Près de 400 exposants représentant les innovations énergétiques les plus audacieuses aux États-Unis se sont réunis la semaine dernière lors du sommet annuel ARPA-E sur l’innovation énergétique. La conférence, organisée à Dallas par l’Agence américaine pour les projets de recherche avancée – Énergie (ARPA-E), a présenté les paris de l’agence sur les technologies énergétiques à un stade précoce qui peuvent perturber le statu quo. La secrétaire américaine à l’Énergie, Jennifer Granholm, a pris la parole lors du sommet. « Les gens présents dans cette salle sont le meilleur espoir de l’Amérique » dans la course pour libérer le pouvoir de l’énergie propre, a-t-elle déclaré. « Les technologies que vous créerez décideront si nous gagnerons cette course. Mais pas de pression”, a-t-elle plaisanté. Spectre IEEE a passé trois jours à déambuler dans les allées de la vitrine. Voici cinq de nos démonstrations préférées.
Les batteries Gas Li-ion résistent au froid extrême
South 8 Technologies démontre la tolérance au froid de sa batterie Li-ion en l’enfouissant dans la glace lors du Sommet ARPA-E Energy Innovation 2024.Emilie Valse
Fabriqué avec un électrolyte de gaz liquéfié au lieu du solvant liquide standard, un nouveau type de batterie lithium-ion qui résiste au froid extrême, fabriqué par South 8 Technologies à San Diego, ne gèlera pas tant que la température ne descendra pas en dessous de –80 °C. Il s’agit d’une grande amélioration par rapport aux batteries Li-ion conventionnelles, qui commencent à se dégrader lorsque la température atteint 0 °C et s’éteignent à environ –20 °C. “Vous perdez environ la moitié de votre autonomie dans un véhicule électrique si vous le conduisez en plein hiver dans le Michigan”, explique Cyrus Rustomji, cofondateur de South 8. Pour prouver le point de vue de l’entreprise, Rustomji et son équipe ont préparé un seau de carburant sec. de la glace à près de -80 °C sur leur stand au sommet ARPA-E et y ont installé des lampes de poche, une alimentée par une batterie South 8 et une alimentée par une cellule Li-ion conventionnelle. Cette dernière lampe de poche s’est éteinte au bout d’environ 10 minutes et celle de South 8 a continué à fonctionner pendant les 15 heures suivantes. Rustomji dit qu’il s’attend à ce que les batteries EV fabriquées avec la technologie de South 8 maintiennent une autonomie presque complète à –40 °C et se dégradent progressivement à des températures inférieures.
Technologies Sud 8
Les batteries Li-ion conventionnelles utilisent des solvants liquides, tels que l’éthylène et le carbonate de diméthyle, comme électrolyte. L’électrolyte sert de milieu à travers lequel le sel de lithium se déplace d’une électrode à l’autre dans la batterie, faisant ainsi la navette entre l’électricité. Lorsqu’il fait froid, les carbonates s’épaississent, ce qui diminue la puissance de la batterie. Ils peuvent également geler, ce qui coupe toute conductivité. South 8 a remplacé le carbonate par des gaz liquéfiés industriels à faible point de congélation (une recette que la société ne divulguera pas).
L’utilisation de gaz liquéfiés réduit également les risques d’incendie, car le gaz s’évapore très rapidement d’une cellule de batterie endommagée, éliminant ainsi le carburant qui pourrait brûler et provoquer un incendie de la batterie. Si une batterie Li-ion conventionnelle est endommagée, elle peut court-circuiter et devenir rapidement chaude, par exemple à plus de 800 °C. Cela amène l’électrolyte liquide à chauffer les cellules adjacentes et potentiellement à déclencher un incendie.
Cette batterie présente un autre avantage, et celui-ci fera le bonheur des conducteurs de véhicules électriques : il ne faudra que 10 minutes pour atteindre une charge de 80 % dans les véhicules électriques alimentés par ces batteries, estime Rustomji. En effet, le gaz liquéfié a une viscosité inférieure à celle des électrolytes à base de carbonate, ce qui permet au sel de lithium de se déplacer plus rapidement d’une électrode à l’autre, réduisant ainsi le temps nécessaire pour recharger la batterie.
La dernière amélioration de South 8 est une cathode haute tension qui réduit les coûts de matériaux et pourrait permettre une charge rapide jusqu’à 5 minutes pour une charge complète. « Nous détenons le record mondial pour une cathode haute tension et basse température », déclare Rustomji.
