électrochimique
L’énergie électrique peut également être stockée dans des batteries électrochimiques. Cette solution de stockage a notamment été utilisée pour des applications mobiles : électronique et véhicule. La première voiture à avoir passé la barre des 100 km/h, baptisée la « jamais contente », était un véhicule électrique doté de batteries au Plomb [4]. Les premiers véhicules électriques étaient équipés de piles au zinc non rechargeables. Aujourd’hui, la majorité des véhicules électriques (non alimentés par caténaire) sont équipés de batteries lithium-ion qui ont la capacité de stockage par unité de masse la plus élevée. Il existe cependant un grand nombre de technologies de batteries dont les principales sont :
• les accumulateurs PbA (plomb acide) • les batteries lithium-ion :
— NMC (Nickel Manganèse Cobalt), — NCA (Nickel Cobalt Aluminium), — LFP (Lithium Fer Phosphate), — LTO (Lithium Titanate Oxyde), • VFRB (Vanadium Redox Flow Battery).
Les différents types de batteries et leur spécificité sont présentés en détail sur le siteBattery University[1].
4.4.1 Modélisation des ICV de batteries électrochimiques
De nombreuses ACV ont déjà été réalisées sur ces solutions de stockage, mais dans la plupart des cas pour un usage destiné à de la mobilité électrique. Or, le scénario d’usage d’une batterie est un élément déterminant de sa performance environnementale [112]. Dans le cas de batteries alimentant une flotte de bus, ces dernières effectueront des cycles quotidiennement, ce qui ne sera pas nécessairement le cas de batterie destinée à compenser la variabilité de la production d’EnR dont la production est météo-dépendante. Ainsi, les résultats issus de ce type d’étude ne peuvent être directement transposés à la gestion de l’intermittence d’EnR.
Les inventaires publiés en annexe de l’article ”Additional Emissions and Cost from Storing Electricity in Stationary Battery Systems” ont été récupérés [112]. Du fait de manque de données pertinentes, la phase de fin de vie des batteries n’a pas été modélisée. Cependant, la prise en compte du recyclage ne devrait que peu modifier les impacts présentés ci-dessous dans la mesure où la version cut-off de la base de données ecoinvent est utilisée. En effet, le recyclage devrait, comme c’est le cas pour le PV, représenter un coût énergétique faible comparativement avec la phase de manufacture. Le recyclage permettra par contre à l’utilisateur des matériaux issus du recyclage de bénéficier d’une batterie aux impacts environnementaux inférieurs. Cela est pris en compte dans l’inventaire des batteries au plomb dont une part estimée à 60 % du plomb utilisé provient du recyclage.
Ces données comprennent également un inventaire de cycle de vie de batteries Plomb-Acide. L’inventaire est représentatif de batterie plomb étanche. Ces batteries ont des durées de vie faibles notamment du fait que l’électrolyte finit par s’échapper de la batterie. Des batteries dites ouvertes existent et sont plus adaptées à des usages stationnaires avec une durée de vie
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE bien plus importante. Les composants de ces batteries étant quasiment identiques, l’inventaire de la batterie plomb étanche sera utilisé pour modéliser les batteries plomb ouvertes qui sont principalement utilisées dans le contexte d’électrification de sites isolés.
Enfin, ces données comprennent un inventaire de batterie à circulation au Vanadium (VFRB). Les batteries à circulation présentent l’avantage de stocker l’énergie dans l’électrolyte et non dans les électrodes, ce qui permet de découpler le rapport entre la puissance de transformation de la batterie et sa capacité en augmentant simplement le volume d’électrolyte.
Enfin, des inventaires de batteries li-ion sont également présents avec des inventaires pour les batteries NMC, NCA, LFP et LTO. Étant donné que les batteries lithium-ion connaissent un fort développement et que leur performance évolue rapidement, leur inventaire de cycle de vie a été paramétré. Le modèle développé repose sur les paramètres suivants :
• la capacité spécifique de stockage exprimé en kWh/kg, • la technologie de batterie : NMC, NCA, LFP, LTO, • la quantité d’énergie pour la manufacture des batteries,
• la part d’énergie électrique/chaleur utilisée pour la manufacture, • le mix électrique utilisé pour la manufacture.
