Comment stocker l’énergie 47


Claude me demande pourquoi on ne stockerait pas la surproduction éolienne avec des volants d’inertie. Lui répondre me permet de terminer un vieux brouillon sur le stockage d’énergie en utilisant un autre brouillon sur la voiture électrique comme introduction.

Jamais contente

la « Jamais Contente »

La première voiture à avoir atteint la stupéfiante vitesse de 100 km/h était une voiture électrique, la « Jamais Contente« , et c’était en 1899. De nos jours, la « White Zombie » laisse sur place une Maserati de 400 chevaux. Mais pourquoi donc nos routes ne sont-elles toujours pas envahies de voitures électriques ?

La réponse est pour beaucoup liée à la faible densité d'énergie des batteries. Les meilleures batteries actuelles (Lithium-Ion) sont capables de stocker environ un quart de kilowattheure par kilogramme de batteries. C’est 8 fois mieux que les bonnes vieilles batteries au plomb, mais c’est 67 fois moins que l’énergie contenue dans 1 kg d’essence.

Même si le moteur de votre voiture ne parvient à transformer qu’un tiers* de cette énergie en mouvement, un réservoir d’essence reste au moins 20x plus léger qu’une bonne batterie équivalente. Donc un réservoir de 40 litres d’essence (~ 30 kg)  correspond à au moins 600 kg de batteries. Et même si un moteur électrique est sensiblement plus petit qu’un moteur à combustion de la même puissance, les batteries restent un handicap de poids pour un véhicule.

Evidemment, on peut réduire la taille de la batterie en récupérant l’énergie cinétique d’un véhicule à la descente, ou au freinage. Mais là se pose un autre problème : la puissance de charge ou décharge des batteries est également limitée.. Il faut par exemple 3.5 heures pour recharger complètement le Roadster Tesla de mes rêves, ce qui nécessite une alimentation électrique d’une puissance de 4.8 kW. Or comme je l’avais calculé ici, une voiture qui ralentit de 36km/h à 0 en 5 secondes produit une puissance de 26 kW.  C’est pour cela que les voitures hybrides comme la Toyota Prius n’utilisent pas des batteries Li-ion, mais plutôt des NiMH de densité énergétique inférieure, mais permettant des courants de charge/décharge plus élevés.

Alors on stocke l’énergie, ou la puissance ?

La « Jamais Contente » avait un nom prédestiné pour une voiture électrique : il n’existe pas de technologie de stockage ayant à la fois une forte densité d'énergie et une forte « densité de puissance« . On voit ceci et bien d’autres choses intéressantes dans le graphique ci-dessous [1], qui classe différentes technologies de stockage d’énergie selon leur puissance nominale (horizontalement) et le temps pendant lequel cette puissance nominale est disponible en décharge (verticalement)**. Evidemment, on peut décharger un système plus lentement en en tirant une puissance inférieure, mais ça ne change rien à l’énergie stockable, donnée par le produit des deux axes.

Remarquez comme les diverses technologies forment des bandes horizontales : la puissance et l’énergie stockée par un système augmentent linéairement avec sa taille, donc le temps donné par le rapport énergie/puissance ne varie pas : il y a des technologies « rapides » capables d’absorber et de restituer des pics de puissance (en bas du dessin) et d’autres « lentes » capables de stocker plus d’énergie par unité de volume (en haut).

Les systèmes adaptés aux véhicules sont sur la gauche du graphique, entre 1 et 10 kW pour les scooters et entre 10 et 100 kW  pour les voitures. Remarquez aussi que la bonne vieille batteries au plomb sont  situées entre les batteries Li-ion de la Tesla et les NiMH de la Prius. Elles sont lourdes, mais bon marché : si on calculait la densité d’énergie par dollar ou Euro investi (pas trouvé = à faire…), elles auraient probablement encore leur mot à dire…

Au dessus des batteries Li-ion, on trouve deux technologies en développement, pas encore commercialisées à ma connaissance:

  • Les « ultra-batteries » comme celles au difluorure de xénon [2]. L’énergie électrique y est stockée directement dans la structure du matériau comme dans une supercap, mais avec une densité d’énergie bien supérieure.
  • Les « batteries métal-air ». Les accumulateurs lithium-air (le lithium étant un métal ) sont les plus prometteuses, avec une densité d’énergie environ 10x plus élevée que le Li-ion. Avec de telles batteries, une voiture électrique atteindrait une autonomie comparable à une voiture à essence. Mais sauf progrès inattendu, il faudra toujours des heures pour la recharger.

Au dessous de tous ces types de batteries, on trouve des technologies encore mieux adaptées au stockage de puissance : les supercaps et les volants d’inertie dont j’ai déjà parlé un peu ici pour les véhicules.

Du Gyrobus au Tokamak

L’énergie cinétique d’un volant d’inertie vaut E=½.J.ω² où ω est la vitesse angulaire et J le moment d'inertie du volant, qui augmente comme le carré du rayon. Pour stocker beaucoup d’énergie, il faut donc faire tourner le plus vite possible un volant du plus grand diamètre possible. Mais il y a deux hics:

  • Le premier est que la vitesse périphérique du volant atteint la vitesse du son plus vite qu’on ne pense : un volant d’1 m de diamètre ( π m de circonférence) devient supersonique à 100 tours/s, soit 6000 tours/minute déjà.
  • Le second c’est la résistance mécanique du volant sous l’effet de la force centrifuge. Comme on le voit dans ce tableau, un volant en acier bien dense éclate avant d’atteindre la vitesse du son. On ne gagne rien à utiliser du titane, plus résistant mais plus léger. Pour atteindre des densités d’énergie comparables à de bonnes batteries, il faut réaliser des volants en fibre de carbone ou de kevlar, tournant sous vide d’air…

La raison pour laquelle le légendaire Gyrobus stockait son énergie dans un volant d’inertie de 1.5 tonnes plutôt que dans une masse équivalente de batteries au plomb tient à la petite phrase « La recharge du volant prenait de 30 secondes à 3 minutes » : les volants d’inertie stockent plutôt de la puissance que de l’énergie. Si on envisage de les utiliser dans les éoliennes [3] c’est pour lisser l’effet de rafales de vent espacées de quelques minutes, pas pour stocker une tempête nocturne pour un lendemain calme.

