ANODE)

Électrons

Li+

Li+

Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ Électrolyte

LiCC+Li++ e-

Li++MO2 + e-LiMO2

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

Ce courant d’électrons alimentant le circuit externe résulte de leur transport d’une électrode à l’autre par des ions participant à une réaction chimique (dite d’oxydoréduction) au sein de l’électrolyte.

Les batteries se divisent en deux catégories

Courant

OXYDE DE MÉTAL LITHIÉ (CATHODE)



selon qu’il est possible ou non de les recharger en régénérant leurs électrodes : batteries primaires (à usage unique et jetables) et batteries secondaires (rechargeables).

Il existe plusieurs types de batteries secondaires (rechargeables), comme les batteries au plomb des automobiles et les accumulateurs NiCd (nickel-cadmium), NiMH (nickel-hydrure métallique) et Li-ion (lithium-ion) d’usage courant. Le nickel est un composant essentiel de la cathode de nombreuses batteries secondaires, y compris parmi celles de type Li-ion, comme le montre le tableau ci-dessous :

TYPE DE PILE OU BATTERIE

CATHODE

ANODE

ÉLECTROLYTE

Alcaline (P)

Dioxyde de manganèse (MnO2)

Zinc

Alcalin aqueux

Plomb-acide (S)

Dioxyde de plomb (PbO2)

Plomb

Acide sulfurique

Cadmium

Hydroxyde de potassium

Alliage absorbant l’hydrogène

Hydroxyde de potassium

Carbone, généralement sous forme de graphite

Sel de lithium dans un solvant organique

Nickel-cadmium (NiCd) (S) Nickel-hydrure métallique (NiMH) (S)

Oxyhydroxyde de nickel (NiOOH)

Lithium-ion (LCO) (S)

Lithium-dioxyde de cobalt (LiCoO2)

Lithium-ion (NMC) (S)

Lithium-oxyde de nickel-manganèse-cobalt (LiNiMnCoO2)

Lithium-ion (NCA) (S)

Lithium-oxyde de nickel-cobaltaluminium (LiNiCoAlO2)

(P) = Primaire. (S) = Secondaire

DOSSIER SPÉCIAL 

ISTOCKPHOTO.CAOM © PETMAL ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE

TESLA.COM

PLUS DE PUISSANCE POUR LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES À FAIBLE ÉMISSION DE CARBONE

6 DOSSIER SPÉCIAL

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

Le marché des batteries destinées aux réseaux électriques se prépare à connaître une véritable explosion.

L

es batteries lithium-ion (Li-ion), dont beaucoup utilisent du nickel, feront partie intégrante du mouvement du monde vers des réseaux électriques plus économiques et plus propres.

Ce mouvement résulte largement d’une forte croissance des énergies renouvelables, et en particulier du solaire et de l’éolien. Aux ÉtatsUnis, ces deux sources représentent plus de la moitié des nouvelles capacités de production installées ces trois dernières années. L’Asie et l’Europe ont investi des milliards dans les énergies renouvelables et sont en passe de créer un réseau électrique durable d’une valeur d’un billion (1012) de dollars.

l’équivalent de toutes les batteries lithium-ion produites dans le monde il y a tout juste quatre ans. Environ un tiers de sa production sera destinée aux unités de stockage des réseaux électriques.

Cependant, Tesla n’est pas le seul producteur de batteries Li-ion, et pourrait même ne pas être le plus gros.

de nickel à long terme. Les grands fournisseurs de matériaux utilisés dans les cathodes de batterie Li-ion sont en train d’augmenter leurs capacités de production pour le ternaire nickelmanganèse-cobalt (NMC), généralement constitué d’un tiers de chacun des éléments.

Cette production sera destinée en grande partie aux véhicules tout électrique, mais répondra également aux besoins des installations de stockage fixes des réseaux électriques, où

Quel avenir pour le stockage ?

Les chiffres récents de l’Energy Storage Association font état d’une croissance rapide du stockage de l’énergie aux États-Unis, où le volume des capacités nouvellement installées a presque triplé en 2016. Mais ce n’est que le commencement.

WWW.TESLA.COM

Le problème, c’est que le souffle du vent et l’éclat du soleil sont loin d’être permanents.

C’est pourquoi on fait appel aux batteries pour stabiliser l’infrastructure vaste et complexe des réseaux électriques.

 La société Advanced Microgrid Solutions installe des ensembles de batteries de stockage Tesla pour apporter souplesse et adaptabilité aux réseaux électriques.

En 2017, le volume des nouvelles capacités de stockage devrait encore augmenter de près de 50 %. Dès le mois de janvier, trois installations californiennes (de type lithium-ion et utilisant du nickel) égalaient à elles seules 15 % du total des capacités de stockage installées l’an dernier aux États-Unis.

La Chine aux commandes La Chine sera le moteur des économies d’échelle dans le monde, en poussant les prix à la baisse et la demande à la hausse. Alors que le marché des batteries de stockage pour réseau électrique est en passe de connaître une envolée spectaculaire, ce pays assure déjà la part du lion dans la production mondiale.

