Le blog de doc zaius

13 Mai 2012

Les certitudes de la Science des lumières ont définitivement rangé l’alchimie au placard des pseudo sciences, en compagnie des phénomènes paranormaux, récemment rejoints par les OVNIS, le Yeti et les extraterrestres.

Quelques phénomènes inexpliqués trouvent encore cependant une certaine créance, dans le cadre des croyances religieuses il est vrai, les uns soutenant les autres comme l’aveugle soutient le paralytique. On parle alors de miracles, sans toutefois prétendre à une quelconque onction scientifique reconnaissons-le.

Il est de ces des mystères impénétrables…

La Science avec un grand S s’est instituée le garant d’un paradigme à l’intérieur duquel n’ont droit à l’existence que les phénomènes dûment théorisés et démontrés.

Pour faire de la recherche il faut beaucoup d’argent, lequel n’est disponible que pour les travaux dont le but est conforme au paradigme.

Mais, faites-vous remarquer, si l’on n’obtient des crédits que pour ce que l’on connait déjà, comment ferons-nous des découvertes nouvelles ?

Comment ferons-nous pour aller voir ce qu’il y a au-delà du paradigme ?

Eh bien vous n’irez pas, car aller voir au-delà du paradigme, ce n’est pas politiquement correct, et si vous insistez vous serez déconsidérés et votre carrière en souffrira.

Il y a, ainsi , des sujets de recherches tabous pour lesquels il est impossible de trouver des soutiens et des crédits.

La fusion froide est l’un de ces sujets.

Qu’est-ce que la fusion froide ?

La matière est constituée d’atomes. Les particules des noyaux atomiques (Protons, Neutrons,…) tiennent ensemble grace à des forces de liaison et les édifices atomiques contiennent de ce fait une énergie potentielle importante, qu’il est évidemment interessant de chercher à récupérer pour nos besoins.

Jusqu’à présent, on exploite cette énergie potentielle grace au phénomène de fission spontanée des noyaux de certains éléments, c’est la radioactivité. Ces noyaux sont assez coopératifs pour se casser spontanément, libérant une partie le leur énergie potentielle. On en met beaucoup et ainsi on récupère beaucoup d’énergie.

Mais on récupère aussi beaucoup d’ennuis: les réactions génèrent de nombreux déchets eux-même radioactifs, si la réaction s’emballe on risque un Fukushima, et de plus les réserves de produits radioactifs sont limitées.

Un autre procédé est possible, c’est celui qui se déroule dans notre Soleil, c’est la fusion, qui est l’inverse de la fission. L’ennui c’est qu’il nécessite des températures extrêmes et des conditions que l’on ne sait pas encore réunir. Le projet ITER a pour but de tenter de réaliser la fusion à une échelle énergétique industrielle.

ITER est une machine colossale qui devra supporter des conditions extrêmes. Un éventuel aboutissement n’est pas attendu avant la fin du siècle.

La Science officielle n’explore aucune autre piste car le paradigme en vigueur postule qu’il n’y a pas d’autre piste, la théorie s’y oppose.

L’idée que la théorie en question n’est peut-être pas parfaite et pourrait contenir des lacunes laissant place à des voies nouvelles, est déjà une idée hérétique. Sa simple formulation par un chercheur équivaut à une auto-excommunication.

Privé de crédit ( discrédité), privé de soutien, interdit de publication, le chercheur téméraire en est réduit soit à faire amende honorable, soit à travailler en secret avec des moyens limités.

Des chercheurs indépendants ont osé braver le tabou et se sont demandé si par hasard il n’y aurait pas une méthode plus simple pour récupérer l’énergie contenue dans les noyaux.

Au cours des dernières décennies, plusieurs groupes de scientifiques ont réussi à publier les résultats de leurs travaux sur ce qu’il faut bien appeler la fusion froide. Les premières publications n’ont pas été convaincantes et ont été facilement contrées, ce qui a jeté le discrédit sur le terme même de fusion froide.

Les recherches n’ont pas été interrompues pour autant. Aujourd’hui on ne parle plus de fusion froide, mais de LENR ( Low Energy Nuclear Reaction), et il semble que l’affaire trouve un regain d’intérêt.

Il s’agit ni plus ni moins que de récupérer l’énergie potentielle de la matière en faisant appel à des réactions à basse température, et avec des moyens considérablement plus simples que ceux mis en œuvre dans un réacteur nucléaire ou un Tokamak.