Une fois quelques détails réglés, les volants d’inertie pourraient jouer un rôle important dans les centrales à fusion thermonucléaire en stockant une partie de l’énergie produite pendant les courtes réactions de fusion pour alimenter les aimants et réchauffer le plasma entre deux réactions. Avec un rotor de quelques dizaines de mètres de long et quelques dizaines de tonnes, on peut stocker puis restituer 100 MW pendant 10 secondes. Tout ça pour stocker environ 70 KWh d’électricité, l’équivalent de quelques jours de votre consommation personnelle.

Génératrice à inertie du Tokamak CRPP-EPFL. (Cliquer pour plus d’infos)

Panoramix, il nous faut de la potion magique…

Si vous rêvez d’être autonome en électricité avec votre petite éolienne personnelle ou vos quelques m² de panneaux solaires, il vous suffira de stocker quelques dizaines de kWh pour les nuits ou les jours sans vent. Vous aurez besoin d’une capacité de stockage assez similaire à celle d’une voiture électrique, et quelques centaines de kg de batteries feront l’affaire. Vous pourriez être tentés d’utiliser votre voiture électrique comme stockage, mais le hic c’est que votre maison doit stocker de l’énergie pour le soir alors que votre voiture doit en stocker pour le jour. Pas de bol : il vous faudra donc 2 batteries.

Si vous êtes une petite ville isolée comme Fairbanks en Alaska, il vous faut la plus grosse batterie du monde [4] pour fournir 40 MW à vos 12’000 habitants en cas de défaillance de votre centrale thermique. Enfin, pendant 7 minutes seulement, le temps de démarrer les groupes de secours, parce qu’à Fairbanks, ils ne sont pas écolos. Et aussi parce que leurs 1300 tonnes de batteries NiCd ne stockent que 5 MWh.

Donc si votre village d’irréductibles possède une vraie éolienne d’ 1MW ou plus, et/ou des hectares de panneaux solaires, et que vous voulez tenir quelques jours sans vent, il vous faut la même batterie que Fairbanks. Ou quelque chose de mieux, parce que si vous faites le calcul, la densité d’énergie de leur batterie n’est que de 4 Wh/kg, que le cadmium, c'est pas "vert" et que le lithium, il n’y en aura pas assez pour tous les écolos du monde.

D’autres types de batteries sont actuellement en développement comme la  batterie sodium-soufre (NaS) ou les batteries à sel fondu type « Zebra », mais la voie la plus prometteuse me semble être les « batteries à flux redox » (« flow batteries » en anglais). Ces sont des sortes de piles à combustible réversibles appelées qui fonctionnent avec diverses soupes d’électrolytes bizarres comme le bromure de vanadium ou du zinc/cérium.

Schéma d'une batterie à flux redox au Vanadium, avec arrière plan révélateur

Schéma d’une batterie à flux redox au Vanadium, avec arrière plan révélateur

La densité d’énergie de ces systèmes n’est pas vraiment plus élevée que celles de batteries Li-ion, donc on parle toujours d’installations de centaines de tonnes. Leur avantage est que la puissance est stockée/fournie par un élément relativement petit, alors que l’énergie stockable peut être augmentée à volonté en augmentant simplement le volume des réservoirs d’électrolytes. Ceci permet de réduire le coût de ces solutions par rapport à un wagon train de batteries plus classiques.

Je ne vois pas d’autre solution économique et utilisable à cette échelle actuellement ou dans un futur proche, mais dans un futur plus lointain, on pourrait imaginer utiliser  le stockage d'énergie magnétique à supraconducteur (SMES en anglais). L’idée est de faire tourner du courant électrique en circuit fermé dans un anneau supraconducteur. Ceci crée un champ magnétique extrêmement fort, autour de 20 Tesla duquel on peut ensuite retirer l’énergie par induction. Lorsqu’on sait que le champ magnétique terrestre est environ un million de fois moins puissant, on comprend que les pièces métalliques ne sont pas bienvenues à proximité d’un SMES, qui pose une quantité de problèmes technologiques intéressants. Les installations de labo actuelles sont plutôt orientées « puissance », mais on pourrait imaginer des SMES de quelques dizaines de kilomètres de diamètre pour le stockage d’énergie [5].

Mais sur le graphique on constate un gros trou qui sépare toutes ces « petites » solutions de celles déjà utilisées aujourd’hui dans la production d’énergie centralisée.

Big is beautiful

Il existe en effet déjà trois systèmes de stockage adaptés aux centaines de MWh, voire de GWh. Commençons par les deux les moins connus :

  • Le stockage thermique dans le sel fondu est particulièrement adapté aux centrales solaires thermiques. Par exemple celle d'Andasol en Espagne peut stocker 1GWh, soit  l’équivalent de 7h30 de production de la centrale à pleine puissance en chauffant 28’500 tonnes de sels à 400 °C, soit une densité d’énergie de 35 Wh/kg (0.126 MJ/kg), comparable à celles de batteries au plomb.
  • Le stockage d’énergie à air comprimé (CAES en anglais). Là encore, la densité d’énergie volumique de l’air comprimé à 300 bars est comparable à celle des batteries, mais deux difficultés apparaissent. D’abord, les compresseurs et moteurs à air doivent tenir compte de la thermodynamique. En comprimant un gaz il s’échauffe, et il refroidit lorsqu’il se détend.  Il faut récupérer cette composante thermique de l’énergie pour obtenir des rendements acceptables. D’autre part, construire des réservoirs de grandes dimensions pour de l’air à haute pression n’est pas une petite affaire. Ces deux obstacles hypothèquent la voiture à air, mais en grand, ça peut marcher. Des installations pilotes comme ADELE en Allemagne [6] arrivent à stocker 350 MWh en comprimant de l’air dans des cavernes et atteignent des rendements de 70% en récupérant la chaleur produite lors de la compression.

Et enfin le « stockage hydraulique gravitaire » réalisé par de nombreuses installations que les français appellent STEP. En Suisse, ça veut dire STation d’EPuration, alors on préfère les appeler « stations de turbinage-pompage« .