Cette rapide montée en puissance du stockage fixe (des batteries Li-ion) s’observe aussi dans d’autres pays. En Corée du Sud, par exemple, la KEPCO (Korea Electric Power Corporation) prévoit de stabiliser son réseau par l’installation de systèmes de stockage à réaction rapide utilisant des batteries NMC pour une capacité totale de 500 MW. Le Japon vient également d’investir des centaines de millions de dollars dans des projets de stockage destinés à renforcer son réseau électrique.

Si la Chine peut réaliser avec les batteries ce qu’elle a accompli avec les panneaux solaires, elle pourrait bien dominer le marché. En promouvant les véhicules électriques, le pays stimule la demande de batteries Li-ion, et par conséquent les économies d’échelle dans leur fabrication. Selon certains analystes, la croissance des volumes de production et la rationalisation des chaînes d’approvisionnement devraient se traduire par une réduction des coûts allant jusqu’à 40 % dans l’année à venir.

Les batteries Li-ion doivent leur dominance aux économies d’échelle Les batteries Li-ion bénéficient à la fois d’une présence de longue date sur le marché de l’électronique grand public et d’énormes investissements dans leur fabrication, notamment pour les besoins des véhicules électriques.

La plus grande entreprise chinoise du secteur, Amperex Technology, a triplé sa production de batteries Li-ion au cours de l’année écoulée, dépassant ainsi LG Chem, un autre leader mondial. Elle prévoit de multiplier sa production annuelle, qui est actuellement de l’ordre de 8 gigawatts-heures (GWh), pour atteindre 50 GWh d’ici 2020 (soit une fois et demie plus que Tesla).

La Gigafactory construite par Tesla dans le Nevada devrait par exemple en produire pour 35 000 mégawatts-heures (MWh) d’ici 2018.

Cette usine américaine fabriquera à elle seule

NICKEL, VOL. 32, Nº 1, MAI 2017

Bonne nouvelle pour le nickel C’est une excellente nouvelle pour la demande

les batteries NMC prennent rapidement de vitesse d’autres couples au lithium, comme celui des accumulateurs lithium-fer-phosphate (LFP), pour devenir la cathode préférée des concepteurs.

Tout un monde de possibilités Le stockage fixe des réseaux électriques en est encore à ses débuts et les prévisions quant à la taille future du marché varient considérablement. Dans l’avenir prévisible, les véhicules tout électrique détermineront la croissance de la demande pour les batteries lithium-ion et pour le nickel qu’elles contiennent.

Le stockage fixe de l’énergie prendra une importance considérable dans un très proche avenir, avec la chute des coûts et l’optimisation des modèles de fonctionnement du secteur. Il est très probable que le stockage fixe viendra compléter les millions d’ensembles de panneaux solaires résidentiels déjà installés.

Quant aux solutions de stockage pour réseaux électriques, les grandes entreprises du secteur telles qu’AES Energy Storage considèrent déjà que les batteries Li-ion sont concurrentielles par rapport aux nouvelles centrales de pointe et occuperont une place importante dans les architectures du futur.

Une chose est claire : le nickel jouera un rôle essentiel dans les réseaux électriques à faible émission de carbone du futur.

DOSSIER SPÉCIAL 

La maîtrise de la demande en énergie et les systèmes d

L

a demande d’énergie ne cesse d’augmenter, à l’échelle des nations, des collectivités et des ménages. La façon traditionnelle de répondre à la demande consiste à accroître l’offre, autrement dit la production.

Mais ces derniers temps, l’attention commence à se porter davantage sur la demande, autrement dit sur l’usager. Il s’agit de réduire la demande pendant les heures de pointe, par exemple au moyen d’une incitation tarifaire à consommer l’électricité pendant les heures creuses.

Une autre méthode de plus en plus utilisée pour répondre à l’accroissement de la demande consiste à stocker à proximité de l’usager de l’énergie produite pendant les heures creuses.

Avec cette dernière façon d’aborder la maîtrise de la demande en énergie (MDE), la demande aux heures de pointe n’est pas réduite, mais anticipée en stockant de l’électricité dans des batteries de proximité (dont beaucoup sont de type lithium-ion et contiennent du nickel).

L’avantage de la MDE Sur les réseaux nationaux, un système de MDE automatisé peut réagir à une forte augmentation de la demande plus rapidement que les systèmes traditionnels utilisant des centrales thermiques ou hydroélectriques de pointe. Qui plus est, comme il s’agit d’un système réparti, il n’a pas de point de défaillance unique. Lorsqu’il est raccordé à des ensembles de stockage par batteries (souvent de type lithium-ion), le système de MDE accumule de l’énergie provenant de sources renouvelables pendant les heures creuses de manière à équilibrer l’offre et la demande.

Cet usage des systèmes de stockage d’énergie est particulièrement important, car 86 % (21 gigawatts) des nouvelles capacités de production d’électricité installées dans l’UE en 2016 proviennent de l’éolien, du solaire et d’autres sources certes renouvelables, mais intermittentes par nature. Cet usage plus efficace des sources d’énergie renouvelables aide à réduire les émissions de carbone.

Le réseau national du Royaume-Uni est l’un des nombreux fournisseurs à investir davantage dans cette combinaison de systèmes de stockage par batterie et de MDE. En réponse au dernier appel d’offres de fourniture de capacité électrique lancé au Royaume-Uni, quelque 500 mégawatts viendront de nouveaux projets de stockage de ce type, pour accompagner la transition en cours vers l’éolien et le solaire.

