Stockage d'énergie cryogénique
Contre le réchauffement climatique
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Batterie azote liquide 10 ou 250 kW
Batterie azote liquide
Pour lutter contre le réchauffement climatique il faudra d’ici 30 ans en 2050 arrêter d’émettre du CO2 alors qu’aujourd’hui les énergies fossiles fournissent 75 % de nos besoins.
En 2019
- 50% des énergies fossiles sont utilisés principalement pour produire de l’énergie électriques
- 25% sont utilisé directement pour produire de la chaleur (chauffage résidentiel procédé industriel : four ciment, acier)
- 25 % sont utilisé pour produire de l’énergie mécanique dans un moteur ou une turbine pour les transports
En 2030
- Le pétrole, le gaz, le charbon vont continuer d’augmenter parce que l’extraction va couter de plus en plus cher. Toute sorte de taxe vont apparaitre pour réduire leur consommation. La consommation d’énergie fossile dérègle le climat autant qu’elle pollue (NOX dans les transports). L’énergie électrique va continuer d’augmenter, plus que le cout de la vie.
- Le cout de l’énergie éolienne et photovoltaïque va continuer de baisser, elle est déjà plus compétitive mais intermittente.
- Pour les transports certain pays commence à prévoir l’interdiction pur et simple de l’utilisation des véhicules à énergie fossile.
D’un point de vue économique le développement de systèmes de stockage d’énergie va permettre l’essor des énergies renouvelable par rapport aux énergies fossiles.
A ce jour seul deux systèmes de stockage d’énergie apparaissent majoritairement : la batterie au lithium et l’hydrogène associé à la pile à combustible. La batterie au lithium est intéressante pour le stockage journalier de quelques heures, pour le photovoltaïques notamment afin de décaler la production de la journée sur la fin de la journée. Mais la batterie ne permet pas le stockage de grande quantité d’énergie d’une façon saisonnière à un coût compétitif. La production d’énergie photovoltaïque se fais essentiellement en été et les besoins sont en hiver, surtout en Europe du nord.
Pour la voiture électrique c’est le problème du temps de recharge qui apparait plus que l’autonomie. Pour l’hydrogène le rendement est moindre (inférieur à 50%), il permet une recharge rapide mais plus couteuse en énergie en métaux précieux et en impératif de sécurité.
NTERK développe un système de stockage d’énergie unique au monde à partir d’azote liquide qui associe un bon rendement (cible 65%), une bonne densité énergétique (160 Wh/litre) égale à la batterie au lithium pour un cout de stockage dérisoire : l’azote liquide est stocké dans un simple réservoir.
Le concept de la société NTERK est basé sur un groupe frigorifique à haut rendement, réversible, destiné à la fois à produire de l’azote liquide autant que utiliser l’azote liquide pour produire de l’énergie mécanique où électrique.
Nous allons voir ici, comment le système NTERK est conçue pour atteindre le rendement escompté à un cout abordable. Le concept NTERK fais l’objet d’un brevet déposé par Eric DUPONT sur une grande partie de la planète : l’Europe, les USA, Le Canada, l’Australie, L’Inde, La Chine
L’Azote liquide est le « carburant » du futur. Il se stock facilement à pression atmosphérique. Il se transporte par camion-citerne et peut être produit sur place avec le système NTERK et une prise de courant autant en petite quantité qu’en quantité industriel. A terme une économie de l’azote liquide va apparaitre, il y aura les producteurs d’azote liquide qui distribuerons l’azote liquide pour le transport et qui revendront le surplus sous forme d’électricité pendant les pics de consommations d’énergie.
Les connaissances dans le domaine de l’utilisation d’azote liquide pour produire de l’azote liquide sont peu étendue. Jusqu’à mon invention en 2017 l’idée générale pour produire de l’énergie à partir d’azote liquide était la suivante :
L’azote liquide contenue dans un réservoir à pression atmosphérique à une température de -195°c est mis sous pression à environ 300 bar puis vaporisé dans un échangeur avec l’air ambiant qui est à une température de 20°c. L’azote est ensuite détendu dans une turbine successivement avec des réchauffages intermédiaires. Si ce système produit bien de l’énergie, il manque d’efficacité, parce que l’énergie du froid de l’azote liquide n’est pas utilisée. Une société Anglaise qui développe le stockage d’énergie à partir d’azote liquide contourne le problème en récupérant la chaleur de compression obtenue lors de la production de l’azote liquide, cette chaleur est utilisée lors de la détente de l’azote. Le problème étant qu’il faut stocker cette chaleur et que la chaleur se conserve beaucoup moins longtemps que l’azote liquide du fait du rayonnement. Dans mon invention l’air froid obtenue dans l’échangeur qui vaporise l’azote liquide est comprimé. Cela a pour effet d’obtenir de l’air comprimé à température ambiant qui est ensuite détendue dans le moteur avec l’apport de chaleur de l’air ambiant. Le rendement est meilleur et d’un point de vue thermodynamique le système est totalement réversible entre la génération d’azote liquide et sa transformation en énergie.