L’énergie potentielle d’une masse m élevée d’une hauteur h est de E=m.g.h Joules, où g=9.81 que j’arrondis à 10. Pour stocker 1 kWh = 3.6 MJ, il faut donc élever 3’600 litres d’eau de 100m. Ou 360 litres de 1000m. Donc une montagne, c’est mieux qu’une colline. Et un grand lac aussi parce que pour stocker 1GWh il faut un million de fois plus d’eau. Et stocker une puissance de 1GW, ça veut dire pomper 1000 m³ d’eau par seconde à 10 bars, ou 100 m³ d’eau par seconde à 100 bars. Impressionnant, mais on sait faire depuis assez longtemps. Jusqu’ici, ça nécessitait des pompes spéciales, distinctes des turbines, mais l’arrivée des imprévisibles éoliennes motive la recherche de turbines réversibles, capables de passer rapidement de mode turbinage au mode pompage, comme la turbine Hydrodyna de l’EPFL [7] ***.

le site « Nant de Drance » à la frontière franco-suisse près de Chamonix. Une STEP souterraine de 900 MW y est en construction pour exploiter les 250m de différence de niveau entre les deux barrages. Cliquer pour plus d’infos

D’après cette liste il existe actuellement au moins 50 « STEPs » d’une puissance de plus de 1 GW dans le monde, dont Grand’Maison en France, Linth-Limmern en Suisse et même la Centrale de Coo-Trois-Ponts en Belgique (rien au Québec ?) Avec de nombreuses autres installations de puissance inférieure, la capacité de stockage hydraulique représente au niveau mondial une puissance de 100 GW et une énergie que, fautes de données j’évalue à X TWh en multipliant les 100 GWh par X dizaines d’heures.

Ca parait beaucoup comme ça, mais même pour X=3 ça ne représente pas un millième de la production d'électricité renouvelable mondiale, qui elle-même ne représente que 18 % de la production d’électricité totale.

J’ai lu quelque part (je ne retrouve plus où) que toutes les batteries du monde (démarreurs de voitures + téléphone et ordinateurs portables, toutes) stockent 4 minutes de la production mondiale d’électricité. D’après les calculs ci-dessus, toutes les STEP du monde stockent environ 1.5 heures de production mondiale.

C’est assez tant que des centrales thermiques produisent l’énergie « en ruban« , mais si on remplace ces sources d’énergie fiables et régulières par des sources aléatoires, qu’on tient à l’ « indépendance énergétique » et que de plus on ne veuille pas créer de nouvelles lignes de transport qui permettraient de lisser la production et la consommation à l’échelle du continent, il va falloir augmenter énormément la capacité de stockage. Tellement qu’on se sait pas le faire. Il faudra faire des compromis. Ou regarder une fois encore les 3 premières lignes du tableau des densités d'énergie avant de retourner aux arbres

Notes:

  • * Avant de pester contre le mauvais rendement des moteurs thermiques, rappelez-vous que la chaleur réchauffe « gratis » l’habitacle et dégivre les vitres en hiver…
  • ** Le temps de charge est environ égal au temps de décharge, sauf pour les batteries, plus lentes à charger qu’à décharger.
  • *** Une chose m’a frappé en écrivant cet article : la « puissance des liquides ». Carburants, flux redox ou eau alpine, les liquides permettent des solutions « scalables » sur toute la gamme de puissances…Ils sont faciles à stocker, à pomper et à utiliser. D’ailleurs, après ce méga article, je prendrais bien une bière.

Références

  1. « Integrating Renewable Electricity on the Grid« , Report, American Physical Society (excellente référence, très complète)
  2. Christopher Mims « New « Ultra-Battery » as Energy-Dense as High Explosives« , Technology Review., 2010
  3. Gabriel-Octavian Cimuca, « Système inertiel de stockage d’énergie associé a des générateurs éoliens« , Thèse de doctorat, ENSAM, 2005
  4. Edmund Conway « World’s biggest battery switched on in Alaska« , The Telegraph, 23 August 2003
  5. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Systems for GRID sur BigNextFuture (pdf de 21 slides)
  6. ADELE – Adiabatic compressed-air energy storage (CAES) for electricity supply
  7. François Avellan « Evolution des groupes de pompage-turbinage : Situation actuelle, technologies et nouveaux projets« , bulletin electrosuisse 2/2012

Autres sources

  • http://gravatar.com/gpettier tshirtman

    J’ai justement vu passer ça hier http://www.france-mobilite-electrique.org/vers-la-production-d-hydrogene-renouvelable-a-bas-cout,3820.html?lang=fr

    Si transforme de l’eau et du soleil en hydrogéne (qui est la quatrième ligne du fameux tableau), on peut espérer le retour de l’idée de la voiture à hydrogène ou pas? :)

    En tout cas, article très intéressant, même si tout comprendre va me demander un peu de lecture ^^.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Le problème de l’hydrogène, c’est que, comme indiqué dans ta référence, il est actuellement beaucoup moins coûteux de le fabriquer par reformage du gaz naturel que par électrolyse (voir http://drgoulu.com/2007/09/06/lhydrogene-energie-du-futur/ ).

      De plus il est difficile à stocker. Ensuite, à mon humble avis, il est absurde de stocker l’énergie solaire car sa production (la journée) coïncide avec une forte consommation d’électricité (http://drgoulu.com/2009/03/05/la-voiture-electrique-ne-sera-pas-solaire/ ) Ou alors il faudrait stocker des Terawattheures l’été en prévision de l’hiver… Mais il y a cependant pas mal de recherches sur ce thème (j’en avais causé par exemple ici http://drgoulu.com/2011/04/03/sun-catalytics/ ) parce que si on arrivait à dresser des bactéries pour venir péter leur hydrogène dans une centrale, yauraika les disséminer sur les lacs… L’ennui c’est que pour l’instant il faut leur construire un aquarium tout autour…

      Ayant constaté que des lecteurs avaient des problèmes à comprendre mes articles sur l’énergie, j’ai hésité à faire un petit paragraphe d’intro… Mais il me semble que les seules notions indispensables sont :

      1. la différence entre énergie et puissance
      2. les ordres de grandeurs grecs : 1 tera = 1000 giga, 1 giga = 1000 mega, 1 mega = 1000 kilo . Ca a des conséquences bêtes comme 1 centrale nucléaire de 1 GW = 1000 énormes éoliennes de 5MW pièce (parce qu’elles ne produisent qu’environ 20% de leur puissance nominale)
      • http://gravatar.com/gpettier tshirtman

        Oh, l’idée de l’article, je pense que j’ai compris, c’est les détails sur les divers technologies citées qui me demanderaient plus de temps, et une bonne dose de motivation ^^ (mais c’est sûrement très intéressant).