Plus de souplesse pour tous Cet usage accru des systèmes de stockage d’énergie par batterie ne se limite pas aux réseaux nationaux ; il concerne également les utilisateurs industriels et commerciaux, à qui des entreprises telles qu’Open Energi, une société britannique, fournissent des solutions techniques fondées sur la MDE et le stockage de l’énergie.

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David Hill, directeur chez Open Energi, fait le point sur le sujet : « En associant systèmes de stockage d’énergie par batteries situées derrière le compteur et maîtrise de la demande en électricité, l’usager bénéficie d’un maximum de souplesse et peut prolonger la durée de vie des batteries en réduisant leur débit. Cela permet aux entreprises d’optimiser les coûts et les économies de crédits carbone dans toutes leurs installations et pourrait transformer le mode de fonctionnement de nos réseaux électriques. » La croissance de la MDE s’accompagnera de celle de la demande de nickel et renforcera l’adaptabilité des systèmes de distribution d’énergie dans le monde entier.

8 DOSSIER SPÉCIAL

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de stockage par batteries se montrent à la hauteur LA MDE À L’ŒUVRE

L

UNIVERSITÉ DE GÊNES

LE SYSTÈME NEXTERA DU POSTE DE DISTRIBUTION DEMOSSPETRIE

’installation d’un dispositif de MDE connecté à des systèmes de stockage d’énergie apporte un gain de souplesse et de fiabilité, tout en favorisant l’utilisation de sources d’énergie plus propres et renouvelables. Les deux études de cas ci-dessous, l’une menée aux États-Unis et l’autre en Italie, montrent comment des systèmes de stockage d’énergie éprouvés peuvent aider à réaliser tous ces objectifs.

 Système de poste de distribution NextEra Étude de cas : TEP et NextEra (batteries lithium-ion NMC) Tucson Electric Power (TEP) est une compagnie d’électricité desservant plus de 400 000 usagers dans le sud de l’Arizona.

Dans le cadre de sa campagne destinée à améliorer l’adaptabilité du réseau électrique local, TEP a collaboré avec une filiale de NextEra Energy Resources basée à Juno Beach (Floride) pour installer un système de stockage d’énergie de 10 mégawatts utilisant des batteries lithium-ion NMC (oxydes de nickel-manganèse-cobalt). Ce système aide désormais à assurer un service fiable aux usagers dans les périodes de forte demande.

Il est à noter que TEP participe aussi, avec IHI Energy Storage, une entreprise de Chicago, à un projet de recherche et développement de deux ans visant à déterminer comment l’utilisation rationnelle de systèmes de stockage d’énergie par batteries pourrait améliorer la fiabilité de la distribution d’électricité dans le climat chaud et sec de l’Arizona.

Le système de NextEra utilise des batteries NMC, contenant du nickel, du manganèse et du cobalt en proportions d’environ un tiers pour chaque élément ; elles offrent une longue durée de vie et conviennent bien pour le raccordement à un microréseau de stockage aux heures creuses.

Selon Joe Barrios, porte-parole de TEP, « l’entreprise cherchait des systèmes de stockage d’énergie éprouvés pouvant améliorer la fiabilité à un coût avantageux tout en lui permettant d’en savoir plus sur les perspectives d’exploitation des technologies innovantes de ce type pour aider à accroître l’utilisation des ressources renouvelables ». Les systèmes à énergies renouvelables de TEP ont actuellement une capacité d’environ 530 mégawatts, suffisante pour alimenter plus de 110 000 habitations pendant un an.

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 Les batteries sodium-nickel de la FIAMM ont été choisies pour le système de stockage d’énergie. Étude de cas : Siemens et FIAMM (batteries sodium-nickel) En 2012, dans le cadre du projet Energia 2020, le campus de l’université de Gênes à Savone a décidé d’introduire une méthode plus efficace pour la distribution et la gestion de l’énergie, ce qui l’a amené à installer un système de gestion de l’énergie intelligent utilisant des microréseaux.

Ce système couvre une partie de la demande d’énergie électrique et thermique du campus par des moyens de production locaux, réduisant ainsi la quantité d’électricité achetée au réseau externe.

Il s’agissait d’accroître l’utilisation des sources d’énergie renouvelables, de diminuer la consommation d’électricité et de réduire les émissions de CO2 et la facture énergétique du campus.

L’énergie est captée par une centrale solaire thermique à concentration et par une centrale photovoltaïque. La fabrication des microréseaux a commencé en 2014 et leur installation a été dirigée par Siemens.

Selon Mansueto Rossi, un chercheur de l’université, « les batteries sodium-nickel du groupe Italien FIAMM ont été choisies pour le système de stockage d’énergie parce qu’elles ne nécessitent pas de système de refroidissement complexe ; elles sont extrêmement résistantes aux conditions ambiantes défavorables et sont idéales pour la charge pendant le jour et la décharge aux heures de pointe

DOSSIER SPÉCIAL 

LE RECYCLAGE DES ACCUMULATEURS DANS UN SECTEUR EN PLEINE EFFERVESCENCE L’industrie des accumulateurs s’active pour répondre à la demande

L

’essor des véhicules électriques entraîne actuellement d’importants investissements en recherche-développement et en nouvelles unités de fabrication dans le secteur des accumulateurs au lithium. Cela a déjà modifié la hiérarchie des couples électrochimiques : les véhicules hybrides électriques utilisent généralement des batteries NiMH, alors que les modèles hybrides rechargeables et les véhicules tout électrique emploient des batteries Li-ion, en raison de leur plus grande densité d’énergie et d’autres propriétés avantageuses.

