Le 12 décembre 2015, 195 pays réunis à Paris ont adopté un accord sur le climat visant à maintenir sur le long terme le réchauffement de la planète à un niveau «nettement en dessous de 2°C». Pour ce faire, les pays se sont engagés «à diminuer rapidement leurs émissions de gaz à effets de serre». Cet accord implique donc de repenser totalement la production énergétique mondiale, sachant qu’elle est encore largement dépendante des énergies fossiles, entre autres, du charbon et du pétrole.

Alexandre Jeanblanc, Investment Specialist, SRI

La consommation d’énergie fossile ne baisse toujours pas

Or, la dernière «Revue statistique sur l’énergie mondiale» publiée par le pétrolier BP montre que, depuis 2015 justement, la consommation agrégée (exprimée en tonnes d’équivalent pétrole) de charbon, de pétrole et de gaz naturel a cru de 0.97% en 2016 et de 1.02% en 2017 (respectivement de -0.98%, 1.82%, 2.88% sur 2016 et de 0.69%,1.42%, 2.69% sur 2017), contrairement à ce que l’on aurait pu légitimement attendre; cette observation malheureuse pose, dès lors, la question épineuse de savoir comment les objectifs de l’Accord de Paris pourront être respectés.

La question est d’autant plus d’importance que de récentes études ont montré que la déstabilisation du climat pourrait se faire selon un processus de réactions en chaines irréversibles; par exemple, la hausse des températures au-delà d’un certain palier, non défini précisément à ce jour (peut-être aux environs des 2°C), engendrerait le dégel précipité du permafrost des régions glacées (dont la Sibérie); les gaz à effets de serre, CO2 ou méthane, qu’il contient seraient relâchés dans l’atmosphère; par là même, le réchauffement climatique en serait amplifié, aggravé selon un processus encore mal estimé aujourd’hui; ce processus conduirait à une évolution non linéaire, par à-coups. Eviter d’atteindre de tels points d’inflexion, de déclencher de tels à-coups devient donc vital.

Produire de l’énergie renouvelable, mais aussi stocker cette énergie

Dans ce contexte préoccupant, le développement des énergies renouvelables (solaire et éolien) revêt une dimension essentielle. Or, par nature, ces énergies sont discontinues, instables. Dès lors, parvenir à stocker plus efficacement et plus économiquement l’électricité qu’elles produisent quand les conditions sont favorables pour pouvoir l’utiliser lorsqu’elles ne le sont plus fait partie des défis que la recherche scientifique est appelée à relever rapidement.

Le développement des énergies renouvelables (solaire et éolien) revêt une dimension essentielle

Les innovations attendues en la matière pourraient aller de pair avec le déploiement accéléré des installations permettant de produire ces énergies renouvelables. L’enjeu est de taille! Ainsi, comme le révélait une étude de l’Institut Carnegie, l’implantation d’éoliennes offshore dans l’Atlantique Nord sur une étendue grande comme la surface de l’Inde permettrait de fournir à l’humanité toute l’énergie qu’elle consomme.

Divers moyens de stockage de l’énergie existent déjà. Par exemple, l’électricité en surplus peut servir à remonter l’eau d’un réservoir bas vers un réservoir haut ou à électrolyser l’eau en hydrogène et oxygène, ces deux éléments pouvant par la suite être brûlés ou utilisés dans une pile à combustible, ou encore à compresser des gaz (comme le nitrogène) jusqu’à leur point de liquéfaction. Cependant, un des axes majeurs de développement sera celui des batteries rechargeables.

Qu’en est-il des batteries rechargeables?

Quelques rappels! Une batterie est composée d’une cathode pour la réduction des métaux et d’une anode pour l’oxydation des métaux, ces électrodes sont imprégnées par un électrolyte conducteur pour permettre la circulation des ions. Elle est caractérisée par sa force électromotrice, exprimée en Volts (il s’agit de la différence des potentiels de travail des deux électrodes) et par sa capacité, exprimée en Coulomb ou encore en Ampère-heure (Ah). L’énergie spécifique, exprimée en mAh/g, est le produit de la force électromotrice et de la capacité; elle représente la quantité d’énergie pouvant être délivrée par la batterie par unité de masse (ou de volume), d’un état complètement chargé jusqu’à un état complètement déchargé. La durée de vie d’une batterie est estimée par sa «cyclabilité», c’est-à-dire le nombre de cycle charge/décharge qu’elle peut effectuer. La nature des composants chimiques et les matières utilisées conditionnent le niveau de ces variables.

Le recyclage des batteries Li-ion pose de nombreux problèmes, non seulement techniques mais également écologiques du fait de la toxicité des métaux qu’elles contiennent

Le lithium-ion: le nec plus ultra (ou presque)

Pour l’heure, les batteries les plus à la pointe de la technologie sont de type lithium-Ion (Li-Ion); par rapport à d’autres types de batterie disponibles à ce jour, elles ont une des meilleures énergies spécifiques et un des plus faibles taux de décharge hors utilisation ; les travaux de recherche se poursuivent pour améliorer leurs performances en termes aussi bien d’énergie spécifique que de «cyclabilité». Les plus sophistiquées d’entre elles utilisées dans les voitures électriques pourraient se recharger en six minutes avec une autonomie de 320 km.

