L’énergie de la foudre 27


Incorrigible. Voilà le type de question que je me suis posé récemment  dans mon lit, pendant un bel orage nocturne : “Comment récupérer l’énergie de la foudre ?”

Ce site fournit plein d’informations intéressantes comme:

  • la puissance d’un éclair est d’environ 20 GigaWatts, soit 20 centrales nucléaires !
  • mais il ne dure que 25 millisecondes, donc l’énergie n’est que de 140 kWh, soit Frs 30.- d’électricité à tout casser…
  • Si on parvenait à capter l’énergie de tous les éclairs frappant la France, ça pourrait alimenter environ 5000 ménages. Seulement.

Bref, contrairement à une idée répandue que je partagais jusqu’ici, la foudre n’est pas une source d’énergie renouvelable potentielle et miraculeuse, même si certains veulent y croire…

De plus, même si on le voulait, on ne sait pas comment injecter 20 GW d’un coup sur le réseau. En fait, ça arrive accidentellement lorsque la foudre touche une ligne à haute tension, et en général on se retrouve dans le noir grâce aux “fusibles” du réseau.

L’alternative consisterait à stocker l’énergie pour la restituer plus lentement, mais là encore, il n’y a aujourd’hui aucune technologie permettant de stocker 140 kWh en 25 millisecondes. On pourrait penser à:

  1. des condensateurs, mais comment les charger sous la tension de 100’000’000 Volts typique d’un éclair sans qu’il ne claquent ?
  2. un anneau supraconducteur. Sur cette page, on mentionne un anneau en développement qui serait capable de stocker 0,14 kWh en 1 seconde. Il faut encore gagner un facteur 1000 sur la capacité et 40 sur la vitesse. Ce n’est pas pour demain donc
  3. une idée folle qui m’a traversé l’esprit, mais il faudrait faire des calculs pour évaluer son degré de folie : l’utilisation de matériaux piezo-électriques. Intuitivement l’idée est la suivante:
    1. foudroyer une tas de PZT, ce qui provoque une déformation mécanique très rapide (moins d’une milliseconde) : le matériau se comprime comme un ressort
    2. restituer l’énergie en laissant le piezo se relaxer lentement.
  • Chix

    Bonjour,
    Passionné par le biomimétisme, je voulais vous demander si vous saviez s’il y existait des études portant sur la recréation du phénomène de la foudre dans des nuages artificiels à petite échelle ?
    En lisant des articles sur le sujet de la captation de la foudre ou encore du stockage de l’énergie de celle-ci, je me suis posé la question : est-ce que le phénomène, bien que l’explication de sa genèse ne fasse pas l’unanimité dans la communauté scientifique, est-il possible à reproduire en laboratoire ? Ou encore mieux : ne serait-il pas une nouvelle alternative en terme d’énergie renouvelable qui est essentiellement basée sur l’énergie cinétique et solaire (alors que l’explication actuelle de la formation des éclaires serait basée sur une sorte de frottement entre les particules) ?
    J’avoue que je peine un peu à trouver des réponses à ces questions.
    Merci d’avance pour votre réponse.

    • Bonne question. Je n’ai pas trouvé de référence à un orage en laboratoire. Je pense que c’est un problème d’échelle : selon ce lien et d’autres similaires “Un cumulonimbus (nuage d’orage) de bonne taille pourra peser de 50 000 à 300 000 tonnes d’eau, pouvant atteindre 800 000 tonnes pour les plus gros”. La “bonne taille”, c’est plusieurs kilomètres cubes (disons 5km x 5km x 5km= 125 km3), tout ça pour contenir l’énergie de quelques éclairs à 140 kWh pièce.

      Si on voulait/pouvait faire un nuage de labo de 50m x 50m x 50m, il serait environ un million de fois plus petit que le nuage d’orage, donc contiendrait une charge 1 million de fois plus faible : on aurait des éclairs de 140 milliwatts seulement. L’inconnue me semble être la tension à laquelle on arriverait à charger notre mini nuage. Si elle est d’un millionième du gros, le nuage devra être un million de fois plus proche du sol pour que notre éclair de 140mW claque : quelques millimètres au lieu de quelques kilomètres…

      Sur l’explication de la formation des éclairs, les deux explications que vous mentionnez ne sont pas contradictoires mais complémentaires. C’est bien l’énergie solaire qui, réchauffant l’air, provoque des mouvements de convection de l’air. En entraînant des gouttelettes et cristaux de glace, ces courants provoquent la charge électrostatique du nuage. Cette partie semble encore assez nébuleuse (…), en effet. Un nuage stocke donc en effet un tout petit peu d’énergie solaire sous forme de charge électrostatique.