La cathode des batteries Li-ion est souvent constituée d’un ternaire nickel-manganèsecobalt (NMC) ou nickel-cobalt-aluminium (NCA) contenant 33 à 80 % de composés de nickel. Le ternaire NMC s’emploie dans un éventail d’appareils électroniques et de véhicules électriques, alors que le ternaire NCA s’utilise dans les cellules Panasonic 18650 des véhicules Tesla et en association avec le couple lithiumoxyde de manganèse (LMO) dans d’autres véhicules électriques. Les autres matériaux de cathode importants sont notamment ceux de formules LiCoO2, LiMn2O4 et LiMPO4.

De nouveaux procédés de recyclage Il va sans dire que la valeur des matériaux récupérés dépendra de la composition de la cathode et du procédé de recyclage. Dans la plupart des batteries Li-ion actuellement disponibles,

10 DOSSIER SPÉCIAL

les cathodes contiennent principalement des oxydes de cobalt, et c’est la récupération du cobalt élémentaire qui détermine la rentabilité du procédé. Les accumulateurs à faible teneur en cobalt, de plus en plus employés pour les véhicules, sont moins intéressants à recycler par les méthodes actuelles. De nouveaux procédés de recyclage sont en cours de mise au point pour récupérer les matériaux actifs des cathodes (avec le lithium qu’ils contiennent) afin de les réutiliser dans de nouvelles batteries, car ils ont beaucoup plus de valeur que leurs éléments constitutifs. Il est alors nécessaire d’assurer la qualité des matériaux récupérés.

Parallèlement aux progrès technologiques, la réglementation du secteur des batteries évolue et se durcit. La directive européenne relative aux piles et accumulateurs, qui prévoit que les batteries doivent être recyclées, est en cours de révision. La Chine a introduit récemment une réglementation attribuant la charge du recyclage des batteries de véhicule aux constructeurs automobiles. Aux États-Unis, il n’y a pas actuellement de réglementation harmonisée concernant le recyclage des batteries, qui est régi par les règlements existants dans les différents États. D’autres règlements devraient apparaître dans le monde.

On estime qu’à l’heure actuelle, en raison de la difficulté à organiser des systèmes de collecte efficaces, seulement 10 % des batteries Li-ion usagées finissent par être recyclées. La plupart de ces batteries proviennent de différents appareils électroniques portables.

Les autres batteries actuellement recueillies et recyclées sont de type NiMH, comme celles des véhicules hybrides électriques, et contiennent 23 % de nickel, 4 % de cobalt, 7 % de métaux de terres rares, 36 % d’acier, 18 % de plastique, 9 % d’électrolytes, 2 % d’autres métaux et 1 % de polytétrafluoroéthylène (PTFE). La Toyota Prius est de loin le véhicule hybride électrique le plus vendu au monde, et son constructeur est acquis à la batterie NiMH, dont il apprécie

la maturité et la fiabilité. Avec 1,5 à 1,8 million de véhicules hybrides électriques vendus dans le monde chaque année depuis cinq ans et des batteries prévues pour durer dix ans, le nombre d’accumulateurs NiMH à recycler ne fera qu’augmenter.

En Chine Les ventes mondiales de véhicules hybrides rechargeables ont franchi le cap des 250 000 et, en raison de fortes mesures incitatives, la Chine est leur premier marché (29 %). C’est également grâce aux mesures incitatives que la Chine est devenue le premier marché des véhicules tout électrique. En 2016, quelque 500 000 véhicules tout électrique se sont vendus dans le monde, dont 55 % en Chine. Ce secteur prévoit un décollage des ventes dans les cinq prochaines années, ce qui donne à penser que les recycleurs commenceront à traiter des volumes de batteries Li-ion de plus en plus élevés au cours des prochaines décennies.

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Un avenir qui se prépare L’arrivée sur le marché grand public des véhicules hybrides rechargeables et du tout électrique aura un énorme impact sur l’industrie du recyclage des batteries. Les entreprises du secteur se préparent à répondre aux futurs besoins en investissant dans des installations de très grande envergure capables de traiter les batteries Li-ion de ces véhicules. Quand le rendement d’une batterie passe sous le seuil acceptable pour un véhicule, il peut encore convenir pour un système de stockage fixe. Puis il ne suffira plus du tout, et la batterie devra être recyclée. Le recyclage des batteries est nécessaire pour protéger l’environnement, mais aussi en raison de la valeur des matériaux réutilisables qu’elles contiennent. Il s’agit notamment des oxydes métalliques lithiés de cobalt, de nickel ou de manganèse (utilisés seuls ou en combinaison), ou encore de phosphore et de fer, contenus dans leurs cathodes. La structure des cellules contient aussi du cuivre, de l’aluminium et de l’acier. Les attributs des batteries varient selon la combinaison de matériaux constituant la cathode et selon les différents couples électrochimiques utilisés.

WIKIMEDIA COMMONS

UMICORE : UN CHAMPION DU RECYCLAGE DES BATTERIES

 L’usine de métaux précieux Umicore de Hoboken à Anvers (Belgique).

Umicore est l’un des plus grands recycleurs de métaux précieux au monde.

G

râce à son procédé primé de traitement zéro déchet en circuit fermé, l’entreprise belge Umicore est un leader mondial du recyclage des batteries NiMH et lithium-ion. En conjuguant un traitement pyrométallurgique exclusif et un procédé hydrométallurgique de pointe, Umicore est en mesure de recycler les batteries Li-ion et NiMH de tous types et de toutes tailles en conciliant parfaitement écologie et économie.

La phase pyrométallurgique convertit les batteries en trois fractions : • un alliage contenant les précieux métaux que sont le cobalt, le nickel et le cuivre ; • des scories utilisées dans le secteur du bâtiment et des travaux publics (les scories des batteries Li-ion se prêtent à la récupération du lithium et celles des batteries NiMH à l’extraction d’un concentré de métaux de terres rares qui est ensuite raffiné dans le cadre d’une coopération avec Solvay) ;

Avec sa capacité de 7 000 tonnes par an, le fourneau UHT de Hoboken est l’une des plus grandes installations de recyclage pour batteries Li-ion et NiMH au monde. 7 000 tonnes, c’est : Environ 250 000 000 batteries de téléphone portable Environ 2 000 000 batteries de vélo à assistance électrique Environ 35 000 batteries de véhicule tout électrique

• de l’air propre, dégagé par la colonne à l’issue d’un procédé exclusif d’épuration des gaz à ultra haute température (UHT).

La phase pyrométallurgique utilise le traitement UHT d’Umicore, qui repousse les limites du recyclage des métaux et établit une nouvelle référence parmi les meilleurs procédés existants. Conçue pour traiter différents types de flux de déchets métalliques complexes sans danger et en grands volumes, elle se distingue des autres techniques de recyclage par : • un taux de récupération des métaux plus élevé qu’avec les procédés existants et la production de matériaux directement commercialisables ; • un flux d’entrée composé directement de batteries usagées, sans prétraitement potentiellement dangereux ; • un système d’épuration des gaz garantissant la décomposition totale de tous les composés organiques sans production de dioxines ou autres composés organiques volatils nocifs (le fluor est récupéré sans danger dans les cendres volantes) ; • une consommation d’énergie et des émissions de CO2 réduites au strict minimum par l’utilisation de l’énergie contenue dans les composants des batteries (électrolyte, plastiques et métaux) ; • un bilan proche du zéro déchet.

Dans le procédé hydrométallurgique qui suit, l’alliage est raffiné davantage de manière à convertir les métaux en matériaux actifs de cathode pour produire de nouveaux accumulateurs rechargeables.

Umicore est de longue date un grand fournisseur de matériaux essentiels pour la fabrication des batteries rechargeables utilisées dans les appareils électroniques portables ainsi que dans les véhicules hybrides et tout électrique.

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LES VENTES MONDIALES DE BATTERIES Les ventes mondiales de batteries ont atteint les 65 milliards de dollars US en 2016 et ont enregistré une croissance annuelle moyenne de 5 % entre 1990 et 2016. L’usage des matériaux actifs de cathode, passé de 6 900 tonnes en 2000 à 178 000 tonnes en 2016, témoigne également de la forte croissance du secteur.

Cette croissance est stimulée par la forte demande d’articles fonctionnant sur batteries, tels qu’appareils électroniques portables, téléphones mobiles, vélos à assistance électrique, outils et véhicules électriques, etc. Le volume des ventes de batteries lithium-ion s’est accru de 22 % par an entre 2006 et 2016. Pour la période allant de 2016 à 2025, le cabinet Avicenne Energy prévoit que ces ventes connaîtront un taux de croissance annuel composé de 13 %.

DOSSIER SPÉCIAL 

Les batteries améliorent la qualité de l’air dans les mines souterraines Le potentiel des batteries au nickel de nouvelle génération pour les mines souterraines

L

a ventilation compte actuellement pour environ 50 % des coûts énergétiques globaux des mines de métaux souterraines. Les exploitants cherchent à creuser plus profond tout en maintenant la rentabilité et en éliminant les particules fines émises par les moteurs diesel utilisés sous terre. Quand ces impératifs s’ajoutent aux objectifs à atteindre en matière d’énergie propre, il y a manifestement une multitude de raisons d’introduire des véhicules électriques conçus pour l’usage souterrain.

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« Par ailleurs, les conditions d’exploitation des mines vont devenir encore plus rigoureuses qu’aujourd’hui et nécessiter des technologies plus vertes offrant un meilleur rendement.

Ces dernières années, la production de batteries s’est accélérée pour répondre aux besoins de l’automobile et du secteur de l’énergie verte. L’industrie minière a pris acte du fait que l’amélioration du milieu de travail et de la qualité de l’air, avec l’emploi des batteries de nouvelle technologie, pouvait accroître la productivité du travail souterrain et ouvrir la voie à un nouveau mode d’exploitation. » Quelles sont les options ?