Le refroidissement liquide ne fuira pas sur les serveurs
Chilldyne garantit que son système de refroidissement liquide ne fuira pas même si les tubes sont coupés en deux, comme Spectre IEEE la rédactrice en chef Emily Waltz fait une démonstration au Sommet de l’innovation énergétique ARPA-E 2024. Emilie Valse
Les centres de données ont besoin de technologies de refroidissement sérieuses pour empêcher les serveurs de surchauffer, et parfois la climatisation ne suffit pas. En fait, les dernières puces Blackwell de Nvidia nécessitent un refroidissement liquide, plus économe en énergie que l’air. Mais le refroidissement liquide a tendance à rendre les opérateurs de centres de données nerveux. « Une bombe ne fera pas autant de dégâts qu’un système de refroidissement liquide qui fuit », déclare Steve Harrington, PDG de Chilldyne. Son entreprise, basée à Carlsbad, en Californie, propose un refroidissement liquide garanti sans fuite, même si les conduites de liquide de refroidissement sont coupées en deux. (Ils ne plaisantent pas : Chilldyne a apporté une hache lors de sa démonstration à l’ARPA-E et a laissé Spectre Essaye le. Regardez le liquide de refroidissement bleu disparaître immédiatement du tube une fois haché.)
Chilldyne
Le système est étanche car le système à pression négative de Chilldyne tire plutôt que pousse le liquide de refroidissement à travers les tubes, comme un vide. Les tubes s’enroulent à travers les serveurs, absorbent la chaleur à travers des plaques froides et renvoient le liquide réchauffé vers les réservoirs d’une unité de distribution de refroidissement. Cette unité transfère la chaleur à l’extérieur et renvoie du liquide refroidi aux serveurs. Si un composant de la boucle de refroidissement se brise, le liquide est immédiatement aspiré dans les réservoirs avant de pouvoir fuir. Clé de la technologie : des plaques froides à faible résistance thermique fixées sur les processeurs de chaque serveur, tels que les CPU ou les GPU. Les plaques froides absorbent la chaleur par convection, la transférant au tube de liquide de refroidissement qui la traverse. Chilldyne a optimisé la plaque froide à l’aide de canaux métalliques en forme de tire-bouchon, appelés turbulateurs, qui forcent l’eau autour d’eux « comme de petites tornades », maximisant la chaleur absorbée, explique Harrington. L’entreprise a développé la plaque froide grâce à une subvention ARPA-E et mesure actuellement les économies d’énergie du refroidissement liquide grâce à un programme ARPA-E.
Les déchets miniers récupérés séquestrent également le CO2
Rita Silbernagel, chercheuse scientifique principale à Phoenix Tailings, explique comment les déchets miniers contiennent des métaux utiles et des éléments de terres rares et peuvent également être utilisés comme lieu de stockage du dioxyde de carbone.Emilie Valse
L’exploitation minière laisse des tas de déchets une fois que les matériaux commercialement viables ont été extraits. Ces déchets, appelés résidus, peuvent contenir des éléments de terres rares et des métaux précieux trop difficiles à extraire avec les techniques minières conventionnelles. Phoenix Tailings, une startup basée à Woburn, dans le Massachusetts, extrait les métaux et les éléments de terres rares des résidus selon un processus qui ne laisse aucun déchet et ne crée aucune émission directe de dioxyde de carbone. Le processus de l’entreprise commence par un traitement hydrométallurgique qui sépare les éléments des terres rares des résidus, qui contiennent du fer, de l’aluminium et d’autres éléments communs. L’entreprise utilise ensuite une nouvelle méthode d’extraction par solvant pour séparer les éléments des terres rares les uns des autres et purifier l’élément souhaité sous forme d’oxyde. L’oxyde de terre rare subit ensuite un processus d’électrolyse au sel fondu qui le convertit en une forme métallique solide. Phoenix Tailings se concentre sur l’extraction du néodyme, de l’alliage néodyme-praséodyme, du dysprosium et de l’alliage ferrodysprosium, qui sont des métaux de terres rares utilisés dans les aimants permanents pour les véhicules électriques, les éoliennes, les moteurs à réaction et d’autres applications. La société évalue plusieurs sites de résidus aux États-Unis, notamment dans le nord de l’État de New York.
L’entreprise a également développé un procédé pour extraire des métaux tels que le nickel, le cuivre et le cobalt des résidus miniers tout en séquestrant simultanément le dioxyde de carbone. L’approche consiste à injecter du CO2 dans les résidus, où il réagit avec les minéraux, les transformant en carbonates, composés qui contiennent l’ion carbonate, qui contient trois des atomes d’oxygène et un atome de carbone. Après le processus de carbonatation minérale, le nickel ou d’autres métaux sont lessivés sélectivement du mélange, produisant du nickel de haute qualité qui peut être utilisé par les industries des batteries de véhicules électriques et de l’acier inoxydable.