        Merci pour les compléments sur l’hydrogène, je pensais que vu que le gaz naturel est en quantité limité, la production d’hydrogène par ce biais risquait d’être de plus en plus coûteuse, et que donc que cette méthode pouvait être intéressante… mais bon, on a peu d’info sur le rendement… (et oui, je me souvenais que vous aviez un article sur le sujet).

        Je n’ai apparemment pas eu de message avant pour me prévenir d’une réponse, donc désolé du délais ^^.

  • N. Holzschuch

    Merci beaucoup pour cette étude très exhaustive. Il reste un paramètre sur lequel on peut jouer : la masse totale du véhicule. Plus elle est faible, plus le combiné batterie/moteur électrique est intéressant. En modélisme, l’électrique est beaucoup préféré au thermique *parce que* il est plus léger. Je me souviens d’une moto transformée de thermique en électrique qui avait perdu du poids au passage (dans une moto, le moteur est souvent plus lourd que le réservoir). Plus on augmente la masse du véhicule, plus on augmente la puissance à fournir par le moteur, donc les batteries, donc la masse du véhicule… Ça marche en sens inverse en réduisant la masse. Bref, tous en Quantya…

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      En effet, pour les petites puissances (< 10 kW environ) on voit dans le graphique qu'il n'y a que des solutions électriques. Je ne connaissais pas la Quantya (honte…) merci pour le lien ! D’après ce que je vois ici, la capacité de sa batterie est de 2kWh et permet de parcourir 40 km. à 60 km/h ce qui donnerait une puissance moyenne d’environ 3 kW. Je pense que l’intérêt de cette moto réside probablement dans le couple à bas régime, idéal pour les sensations en motocross.

  • http://epi.proteos.info Proteos

    Un gars avait fait des calculs pour une batterie plomb-acide qui permet de tenir une semaine à la taille des USA.
    http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2011/08/nation-sized-battery/

    Il donnait un prix de 4x le prix du plomb contenu dans la batterie. Soit ~10$/kg … Mais on a besoin de 50x les réserves estimées de plomb.

    Pour le pompage, RTE dit qu’en France, on pompe bon an mal an environ 7TWh. cf les aperçus sur la prod électrique http://www.rte-france.com/uploads/Mediatheque_docs/vie_systeme/mensuelles/2011/apercu_annexe_trame_francaise_2011_provisoire.pdf

    Une autre solution de stockage serait de faire de la chimie, mais là le problème c’est que les rendements sont dégueu, donc il faut énormément d’énergie en entrée.

  • http://blog.jtlebi.fr jtlebigot

    Pas de STEP au Québec, ça me semble cohérent. Ce n’est pas vraiment montagneux. Le gros de la production hydroélectrique vient du Saint-Laurent. Et c’est pas franchement facile de stocker l’énergie d’un tel fleuve :p

  • http://www.yvesmasur.ch ymasur

    Merci pour cet excellent résumé des possibilités de stockage d’énergie! Quand à la voiture électrique et sa possibilité d’emmagasiner l’énergie au freinage, j’ai vu dans un article de Michelin (qui développe un système mixte H2 et électrique) qu’il faut un amortisseur dont la puissance est égale à celle du moteur: http://www.clean-auto.com/IMG/jpg/MichelinActiveWheel-1069.jpg.
    Quand au stockage, si les batteries ne peuvent absorber le choc instantané, pourquoi de pas construire un système mixe supercap et batterie? Ceci est déjà le cas des voitures à hydrogène, à cause de la lenteur de la pile à combustion à réagir à la demande.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Oui l’ « Active Wheel » de Michelin m’intéresse aussi depuis un moment. Toutefois leur système d’amortisseur n’est pas clair (pour moi).

      Est-ce réellement un moteur qui réalise l’amortissement ? dans ce cas il doit effectivement dissiper l’énergie des chocs qui arrive sous forme de pics de puissance, et la restituer lentement pour repositionner la roue. Il leur faudrait donc un système de stockage de puissance genre supercaps.

      Mais ça fait cher pour l’équivalent d’un ressort dans de l’huile… Je crois plus à la version proposée dans http://www.motorauthority.com/news/1030025_michelins-active-wheel-technology-in-detail entre autres, qui dit que l’actuateur ajuste la rigidité de la suspension. Ceci permet de s’adapter à la qualité de la route et aux variations de masse du véhicule (celui qui a voyagé dans un camion vide comprendra).

      Le problème de l’ « Active Wheel » c’est le « combien » : une plus grande partie de la valeur de la voiture se retrouve dans la roue, organe tout de même exposé aux intempéries, aux chocs avec les trottoirs, et aux vols…

  • http://boblesilencieux.wordpress.com boblesilencieux

    «(rien au Québec ?)»

    Peut-être qu’Hydro Québec a assez d’hydroélectricité pour le moment pour ne pas s’intéresser aux STEP ?

    Mine de rien, l’hydro c’est 97% de la production électrique du Québec.

    http://www.hydroquebec.com/production/profil.html

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Effectivement, avec une majorité de centrales « au fil de l’eau », il suffit peut-être de fermer un peu les vannes le soir ce qui fait légèrement monter le niveau du barrage pendant la nuit pour turbiner un peu plus le jour.

      Les STEP sont utiles aux régions qui n’ont pas cette chance et qui doivent produire beaucoup de thermique (nucléaire, charbon, pétrole…) qu’on ne peut pas arrêter la nuit. Dans ce cas on est prêt à faire des folies pour stocker cette énergie, comme ici au Japon

  • Armand

    Je trouve quand-même l’évocation de l’hydrogène assez superficielle. Il faut faire confiance à la science pour améliorer la filière le jour où on voudra vraiment s’y mettre (et je pense qu’il faudra bien y venir un jour ou l’autre).