      Il en stocke beaucoup plus dans l’énergie potentielle des 300’000 tonnes d’eau entraînées à 5km de haut. Ca fait 4 millions de kWh, 28000 fois plus qu’un éclair ! Et on arrive à récupérer facilement une partie de cette énergie dans les centrales hydroélectriques qui, en passant, fournissent 2/3 de l’électricité renouvelable de la planète (et beaucoup plus en Suisse)

      • Chix

        Merci beaucoup pour votre réponse.

        Je me doutais que l’encombrement du nuage allait être un facteur embêtant…
        Même si j’espérais tout de même trouver des recherches sur un quelconque mimétisme de ce qui se passe au-dessus de nos têtes en utilisant d’autres éléments que la molécule d’eau.
        (essentiellement avec ce lien génial https://asknature.org/)

        Après, de ce que j’avais étudié, les gains de grésille, formés à partir d’un flocon auquel des fines gouttelettes se sont attachées en gelant instantanément,
        tombent du fait de leur poids après être montés très haut dans le nuage grâce aux courants d’air chauds ascendants. Et c’est dans cette chute que ces grains frottent d’autres cristaux créant alors ces charges électriques qui donnent les éclairs.
        Je recherche donc toujours des études utilisant un mécanisme analogue aux frottements de petits éléments entre eux pour capter de l’énergie électrique.

        Par ailleurs, toujours dans l’idée d’exploiter de manière durable ce que la nature nous offre,
        pensez-vous qu’il est possible de décharger un nuage au fur et à mesure par le biais, par exemple, de système embarqué dans les nouveaux dirigeables qui vont bientôt faire leur grand retour ?

  • WATRIN

    Bonjour Dr Goulu
    Ne serait-il pas possible de stocker cette energie sous forme d’hydrogene, produit par hydrolyse ?

    • Dr. Goulu

      Vous voulez certainement dire électrolyse au lieu d’hydrolyse

      Le problème est que l’électrolyse fonctionne à basse tension, autour de 2V pour de l’eau (salée ou acidifiée pour la rendre conductrice) et produit une quantité d’hydrogène proportionnelle au courant et au temps, alors qu’un éclair a une très haute tension, un relativement faible courant et une très courte durée (voir un de mes commentaires précédents et http://www.pfgtechnologie.be/Energie/Divers/Foudre/foudre.htm )

      Donc en gros votre idée est possible (d’après certains liens trouvés, un peu d’eau se dissocie effectivement lorsqu’un éclair “tombe” à l’eau), mais on aura un très très mauvais rendement, disons 1% en étant optimiste…

      A moins qu’on ne trouve le moyen de réduire la tension d’un facteur 500’000 sans trop de pertes, ce qui revient à dire qu’on augmente le courant (~200A) d’un facteur 500’000 aussi pour atteindre 10 Mega Ampères…

      Comme c’est la première fois de ma vie que je vois un courant si fort, je cherche et tombe sur https://en.wikipedia.org/wiki/Mega_Ampere_Spherical_Tokamak : c’est le genre de courant qu’on utiliserait pour chauffer un plasma pour provoquer une fusion thermonucléaire…

      Donc le problème revient à faire un tel transformateur, et ça on sait pas faire… Et si on savait, on pourrait charger des condensateurs ou allumer des tokamaks tout aussi bien qu’électrolyser de l’eau…

  • ziboum

    La puissance d’un éclair est d’envron 20 GW …une bonne âme pour m’expliquer le calcul pour trouver cette valeur ?

    • http://www.pfgtechnologie.be/Energie/Divers/Foudre/foudre.htm :

      Le champ électrique atmosphérique sous nuage orageux est de l’ordre de 20kV/m. Donc la différence de potentiel nuage-sol avoisine 100MV. En moyenne, un éclair transporte 5 C. L’énergie d’un éclair est donc: 100 MV x 5 C = 500 MJ.

      Un éclair dure en moyenne 25ms si on ne tient compte que d’un coup unique sans réilluminations. Donc, la puissance moyenne d’un éclair = 500 MJ/25 ms = 20 GW. Ampérage = 20 GW / 100MV = 200 A

  • Decoopman

    Et pourquoi pas mettre une très grande surface rempli d’eau ( ce qui atténurai la puissance) et mettre toute less batteries en dessous pour quelle puissent charger grâce a des cables placé dans cette étang ? sa pourrait fonctionner

    • Le problème c’est que l’eau va “atténuer la puissance” en chauffant sous l’effet du courant, pas stocker l’énergie électrique.

      Dans https://www.drgoulu.com/2012/10/07/comment-stocker-lenergie/ j’ai mis un graphique des différentes technologies de stockage d’énergie. Ce dont on a besoin pour stocker un éclair de 20 GW en 25 milliseconde se trouve plusieurs centimètres en dessous et à droite du coin en bas à droite…

      Et selon la règle “1€/1W de puissance installée “, un système capable de capter un éclair par an doit coûter 16 centimes …

      (pas de problème, ici rien ne dort 😉 )

      • Decoopman

        Oui mais l’eau redistriburai plus l’énergie sur une plus grande surface avec moins de puissance et elle serait donc plus facile a stocker , même si il y a une petite perte d’énergie pendant la transaction , du moins je pense que sa pourrai marcher , et la surface pour etre au bonne endroit serait plus importante

        • Vous confondez énergie (en Joule ou kWh) et puissance (en W).

          Comme indiqué dans l’article, un éclair n’a pas une énergie énorme. 140 kWh ça peut se stocker dans une grosse batterie. Par contre, une puissance de 20 GW et une tension de 100 millions de volts, c’est vraiment énorme.

          Pour répartir cette puissance sur une grande surface, il faut un bon conducteur électrique, ce que l’eau (même salée) n’est pas. L’eau de mer a une résistivité d’environ 20 Ωcm, alors que celle du cuivre est environ 100 milliards de fois plus faible. Autrement dit, l’eau distribue très mal l’électricité : l’effet joule va la vaporiser un peu autour du point d’impact, les poissons à quelque mètres de là vont se faire électrocuter, et à 100m de l’impact il n’y a plus rien.

          Désolé, votre idée n’est pas suffisamment bonne…

  • Rodolphe

    Bonjour, votre problème semble compliqué à résoudre, capter un évènement qui dure 25ms et le restituer le plus lentement possible sous sa même forme, à savoir l’électricité. A votre avis, serait il possible de transformer cette énergie en chaleur ? Par exemple, un éclair pourrait il chauffer instantanément à travers une énorme résistance, une certaine quantité d’eau (ou un autre fluide caloporteur) qui ensuite restituerait sa chaleur lentement ? Quelle volume pourrait être ainsi chauffé et à quelle température ? Est ce que cela permettrait une injection “gratuite” de chaleur dans un circuit de chauffage ? Mon idée vous parait-elle totalement saugrenue ?

    • Poffcorn

      Selon moi et mes connaissances actuelles sur l’électricité, le problème de ton idée est que l’éclaire ne sera pas captée par ton système puisque l’électricité voyage toujours par le chemin le moins résistant. Donc l’éclaire ne frappera jamais ton système.

  • Pingback: site by tpeorage - Pearltrees()

  • franck

    Stocker une telle energie est sans doute un problème. Cependant je vous invite à vous interesser au barrage d’Assouant en egypte. Pendant la crue du Nil, ils produisent plus qu’ils ne consomment (2.1 GW) et dans un pays aussi pauvre, on n’aime pas le gaspillage. Aussi le système de stockage est simple: une anode et une cathode et en avant l’hydrogène!. L’oxygène est revendu , l’hydrogène est stockée sous haute pression ( trois fois celle du butane) et réintroduit dans un pile à combustible pendant la basse saison. Certains parlent d’un rendement de 55%, d’autre de 75%…. Brefs, assouan étant situé au sud de l’egypte, on ne pouvait pas tansferer toute l’energie du barrage directement dans les grandes mégalopoles du nord, alors il fallait le “stocker”.
    Mais revenons à notre éclair et aux idées loufoques qu’ils sucitent.
    Cela pose deux problèmes:
    -Etre au bon endroit au bon moment avec le materiel adapté
    -Stocker cette energie miraculeuse
    Suivez mon resonnement et puisque je vis aux antilles francaises, vous allez vous demander quelle est cette herbe que j’ai bien pu fumer…

    Premièrement , je crois que capter l’energie d’un orage n’est pas si compliqué. Je crois qu’un scientifique l’a démontré par le passé avec un cervollant. Depuis des gens pleins d’humour ont réédité l’exploit à l’aide d’un cable enrouleur relié à …… une fusée pyrotechnique! (voir sur you tube). L’effet est fantastique, il faut juste s’entrainer à l’épreuve athlétique du 110 mètres haie, parce que lorsque le cable décolle, faut mieux ne pas rester là.
    Comme tout bon breton immigré en Caraïbes je suis marin, et des orages dans cette partie du monde, j’en ai (malheureusement) croisé au dessus de mon mât en pleine mer. Je n’ai jamais été foudroyé, car si tel avait été le cas, je ne serais pas en train de vous faire perdre votre temps avec mes suggestions loufoques .
    J’attire juste votre attention sur le fait que la partie equatoriale est la plus riche en orage, et que déplacer du matériel encombrant sur des longues distances ne peut s’effectuer que sur l’ocean. De plus la mer est le seul endroit où l’on peut librement exploser en mille morceaux sans déranger le voisinage. Moi qui ai l’habitude de scruter ma météo pour éviter les orages j’imagine un bateau qui irait affronter la houle pour justement les traquer, avec à son bord un joli lot de fusée et un cable enrouleur (Je suis toujours à la recherche d’un kamikaze pour skipper l’engin; De preférence quelqu’un en fin de vie et qui n’a pas d’enfant).
    Mon bateau (un bateau drone, puisque les volontaires ne se bousculent pas) enverrai son joli cable à plus de 300 mètres jusqu’à créer l’inévitable. Vient la question du stockage me direz vous??? Et bien imaginons que l’on puisse répartir cette énergie sur plusieurs bornes positives et négatives pour “diluer” la puissance sur de multiples points, nous avons alors un mélange eau de mer dessalée + électricité = hydrolyse . Et voilà mon rafio chargé d’hydrogène et d’oxygène!
    Bien sur, je sais que le mélange arc electrique de plusieurs milliers de volt + hydrogène compréssé + oxygène peut envoyer mon petit navire en orbitre géo stationnaire, mais admettez que c’est un (petit) début de resonnement. Pour créer l’équivalent d’un litre d’essence en hydrogène, il faut la bagatelle de 10kw! Alors naviguer au beau milieu de l’enfer en se faisant plusieurs fois foudroyer (sacré ambiance à bord!) peut créer quel volume de carburant?
    Le prix de cette energie étant négocier à environ 0.3€ (à equivalence litre essence), à combien peut estimer le rendement de mon bateau de croisière en admettant qu’il n’ai pas été pulvérisé?
    Je sais que je parle d’argent, mais comme vous l’avez peut être deviné, je ne sus pas un scientifique, juste un industrielle très rêveur qui passe beaucoup de temps sur l’océan.

    N’hésitez pas à me répondre.
    Merci

    • Merci pour l’info concernant l’installation d’électrolyse à Assouan. J’ai visité ce barrage il y a assez longtemps et je n’avais pas entendu parler de ça. Après recherche, il semblerait que ce soit une usine d’engrais qui fait de l’électrolyse pour son propre usage, à savoir vendre aux agriculteurs de l’engrais qu’ils recevaient gratuitement avec le limon du Nil avant… :

      L’idée de la création de la société (KIMA) à Assouan pour exploiter la puissance électrique produite par la centrale du barrage d’Assouan en 1956 pour la possibilité d’exploiter de la majeure partie surplus de puissance de la station qui produit 280 mégawatts

      La société KIMA consomme environ 200: 220 MW et la plupart est consommée dans les opérations d’électrolyse de l’eau dont les principales matières premières (électricité – eau – air).

      Usine d’engrais se compose des sections suivantes:

      1 – Département de la production d’hydrogène et produit environ 37.000 mètres cubes / heure par électrolyse de l’eau.

      Je n’ai pas trouvé trace de pile à combustible ni de stockage d’énergie sous forme d’hydrogène en Egypte. Si vous avez un lien ou une référence papier, ce serait sympa de me le communiquer. En passant ce n’est de loin pas simple de faire de l’électrolyse avec des centaines de megawatts, ni de stocker de grosses quantités d’hydrogène.

      Pour la foudre, comme je le mets dans l’article le problème vient de la très courte durée de la décharge, environ 25 millièmes de seconde. Même si vous vous trouvez en permanence au beau milieu d’un superbe orage qui vous envoie un éclair par minute, votre installation ne fonctionnera que 0.04% du temps et ne vous fournira “que” 8 MW de puissance moyenne.