Nous n’allons pas ici prendre parti.

Nous voulons simplement signaler que le tabou semble en parti levé, et que à la fois les grands laboratoires et les grandes compagnies commencent à s’intéresser à la question.

Nous suivrons cette affaire qui, si elle se révèle ne pas être un canular, ouvre la voie à une révolution énergétique aussi importante que la découverte de l’électricité.

28Avril 2012

Il paraît maintenant acquis que la première génération de voitures électriques produites en grandes séries sera équipée de batteries au Lithium. Plusieurs millions de véhicules électriques circulent déjà sur la planète, préfigurant la tendance à long terme de l’abandon progressif des carburants fossiles.

C’est sous la forme hybride rechargeable ( PHEV pour «Plug in Hybrid Electric Vehicle　» ) que les nouveaux véhicules vont se répandre, suivis plus tard par les EV, entièrement électriques. Ces derniers resteront cantonnés aux usages citadins et péri urbains　tant que le territoire ne sera pas équipé des infrastructures de rechargement ad-hoc, ce qui peut prendre une ou deux décennies.

La batterie au Lithium est actuellement la seule solution largement industrialisable capable de répondre aux besoins du marché automobile, même si son efficacité énergétique reste encore perfectible.

D’autres solutions sont en cours d’évaluation ou même de pré-développement, comme la batterie Zinc-air ou la pile à combustible dont la version à Hydrogène satisfait parfaitement aux nécessités écologiques. Des réalisations industrielles sont déjà commercialisées pour des applications spécifiques à poste fixe.

On peut penser que le Lithium occupera le terrain pendant une ou deux décennies, avant de partager le marché avec ces autres solutions faisant appel à d’autres technologies.

Le problème se pose donc de savoir où nous allons trouver ce Lithium, s’il y en aura pour tout le monde, et à quel prix.

La technologie de batterie Lithium-ion la plus adaptée au cahier des charges automobile est basée sur le composé Li M PO4 ( M pour métal), avec une préférence pour le Fer, soit Li Fe PO4, appelée LFP.

Le composé LFP constitue environ 75% du poids de la batterie, le reste comportant l’anode, les connexions, l’électrolyte, les membranes, la boîte, et l’électronique de contrôle.

La masse molaire du LFP est de 158 g, dans lesquels le Lithium figure pour 7 g, soit 4,4% , ce qui est plutôt modeste.

Le stockage de l’électricité, et son déstockage, sont réalisés grâce à l’intercalation et la désintercalation des ions Lithium dans la structure cristalline du LFP. Chaque molécule de LFP contribue donc en théorie à hauteur de la charge de un électron au bilan électrique (Un ion Lithium qui fait le va et vient entre la cathode et l’anode transporte avec lui une charge égale à celle de un électron).

Il est alors facile de calculer l’efficacité énergétique théorique du LFP (Rendement électrochimique), il suffit de multiplier le nombre de molécules présentes dans un gramme de LFP par la charge élémentaire.

On trouve 554 mWh /g, ou encore 170 mAh/g puisque la tension de cellule est de 3,3 Volt environ.

Mais cela vaut pour une masse de produit dont on peut exploiter toutes les possibilités de stockage du cristal.

En pratique le rendement d’intercalation/désintercalation dépend beaucoup de la structure du matériau LFP, qui elle-même est fonction de la méthode de préparation et de l’incorporation de certains adjuvants.

La technologie actuelle industrialisable permet d’obtenir une efficacité énergétique de l’ordre de 130 mWh /g de LFP, soit environ 23% de la valeur théorique.

Note:

De nombreux laboratoires travaillent à l’amélioration de ce paramètre, notamment par le recours aux nanotechnologies pour la préparation du matériau LFP. Une efficacité supérieure à 50% est envisageable à moyen terme ( 2015), comme le montrent les travaux du CEA.

Aujourd’hui, pour fabriquer une batterie de 24 KWh (par exemple comme celle de la Renault FLUENCE ZE), il faut donc 184 Kg de LFP avec une efficacité de 130 Wh/Kg, auxquels il faut ajouter l’anode, l’électrolyte, le container, l’électronique de contrôle, et la connectique, ce qui nous amène à 250 Kg environ, dont 8 Kg de Lithium métal.

Pour une voiture hybride rechargeable, une batterie de 6 KWh est suffisante. La quantité de Lithium métal nécessaire est alors seulement de 2 Kg.

Pour connaître la quantité de Lithium nécessaire à l’application automobile, il faut considérer plusieurs étapes, qui sont autant d’hypothèses de travail:

Une première période d’apprentissage, d’une dizaine d’années, pendant laquelle les PHEV feront la grande majorité du marché. Si l’on estime la pénétration du parc à 5% à la fin de cette première période ( 2025 ?), environ 40 millions de véhicules seraient des hybrides rechargeables, sur un parc estimé à 800 Millions de véhicules.

A raison de 2 Kg de Lithium métal par batterie de 6 KWh , 80 000 tonnes de Lithium métal seront donc nécessaires pour cette première période (qui viendront s’ajouter aux besoins des autres applications non automobiles).

Une seconde période, de deux ou trois décennies, qui verra la croissance du marché et son partage entre PHEV et EV. Lorsque 50% du parc sera équipé ( 400 Millions de véhicules), 2 Millions de tonnes de Lithium métal auront été utilisées ( Horizon 2040-2050).

Une troisième période pourrait voir l’introduction de la pile à combustible (ou de tout autre dispositif nouveau), susceptible de prendre une part importante du marché, réduisant d’autant la pression sur la demande de Lithium.

On peut, sur ces bases fragiles, estimer le besoin en Lithium métal à environ 4 Millions de tonnes pour équiper la presque totalité du parc, sur une période de quatre à cinq décennies (Horizon 2050-2060).

Durant cette période, de grands progrès sont attendus dans la fabrication des batteries, et il n’est pas déraisonnable d’envisager à court-moyen terme un doublement de l’efficacité énergétique qui passerait de 23% de la valeur théorique à 50%, ce qui diviserait par deux les besoins en Lithium (ou multiplierait par deux l’autonomie des véhicules).

Notons au passage que le Lithium n’est pas un combustible, il ne disparaît pas au cours du fonctionnement de la batterie, il est recyclable pour fabriquer d’autres batteries .

Une fois l’ensemble des véhicules équipés, c’est le même stock qui tourne, le Lithium des batteries usagées étant recyclé pour équiper les véhicules neufs. La consommation nouvelle de Lithium étant destinée à alimenter la croissance du stock.

Un peu comme l’acier des vieilles voitures qui est réutilisé pour faire des voitures neuves.

On peut donc estimer que 3 à 4 millions de tonnes de Lithium métal seront

«　immobilisées　» dans les batteries d’un parc automobile de 1 Milliard de véhicules et constitueront un stock tournant recyclable.

Ce stock devra être augmenté de 40 à 50 000 Tonnes de Lithium métal annuellement pour suivre l’accroissement du parc.

Ces chiffres sont à minorer en fonction de l’importance des parts de marché prises par les nouvelles technologies comme la pile à combustible, ou d’autres technologies de batteries, et des améliorations apportées à l’efficacité énergétique des batteries Li-ion.

Face à ce besoin, quelles sont les réserves disponibles ?

Aujourd’hui ces réserves ne sont pas identifiées de manière exhaustive. Les quelques sites exploités suffisent à répondre aux besoins actuels des outils de communication mobiles et des appareils électroniques divers tels que PC, appareils photos, tablettes, et de l’outillage portatif .

Mais la perspective de l’électrification du marché automobile, et des transports en général, a suscité une activité intense de recherche de nouveaux sites et d’identification des réserves possibles de Lithium.

Selon diverses estimations les réserves terrestres pourraient varier entre 50 et plusieurs centaines de millions de tonnes de produit de base ( carbonate et/ou chlorure de Lithium), soit entre 10 millions et plusieurs dizaines de millions de tonnes de Lithium métal. Le jackpot pour certains pays d’Amérique du Sud…

Le Lithium est également présent dans les océans . Mais l’extraction est plus difficile, donc plus chère.

Les réserves terrestres annoncées dans l’euphorie par les nouveaux futurs gagnants du loto sont à considérer avec circonspection, eu égard au caractère stratégique de la chose. Le lecteur averti aura compris que les chiffres produits sont à peu près aussi crédibles que ceux annoncés par les émirs (les vrais) pour les réserves de pétrole du Moyen-Orient…

Le passage du Pétrole au Lithium sous-entend de profonds bouleversements géopolitiques qui ne seront pas exempts de frictions entre les protagonistes du monde de l’énergie qui craignent de voir dépérir leur poule aux œufs d’or.

Il y a de la recherche d’indépendance énergétique dans l’air, et le fait que l’essentiel des réserves accessibles soit dans le continent Sud-Américain fait grincer quelques dents. D’aucuns craignent l’émergence d’un nouveau Moyen-Orient et s’empressent déjà auprès des futurs émirs afin de gagner les faveurs de l’OPEL ( Organisation des Pays Exportateurs de Lithium) qui ne manquera pas d’être créée sous peu. Quant aux Etats qui font aujourd’hui danser la planète au son du baril, ils craignent de se voir retirer leur bâton de commandement, ce qui les exposerait à toutes sortes de désagréments.

Tout ceci aura des répercussions directes sur le prix du produit, qui est déjà fortement orienté à la hausse.

Le matériau de base qui entre dans la fabrication du LFP est principalement le carbonate de Lithium Li2 CO3, dont le Kilogramme se négocie autour de 7 $, alors qu’il ne valait que 1 $ en 2005 .

Il n’intervient donc encore que pour une faible part dans le coût de la batterie, mais ceci pourrait changer dans le futur.

Le concept d’épuisement des réserves, au sens de l’épuisement du pétrole, est ici dépourvu de sens puisque le matériau utilisé n’est pas détruit mais recyclé et réutilisable indéfiniment. Le stock est simplement déplacé de la Terre vers les batteries, où il pourra être récupéré lorsque les batteries au Lithium seront remplacées par des piles à hydrogène ou une autre sorte de batteries.

Les choses se compliquent quelque peu si l’on considère un autre besoin de stockage d’énergie électrique, en relation avec la croissance des énergies nouvelles. En effet, le solaire et l’éolien sont des sources intermittentes, qui doivent alimenter un réseau sur lequel la demande d’énergie est également variable. Il est donc nécessaire de prévoir un tampon capable de stocker l’énergie quand l’offre dépasse la demande, et de la restituer dans le cas contraire. Aujourd’hui les énergies solaire et éolienne ne représentent qu’une très faible part de la production, leur intermittence est peu gênante et facilement gérée car l’essentiel de la production est assurée par des centrales thermiques dont la puissance peut être ajustée à la demande. Mais dans l’hypothèse d’une prépondérance des énergies nouvelles ( au-delà de 2030 ?) il devient indispensable de disposer d’un système de stockage de masse.

De tels systèmes sont à l’étude, certains déjà opérationnels à petite ou moyenne échelle. Plusieurs voies sont expérimentées comme le stockage direct en batteries, ou sous forme de chaleur dans des matériaux à changement de phase, ou dans des volants d’inertie, ou sous forme d’Hydrogène après électrolyse, etc…Sans oublier le pompage-turbinage déjà en service.

Le stockage en batteries Lithium-ion est une solution parmi d’autres, qui a le mérite d’être disponible aujourd’hui. Sa mise en œuvre pourrait aisément doubler ou tripler la demande de Lithium, avec cette fois des conséquences sur le marché, pouvant aller jusqu’à de réelles difficultés d’approvisionnement, si les réserves annoncées ne sont pas au rendez-vous.

Les obstacles qui pourraient freiner le développement de la voiture électrique sont en fait à rechercher ailleurs:

- Le pétrole, dont on annonce périodiquement l’imminente disparition, est toujours disponible sans restriction à la pompe, à un coût certes élevé mais encore gérable. Les conditions d’un basculement imposé vers l’électricité (prix excessif du pétrole et/ou restrictions ) ne sont pas encore d’actualité, et les prévisions dans ce domaine sont impossibles.

A moins que les rumeurs permanentes de conflit au Moyen-Orient ne trouvent une confirmation prochaine…

- Les politiques de lutte contre le CO2 sont décidées en tenant compte de la nécessité de préserver le secteur de l’énergie et de la construction automobile. Les règlementations sur les émissions de CO2 sont donc établies en tenant compte des progrès raisonnablement possibles des technologies actuelles. Les seuils imposés ne sont alors pas suffisamment dissuasifs.

De plus, toujours pour éviter des perturbations préjudiciables à l’économie du secteur, ces seuils ne sont applicables qu’aux véhicules récents.

Rien donc là non plus qui soit de nature à précipiter les acheteurs vers l’électrique.

- Le coût des véhicules hybrides rechargeables ( les seuls réellement utilisables en l’absence d’infrastructures de rechargement) est nettement plus élevé que leurs homologues classiques. Ce surcoût est normal s’agissant d’une technologie nouvelle et d’un marché naissant, mais l’acheteur hésite à sauter le pas car le différentiel de prix n’est pas compensé par l’économie de carburant promise, et la politique de prix du KWh de rechargement reste une inconnue, notamment la taxation. Sans parler de l’absence de bornes publiques de rechargement dont même les PHEV ont grand besoin.

- On pourrait cependant penser que les acheteurs soucieux de la protection de l’environnement choisiraient sans hésiter le véhicule électrique, mais ces acheteurs n’ignorent pas que l’électricité est aujourd’hui très majoritairement produite par des centrales thermiques émettrices de CO2, ou par des réacteurs nucléaires, émetteurs de substances encore moins recommandables. Rouler électrique ne change donc rien au volume de CO2 émis globalement. Ces acheteurs avisés savent par ailleurs que les projets de capture et séquestration du carbone n’aboutiront à des résultats concrets que dans une ou deux décennies.

- Les véhicules électriques PHEV sont équipés d’une batterie plus modeste que celle des EV, 6 KWh contre 24 Kwh en EV. Cette batterie de 6 KWh reste un composant onéreux dont la durée de vie n’excède pas quatre ou cinq ans. Le coût de son remplacement est à ajouter au coût d’exploitation.

Pour tous ces inconvénients les usagers en situation d’acquérir une nouvelle voiture ont donc d’excellentes raisons de rester dans le classique et de reconsidérer leur choix dans quatre ou cinq ans.

Dans cette situation, l’amorçage du marché nécessite quelques mesures incitatives des Etats, des constructeurs, et des distributeurs d’énergie électrique.

L’Etat peut intervenir par des mesures de défiscalisation, des primes, mais aussi en décidant d’une règlementation plus sévère, par exemple l’interdiction d’accès aux centre villes aux véhicules non électriques.

Les constructeurs peuvent offrir des contrats de garantie plus longs et plus sécurisants, incluant la batterie, et comportant notamment des garanties de reprise du véhicule.

Les distributeurs d’　électricité, aidés par une législation adéquate, peuvent mettre en place un réseau public de bornes de rechargement, et inciter les entreprises et les particuliers à faire de même dans leurs locaux. Les tarifs pratiqués ne devront évidemment pas être dissuasifs.

Il est donc fortement probable que le développement de la voiture électrique dépendra surtout de l’évolution du marché pétrolier, de la politique des Etats, des constructeurs, et des distributeurs d’énergie électrique.

L’hypothétique épuisement des réserves de Lithium n’est peut-être pas le principal problème…

13 Avril 2012

Donc nous voici une fois de plus mis en demeure de rouler électrique. Deux ou trois tentatives eurent déjà lieu dans le passé, la première à l’occasion de la crise pétrolière de 1973. Chaque tentative s’est soldée par un fiasco public et par l’achat d’une centaine de véhicules par EDF, la Poste et quelques collectivités locales.

L’impossibilité d’ouvrir le marché à un large public a toujours été liée à l’insuffisance d’efficacité énergétique des batteries.

La tentative actuelle semble plus sérieuse.

Au prix de prouesses technologiques très onéreuses, les fabricants de batteries sont parvenus à développer des produits industriels dont l’efficacité énergétique est 2,2 fois celle des batteries au plomb de mon grand père.

De 35 Wh/kg on est passé à environ 78 Wh/kg.

( La batterie de la Renault Fluence ZE offre une capacité exploitable de 22 KWh pour un poids total de 280 kg avec les dispositifs de contrôle et régulation, soit 78 Wh/kg ).

Ce progrès, au demeurant fort modeste, a suffi pour que les constructeurs se relancent dans la course.

Les usagers considèrent les nouvelles propositions avec une certaine perplexité.

Ceux qui font confiance à leur bon sens estiment que là où des batteries de 35 Wh/kg n’ont pas réussi à faire rouler convenablement des voitures de 800 kg, on ne voit pas très bien comment des batteries de 78 Wh/kg pourraient faire rouler des monstres de 1 600 kg ( Renault Fluence). Mais de nos jours le bon sens n’est plus aussi bien partagé que par le passé.

Lorsque ce sont les constructeurs eux-mêmes qui font preuve de bon sens, ils choisissent d’industrialiser des véhicules hybrides rechargeables, fournissant ainsi à la fois la ceinture et les bretelles.

La batterie et le moteur électrique deviennent alors des auxiliaires qui permettent de rouler (un peu) en ville à l’électricité, et d’utiliser le moteur thermique lorsqu’il s’agit de passer aux choses sérieuses.

Renault a choisi la solution tout électrique ( Nous déclinons toute responsabilité quant aux déductions que ce choix pourrait suggérer à propos du bon sens qui règnerait ou non dans les services marketing de la Régie ).

La Renault électrique ( Fluence ZE) est équipée d’un moteur de 70 KW de puissance max, alimenté par une batterie d’une capacité énergétique de

22 KWh. Le poids total est de 1 605 kg.

Un calcul élémentaire indique que l’objet pourra rouler à puissance max pendant seulement 19 (Dix neuf) minutes, à condition de couper la climatisation et/ou le chauffage et d’éteindre les phares.

Ce résultat ne manquera pas de susciter une certaine inquiétude chez l’usager conscient.

Inquiétude également présente dans l’esprit des concepteurs de la chose puisque la vitesse a été bridée à 135 Km/h afin de permettre un minimum d’autonomie.

Justement, quelle autonomie ?

Aucun usager sensé n’accorde le moindre crédit aux chiffres annoncés dans le catalogue, les 185 km sont obtenus dans des conditions d’essai NEDC parfaitement irréalisables en pratique courante.

Les essais publiés sur turbo.fr donnent les résultats suivants:

-test en conduite paisible avec climatisation modérée: 16,5 KWh/100 km

-test en conduite soutenue: 27 KWh/100 km

L’autonomie réelle serait donc comprise entre 80 et 130 km, selon la façon de conduire, et à condition de ne pas abuser de la climatisation ou du chauffage.

Il est bien entendu hors de question de tracter une caravane…

Un tel objet est donc inutilisable sur de grands parcours, du moins tant qu’une infrastructure de recharge rapide ou d’échange standard ne sera pas opérationnelle.

Cette infrastructure est une arlésienne qui risque de se faire attendre longtemps. En effet, dans l’état actuel des choses seuls pourront accomplir des grands parcours les véhicules hybrides rechargeables, pour lesquels aucune infrastructure n’est requise. Il faudrait donc mettre en place cette infrastructure uniquement pour les véhicules tout électriques, et dans ce cas les voitures devraient s’arrêter tout les cent kilomètres environ pour changer de batterie ou bien attendre une heure pour une recharge rapide.

Qui peut croire qu’un tel système est viable ?

Le véhicule tout électrique est donc plutôt réservé aux usages urbains et périurbains: Taxis, autolib, location, livraisons, tournées régulières, ou trajet travail pour particuliers fortunés ( seconde voiture ?).

Ce marché peut devenir très important si la règlementation anti pollution exige pour les villes une réduction drastique des émissions de CO2 , de NOx, et de nanoparticules, qui interdirait aux moteurs thermiques l’accès aux zones urbaines.

Les projets actuels de ZAPA sont très loin d’atteindre ce stade, elles ne visent que les véhicules les plus polluants, les véhicules récents ne sont pas touchés.

Les acheteurs de véhicules récents, qui auraient les moyens d’acheter une voiture électrique, ne seront donc pas incités à le faire. Les autres n’ont pas les moyens, ils prendront les transports en commun.

On peut donc penser que le marché du véhicule tout électrique type berline familiale routière ( nous pensons à la Renault FLUENCE ZE) restera un marché de niches pendant encore une décennie. Il pourra intéresser quelques compagnies de taxis, quelques clients particuliers, des loueurs de voitures, et des flottes de sociétés.

Ce marché ne doit pas être sous-estimé, il peut être fortement boosté par une règlementation favorable, des incitations fiscales ou des taxes dissuasives.

Notre arlésienne pourrait alors occuper le devant de la scène, au moins en ville.

6 Avril 2012

Le mythe du moteur à eau a toujours fait la joie des rédacteurs de revues de vulgarisation scientifique. Avec le mouvement perpétuel il est de ces illusions soigneusement entretenues pour alimenter nos rêves.

Mais on n’arrête pas le progrès, la science ne respecte plus les mythes, on vient de découvrir que ce fameux moteur à eau existe bel et bien, et depuis fort longtemps.

Une plaisanterie ? Pas du tout.

Non, je ne parle pas du moulin à eau de nos ancêtres, ni de sa version moderne qui équipe les barrages hydroélectriques, condamnés à mouliner sur place, je parle d’un moteur capable d’équiper un jour nos automobiles.

C’est très simple:

Prenez de l’eau standard, de la bonne eau que vous pouvez vous procurer gratuitement à la fontaine.

Bricolez sommairement un bac à électrolyse. Rien de bien compliqué, vous ferez selon vos moyens.

Branchez-le sur une source de tension continue assez énergique.

Il se passe ce que le maître d’école réalisait dans la classe pour la plus grande joie des galopins, l’eau se décompose en Oxygène d’une part, et en Hydrogène d’autre part, c’est l’électrolyse.

Recueillez soigneusement l’un et l’autre dans des récipients séparés, et mettez ces deux récipients de côté.

Bricolez ( encore) une pile telle que décrite dans les revues genre Système D . Là il faudra casser votre tirelire car les électrodes doivent être en platine.

Munissez le récipient contenant l’Hydrogène d’un tuyau et envoyez ce gaz dans le premier bac de la pile . Faites de même de l’autre côté avec l’Oxygène.

Branchez un moteur entre les deux électrodes.

O merveille, le moteur tourne.

Vous avez bien réalisé un moteur à eau.

Et en plus il vous restitue à la sortie l’eau que vous avez consommée dans l’électrolyseur. Plus écolo tu meurs.

Bien sûr les esprits chagrins feront remarquer que l’énergie dépensée pour électrolyser l’eau est supérieure à l’énergie fournie au moteur, et ils auront raison. Mais si cette énergie est fournie par un système hydroélectrique, nous n’avons consommé que de l’eau.

Nous avons alors bel et bien un moteur à eau, et si le rendement global n’est pas trop ridicule, l’affaire est viable.

C’est ce que les ingénieurs se sont dit, et ils se sont attelés à la rude tâche qui consiste à transformer un démonstrateur de laboratoire en une machine industrielle susceptible d’être produite en grandes quantités, pour un coût raisonnable et avec un rendement énergétique décent.

C’est la fameuse pile à Hydrogène, encore appelée pile à combustible (PAC, à ne pas confondre avec la pompe à chaleur !).

Si l’idée est séduisante, la réalisation industrielle se heurte à de nombreux obstacles:

- Pour équiper une auto avec un tel système il faut pouvoir emporter son hydrogène avec soi. Pour avoir suffisamment de molécules afin d’aller le plus loin possible ( chaque molécule d’Hydrogène ne donne que deux électrons!), il faut remplir le réservoir à très haute pression, jusqu’à 700 kg, ce qui pose les problèmes que l’on imagine sans peine: poids des bouteilles, encombrement, danger ( les anciens se souviennent de l’accident du Hindenburg qui a stoppé net l’essor de l’Hydrogène dans les transports).

- La molécule d’Hydrogène est la plus petite du catalogue, elle a tendance à se faufiler partout, d’où de grands risques de fuite, et donc de danger d’explosion, ce qui nécessite un matériel, des tuyaux, des vannes, particulièrement soignés donc très chers.

- L’Hydrogène qui rentre dans le premier compartiment de la pile est censé se séparer gentiment en électrons d’une part et protons d’autre part sur une première électrode. Or ce miracle ne s’opère qu’en présence d’un catalyseur adéquat. Le seul catalyseur connu et très efficace est le Platine. C’est un matériau rare et cher ( encore un pléonasme). Pas question d’industrialiser la pile à combustible en grand volume avec du Platine. Il faut trouver autre chose, beaucoup moins onéreux et suffisamment efficace.

On cherche encore. Certains matériaux sont proposés et utilisés dans des applications professionnelle ( Industries, aérospatial,..) mais ils sont encore trop chers pour nos autos.

- Les électrons créés vont alimenter le moteur branché entre les électrodes. Les protons sont priés d’aller rejoindre l’autre électrode en passant à travers une membrane aussi peu résistante que possible, et capable de repousser les électrons afin de les rejeter vers le moteur.

Elle doit également interdire le passage de l’Hydrogène sous peine d’explosion à la sortie à la rencontre avec l’Oxygène.

Cette membrane doit être imprégnée d’eau, mais pas trop, afin d’assurer le passage des protons.

Une telle membrane doit rester efficace pendant toute la vie de la pile (quelques dizaines de milliers d’heures ) . Elle est très sensible à la pollution par des molécules étrangères qui auraient pu se glisser avec l’Hydrogène, qui doit donc être très pur, pratiquement électrolytique.

Les recherches sur la membrane idéale sont toujours en cours, l’objectif restant la mise au point de matériaux efficaces, résistants aux agressions , et d’un coût compatible avec le marché grand public.

- L’ensemble doit satisfaire le cahier des charges automobile, notamment le fonctionnement à froid ( - 30 °C), la capacité à délivrer un courant élevé, le fonctionnement à chaud, la résistance aux chocs, la fiabilité, etc…

On peut estimer que ce type de générateur électrique ne pourra pas être commercialisé en volume pour l‘automobile, à prix grand public, avant une décennie.

Il existe un autre marché pour la pile à Hydrogène, c’est le stockage d’électricité en poste fixe.

On sait que le principal défaut des énergies solaire et éolienne est leur intermittence. Il est donc essentiel de développer des systèmes de stockage de courant en période de production, pour la restituer en période d’absence de Soleil ou de vent.

C’est possible avec le système électrolyse + pile à Hydrogène. L’hydrogène produit par l’électrolyse est stocké sous pression élevée dans des fosses sécurisées, puis envoyé dans une batterie de piles à Hydrogène pour produire du courant selon le besoin.

Diverses solutions sont déjà commercialisées:

De la plus petite, proposée par la société Acta Energy, pour une puissance de 1 KW,

A des modèles industriels comme le MISTRAL 600KVA proposée par AREVA.

La pile à Hydrogène est donc déjà sortie des laboratoires, on peut même montrer des véhicules équipés, l’avenir est prometteur à condition de surmonter les problèmes de sécurité et de coût.

Dès que l’on manipule des gaz inflammables sous pression il existe un problème de sécurité. Le nier n’a pour résultat qu’augmenter les risques.

L’auteur est bien placé pour connaître les risques inhérents à l’usage du GPL.

L’Hydrogène possède une plage explosive beaucoup plus étendue que le GPL, et il est sujet à des fuites à cause de la faible taille des molécules. Le risque est donc très supérieur à celui généré par le GPL. Il faudra en tenir compte sous peine de graves déboires.

Ce fameux moteur à eau est donc à portée de main, mais beaucoup reste à faire pour le mettre à portée de n’importe quelle main.

29 Mars 2012

Les énergies solaire et éolienne souffrent de leur caractère intermittent, et la technologie ne permet pas encore de stocker de grandes quantités d’énergie électrique.

Ce constat interdit d’envisager le remplacement pur et simple des énergies fossiles par les énergies nouvelles pour l’alimentation des réseaux publics. Dans l’état actuel de la technologie, on considère généralement que leur participation ne doit pas dépasser 30% sous peine de graves désordres dans la distribution.

Outre les travaux d’adaptation décrits dans l’article précédent ( réseau intelligent), il faut investir dans la recherche de procédés de stockage de l’électricité en grande quantité.

On utilise déjà le système de pompage-turbinage hydroélectrique, mais ce procédé ne suffit pas à lui seul à répondre aux besoins.

Dans l’hypothèse d’un développement de la voiture électrique, les batteries peuvent constituer une solution de stockage exploitable pour soutenir le réseau public.

Dix millions de véhicules équipés de batteries de 30 KWh représentent un potentiel d’énergie stockée de 300 Gwh, si les batteries sont chargées bien entendu.

Un prélèvement de 10% sur cette énergie permettrait de récupérer 30 GW pendant une heure (ou 10 GW pendant trois heures), ce qui représente un appoint important pour soutenir le réseau aux heures de forte demande, sans apporter une gêne importante à l’usager qui aurait préalablement donné son accord évidemment.

Un réseau de distribution intelligent est capable de gérer cette application, qui interviendrait en complément d’autres dispositifs de stockage.

Bien évidemment ce n’est pas demain matin qu’un tel dispositif pourra être opérationnel, plusieurs décennies seront nécessaires pour mettre en place à la fois la production d’électricité renouvelable, les artères pour acheminer cette énergie, le réseau intelligent pour gérer le tout, et les structures de stockage de l’électricité pour amortir les effet de l’intermittence.

C’est une révolution dont il s’agit, et comme dans toute période révolutionnaire, nous devons nous attendre à quelques convulsions avant d’atteindre un nouvel état stationnaire …et décarboné.