    178 000 TW de puissance solaire moyenne reçue par la Terre, 11 TW de puissance moyenne consommée par les humains (toutes sources énergétiques confondues) : l’argument du rendement de l’hydrolyse ne tient pas debout. Et 30 km de rayon équipé de PV (au hasard, la surface dégagée autour d’une centrale nucléaire qui nous pèterait à la g… figure) permettrait de produire annuellement plus que la production électrique française. Mais il n’y a pas que le PV (mauvais rendement à ce jour), il y a par exemple l’héliothermodynamique, et pas mal de millions de km² de déserts disponibles. Ah oui, çà ne résoudra pas notre désir d’être énergétiquement indépendants.

    Au fait, la meilleure source d’énergie, c’est celle qu’on ne consomme pas. C’est là aussi un formidable potentiel de « stockage », sans besoin de batteries, mais d’un peu d’intelligence. Arrêtons déjà de gaspiller inutilement, çà divisera par 10 nos besoins.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Je me disais aussi qu’on allait difficilement éviter l’idéologie… je vais faire court : lisez « Pourquoi j’ai mangé mon père » ? La gaffe a été d’allumer le premier feu il y a 500’000 ans. Maintenant c’est trop tard pour vivre comme les Teletubbies :-)

      Sur l’hydrogène, j’ai été moi aussi surpris de ne pas le voir mentionner dans le graphique des solutions de stockage que j’ai pris comme base. En fait (je viens de chercher) le mot « hydrogen » n’apparaît même pas dans la référence [1].

      J’aime bien quand vous dites « Il faut faire confiance à la science pour améliorer la filière » en parlant d’un gaz inflammable dont il faut stocker 650 tonnes sous pression à 700 bars pour en retirer autant d’énergie qu’avec 1 Kg d’une technologie en laquelle vous n’avez pas confiance…

      En fait la filière hydrogène n’arrête pas d’être développée depuis 50 ans et on ne voit toujours rien venir. Pourtant il y avait quelques voitures à piles à combustible aux salons de l’auto il y a quelques années. Mais même l’Islande qui dispose d’électricité quasi gratuite a sérieusement freiné (voir http://drgoulu.com/2007/09/06/lhydrogene-energie-du-futur/#comment-368 )

      La raison est toujours la même : le prix (dont on rappelle qu’il mesure le travail humain associé, et rien que ça) : les nouvelles énergies renouvelables seront adoptées (comme l’hydraulique qui est renouvelable et fournit 18% de l’électricité mondiale, 50% en Suisse) lorsqu’elles seront économiquement compétitives, sans subventions ou taxes faussant la donne.

      Et ce jour là, pourquoi rationner ? Si on est capable de produire 10x plus qu’aujourd’hui pour 10x moins cher, pourquoi diable s’en priver ?

      Je propose de monter l’échelle de Kadashev jusqu’aux étoiles, vous proposez de vivre comme des Teletubbies. Joli choix de société ;-)

  • Phil

    Hello !

    Concernant le stockage de l’hydrogène (solide) : http://www.mcphy.com/fr/index.php

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Oui, le stockage de l’hydrogène mériterait à lui tout seul un article. Et oui, les hydrures métalliques sont une voie prometteuse, en développement depuis des années. Il y a aussi l’ acide formique et plein d’autres idées intéressantes.

      Merci pour le lien vers McPhy, que je ne connaissais pas. Leur réalisation http://www.mcphy.com/fr/projets/projets-de-demonstration/ingrid/ est impressionnante : 1 tonne d’hydrogène, 40 MWh ce n’est pas rien. Techniquement , il ne me manque qu’une info pour être heureux : quel est le rendement d’un cycle complet électricité->électrolyse->hydrogène->stockage->hydrogène->pile à combustible->électricité ? Et la question commerciale : combien ça revient par kWh stocké par rapport à d’autres solutions ?

      • OTOOSAN

        J’ai fait professionnellement le calcul a/s de la sté H. connue dans le domaine du stockage d’hydrogène, ça tournait entre 5 à 9 %, (contre 70% revendiqué) Le rendement de la compression est effroyablement bas.

  • http://szelveso.blogspot.hu/ jarogh

    J`ai lu quelque part, que le QG de Google en Californie fonctionnait avec un mystérieux « cube » fermé qui produit de l`énergie électrique en grande quantité sans qu`il y ait aucun input. Ce cube serait construit par une entreprise de la Silicon Valley qui a recu de grosses subventions gouvernementales pour ca et en échange ne vend ses bidules qu`á des grosses boites ricaines du genre de Google justement. Le « cube » aurait été inventé par un ingénieur hindou travaillant pour la NASA et, á l`origine, aurait été prévu pour la « terraformation » de Mars. Il y a des articles sur ce machin meme dans la « grande » presse ricaine, devrait pas etre difficile a retrouver. Toi qui est un-géni-eur :), entendu parler de ca, dr Goulu?

  • http://szelveso.blogspot.hu/ jarogh

    J`ai retrouvé la bete, c`est meme sur wikipédia depuis: http://en.wikipedia.org/wiki/Bloom_Energy_Server Ca s`appelle la « Bloom Box » vagyis « Bloom Energy Server ». C`est pas rien, si c`est pas bidon, j`en veux une aussi!

  • http://szelveso.blogspot.hu/ jarogh

    La « BloomBox » peut paraitre sans rapport avec le sujet du stockage de l`énergie, mais si l`on pose que ce bidule fonctionne sans input (ou en tout cas avec un input énergétique inférieur á son output) et qu`il ne produit pas l`énergie á partir de « rien », alors on se trouve peut-etre en présence d`un nouveau type de stockage de l`énergie á l`intérieur du machin?

  • http://gravatar.com/zythom Zythom

    Bonjour,
    Bravo pour ce billet intéressant comme toujours.
    Il me rappelle une idée que j’avais eu étant adolescent et avec laquelle je joue encore sans être capable de vérifier théoriquement si elle a un sens ou pas: en regardant fonctionner un coucou et son poids, est-il possible d’imaginer d’utiliser l’énergie potentielle d’une grande masse telle que celle d’une maison?
    Cela m’a toujours fasciné d’imaginer ma maison monter d’un mètre les jours de soleil ou de grand vent et descendre petit à petit pour alimenter les appareils la nuit ou les jours de calme plat.
    Une fausse piste?