4.4.2 Évaluation des impacts environnementaux
La figure 4.10représente l’empreinte carbone des différentes technologies de batteries. Cette empreinte carbone est présentée, sur les figures de gauche :
• par unité de masse de batterie,
• par capacité de stockage des batteries, • par unité de puissance de batterie.
L’empreinte carbone, hors impact de l’énergie entrante dans le système de stockage, est présentée, sur les figures de droites, pour les différentes batteries en supposant que les batteries effectuent l’équivalent d’un demi-cycle de charge/décharge par jour, d’un cycle par jour, et de deux cycles par jours. La durée de vie est estimée à partir du minimum entre le nombre de cycles que peut effectuer la batterie et sa durée de vie calendaire.
On remarque que les batteries lithium présentent approximativement le même impact par kilogramme de batterie à l’exception de la batterie LTO qui a un impact plus important. Les batteries NMC, NCA et LFP ont une anode constituée de graphite à la différence de la batterie LTO dont l’anode est en titanate de lithium. La fabrication d’une telle anode présente une empreinte carbone plus élevée.
En s’intéressant à l’impact par unité de capacité de stockage, la batterie LTO a un impact significativement plus important du fait d’une plus faible capacité massique de stockage (environ 80 Wh/kg contre 200 Wh/kg pour les autres technologies). En revanche, cette batterie à une durée de vie environ deux fois plus importante que les autres technologies lithium compensant cet écart. Par ailleurs, cette batterie présente une capacité à absorber d’importants pics de puissance et une capacité à fonctionner sur une plage de température plus importante [1] pouvant la rendre plus intéressante que d’autres technologies. Cependant, les technologies évoluent rapidement ce qui peut changer les conclusions. Par exemple, des travaux récents ont permis d’augmenter spectaculairement la durée de vie de batterie avec des anodes en graphite [64].
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
L’empreinte carbone par unité de puissance de stockage est de l’ordre de 100 kgCO2eq/kW. À titre de comparaison, un système PV à une empreinte carbone de l’ordre de 1 tCO2eq/kWc installé. Ainsi, équiper un système PV d’une puissance de stockage correspondant à sa puissance nominale n’augmente pas très fortement l’empreinte carbone de l’énergie produite. Cependant, comme présenté dans le chapitre 5, un tel dimensionnement du stockage ne permet pas de stocker une part importante de l’énergie produite quotidiennement, pour cela il faut une capacité de stockage en énergie supérieure. Ce dimensionnement permet principalement de répondre aux besoins de stockage de puissance, mais pas à ceux d’énergie.
La figure4.10montre que, suivant le niveau de sollicitation de la batterie, l’empreinte carbone d’une batterie NMC varie entre 60 gCO2eq/kWh pour une batterie réalisant une moyenne d’un demi-cycle par jour et 15 gCO2eq/kWh pour 2 cycles par jour. En effet, une batterie même peu sollicitée n’aura pas nécessairement une durée de vie supérieure à une batterie moyennement sollicitée. La durée de vie annoncée est de l’ordre de 10 000 cycles ou une dizaine d’années. Pour que le nombre de cycles devienne le facteur limitant, il faut effectuer plusieurs cycles par jour. Des batteries servant une flotte de bus ou des véhicules partagés peuvent être cyclées plusieurs fois par jour, mais cela ne sera, a priori, pas le cas de la plupart des batteries associées à un système de production PV ou un seul cycle journalier sera réalisé.
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
4.4.3 Analyse de sensibilité multicritère
Une analyse de sensibilité a été réalisée vis-à-vis des différents paramètres du modèle des batteries lithium-ion. La matrice de sensibilité obtenue est présentée sur la figure 4.11. On remarque que les paramètres les plus importants que sont ”calendric lifetime” et ”cycle per day” sont relatifs à la durée de vie de la batterie et sa sollicitation. La quantité d’énergie pour la production d’une batterie, par défaut fixé à 16 kWh/kg de batterie manufacturé, est également un paramètre important. Il est indiqué, dans le modèle GREET 2017 d’ACV de batterie li-ion que cette quantité d’énergie provient à 83 % de gaz alors que l’année précédente indiquait une fraction plus proche de 50 % [39]. L’énergie provenant principalement du gaz, le choix du mix électrique de manufacture a un impact relativement modeste. Le mix électrique deviendra d’autant plus déterminant que la consommation d’énergie sera électrifiée.
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE