Des accumulateurs en béton!

La production d’électricité par les  principales énergies dites renouvelables est dépendante des aléas de la nature. Les panneaux photovoltaïques, déjà inopérants de nuit, voient leur production diminuer en cas de ciel couvert tandis que les éoliennes sont tributaires du vent. D’où la nécessité de stocker l’électricité. Pour ce faire, on n’a toujours pas trouvé mieux que les batteries d’accumulateurs. Elles ont néanmoins  un coût toujours assez élevé.

Des scientifiques de Chalmers University of Technology, Gothenburg, Suède, ont mis au point un accumulateur à base de ciment dont la capacité de stockage d’électricité par unité de volume est faible, mais qui, par incorporation à de grandes structures de bâtiments, peut fournir de grandes capacités pour un faible prix de revient.

 

La figure ci-dessous schématise la construction et l’utilisation de tels accumulateurs.


Fig.1 Accumulateurs à base de ciment utilisés comme béton de construction.
-A gauche, schéma de l’accumulateur
-A droite, vue d’artiste d’une éventuelle application
Illustration: Yen Strandqvist Chalmers University of Technology, Sweden
Avec autorisation.

Conception  des  accumulateurs à base de ciment

Tout accumulateur électrique comporte  deux électrodes d’entrée et sortie du courant, une anode qui subit une réduction durant la charge ainsi qu’une oxydation durant la décharge, une cathode qui subit une oxydation durant la charge ainsi qu’une réduction durant la décharge. Un électrolyte, liquide, solide ou gélifié, sépare les deux électrodes.

Dans le cas ces accumulateurs en béton, les chercheurs ont choisi une anode constituée de fibres de carbone recouvertes de fer. La réaction à l’anode est de la forme :

Fe(s) + 2OH(aq → Fe(OH)2(s)+ 2e         ( → décharge)

La cathode est constituée de fibres de carbone recouvertes d’un oxyde de Nickel. La réaction à la cathode est :

NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH−      (→ décharge)

Lors de la charge, les sens des réactions sont inversés (← ).

La figure 2 ci-dessous schématise la construction d’une plaque de batterie en béton. Les treillis de fibre de carbone, outre leur rôle de conducteurs supports des électrodes, “arment” le ciment et renforcent ses propriétés mécaniques.

Fig.2 Batterie en ciment à électrodes en fibres de carbone recouvertes de métal On observe, séparant les deux électrodes, un ciment jouant le rôle d'électrolyte Tiré de settings Tiré de Zhang, Emma Q.; Tang, Luping. 2021. "Rechargeable Concrete Battery" Buildings 11, no. 3: 103. Creative Common CC BY license/

Fig.2 Batterie en ciment à électrodes en fibres de carbone recouvertes de métal
On observe, séparant les deux électrodes, un ciment jouant le rôle d’électrolyte.
Tiré de Zhang, Emma Q.; Tang, Luping. 2021. “Rechargeable Concrete Battery”           Buildings 11, no. 3: 103. Creative Common  By license.

 

 

Le séparateur entre les électrodes faisant fonction d’électrolyte est obtenu par prise du mélange suivant :

–  du ciment

– une résine échangeuse d’ions, principalement des anions hydroxydes HOqui augmentent la conductivité ionique.

– du sable

– une solution alcaline aqueuse.

 

Les électrodes sont recouvertes de métal par des méthodes classiques de dépôt électrolytique.

Le mortier conducteur contenant les électrodes est obtenu à partir du mélange suivant (proportions données en termes de poids) :
ciment (27%), sable (55%), méthylcellulose (0,13%), fibres de carbone (0,4%), eau désionisée (17%), super plastifiant ( 0,48%). Sa résistivité est de 2,21 Ω.m.

La figure suivante montre une plaque élémentaire de batterie ainsi réalisée connectée à un contrôleur.

Tiré de Zhang, Emma Q.; Tang, Luping. 2021. "Rechargeable Concrete Battery" Buildings 11, no. 3: 103. Creative Common BY license.

Fig.3 Photographie d’un élément d’une  batterie en ciment
 Elle est connectée à un voltmètre qui indique une différence de potentiel de sortie de 1, 24 volts. Ceci est obtenu après 3 heures de décharge. Le potentiel de départ après charge est de 2 volts. La taille de l’élément est de 100 mm  x 100 mm x 4 mm.
Tiré de Zhang, Emma Q.; Tang, Luping. 2021.
 “Rechargeable Concrete Battery” Buildings 11, no. 3: 103. Creative Common By license.

Ces accumulateurs ont une densité d’énergie de 0,8Wh/l, bien inférieure à celle des classiques batteries au plomb, en moyenne de 100 Wh/l. Mais ceci est compensé par le fait qu’on puisse incorporer à un bâtiment un grand nombre de plaques de batterie peu onéreuses, eu égard au grand volume de béton représenté par la construction.
On peut ainsi imaginer des immeubles dotés de panneaux photovoltaïques  et d’éoliennes  qui, munis d’accumulateurs en béton, seraient plus ou moins en autarcie pour leur consommation électrique.

 

 

Le concept de structures de construction à la fois sources d’énergie et système de stockage de celle-ci pourrait offrir une solution révolutionnaire à la crise de l’énergie en fournissant une énorme capacité de stockage. En raison des grands volumes des constructions, la capacité de stockage peut être élevée, même si la densité d’énergie stockée par volume est faible.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Zhang, Emma Q.; Tang, Luping. 2021. “Rechargeable Concrete Battery” Buildings 11, no. 3: 103. Open access.