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      non, c’est a priori une idée intéressante, mais….
      Un petit calcul : un pavillon de 160 m2 pèse dans les 200 tonnes (selon ce lien) donc l’énergie stockée en la soulevant d’une hauteur h est de E=h*2*10^6 Joules (ou W.h) soit 0.55 kWh par mètre de surélévation seulement.

      Il faudrait donc monter une maison de 2m pour qu’elle stocke 1 malheureux kWh d’énergie potentielle valant 20 centimes. Ca me parait aussi peu, au pif, alors je refais le calcul dans l’autre sens pour vérifier : 1 Watt c’est la puissance qu’il faut pour hisser 100 grammes de 1m en 1 seconde. Donc 1 wattheure (= 1 Watt pendant une heure) c’est l’énergie à dépenser pour hisser 360 kg de 1m (à la vitesse qu’on veut) et 1kWh c’est 1000x plus : 360 tonnes de 1m, ou 180 de 2 m. C’est bien juste…

      Ca montre au choix la quantité énorme d’énergie qu’on peut acheter pour quelques Euros ou la très faible densité d’énergie permise par la gravitation terrestre…

      • http://gravatar.com/zythom Zythom

        Merci pour la réponse et les calculs. Je suis déçu, mais en même temps, je me doutais bien que ce genre d’idée avait du être explorée par de nombreuses personnes avant nous.
        Merci encore pour le blog.

        • http://gravatar.com/gpettier tshirtman

          Dommage, je trouvais l’idée très rigolote, voir même poétique… voir les champs de maisons se lever le matin avec le soleil et redescendre doucement le soir :)

  • Shane

    Je sais pas si ce site est toujours d’actualité enfin bref. Je vous écris pour notifier une erreur de calcul, E=m*g*h, la formule véritable est P=ro*g*h avec ro la masse volumique (1000 kg/m^3 pour l’eau) et P la pression en pascal (10^-5 bar) or P = E/S avec S la surface en m^2 donc E = ro * S * g *h = m/L * g * h donc il faut diviser m par une longueur, on obtient E = m * g. Je pense donc qu’il faut penser en Pression nécessaire pour entrainer une turbine, le but étant davoir la hauteur maximum pour l’entrainer (donc un volume pas forcément grand, il intervient dans le calcul de la durée d’énergie nécessaire. Mon idée est d’avoir une réserve d’eau sur le toit et une autre dans la cave afin d’avoir une hauteur de disons 10 ou 15 mètre la petite turbine pompe la journée avec l’excédent d’énergie et génère la nuit. Je sis sur qu’en utilisant un système de filet d’eau dirigé sur une pale de turbine on peut la faire tourner assez vite pour la production.

    Voilà mon analyse, j’ai peut-être commis des erreurs ou omis des détails, je serai donc heureux d’entendre vos objection. Merci

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      La pression est une force par unité de surface, donc votre calcul permet éventuellement de déterminer la force exercée par votre filet d’eau (d’un certain diamètre) sur une pale de votre turbine. Ensuite vous devez tenir compte de la géométrie de votre pale, de la vitesse de rotation etc pour retrouver une puissance sur votre arbre de turbine.

      Le calcul que je fais en passant par l’énergie est beaucoup plus simple et rapide :
      l’énergie potentielle de l’eau vaut E= m.g.h, en descendant à la vitesse que vous voulez dans le tuyau que vous voulez, l’énergie cinétique totale de cette masse m d’eau vaut toujours E (moins les pertes de charge dans la conduite), et en arrivant sur une turbine Pelton, cette énergie cinétique est transmise avec un rendement d’environ 90% à la turbine. Comme indiqué par la wikipédia:

      « Pour optimiser le rendement, le maximum d’énergie cinétique de l’eau doit être transmise à la roue : la vitesse de l’eau à la sortie des augets doit être minimale (quasiment nulle). Ainsi, la vitesse de rotation de la roue (vitesse des augets) doit atteindre la moitié de la vitesse du jet »

      J’ai eu l’occasion de voit tourner une roue Pelton de 40 MW par un hublot et c’est spectaculaire : l’eau tombe verticalement sous la turbine, sans gicler partout.

      Si vous avez un gros réservoir de 100 m3 d’eau sur votre maison de 10m, vous pourrez stocker 10 MJ, soit 2.78 kWh seulement, même pas 1 Euro d’électricité. Pour alimenter votre lave-linge (1000W), vous allez devoir turbiner 36 m3 à l’heure, soit 10 litres / seconde. Et tout ça sans tenir compte des pertes : un cycle de turbinage pompage dans une grande installation bien optimisée permet de récupérer 70% de l’énergie initiale. Pour une petite installation maison, 50% ce serait déjà très bien.

      • Shane

        Merci pour cette réponse très complète ! En effet la solution ne me parait pas viable, dommage…

  • Pingback: Empowerment | No-life()

  • surunitairedream

    Bonjour
    à propos du stockage d’énergie,l’air comprimé est à étudier dans le cadre de la récupération d’énergie du freinage des voitures.Une citerne de taille raisonnable à haute pression pourrait recevoir l’air expulsé par le moteur(bi fonction:moteur compresseur(donc freineur aussi) lors du freinage..Avantage notable de ce système ;servir de refroidissement au moteur en phase de ralentissement du véhicule,soit le contraire de ce qui ce produit en situation standard.(?)
    Pour ce qui concerne le récupérateur d’énergie cinétique des F1 et des voitures (Une vieille idée chez moi de 85(en effet,à l’époque,voiture pourrie,plus de frein,pas de fric:quand c’est comme ça(pauvre) ton cerveau travaille,d’ailleur il faut s’avoir que c’est le manque de moyens(même intellect)qui t’oblige à te d’épasser;devant un rocher de 100kg à pousser,c’est pas le grand costaud qui a inventé le levier,mais le petit chétif!) ,mais pour l’aquelle j’avais été plus loin).
    En imaginant un concept de « masse flotante »:carcasse entière ou réservoir etc,il est possible d’également tirer profit des forces centrifuges lors des virages,ainsi que toujours une force centrifuge des accélérations et freinages.
    De même,récupérer les effets d’amortissements (amortisseurs double fonctions..)(et aussi:moitié ressort bien sûr,moitié fluide bien sûr.)dans toujours ppareils:les virages,bosses(en plus),accélé,freinage.(?)

