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RÉSUMÉ
Les accumulateurs électrochimiques de type redox-flow représentent un principe particulier d’accumulateurs dont les réactifs et produits de réaction sont en solution dans un électrolyte, à l’anode comme à la cathode. Ces électrolytes, contenus dans deux demi-cellules, sont mis en circulation, d’où leur appellation. La capacité des accumulateurs « redox-flow » est facilement maîtrisée, d’où leur utilisation très fréquente pour le stockage d’énergie.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jack ROBERT : Professeur émérite à l’université Paris Sud XI
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Jean ALZIEU : Ingénieur-chercheur à Électricité de France
INTRODUCTION
Comme tout générateur électrochimique, un accumulateur « redox-flow » est le siège d’une réaction d’oxydation et d’une réaction de réduction qui se développent respectivement au niveau de chaque électrode. Sa spécificité vient du fait que les réactifs et produits de réaction sont en solution dans un électrolyte ad hoc, aussi bien à l’anode qu’à la cathode. De ce fait, un accumulateur redox-flow est constitué de deux demi-cellules contenant chacune l’un de ces électrolytes. Ces derniers sont mis en circulation. C’est au titre de cette mise en circulation de l’électrolyte que les accumulateurs étudiés dans le présent document sont appelés « redox-flow ».
Les électrolytes sont stockés dans des réservoirs et mis en circulation jusqu’aux demi-cellules, sièges des processus réactionnels. La continuité du circuit électrique impose que les deux demi-cellules soient séparées par une paroi semi-perméable autorisant le passage d’un ion commun aux deux électrolytes. Un accumulateur redox-flow comporte un réacteur électrochimique, constitué des demi-cellules, un dispositif de mise en circulation de l’électrolyte et des compartiments de stockage (réservoirs).
La capacité d’un accumulateur redox-flow est liée à la taille des réservoirs tandis que sa puissance est liée à celle du réacteur. Le découplage de ces deux paramètres est un avantage. Ainsi, la maîtrise de la capacité conduit à envisager l’emploi de ce type d’accumulateur pour le stockage massif dans les réseaux d’énergie. Il importe pour ce faire, de disposer de réservoirs de taille suffisante, tandis que l’indépendance vis-à-vis de la puissance est conditionnée par l’utilisation envisagée.
Dans un accumulateur, les processus de vieillissement ou de dégradation affectent généralement les parties solides. Il peut s’agir des électrodes (citons à titre d’exemples, le « shedding » et le « softening » de l’accumulateur au plomb) ou d’un élément de structure (par exemple, fissure du tube d’alumine β d’un accumulateur haute température). Les réactifs et produits de l’accumulateur redox-flow, en phase liquide, sont à l’abri de ces problèmes, ce qui, potentiellement, confère à cet accumulateur une importante durée de vie.
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Constitution générale
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3. Perspectives
Les accumulateurs redox-flow représentent un principe particulier d’accumulateurs. Leurs caractéristiques actuelles les désignent essentiellement pour des applications de type stockage. Au-delà de ce que nous avons dit à ce sujet, leur vitesse de réponse élevée et leur aptitude à s’intégrer dans des dispositifs de puissance intermédiaire ou forte constituent des arguments supplémentaires. Si des installations de stockage atteignant des puissances et énergies de 12 MW/120 MWh ont été envisagées, il existe également des modules dont la puissance n’excède pas 5 kW.
Les systèmes polysulfure-polybromure et vanadium-vanadium, décrits ci-dessus, ne sont pas les seuls développés à ce jour (2005). On peut également citer la technologie zinc-brome, développée aux USA et en Australie. L’accumulateur zinc-brome comporte une électrode métallique de zinc. Il est dit « redox hybride ». De ce fait, à la différence des accumulateurs redox-flow, sa capacité est limitée par la quantité de zinc constituant l’électrode en question.
La découverte du couple zinc-brome par l’Américain Bradley date de 1885. Dans les années 1960-70, la NASA a envisagé son application au domaine spatial. Si, depuis, de nombreuses entreprises ont tenté, sans succès commercial, de développer ce type d’accumulateur, il semble qu’il en aille différemment aujourd’hui pour le groupe ZBB (Zinc Bromure Battery Corporation). Celui-ci, installé dans le Wisconsin (USA) et à Perth (Australie), a une activité importante, représentant, à ce jour, 20 MWh par an. Parmi les réalisations, on peut citer un module de 50 kW, capable du régime 1C pendant une heure (50 kWh), destiné au véhicule électrique.
Comme l’électrode de lithium (cf. [D 3 354] « Accumulateurs au lithium » § 5.2, dans le présent traité), l’électrode de zinc est sujette à la formation de dendrites. Ces dernières peuvent percer la membrane isolant la demi-cellule contenant le brome (en solution dans un sel d’ammonium).
Les performances des accumulateurs zinc-brome paraissent dignes d’intérêt. Selon ZBB, l’énergie spécifique atteindrait 80 Wh/ kg et la durée...
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