Mieux encore, l’ensemble de ce processus, explique Rita Silbernagel, chercheuse scientifique principale chez Phoenix Tailings, absorbe davantage de CO.2 qu’il n’émet.
Turbines hydrocinétiques : un nouveau modèle économique
Emrgy ajuste la hauteur de ses turbines hydrocinétiques lors du Sommet ARPA-E Energy Innovation 2024. L’entreprise prévoit de les installer dans d’anciens canaux d’irrigation afin de générer de l’énergie renouvelable et de nouvelles sources de revenus pour les communautés rurales.Emilie Valse
Ces turbines hydrocinétiques fonctionnent dans les canaux d’irrigation, générant de l’électricité et des revenus pour les communautés rurales. Développées par Emrgy à Atlanta, les turbines peuvent changer de hauteur et d’inclinaison des pales en fonction du débit de l’eau. L’entreprise prévoit de les installer dans des canaux d’irrigation construits pour acheminer l’eau de la fonte des neiges des montagnes Rocheuses vers les zones agricoles de l’ouest des États-Unis. Emrgy estime qu’il existe plus de 160 000 kilomètres de ces voies navigables dans le pays. Le système vieillit et perd de l’eau, mais il est difficile pour les districts des eaux de justifier le coût de leur réparation, explique Tom Cuthbert, directeur de la technologie chez Emrgy. La solution de l’entreprise consiste à placer ses turbines hydrocinétiques le long de ces cours d’eau afin de produire de l’électricité renouvelable et de financer la modernisation des canaux d’irrigation.
L’idée de placer des turbines hydrocinétiques dans les cours d’eau n’est pas nouvelle, mais jusqu’à ces dernières années, leur connexion au réseau n’était pas pratique. Le timing d’Emrgy profite des bases posées par l’industrie de l’énergie solaire. L’entreprise a cinq projets pilotes en cours aux États-Unis et en Nouvelle-Zélande. « Nous avons constaté que les infrastructures hydrauliques existantes constituent un segment immobilier largement négligé et mûr pour le développement des énergies renouvelables », déclare Emily Morris, PDG et fondatrice d’Emrgy.
L’eau sous pression stocke l’énergie en profondeur
Quidnet Energy a apporté une tête de puits au Sommet de l’innovation énergétique ARPA-E 2024 pour démontrer son système de stockage d’énergie géo-ingénierie.Emilie Valse
Quidnet Energy a amené une tête de puits entière au sommet de l’ARPA-E pour démontrer sa technique de stockage hydroélectrique souterrain par pompage. Le système de géo-ingénierie de la société basée à Houston stocke l’énergie sous forme d’eau sous pression en profondeur. Il se compose d’un étang de surface, d’un puits profond, d’un réservoir souterrain à l’extrémité du puits et d’un système de pompe qui déplace l’eau sous pression de l’étang vers le réservoir souterrain et vice-versa. La conception ne nécessite pas de changement d’élévation comme l’hydroélectricité à stockage par pompage traditionnelle.
Le système de Quidnet se compose d’un étang de surface, d’un puits profond, d’un réservoir souterrain à l’extrémité du puits et d’un système de pompe qui déplace l’eau sous pression de l’étang vers le réservoir souterrain et vice-versa.Quidnet Énergie
Cela fonctionne comme ceci : l’électricité provenant de sources renouvelables alimente une pompe qui envoie l’eau de l’étang de surface vers une tête de puits et dans un puits d’environ 300 mètres de profondeur. À l’extrémité du puits, la pression de l’eau pompée s’écoule dans une fracture préalablement conçue dans la roche, créant un réservoir de plusieurs centaines de mètres de large et reposant sous le poids de toute la colonne de roche au-dessus, explique Bunker Hill, vice-président. président de l’ingénierie chez Quidnet. La tête de puits se ferme alors et l’eau reste sous haute pression, gardant l’énergie stockée dans le réservoir pendant des jours si nécessaire. Lorsque l’électricité est nécessaire, le puits est ouvert, permettant à l’eau sous pression de couler dans le même puits. En surface, l’eau traverse une turbine hydroélectrique, générant de 2 à 8 mégawatts d’électricité. L’eau usée retourne ensuite dans le bassin de surface, prête pour le cycle suivant. « Le plus difficile est de s’assurer que le réservoir souterrain ne perd pas d’eau », explique Hill. À cette fin, l’entreprise a développé des solutions d’étanchéité personnalisées qui sont injectées dans la fracture, scellant ainsi l’eau.
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