    PPour revenir au stockage!
    Sans entrer dans les détails et en oubliant les « oui!mais! » :(toujours une ssolution!),pensez vous qui est bête d’envisager le bon vieux ressort et la charge en guise d’accumulateur.Une usine,une maison qui produit et souhaite stocker.Leurs masses ,plusou des ressorts(à traction),je stocke par élévation.Pareil pour une voiture…freinage:élévation masse plus ressort(carcasse bien sûr,pas les roues avec!)(?)Peu-être pas aussi con que cela en à l’air?
    Dr.Goulu,qu’en pensez vous?

  • http://qzine.fr tykayn

    intéressant toutes ces infos sur les batteries:)
    je viens de tomber sur un article parlant de la pile du futur, faite de graphène. ça mérite le coup d’oeil
    http://www.courantpositif.fr/la-pile-du-futur-est-nee-ultra-puissante-et-biodegradable/

    ou alors ce n’est pas du tout exploitable? en tous cas ça mérite vérification.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Merci pour l’info.. Apparemment il y a plusieurs équipes qui travaillent sur des idées différentes. D’une part il y a l’idée d’utiliser le « graphène de silicium » (faudra que je voie ce que c’est que ça) pour faire des anodes de batteries au lithium, ce qui augmente leur capacité et la vitesse de charge ( voir par exemple http://www.voiture-electrique-populaire.fr/actualites/batteriesgraphene-silicium-autonomie-voitures-electriques-220 ) . D’autre part il y a des gens qui travaillent à des supercaps au graphène http://www.supercondensateur.com/article4/supercondensateur-haute-densite-graphene-nanotubes-carbone, donc charge très rapide, et apparemment densité d’énergie comparable à des batteries (bref ça revient au même…).

      Dans le graphique on serait au niveau des « High Energy Supercaps ». Comme indiqué dans un article, le problème No 1 pour devenir économiquement rentable c’est le nombre de cycles que la batterie supporte. Et puis il faudra industrialiser. Bref, ça va prendre encore pas mal d’années, mais c’est certainement une techno à surveiller.

      • toitoine

        La recherche sur les supercondensateurs à haute densité avance très vite :
        http://www.supercondensateur.com/article25/recherches-supercondensateur-avancent-tres-vite

        On y parle d’une « Mousse hybride de nanotubes de carbone entrelacés avec du dioxyde de manganèse pour des supercondensateurs à haute énergie » : Densité d’énergie de 391,7 Wh/kg !

        C’est l’avenir non ?

        • http://drgoulu.com Dr. Goulu

          Oui, c’est une bonne nouvelle. 391 Wh/kg ça fait 1.4 MJ/kg , soit un peu moins que les batteries Lithium, mais avec une charge rapide, c’est bon à prendre. On est bien dans la case bleue « High Energy Super Caps ».

          Pour savoir si « c’est l’avenir », il faut répondre aux questions « Comment » et « Combien » : Comment on fabrique de grosses batteries avec ça, Combien ça coûte etc. Il y a des dizaines de technologies en compétition, celle qui gagnera ne sera pas forcément la meilleure du point de vue technique, et ça prendra certainement beaucoup de temps.

          • toitoine

            Sur Wikipedia, pour les batteries Lithium-Ion c’est marqué :
            Specific energy density: 150 to 250 W·h/kg (540 to 900 kJ/kg)

            https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery

            • http://drgoulu.com Dr. Goulu

              J’avais regardé http://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d%27%C3%A9nergie où les différentes technologies lithium sont entre 0.72 et 1.8 MJ/kg … En pratique, un facteur 2 c’est vite gagné (ou perdu) avec l’emballage de la batterie, le refroidissement, la sécurité etc. pour les voitures, il faut un facteur 10 …

  • Hal

    Un mot pour faire de la publicité aux super condensateurs mis en service sur des bateaux navettes à Lorient. Cette technologie apporte un plus par rapport aux batteries car elle permet une recharge très rapide et une durée de vie supérieure.

    http://www.supercondensateur.com/bateau-electrique-a-supercondensateur-ar-vag-tredan

    • Goulu

      Oui, merci c’est très intéressant, c’est la plus grosse application de supercaps que je connaisse.

      Sur http://www.meretmarine.com/fr/imprimer-article/78823 je lis que le bateau consomme 15 à 20 kWh par rotation, je me dis (n’ayant pas trouvé les chiffres) que le supercaps doivent en stocker le double par précaution, disons 40 kWh. Commes elles pèsent 9 tonnes, la densité d’énergie stockée est approximativement de 7 Wh/kg, soit 0.144 MJ/kg, ce qui est peu selon le tableau de https://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d'%C3%A9nergie qui indique 0.56 MJ/kg pour des supercaps…

      Je pense que c’est du à la taille du système, qui demande une meilleure isolation, une plus grande solidité mécanique etc. Mais dans un bateau on n’a pas forcément besoin d’une densité d’énergie élevée.

      • Hal

        Une question qui n’a rien à voir :
        Avant quand on branchait un transfo prévu pour du 110 sur du 220 v, ça « cramait » l’appareil. Maintenant un PC portable peut avec la même prise être branché en 110 (USA) ou en 220 sans problème. Comment est-ce possible ?

  • Hal

    Une nouvelle piste de recherche : la rhubarbe
    On trouve aussi dans la plante aux tiges rouges, et en grande quantité, un composant chimique qui pourrait devenir un élément essentiel dans le secteur énergétique, le quinone. Il s’agit de sous-familles d’hydrocarbures qui ont deux particularités : être solubles dans l’eau et capables de transporter les électrons.
    Voir à ce sujet un article dans la Tribune . fr
    http://www.latribune.fr/technos-medias/innovation-et-start-up/20140113trib000809107/la-rhubarbe-une-solution-pour-stocker-de-l-electricite.html

  • SpaceCowb

    Si je suspends un poids de 300 kilos à 5m du sol, l’énergie potentielle stockée est ..
    E = mgh = 300 * 9,81* 5 ~= 15 kj ~= 4 kwh. C’est pas mal !
    Reste à penser un système qui permet de faire monter ce poids avec de l’éolien par exemple et qui transforme cet énergie en électricité, et en imaginant un rendement de 25%, ça nous fait 1kwh, de quoi faire marcher un lave linge.
    Je ne crie pas victoire mais je trouve cette solution très prometteuse, en tout cas plus que celle qui consiste à acheter une centaine de batterie au plomb chez soi.
    Je cherche à devenir indépendant énergétiquement, que pensez-vous de ce système de stockage ? Pensez-vous qu’on puisse utiliser l’éolien pour charger ce système, sans avoir une éolienne de 100m de haut comme celles que l’on voit près des centrales ?

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      4kWh c’est juste assez pour vous cuisiner un bon repas, environ 50 centimes d’Euro d’électricité. A vous de voir combien vous consommez entre deux pics de vent chez vous, et la puissance de l’éolienne dont vous avez besoin sachant que le facteur de charge de l’éolien est entre 20 et 25% aux bons emplacements.

      Les grandes éoliennes actuelles ont des puissances de l’ordre de 4 MW, et si vous voulez qu’elle soit capable de produire 1MW continu, il faut pouvoir stocker cette puissance pendant une semaine, disons 5 jours. 5*24h*1MW=120MWh, il faut faire monter 450 tonnes à 100m de haut …

      Donc en petit peut-être, et plutôt pour lisser la production sur plusieurs heures plutôt que sur plusieurs jours… Mais pourquoi vous casser la tête avec ça ? Vendez-vous pas votre électricité en touchant la subvention et en laissez les distributeurs et consommateurs se débrouiller ! ;-)

      • SpaceCowb

        Alors imaginons que j’ai chez moi :
        – 5 ampoules LED 20w que j’allume le soir 3h –> 20 * 5 = 100 wh / jour = 700 wh / semaine
        – un wok 1200 w que j’utilise 1/2 heure chaque jour –> 4200 wh/semaine
        – Une machine a laver que j’utilise 1 fois par semaine –> 1 kwh/semaine
        – un ordinateur qui alim + écran utilise 600 w et que j’utilise 1h/semaine –> 600wh/ semaine

        en tout 7 kwh/semaine –> , c’est peu mais je suis prêt à faire des sacrifices =D
        En supposant un rendement énergie stockée/ énergie délivrée de 25%, et en voulant stocker pour 5 jour j’ai environ 20 kwh à stocker. Ca nous fait on va dire 80 kJ = 2 tonnes * 10 * 4m

        Si je suspends 4 poids de 500 kg à 4m de haut je peux donc stocker 20 kwh et en théorie fournir 5kwh pour subvenir à ma consommation électrique sur 5 jour .

        Par contre je ne dois pas libérer cette énergie en continue, il faut que je limite ma quantité d’énergie produite et la puissance libérée en fonction de l’usage que j’en fais.

        Pourquoi me casser la tête à vouloir stocker mon énergie plutôt que la revendre à EDF ? Parce que je tiens à mon indépendance :-)

        • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

          Sur la consommation d’un ménage de 4 personnes j’ai ça : http://declics.romande-energie.ch/articles/quelles-sont-les-sources-principales-de-consommation-dun-m%C3%A9nage-suisse . (et les ménages représentent moins de la moitié de la consommation d’électricité : vous en consommez autant au boulot, et pour les transports en commun etc.)

          Effectivement, le stockage gravitationnel est une technologie éprouvée depuis le XIVème siècle pour les horloges, et aujourd’hui on pourrait suspendre des batteries au plomb ;-)

        • Gabriel Pettier

          Si vous voulez un ordinateur dans ces conditions, dites exit le desktop de 600W, pensez plutôt netbook ou tablet arm, Joey Hess, un développeur que j’admire beaucoup, vis dans les bois (parfois dans une yourte) en toute indépendance énergétique avec ses panneaux solaire, batteries, récupérateurs d’eau, et groupe électrogène en cas de soucis, c’est très intéressant de suivre ses évolutions sur son blog: http://joeyh.name/blog/entry/solar_year/ http://joeyh.name/blog/entry/getting_to_know_my_batteries/ il a aussi son entré sur « the setup » qui dénote un peu des autres ^^ http://joey.hess.usesthis.com/

          Pour l’indépendance à EDF, je dirais que le mieux est l’ennemi du bien, ça peut être une première étape tout a fait acceptable de dépendre d’EDF en appoint, quite à leur revendre quand tu es excédentaire, pour lisser les moments où tu manque, si tu vois à un moment que tu es *toujours* en positif, tu pourra choisir entre l’indépendance totale et une rentré d’argent contribuant à offrir de l’énergie propre aux autres (je n’y vois que des avantages, mais bon).

      • SpaceCowb

        Je pense avoir trouvé comment charger ce système avec une petite éolienne. Si j’accroche le poids à un système de poulies composées ( wiki –> http://fr.wikipedia.org/wiki/Poulie ) et que de l’autre côté j’accroche un bac d’eau, alors au fur et à mesure que le bac se remplit, le poids monte. Et pour remplir le bac, je fais tourner grâce à ma petite éolienne une roue, laquelle entraîne une courroie transporteuse qui prélève de l’eau dans un bac au niveau du sol, et qui la fait tomber dans le bac accroché à la poulie. Ingénieux non ?

        L’avantage avec ce systeme c’est qu’une fois chargé, on peut contrôler la puissance libérée en vidant plus ou moins vite le bac à eau, et stopper la production d’énergie en arrêtant l’écoulement.
        Qu’est ce que vous en pensez?

        Reste le problème de savoir comment récupérer cette énergie potentielle et la transformer en énergie électrique…

  • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

    l’article de RTE http://www.audeladeslignes.com/stockage-massif-electricite-23356 contient une figure qui place les diverses technologies de stockage d’électricité sur l’axe du statut de développement

    http://www.audeladeslignes.com/wp-content/uploads/2014/02/schema_stockage.jpg

  • http://tykayn.fr/ TyKayn

    cher Dr Goulu, ça fait des années que je me demande « mais pourquoi on ne stocke pas l’énergie des éclairs, alors qu’on sait faire tomber la foudre à certains endroits précis, et qu’il existe des régions connues pour être orageuses très souvent » :)