Le ciment et le noir de carbone pour le stockage d’énergie ?

publié le 11/08/2023 à 10h02 | mis à jour le 11/08/2023 à 10h02 | par Johann Sonneck

Stocker l’énergie renouvelable produite : un véritable défi

Le 31 juillet 2023, la revue scientifique PNAS a publié une étude qui pourrait, à terme, changer la donne dans le domaine des énergies renouvelables (EnR). Cette dernière décrit les recherches réalisées par des chercheurs du MIT, l’Institut de technologie du Massachusetts, aux États-Unis. Son objet : la mise au point d’une nouvelle technologie de stockage d’énergie qui a pour but de devenir une solution évolutive et durable.

Franz-Josef Ulm, chercheur au département de génie civil et environnemental au MIT, est l’un des auteurs de cette étude. Pour lui, « il y a un énorme besoin de stockage d’énergie de grande capacité » au niveau mondial. La raison : il y a eu, en 2022, un énorme boom des énergies renouvelables partout sur la planète, qu’il s’agisse de :

• l’énergie hydraulique, par l’intermédiaire de construction de barrages ;
• l’énergie marémotrice, générée grâce aux mouvements de l’eau lors des marées ;
• l’énergie solaire. D’ailleurs, depuis quelques années, une offre de stockage virtuel d’électricité dédiée aux installations photovoltaïques a été mise en place en France ;
• l’énergie éolienne. Plusieurs méthodes de stockage de cette énergie existent aussi déjà.

Si des solutions de stockage existent déjà, pourquoi les recherches américaines sont-elles synonymes de promesse ? Tout simplement, car les dispositifs existants pourraient être largement améliorés et plus largement diffusés, sans parler qu’ils utilisent des ressources rares. Avec cet autre inconvénient, inhérent aux EnR : le fait que la production de ces énergies vertes soit fluctuante et intermittente. Elles dépendent en effet du niveau des fleuves et des rivières, de l’intensité des marées, du niveau d’ensoleillement ou de la puissance des vents. De ce fait, la mise au point d’une technologie efficace de stockage permettrait de créer plus de stabilité dans l’approvisionnement d’électricité lorsque :

• la demande est plus forte, en hiver notamment ;
• la production de ces énergies est plus faible du fait des conditions météorologiques et climatiques.

Et si de nouvelles solutions de stockage des EnR voyaient le jour, présentes au plus proche de leurs sites de production ? C’est ce qui semble possible avec la technologie créée par les chercheurs du MIT. Celle-ci se compose de deux des plus anciens matériaux utilisés dans l’histoire, à savoir :

• le ciment ;
• le noir de carbone, produit de combustion, semblable à une fine poudre de charbon ;
• sans oublier l’eau, pour mélanger et faire durcir le tout.

Un supercondensateur de ciment et de noir de carbone aux capacités élevées

Le mélange du ciment et du noir de carbone a permis de développer une substance qui, d’après le professeur Admir Masic, est « fascinante ». Ce dernier, chercheur au MIT, est l’un des autres auteurs de l’étude publiée dans la revue PNAS. Pour Franz-Josef Ulm, « notre technologie est extrêmement prometteuse, car le ciment est omniprésent ».

En effet, selon Admir Masic, il s’agit du « matériau artificiel le plus utilisé au monde ». Ce dernier a également ajouté que le noir de carbone est utilisé depuis extrêmement longtemps. On en a notamment fait usage pour rédiger les plus anciens manuscrits bibliques connus, les manuscrits de la mer Morte.

« Ces matériaux vieux d’au moins 2 millénaires, lorsque vous les combinez d’une manière spécifique, vous obtenez un nanocomposite conducteur, et c’est là que les choses deviennent intéressantes ». Voilà ce qu’a également expliqué Admir Masic. Concrètement, les chercheurs ont mis au point un prototype de supercondensateur qui pourrait stocker de manière très efficace l’énergie renouvelable produite.

Un condensateur est un dispositif permettant le stockage de l’énergie. Il est composé de deux plaques conductrices immergées dans une solution d’électrolytes. Entre les deux se trouve une membrane isolante. Ces plaques permettent d’emmagasiner l’énergie produite pour la délivrer très rapidement en cas de besoin. Sa capacité dépend de la surface de ses plaques conductrices, et les supercondensateurs (ou ultracondensateurs) sont les modèles ayant les plus importantes capacités. Leur atout : se charger et se décharger très vite, ce qui est très pratique lorsqu’une forte demande en électricité intervient subitement sur le réseau.