Investissement
Investir dans NTERK c’est investir dans la neutralité carbone et une solution de remplacement aux énergie fossiles. Les énergies renouvelables ont besoin du stockage d’énergie autant que les énergies fossiles sont vouées à disparaitre puisque par définition les énergies ne sont pas renouvelable à l’échelle de l’humanité.
Les étapes
La première étape passe par la réalisation d’un démonstrateur. Le cout de ce démonstrateur est relativement modeste puisqu’il s’agit d’une simple machine frigorifique un peu plus évolué.
Au jour d’aujourd’hui les investissements pour développer la batterie au lithium ou l’hydrogène se chiffre en milliard d’euros, les investissements pour le stockage d’énergie à partir d’azote liquide ne sont pas chiffrable, ils sont nul. La raison en est qu’il y a un manque de connaissance dans le domaine de la production des gaz liquide qui ont amené à penser que le rendement global du procédé ne pouvait dépasser d’une façon théorique les 50%, ce qui est faux.
Le projet
Voiture à Azote liquide
- Réservoir Azote liquide : 2 fois 300 litres - 100 kWH
- Batterie au lithium intermédiaire 10 kWH
- Puissance du générateur d'azote électrique à azote liquide : 20 kW
- Moteur électrique 130 kW avec boite de vitesse à 2 rapports
- Autonomie 600 kms
Avantage de la voiture à Azote liquide.
Par rapport a l'hydrogène
- La pile à azote liquide ne nécessite pas de métaux précieux comme le platine.
- La distribution de l'azote liquide à la pompe, le stockage de grande quantités d'énergie avec l'azote liquide est beaucoup plus sécuritaire.
- Le rendement global de conversion est plus élevé 60% pour l'azote liquide contre 40% pour l'hydrogène. Pour l'hydrogène il ya des pertes au moment de l'électrolyse qui nécessite de la vapeur d'eau , la compression a 700 bars réclame de l'énergie qui n'est pas réutilisé par la pile à combustible, le rendement de la pile à combustible ne dépasse pas 60%
- Les réservoirs d'azote liquide pour le stockage intermédiaire sont 5 fois moins couteux que pour l'hydrogène. Il est donc possible de produire l'azote liquide au moment ou l'énergie est peu cher et de stocker de grande quantité d'énergie pour l'inter saison.
- La distribution de l'hydrogène reste couteuse : 10 €/kg , (1 kg d'hydrogène produit 16 kWH avec la pile à combustible et permet de faire 100 km), comparativement 10 € d'essence a 2€ le litres produisent . L'azote liquide pourrait couter 2 fois moins cher.( le rendement de conversion est meilleur, le stockage , la distribution coutent moins cher)
Inconvénient par rapport a l'hydrogène
- A volume égale l'énergie dans un réservoir d'hydrogène a 700 bars est deux fois et demie plus importante que pour l'azote liquide
Par rapport à la batterie lithium
- La quantité d'énergie volumique est la même pour l'azote liquide que pour la batterie au lithium
- Le réservoir d'azote liquide revient 50 fois moins cher et dur indéfiniment, contre 5 à 10 ans pour la batterie lithium avec un nombre de cycle limités
- Le plein du réservoir se fait en quelques minutes avec de l'énergie préalablement stocké (plusieurs semaine ou plusieurs mois) avec la batterie au lithium il faut produire l'énergie au moment de charger la batterie ce qui demande une puissance énorme ainsi qu'un nombre conséquent de borne de recharge si tout le monde souhaite recharger son véhicule en même temps (départ en vacance)
Pile azote liquide de 10 kW et 250 kW pour le stockage d'énergie.
La pile stock l'énergie solaire photovoltaïque des centrales au sol ou pour le résidentiel. Cette batterie peut être utilisée comme prolongateur d’autonomie des véhicules électrique, les autocars, les camions.
La pile produit de l’azote liquide qui est stocké dans un réservoir cryogénique (-195°c).Elle restitue de l'énergie électrique selon les besoin.
La pile comporte un compresseur, un échangeur, un détendeur. Le compresseur comprime l’azote. L'azote est refroidi dans l’échangeur puis détendu dans le détendeur où il se liquéfie.
La densité énergétique de l’azote liquide avec la pile est semblable a une batterie au lithium environ 200 WH par kilo ou 160 Wh par litre d’azote liquide.
La pression dans le réservoir est la pression atmosphérique et la température de l'azote liquide est de -195°C. Le réservoir thermo comporte deux peaux avec un vide d'air entre les deux peaux pour une bonne conservation de l'azote liquide (plusieurs mois).