Les mines utilisent différents types de batteries depuis des décennies. Cependant, avec le progrès des couples électrochimiques et des technologies associées (comme celles des moteurs à courant continu et des postes de charge), les batteries sont désormais beaucoup mieux adaptées au travail souterrain.

Les batteries actuellement en usage sont de trois types : • Plomb-acide ;

12 APPLICATIONS

• Sodium-chlorure de nickel ; • Lithium-ion, avec ses sous-catégories lithium-fer-phosphate (LFP), lithiumtitanate (LTO) et lithium nickelmanganèse-cobalt (NMC).

Chaque type a ses avantages et ses inconvénients selon l’utilisation visée.

Les batteries au plomb traditionnelles s’utilisent depuis longtemps dans les mines, principalement pour l’extraction des roches tendres telles que charbon, sel et potasse.

Cependant, leur emploi ne s’est pas généralisé pour plusieurs raisons : poids et volume élevés, capacités de puissance et de stockage d’énergie restreintes, durée de vie en cycles limitée et sécurité mise en question.

De nombreux couples électrochimiques innovants sont encore à l’essai, mais d’autres ont été adoptés par l’industrie et intéressent de plus en plus le marché. Il s’agit de différents types de couples lithium-ion (Li-ion) et du couple sodium-chlorure de nickel. Les

« Les batteries LTO semblent bien convenir pour le chargement et le transport des minerais, car elles se rechargent rapidement et offrent une longue durée de vie en cycles et d’excellentes caractéristiques de sécurité intrinsèque », explique Jani Vilenius. « Les batteries sodium-chlorure de nickel sont aussi intéressantes pour leur haut niveau de sécurité et leur densité d’énergie supérieure, qui leur confère une autonomie suffisante pour de nombreux usages. » En 2015, le constructeur d’engins miniers américain MacLean Engineering a lancé un programme d’électrification de sa gamme en s’appuyant sur les batteries NMC. Cet effort a abouti à la fabrication en 2016 de trois engins tout électrique complets : deux boulonneuses de toit et un camion-grue.

Anthony Griffiths, chef de produit MacLean, explique : « La batterie que nous avons choisie pour équiper gamme a facilement doublé, voire

chez NMC notre dans

 Le camion-grue EV BT3 de MacLean Engineering utilise des batteries NMC.

 Caterpillar’s first battery-powered machine, the R1300G (LHD) is currently undergoing trials at a Caterpillar proving ground.

STUART LISTER

« Deux facteurs génèrent de l’intérêt », fait remarquer Jani Vilenius, directeur recherche et développement chez Sandvik, l’une des premières entreprises à introduire un jumbo de forage fonctionnant sur batterie. « Comme les batteries sont déjà largement utilisées dans d’autres secteurs, la possibilité de s’en servir dans les mines retient l’attention et entraîne une poussée technologique. »

batteries Li-ion les plus intéressantes pour les mines sont notamment celles de types LTO, LFP et NMC.

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SANDVIK

For applications needing lower power and higher energy-capacity-per-volume, sodium nickel chemistry is used.

certains cas triplé, le cycle de vie total et le nombre de cycles de charge-décharge par rapport aux batteries au plomb traditionnelles. » Sandvik utilise actuellement deux types de batteries. « Comme aucune technologie ne peut remplir à elle seule les besoins des différentes utilisations, c’est l’utilisation qui détermine le choix de batterie », poursuit Jani Vilenius. « Cependant, notre premier critère de sélection est la sécurité. Pour les applications nécessitant moins de puissance et plus de densité d’énergie, le couple sodium-nickel  La boulonneuse de toit EV 975 Omnia de MacLean Engineering.

s’impose. Mais quand la puissance prime, les batteries LTO entrent en jeu. » Jani Vilenius sait bien que le besoin de batteries à plus hautes capacités énergétiques se fait toujours sentir, mais aucune solution prometteuse ne se profile à un horizon proche. « Le choix du type de batterie dépend de plusieurs variables techniques et financières », ajoute-t-il. « Si certaines des options à haute énergie actuelles étaient choisies, ce serait au détriment de propriétés importantes telles que la sécurité. » Que réserve l’avenir ?

Aujourd’hui, l’immense majorité des engins miniers souterrains utilisent des moteurs diesel. Cependant, chaque grande entreprise

 Le jumbo de forage DD422iE de Sandvik.

minière du monde est en train d’évaluer l’utilisation des machines fonctionnant sur batterie. Plusieurs ont déjà lancé des projets visant à déployer de tels engins dans leurs grandes exploitations, ce qui aidera à amplifier leur acceptation par le marché. « Les dirigeants de l’industrie minière nous disent qu’ils savent que le secteur est en train d’abandonner le diesel au profit des équipements à émission zéro pour l’utilisation sous terre », constate Mike Kasaba, PDG de Artisan Vehicle Systems. « La réussite des déploiements à grande échelle qui se préparent déterminera la marche de l’ensemble du secteur vers le point de bascule. »

JAMES HODGINS, PHOTOGRAPHE POUR L’INDUSTRIE MINIÈRE

« Nous pensons que d’ici 2020, seuls les équipements à émission zéro figureront aux cahiers des charges des appels d’offres relatifs à l’exploitation souterraine et que les équipements diesel restants ne tarderont pas à être progressivement retirés du service. » Cet article est un condensé de celui de Carly Leonida paru dans Mining Magazine en février 2017 sous le titre « Propelling UG mining into tomorrow ».

