Marchés de croissance du graphite

Le graphite expansible est l'un des marchés à la croissance la plus rapide, avec les batteries Li ion. C'est le seul marché du graphite à avoir connu des augmentations de prix au cours des deux dernières années et il repose en grande partie sur les paillettes XL, qui constituent la force du gisement de Bissett Creek. Il s'agit de traiter le graphite en paillettes XL avec une solution d'acide dilué et de le chauffer pour que les paillettes se séparent, se dilatent et augmentent de plusieurs centaines de fois en volume.

Ce matériau est pressé en feuilles pour créer une feuille qui peut être découpée en formes et utilisée dans de nombreuses applications, notamment la gestion thermique dans l'électronique grand public, les joints haut de gamme résistants à la chaleur et à la corrosion, les produits ignifuges, les produits de construction intelligents, les batteries d'écoulement et les piles à combustible. Les piles à combustible représentent déjà une industrie d'un milliard de dollars, avec des bus commerciaux, des chariots élévateurs, des centrales électriques de secours, etc. qui fonctionnent déjà. Il existe déjà des voitures commerciales à pile à combustible et de nombreux observateurs s'attendent à ce qu'elles deviennent populaires plus rapidement que les VE.

En raison de la croissance de la demande et de la baisse de la production dans la province de Shandong, en Chine, il y a maintenant des pénuries de concentrés lamellaires de grande taille et de taille XL. Les prix et les marges sont élevés et de nouvelles sources d'approvisionnement sont nécessaires.

Une pile à combustible est un dispositif qui combine un "combustible", généralement de l'hydrogène, avec de l'oxygène pour produire de l'électricité, avec de l'eau et de la chaleur comme sous-produits. Une batterie est un dispositif passif qui stocke l'énergie en vue d'une utilisation ultérieure.

Comme les piles à combustible reposent sur un processus électrochimique et non sur la combustion, leurs émissions sont nettement inférieures à celles des processus de combustion des combustibles, même les plus propres. L'eau et la chaleur sont les seuls sous-produits. Les piles à combustible sont également beaucoup plus efficaces que les moteurs à combustion pour convertir le combustible en énergie. Comme elles ne comportent pas de pièces mobiles, les piles à combustible sont silencieuses, durables, fiables et pérennes, et nécessitent peu d'entretien. Les piles à combustible peuvent être utilisées dans des applications stationnaires et mobiles, bien que ces dernières nécessitent l'accès à une station de ravitaillement. C'est pour cette raison qu'elles sont les plus populaires dans les applications de type flotte où les véhicules reviennent chaque jour à un point central. L'utilisation dans les véhicules personnels se développe à mesure que le réseau de stations de ravitaillement s'étend.

Les plaques bipolaires des piles à combustible à membrane d'échange de protons, l'une des technologies les plus populaires, nécessitent du graphite de grande pureté et à gros flocons. Le graphite à grain fin est également utilisé comme additif et agent de remplissage, mais il s'agit d'un composant relativement faible des piles à combustible. On estime qu'il y a plus de graphite dans un véhicule à pile à combustible que dans un véhicule électrique.

"Les piles à combustible pourraient consommer autant de graphite que toutes les autres utilisations combinées"- United States Geological Survey

Les principaux marchés des piles à combustible (d'après fuelcells2000) sont les suivants :

Transport : Daimler et Honda louent déjà des véhicules à pile à combustible et sont suivis par d'autres constructeurs automobiles comme Toyota. Des autobus à pile à combustible sont en service quotidien en Californie, au Texas, au Connecticut, au Delaware et à Londres.

Grande puissance stationnaire : Les épiceries et les commerces de détail, les hôpitaux, les centres de données, les bâtiments publics, les sites d'entreprises, les stations d'épuration, les prisons, les installations agricoles et de traitement des boissons, et les brasseries utilisent des piles à combustible d'une capacité de 100 kW à plus de 5 MW pour l'alimentation électrique primaire. Les piles à combustible stationnaires peuvent être installées dans le cadre du réseau électrique et peuvent également fournir une alimentation de secours fiable en cas de panne du réseau ou de black-out. Cela permet aux fonctions critiques telles que les hôpitaux, les réfrigérateurs, les télécommunications, etc. de continuer à fonctionner.

La plupart des grands systèmes de piles à combustible stationnaires sont alimentés par du gaz naturel, mais le gaz de digestion anaérobie (GDA), dérivé des eaux usées, des procédés de fabrication ou des déchets végétaux ou animaux, est de plus en plus souvent utilisé comme matière première. Des piles à combustible alimentées par du GDA sont utilisées dans un certain nombre de stations d'épuration des eaux usées, ainsi que dans des brasseries et des installations de transformation des produits agricoles. Cette ressource en plein essor est considérée comme un carburant renouvelable dans plusieurs États.

Petite énergie stationnaire : Les systèmes de piles à combustible sont de plus en plus utilisés pour fournir une énergie primaire ou de secours fiable, sur site et de longue durée, pour les tours et les sites de télécommunications. Les piles à combustible sont silencieuses, robustes et durables et génèrent une énergie fiable et de longue durée dans des endroits difficiles d'accès ou sur des sites soumis à des conditions météorologiques difficiles. Leur puissance est généralement comprise entre 1 et 5 kW. Les piles à combustible stationnaires plus petites sont également idéales pour les applications résidentielles et les petits commerces.