La vaporisation de l’azote liquide à haute pression entraine le compresseur de la pile et produit de l’énergie électrique via la génératrice. Le compresseur est alimenté en eau par des buse, l’eau est récupérée à la sortie du compresseur pour être réchauffé dans un radiateur a eau et l’air ambiant.
Les avantages de la pile azote liquide
- Le réservoir a azote liquide contrairement à une batterie ne coute pratiquement rien, on peut donc le construire suffisamment volumineux pour stocker beaucoup d’énergie sur une longue période. Produire l’azote liquide en été pour le consommer en hiver par exemple.
- Le cout de la pile de 10 kW est d’environ 50000 € celui de la pile de 250 kW 250000 € pour une production unitaire ou petite série. Ce qui la rend compétitive pour produire de l’azote liquide où c’est principalement le coût de l’énergie associé au rendement qui rentre en jeux
- Le rendement de production d’azote liquide escompté de la pile est très bon, pour les raisons suivantes
- Le compresseur et détendeur est monté sur roulement il y a peu de frottement.
- La chaleur provoquée par la compression est évacuée au fur et a mesuré par la diffusion d’eau froide dans le cylindre, l’effort de compression est faible
- Le cycle thermodynamique est optimisé avec 240 Wh /kg théorique.
- Le cout de production de l’azote liquide est faible, avec un rendement de 80% et un kWh a 5 centimes d’€, le cout énergétique est de 1 centimes € par kg.
- La pile avec 15 kg d’azote liquide fourni l’équivalant de 1 litre d’essence dans un moteur thermique. Ce qui amène le cout de l’essence équivalant à 15 centimes le litre au niveau énergie.
La technologie
La pile cryogenique c'est d'abord une machine mécanique frigorifique qui comprime et détend de l'air en passant dans un échangeur. Le rendement global de la pile, l'energie necessaire pour la charger et l'energie que l'on peu en retirer dépend de nombreux parametres.Pour chaque brique technologique qui constitue le systeme il ya une perte de rendement qui mis bout a bout donne le rendement global du systeme.
Génération d'azote liquide | Restitution d'energie | |
| Production de l'azote: Afin d'assurer la securité du stockage l'air, avant liquefaction, est debarassé de son oxygene par un filtre à adsorbsion | 2% | _ |
| Compression isotherme: Lors de la compression ou de la détente, de l'eau en fine goutelettes est diffusé dans les cylindres, il en resulte une depense d'énergie pour actionner la pompe et aussi parceque la compression n'est pas totalement isotherme. | 4% | 4% |
Le principale est la compression isotherme du compresseur, faire que pendant la compression de l'azote celui ne s'echauffe pas pour ne pas transformer unitilement de l'energie en chaleur.
La compression isotherme
La compression isotherme réduit l’effort de compression. Quand un fluide est comprimé il s’échauffe et son volume augmente. Hors l’effort de compression d’une masse d’air dépend directement du volume occupé par le gaz, plus l’air est froid, plus il est dense et plus il est facile a comprimé parce que il occupe moins de volume, le compresseur a besoin de tourner moins vite pour comprimer la même masse d’air. Inversement si l’air s’échauffe, il augmente de volume et l'energie necessaire pour le porter a une certaine pression peut doubler ou tripler.
Pour réduire l’effort de compression, la chaleur provoqué par la compression est régulièrement évacué par un fluide caloporteur , de l’eau froide, diffusé dans le cylindre en très fine goutte par des buses. On dit alors que la compression est isotherme. La temperature de l'air reste constante pendant toute la duree de la monté du piston qui comprime le gaz.
Piston a vitesse progressive
L’échauffement provoqué par la compression n’est pas régulier. Au début de la compression quand la pression est faible il y a peu d’échauffement, il faut peu d'energie, c’est lorsque le piston arrive en fin de course que l’échauffement devient le plus important et qu’il faut davantage d’eau.
La diffusion d’eau dans le cylindre consomme de l’énergie. Il est nécessaire de produire de fines gouttelette dont la taille dépend de la pression avec laquelle l’eau traverse la buse. Plus les gouttelettes sont fine et plus leurs surfaces d’échange est importante et mieux elles seront a même d’éviter l’échauffement de la compression en un temps très cour.
Il est difficile de faire varier le debit de l'eau diffusé dans le cylindre durant un tour de vilbrequin et donc, pour augmenter la vitesse du moteur/compresseur on s’arrange pour que la vitesse du piston soit progressive en fonction de l'effort qu'il doit fournir pour comprimer le gaz.
Pendant que l’échauffement est faible, qu'il ya peu de pression, le piston va plus vite et quand il y a un effort important de compression que le piston arrive en fin de course et que la pression est tres élevé, le piston va moins vite.