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APPLICATIONS 

QUAND LE SOLEIL SE CACHE

Le nickel catalyse une réaction peu coûteuse pour stocker l’énergie solaire. omment stocker l’énergie solaire pour l’utiliser quand le soleil se cache ?

Si l’on sait déjà que l’énergie peut être stockée sous forme d’hydrogène, il y a cependant un problème : les techniques de production d’hydrogène donnent des résultats prometteurs en laboratoire, mais les procédés restent trop instables ou trop chers et ne sont pas encore au point pour un usage industriel à grande échelle.

La bonne nouvelle, c’est que des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne et du Centre suisse d’électronique et de microtechnique ont créé un dispositif à la fois plus stable, plus performant et moins coûteux

qui utilise des cellules solaires déjà commercialisées et n’emploie aucun des métaux rares usuels.

La démarche de ces chercheurs consiste à combiner des composants ayant déjà démontré leur efficacité dans l’industrie pour mettre au point un système robuste.

Leur prototype se compose de trois cellules photovoltaïques en silicium cristallin de nouvelle génération interconnectées et reliées à un système d’électrolyse ne nécessitant pas de métaux rares.

Le volet électrochimique du procédé nécessite un catalyseur à base de nickel qui est beaucoup moins coûteux et amplement disponible.

Un système à hydrogène qui tient la distance Le dispositif convertit l’énergie solaire en hydrogène et a déjà fonctionné sans interruption pendant plus de 100 heures dans les conditions de l’essai.

La méthode en question, qui surpasse les efforts antérieurs par sa stabilité, son rendement, sa durée de vie et sa rentabilité, est publiée dans la revue Journal of The Electrochemical Society.

© INFINI LAB / 2016 EPF

C

UNIVERSITY OF NEVADA

« Un système de 12 à 14 m2 installé en Suisse pourrait générer et stocker assez d’hydrogène pour alimenter une voiture à piles à combustible sur plus de 10 000 km chaque année », souligne Christophe Ballif, coauteur de l’article. « Il s’agit là d’un record mondial de rendement pour les cellules photovoltaïques en silicium et pour la production d’hydrogène sans utilisation de métaux rares ».

UN PONT RÉSISTANT AUX TREMBLEMENTS DE TERRE

possible grâce à un alliage nickel-titane intelligent

U

n pont capable de plier sans se rompre sous l’effet d’un fort tremblement de terre, en restant non seulement debout, mais utilisable, fera bientôt partie d’une nouvelle bretelle de sortie d’autoroute au centre-ville de Seattle (État de Washington). Il s’agit du tout premier ouvrage d’art à utiliser du béton flexible et des barres en Nitinol, un alliage superélastique constitué de nickel (à environ 55 %) et de titane.

Les ponts modernes sont conçus pour ne pas s’effondrer en cas de tremblement de terre, et cette nouvelle technique fait un pas de plus dans la même direction. Dans le cadre d’essais en laboratoire, des piles de pont constituées de barres en alliage à mémoire de forme nickeltitane et d’un béton composite flexible ont repris leur forme d’origine même après un séisme simulé de magnitude 7,5.

« Nous avons testé ces nouveaux matériaux,

14 ACTUALITÉS

les barres en métal à mémoire de forme et les bétons composites flexibles, dans plusieurs modèles de pont sur la grande table sismique de notre laboratoire. Il est gratifiant de voir cette nouvelle technique mise en œuvre pour la première fois dans un ouvrage important et très fréquenté situé en zone sismique », explique le professeur Saiid Saiidi, enseignantchercheur en génie civil à l’Université du Nevada à Reno. « L’emploi de ces matériaux réduit considérablement les dommages et permet au pont de rester ouvert même après un fort tremblement de terre. » Le professeur Saiidi, un pionnier de cette technique, a construit et détruit en laboratoire un bon nombre de ponts de 200 tonnes et de piles et culées en béton utilisant différentes combinaisons de structures et de matériaux innovants (comme les barres d’alliage nickel-titane),

 Construction des deux piles ultrarésistantes aux séismes de la nouvelle bretelle de sortie d’autoroute du centre-ville de Seattle. Elles sont conçues pour fléchir et osciller en cas de fort séisme, mais en restant debout et utilisables. dans le but de créer des ouvrages d’infrastructure plus sûrs et plus résistants. « Nous avons résolu le problème de la capacité de survie, nous pouvons maintenir un pont en service après un puissant séisme », poursuit-il. « Ces techniques et ces matériaux marquent le début d’une ère nouvelle : celle des structures ultrarésistantes aux tremblements de terre. » « Il pourrait bien s’agir d’un grand bond en avant », confirme Tom Baker, ingénieur civil des ponts et chaussées au département des Transports de l’État de Washington. « Nos ouvrages sont conçus pour ne pas s’effondrer, mais dans l’avenir, ils pourraient être conçus pour ne pas s’endommager et rester ouverts aux véhicules de secours et aux autres usagers même après un fort séisme. »

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Un couple vertueux

L

e nickel joue un rôle clé dans une grande partie des piles qui nous simplifient la vie en nous libérant des prises de courant.

Cependant, quel que soit le couple électrochimique, le nickel joue un autre rôle, moins connu mais important, lorsqu’il recouvre l’acier constituant la chemise et les couvercles qui protègent l’intérieur de la pile.

L’acier nickelé des couvercles transmet efficacement le courant des piles à l’appareil alimenté, chaque fois que nécessaire. La chemise cylindrique en acier nickelé apporte quant à elle une structure robuste pour garantir l’intégrité de la cellule, en s’adaptant à sa dilatation et à sa contraction au fil des cycles charge-décharge ; et elle s’utilise largement dans les piles jetables comme dans les accumulateurs rechargeables.

Le dépôt d’une couche de nickel de quelques microns sur les deux surfaces de la bande d’acier permet d’obtenir une faible résistance de contact.

Tata Steel Plating a perfectionné cette technique sur ses chaînes de nickelage ultramodernes.

Après le nickelage, les bandes d’acier font l’objet

d’un traitement thermique réduisant leur résistance de contact et améliorant leur adhérence

On ne saurait trop insister sur l’importance du nickel et de l’acier nickelé pour le rendement et la fiabilité de tous les types de piles. pour la fabrication des chemises, qui s’effectue ensuite par un procédé à grande vitesse. En plus de ses propriétés électriques, le nickel offre une excellente protection contre la corrosion par les matériaux caustiques contenus dans la cellule.

Cela limite le risque qu’un dégagement gazeux n’exerce une pression importante sur la structure tout au long de sa durée de vie.

Les chemises sont produites en transformant la bande par différentes étapes d’emboutissage réalisées au moyen d’emboutisseuses de précision à

TATA STEEL

 Dépôt de nickel traité à la chaleur (en haut) sur la bande d’acier (en bas) avec une couche de diffusion à grains fins (au milieu)  Une chaîne de nickelage dernier cri

haute vitesse. Elles sont ensuite livrées aux fabricants de piles dans le monde entier.

En plus des propriétés améliorant l’emboutissage profond et le rendement de la cellule, le nickel joue aussi un rôle important dans l’assemblage de la pile en apportant un bon comportement au soudage. « On ne saurait trop insister sur l’importance du nickel et de l’acier nickelé pour le rendement et la fiabilité de tous les types de piles, même s’ils sont souvent tenus pour acquis », fait remarquer Marcel Onink, directeur de l’innovation commerciale chez Tata Steel Plating. « Aujourd’hui, le plus gros volume de production est celui des piles alcalines. Cependant, dans le futur, cette combinaison performante devrait étendre sa présence avec la forte croissance des véhicules électriques.

Quel que soit le couple électrochimique de la cellule, elle sera très probablement chemisée d’acier nickelé, un matériau qui a fait ses preuves ».

NICKEL

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APPLICATIONS 

TATA STEEL

LA SYNERGIE DU NICKEL ET DE L’ACIER DANS LES PILES



C

omment obtenir une voiture tout électrique offrant une autonomie de 320 km, une accélération de 0 à 100 km/h en moins de sept secondes et une recharge de 30 min donnant une autonomie de 145 km ? En utilisant une batterie lithium-ion riche en nickel.

La Chevrolet Bolt est propulsée par une nouvelle batterie au lithium de 60 kWh située dans le plancher entre l’espace-pieds avant et le dos de la banquette arrière.

Le couple lithium-ion riche en nickel apporte un comportement thermique amélioré par rapport aux autres couples, si bien que la batterie fonctionne avec un plus petit système de refroidissement actif et donne ainsi un meilleur rendement d’ensemble. Avec ce couple, la Bolt conserve son rendement optimal sous différents climats et avec différents types de conduite.

Puissance et énergie améliorées « En général, une batterie fournit l’énergie ou la puissance voulue, mais pas les deux. Avec ce modèle de cellule et ce couple électrochimique, nous avons pu créer une batterie offrant 160 kilowatts de puissance de crête et 60 kilowatts-heures d’énergie », explique Gregory Smith, directeur du groupe technique chargé de la batterie de la Bolt.

Les cellules sont disposées « en paysage » et chacune mesure seulement 100 mm de haut sur 338 mm de large, pour offrir un

Avec ce modèle de cellule et ce couple électrochimique, nous avons pu créer une batterie offrant 160 kilowatts de puissance de crête et 60 kilowatts-heures d’énergie. agencement amélioré sous le plancher. Le profil plus bas des cellules permet à l’équipe chargée de la structure du véhicule d’optimiser l’espace intérieur. « Avoir la meilleure autonomie et le meilleur prix n’a aucun sens si la voiture ne vous remplit pas d’enthousiasme chaque fois que vous prenez le volant », déclare Josh Tavel, ingénieur en chef de la Chevrolet Bolt. « C’est pourquoi l’équipe a été chargée de créer un groupe motopropulseur faisant aussi de la Bolt un véhicule électrique qui donne envie de le conduire ».

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UN COUPLE ÉLECTROCHIMIQUE EXCEPTIONNEL DOPE LES BATTERIES DES VOITURES TOUT ÉLECTRIQUE

Les cellules sont disposées « en paysage » et chacune mesure 100 mm de haut sur 338 mm de large, pour offrir un agencement amélioré sous le plancher.