Pour obtenir ce prototype de supercondensateur, les chercheurs du MIT ont suivi plusieurs étapes :

1. tout d’abord, ils ont mis au point une méthode permettant l’obtention d’une surface interne très élevée, dans un volume réduit, avec le ciment comme base ;
2. le noir de carbone est ajouté au ciment encore malléable. Sa quantité est très faible, puisqu’elle ne compte que pour 3 % du volume total du mélange ;
3. cet ajout de noir de carbone fait apparaître un réseau dense et interconnecté de matériaux conducteurs. À mesure que le mélange durcit, le carbone se répand à travers ce réseau. Il forme alors des structures en filament, telles des ramifications de plus en plus petites ;
4. par la suite, le matériau est trempé dans un électrolyte standard à base par exemple de chlorure de potassium. Ainsi, cela donne des particules chargées qui s’accumulent sur les structures en carbone ;
5. dernière étape : deux électrodes réalisées avec le même matériau sont ajoutées, séparées par une fine couche isolante. Elles forment un supercondensateur très puissant, ressemblant aux pôles d’une batterie rechargeable.

D’après les scientifiques, la structure obtenue permet une capacité de stockage extrêmement élevée. Des tests ont été réalisés par l’équipe américaine, à partir de quelques supercondensateurs d’environ un centimètre de diamètre et un millimètre d’épaisseur. Son constat : un bloc de supercondensateur de 45 mètres cubes suffirait à stocker 10 kilowattheures (kWh) d’énergie. Cela représente l’équivalent de la consommation quotidienne d’un ménage.

Vers des habitations stockant elles-mêmes l’énergie renouvelable produite ?

Pour les chercheurs américains du MIT, ce dispositif serait facilement reproductible et n’impliquerait que des coûts assez limités. Sa force est sa polyvalence, grâce à l’importante utilisation de ciment partout dans le monde.

Aujourd’hui, les batteries de stockage existantes sont constituées de différents matériaux tels que le lithium. Problèmes :

• l’offre de lithium est assez limitée au niveau international ;
• son extraction est également néfaste pour l’environnement.

Au contraire, du fait d’être composé de ciment comme matériau principal, le prototype créé par le MIT aurait l’avantage d’être une solution :

• plus adaptée ;
• moins coûteuse et bon marché ;
• plus accessible.

Ce supercondensateur pourrait donc permettre l’amélioration des systèmes de production et d’approvisionnement d’énergies renouvelables. Avec quelles applications pratiques ?

Le ciment est l’un des matériaux de base de nombreux bâtiments. Selon les scientifiques, ce mélange ciment-noir de carbone pourrait servir de fondations pour des maisons ou des immeubles. L’avantage ? Les habitations seraient alors capables de stocker l’énergie produite par des panneaux solaires installés sur le toit. Cette énergie pourrait donc, ensuite, être utilisée lorsqu’on le désire ou qu’on en a besoin, lors des pics sur le réseau par exemple.

Autre possibilité imaginée : des autoroutes bétonnées avec ce mélange. D’après les chercheurs, elles pourraient alors charger instantanément les véhicules électriques qui y rouleraient.

De telles applications seraient absolument révolutionnaires. Malgré le fait qu’elles fassent penser à de la science-fiction, elles semblent tout à fait plausibles et imaginables. Franz-Josef Ulm voit même cette technologie comme « une nouvelle façon d’envisager l’avenir du béton dans le cadre de la transition énergétique ». Un point de vigilance existe toutefois au sujet de ce prototype de supercondensateur. Il faut en effet veiller à conserver un équilibre et un compromis entre la capacité de stockage et la résistance du matériau. En effet, en ajoutant plus de noir de carbone :

• le supercondensateur peut emmagasiner davantage d’énergies ;
• mais il est alors bien moins résistant.

Cette moindre résistance pourrait avoir des conséquences gravissimes en cas d’application pour des routes ou des fondations d’habitations. Il n’en reste pas moins qu’il s’agit bien là d’une innovation qui pourrait faire passer un palier important sur le chemin de l’indispensable transition écologique.

Pour vous aussi, le développement des énergies renouvelables est un enjeu majeur face à l’urgence climatique ? Si vous voulez agir, sachez que vous pouvez changer d’offre d’électricité quand vous le souhaitez afin d’opter, par exemple, pour un fournisseur d’énergie verte. Pour vous faciliter la vie et simplifier vos démarches, le Comparateur Énergie de Choisir.com est à votre disposition. Allez consulter cet outil complet et pratique, vous ne le regretterez pas !