Cependant, les coûts de certains éléments comme le cobalt (un des constituants utilisé comme matrice support dans les batteries) et le lithium sont élevés et le recyclage des batteries Li-ion pose de nombreux problèmes, non seulement techniques mais également écologiques du fait de la toxicité des métaux qu’elles contiennent. C’est pourquoi, dans le même temps, d’autres voies sont explorées; elles devraient déboucher dans les années à venir sur des systèmes électrochimiques plus économiques, plus denses, plus légers et plus puissants.

Regard vers l’avenir

Trois nouvelles technologies de batterie retiennent particulièrement l’attention aujourd’hui.

A. Les batteries Sodium-Ion

Le principal atout d’une batterie Sodium-Ion est son coût global de fabrication, de l’ordre de 30% plus faible que celui d’une batterie Li-Ion, le sodium étant 1000 fois plus abondant et donc beaucoup moins onéreux que le lithium. Toutefois, cette technologie ne sera pas en mesure de concurrencer les batteries Li-Ion en termes d’énergie spécifique (que ce soit par le poids ou le volume) ; elle n’est donc pas appropriée pour servir à l’équipement des voitures électriques. Elle pourrait, par contre, être utilisée avantageusement pour des applications stationnaires pour lesquelles le niveau d’énergie spécifique n’est pas le critère déterminant. Ainsi, elle est particulièrement bien adaptée pour le stockage du surplus d’électricité généré par des sources d’énergie renouvelables telles que le solaire ou l’éolien. Du fait de son faible coût et de l’abondance de ses composants, la batterie Sodium-Ion, même imparfaite, pourrait entrer en production de masse d’ici 2022.

Cependant, aujourd’hui, les technologies sodium-Ion nécessitent des températures élevées, de l’ordre de 300°C, pour pouvoir fonctionner, ce qui entraîne des pertes de rendement non négligeables; l’enjeu est donc de développer des batteries Sodium-Ion pouvant fonctionner à température ambiante. Les recherches se poursuivent.

Le fonctionnement d’une batterie sodium-ion (Na-Ion) est similaire à celui d’une batterie Lithium-Ion (Li-Ion), la principale différence résidant dans le fait qu’à la place du lithium, c’est du sodium qui est intercalé dans les matériaux d’électrodes.

 

B. Les batteries Lithium-Soufre

Une batterie Li-S contient des matières actives très légères: du soufre pour l’électrode positive et du lithium métallique pour l’électrode négative. C’est pourquoi son énergie spécifique est extrêmement élevée: elle est en effet quatre fois supérieure à celle d’une batterie Li-Ion. Elle convient donc parfaitement aux industries aéronautique et spatiale.

La technologie Li-S nécessite encore des travaux de recherche et de développement pour améliorer «cyclabilité», encore trop faible aujourd’hui, et énergie spécifique. Elle ne devrait pas être prête pour des usages étendus avant 2025.

Dans une batterie Li-Ion, les ions lithium sont intercalés dans les structures hôtes des matières actives lors de la charge et de la décharge. Dans une batterie Lithium-Soufre (Li-S), il n’y a plus de structure hôte. Lors de la décharge, le lithium de l’anode est consommé, et le soufre est transformé en différents matériaux soufrés et lithiés. Lors de la charge, le processus inverse a lieu.

 

C. Batterie «tout solide»

Un des avantages de ce nouveau type de batterie est d’augmenter la sécurité d’utilisation, les électrolytes solides inorganiques étant ininflammables, contrairement à leurs équivalents liquides. D’autre part, les matériaux actifs innovants dont elle est faite sont à forte capacité et/ou à haute tension, permettant ainsi d’améliorer énergie spécifique, légèreté et durée de vie. Elle présente un rapport puissance/poids élevé et pourra être utilisée idéalement dans les véhicules électriques.

Les batteries «tout solide» devraient progressivement arriver sur le marché après 2025, une fois réalisées les mises au point encore nécessaires.

La batterie «tout solide» correspond à un véritable changement de paradigme technologique

La batterie «tout solide» correspond à un véritable changement de paradigme technologique. Dans les batteries Li-Ion actuelles, les ions se déplacent d’une électrode à l’autre par le biais de l’électrolyte liquide; dans une batterie «tout solide», l’électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide qui permet la diffusion des ions lithium. Ce concept est loin d’être nouveau, mais au cours des dix dernières années, de nouvelles familles d’électrolytes solides présentant une forte conductivité ionique, proche de celle des électrolytes liquides, ont été découvertes, ce qui a permis de lever un verrou technologique important.

Les spécialistes des fonds environnementaux de BNP Paribas Asset Management surveillent attentivement les différentes évolutions de ce secteur de niche pour être en mesure d’investir dans les entreprises présentant les meilleures perspectives d’avenir.