Alimentation portable : De petites unités portables de piles à combustible sont utilisées pour charger les batteries et fournir une alimentation et un éclairage auxiliaires dans toutes sortes d'applications, depuis les applications militaires, de surveillance et d'intervention d'urgence jusqu'au chargement des téléphones cellulaires personnels. Les piles à combustible peuvent remplacer les batteries ou les générateurs, ce qui permet d'alléger la charge transportée sur le terrain et de fournir une alimentation ininterrompue et des durées de fonctionnement prolongées aux ordinateurs de terrain et aux équipements de communication critiques.

Manutention : Les États-Unis sont le leader mondial des chariots élévateurs à pile à combustible, avec plus de 4 000 systèmes déployés ou en commande. Ils comptent parmi leurs clients Coca-Cola, Walmart et Sysco. Les chariots élévateurs à pile à combustible peuvent réduire les coûts logistiques totaux car ils fonctionnent plus longtemps, nécessitent un remplissage minimal et moins d'entretien que les chariots élévateurs électriques. Les batteries sont lourdes et offrent en moyenne six heures d'autonomie, tandis que les piles à combustible durent plus de deux fois plus longtemps (12 à 14 heures). Les entrepôts et les centres de distribution peuvent installer leur propre station de ravitaillement en hydrogène et les chariots élévateurs à pile à combustible ne nécessitent qu'une à deux minutes pour faire le plein, alors qu'il faut une demi-heure ou plus pour changer une batterie. Les chariots élévateurs à pile à combustible ne nécessitent qu'une à deux minutes pour faire le plein, alors qu'il faut une demi-heure ou plus pour changer de batterie. Un autre avantage clé des chariots élévateurs à pile à combustible par rapport aux chariots élévateurs à batterie, en ce qui concerne l'industrie de la distribution alimentaire, est leur capacité à fonctionner à des températures négatives, ce qui les rend adaptés aux opérations de réfrigération et de congélation.

Les batteries redox au vanadium (redox flow) ("VRB") sont des batteries de stockage à grande échelle qui sont idéales pour les sources d'énergie intermittentes telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Elles peuvent être mises à l'échelle pour atteindre de très grandes tailles, elles ont une longue durée de vie avec peu d'entretien et elles peuvent fournir de l'énergie très rapidement. La technologie est bien établie et des unités commerciales sont disponibles pour une utilisation domestique et industrielle.
Une batterie vanadium-redox consiste en un assemblage de cellules de puissance dans lesquelles les deux électrolytes à base de vanadium sont séparés par une membrane d'échange de protons. Les deux demi-cellules sont en outre reliées à des réservoirs de stockage et à des pompes afin que de très grands volumes d'électrolytes puissent circuler dans la cellule pour produire de l'énergie. À l'instar de la pile à combustible PEM, les plaques polaires d'une batterie à oxydoréduction au vanadium sont fabriquées en graphite. On estime que 300 tonnes de graphite sont nécessaires pour chaque mW/h de capacité VRB.

Il existe un nombre croissant de fabricants et d'exemples d'installations de batteries au vanadium-redox. L'utilisation de ces batteries est sensible au prix et augmentera au fur et à mesure que les coûts baisseront avec l'augmentation des volumes.

Un réacteur modulaire à lit de galets ("PBMR") est un petit réacteur nucléaire modulaire. Le combustible est de l'uranium incorporé dans des balles de graphite de la taille d'une balle de tennis. Les PBMR présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux grands réacteurs traditionnels. Ils ont des coûts d'investissement et d'exploitation beaucoup plus faibles et utilisent un gaz inerte plutôt que de l'eau comme liquide de refroidissement. Ils n'ont donc pas besoin des grands systèmes complexes de refroidissement à l'eau des réacteurs classiques et les gaz inertes ne se dissolvent pas et ne transportent pas de contaminants. Deuxièmement, un PBMR se refroidit naturellement lorsqu'il est arrêté et cette caractéristique de "sécurité passive" élimine le besoin de systèmes de sécurité active redondants. En outre, les PBMR fonctionnent à des températures plus élevées, ce qui permet une utilisation plus efficace du combustible, et ils peuvent chauffer directement les fluides pour les turbines à gaz à basse pression.

La Chine dispose d'un prototype opérationnel, termine les deux premières unités commerciales et prévoit d'en construire un certain nombre d'autres. À terme, la Chine prévoit de construire jusqu'à 300 gigawatts de réacteurs et les PBMR constituent un élément majeur de cette stratégie. Les petits réacteurs modulaires sont également très intéressants pour les petites agglomérations ou les applications industrielles importantes et particulièrement éloignées. Des entreprises comme Hitachi travaillent actuellement sur des solutions clés en main.

On estime que chaque PBMR a besoin de 300 tonnes de graphite au démarrage et de 60 à 100 tonnes par an pour fonctionner.