      Diriger l’éclair vers beaucoup d’électrodes divisera le courant, mais pas la tension, or la tension doit être autour de 2 volts seulement pour un bon rendement ( ) Avec des millions de volts, l’eau au contact direct des électrodes sera électrolysée en faisant de grosses bulles qui empêcheront l’eau environnante de venir au contact en 25 ms. Dans ce bain de bulles, la constante diélectrique s’abaissera et il y a de fortes chances que votre éclair ait alors la mauvaise idée de se propager dans ce mélange d’hydrogène et d’oxygène…

      Pour corriger un peu vos chiffres, 1 kg d’essence correspond à environ 500g d’hydrogène , soit 250 moles de H2, lesquels occupent 5.6 m3 à 1 bar, ou 18 litres à 300 bars (mais n’oubliez pas de compter l’énergie nécessaire pour la compression…) Pour une bonne électrolyse il faut 42 kWh / kg d’hydrogène, donc 21 kWh pour nos 500 grammes et même avec un kWh à 10 centimes d’euros ca donne 2 Euros par équivalent de litre d’essence. C’est d’ailleurs pour ça qu’on ne produit pas l’hydrogène comme ça

      • TeslaPeutNousAider

        Et si on se servait d’une bobine de tesla pour inverser le rapport Courant / Tension (baisser la tension et augmenter le courant) de sorte qu’on puisse ensuite diviser ce courant sur plusieurs branches d’electrolisation au beau milieu de la mer / mini barrages dont les electrodes sont plutôt des planques profondes à large surface?

        http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/QRorages.xml

        • Ne pas oublier l’aspect “fréquence” : les transformateurs (de Tesla ou autre) utilisent le courant alternatif, or un éclair est une décharge “continue” de courant. On peut imaginer récupérer une partie de l’énergie dissipée par rayonnement électromagnétique, dans les ondes radio notamment. D’ailleurs il ne se passe rien d’autre quand on “entend” un éclair à la radio 😉 Mais les 99% (au pif) de l’énergie (pas si énorme que ça, une fois de plus) sont vraiment dans le “fil” conducteur qui se crée …

          En passant, le transformateur de Tesla est un circuit résonnant (R)LC qu’il faut ajuster assez finement, je ne suis pas sur qu’on puisse l’inverser facilement, ni l’utiliser avec une source variable …

  • Herbette Séverine

    Bonjour,
    je voudrais savoir quelles sont les sources de vos informations, (Car j’en ai besoin pour mon tpe.)
    Merci d’avance.

    • C’est un vieil article, à part les liens publiés je ne me souviens pas bien de ce que j’avais consulté… Il me semble avoir lu quelque chose dans “Pour la Science”, mais je ne le retrouve plus.

      La Wikipédia mentionne une énergie par coup de foudre double de la mienne, ce qui ne change pas grand chose, mais ils n’ont pas plus de références…

      Je viens de trouver encore d’autres calculs ici

      Il y a encore d’autres chiffres sur ce forum, donnés à un étudiant faisant un TPE en 2003, peut être celui-là 😉

      Sur quoi porte ton TPE ? On peut peut-être t’aider sur des questions précises…

  • kouassi hermann

    merci pour les info,maintenant je veux savoir s’il existe des documents pour mieux comprendre s’il était possible d’utiliser l’énergie de la foudre. faite le par mail s’il vous plaît

    • avy

      Salut, si tu as recu des mails interessants et des directions interessantes je serai tres interesse de voir. Ca a l air d etre un probleme passionnant et puis si on trouve une solution ca serait une contribution a l humanite.

      Avy

      • non je n’ai pas reçu plus d’infos, mais comme je le montre dans l’article ce n’est pas qu’un problème technique : la foudre ne peut fournir que trop peu d’énergie pour que ce soit intéressant de la capter.

        D’un côté on a le solaire et l’éolien : des puissances faibles sur de grands espaces et de grandes durées aléatoires, de l’autre avec la foudre une puissance énorme et localisée mais concentrée sur une durée extrêmement courte et aléatoire… Et ce dont on a besoin, ce sont des puissances moyennes, assez concentrées mais pas trop, mais idéalement disponibles sur demande…

  • Pingback: Eclairs au ralenti « Dr. Goulu()

  • Dr. Goulu

    Merci pour le compliment, Alain.
    Oui, câbler chaque nuage est une idée intéressante… Encore faudrait-il qu’il reste sagement immobile pendant sa charge… Et apparemment on ne sait encore pas très bien comment se chargent les nuages ( http://fire.cfs.nrcan.gc.ca/faq_lightning_f.php )

  • Alain Pauli

    Il y a encore (au moins…) une autre solution : vider lentement l’énergie s’accumulant entre les nuages et le sol par des réseaux de câbles, avant qu’elle ne s’accumule trop et qu’elle ne provoque des éclairs !! Bon, niveau sécurité aérienne, c’est pas terrible… ni pour la beauté du paysage. Ou alors, il faudrait lever les câbles juste avant, à l’annonce d’un orage.
    Ceci dit, super ton blog 8)