Pendant l’aspirationde l'azote pour remplir le cylindre ou l’échappement et qu'il n'y a pas besoin d'évacuer de la chaleur, on accélère la vitesse du piston, ainsi le piston met plus de temps a monter qu’a descendre ou inversement.
Le rapport entre l’énergie nécessaire pour créer l' échangeur éphémère durant un tier de seconde( les gouttelettes d’eau dans le cylindre) et son efficacité ( une grande surface d’échange le plus longtemps possible) est ainsi optimisé.
La compression ou detente progressive augmente l'efficacité des petites machines qui tournent plus vites. Si la machine mettait 20 seconde pour faire un tour, il est bien evident que la compression isotherme serait presque parfaite.Hors sur une machine de 250 kw où la course du piston serait de 60 cms , on cherche a avoir une vitesse de rotation plutot de 1 ou 2 tours par secondes.
Si on tourne trop lentement la compression isotherme est bonne mais apres on perd de l'energie dans le multiplicateur de vitesse pour mettre l'alternateur en rotation a une vitesse suffisante où il est efficace.
Le Brevet
brevet stockage énergie
L'azote liquide sous pression est extrait du réservoir (1). L'azote liquide passe dans un échangeur (3). L'azote liquide est vaporisé. L'azote est expansé de manière isotherme avec l'eau pulvérisée dans la chambre (4) du moteur. 160 Wh / kg d'azote sont obtenus.
L'invention est la suivante: L'air traversant l'échangeur (3) pour chauffer l'azote liquide est refroidi à très basse température (environ -150 ° C). L'air passe dans la chambre du compresseur adiabatique (5) avec un taux de compression d'environ 40. La pression réchauffe l'air. L'air est ensuite expansé isothermiquement avec l'eau pulvérisée, dans la chambre (4) du moteur. 80 Wh sont récupérés par kilogramme d'azote liquide (brevet)
Le système est réversible (brevet). Le compresseur détend l'azote préalablement refroidi par l'échangeur, tandis que le moteur le comprime. Le besoin en énergie mécanique est de 240 Wh par kilogramme d'azote liquide produit.
L'air admis dans l'échangeur peut encore être sous pression et provenir de l'échappement du moteur. (brevet)
L'efficacité globale de la pile azote liquide qui prend en compte les pertes thermiques et mécaniques est de 60%.
https://patentscope.wipo.int/search/fr/detail.jsf?docId=WO2018046807&redirectedID=true
L'azote liquide
Contact
Équipe
Eric Dupont
Inventeur
J'ai 54 ans, je travaille depuis 20 ans sur la thermodynamique pour stocker l'énergie dans l'air. Spécialiste des matériaux composites, je dessinais et construisais des bateaux d'aviron en fibre de carbone.
F.A.Q
Prix du litre d'azote liquide à la pompe , 1 centime le litre ?
Selon moi, il y aura la voiture à azote liquide et vous ferez votre plein à la pompe. L'azote liquide sera vendu aux litre. Pour une autonomie conséquente de 500 km vous aurez besoin de 500 litres d'azote liquide.
Avec la COP 21 c'est plus de 170 pays qui se sont engagé a réduire leurs émissions de CO2 chaque années pour arrivés d'ici 2050 a des émissions nuls. Pour arriver a un résultat la France a mis en place la taxe carbone. Chaque années pendant 30 ans cette taxe va augmenter selon les résultats . La taxe carbone augmentera de près de 30 centimes le litre d'essence avant une dizaine d'années.On va arriver tres vite à 2 euros le litre.
Faire 100 kilomètres coutera avec une voiture a essence entre 8 et 10 euros pour une consommation de 4 à 5 litres d'essence.
Faire 100 kms avec une voiture à azote liquide coutera 100 litres d'azote liquide. On peu donc déjà dire qu'il faut que l'azote liquide soit à moins de 8 ou 10 centimes le litre pour être économiquement intéressant. A prix égale avec l'essence ou le diesel, l'azote ne pollue pas contrairement au diesel ou l'essence. De nombreuse ville vont interdire l'accès a certaine zones pour privilégier les véhicules non polluant.
Pour produire 1 litre d'azote liquide avec un générateur d'azote liquide il faut environ 0,320 kWH . Actuellement le prix de l'énergie électrique pour les industriels est de l'ordre de 7 centimes dans de nombreux pays. Mais avec l'éolien ou le photovoltaïques on obtiens des couts du kwh beaucoup plus bas. Pour les tracker photovoltaique aussi bien que pour l'eolien on est à 5 centimes le kwh. Ces coûts vont encore diminuer d'au moins 30 % . 3 centimes le KWH pour de l'energie renouvelable n'est pas utopique on y arrive déjà dans certain pays au climat favorable.
cela veux dire que lorsque le prix de l'essence atteindra 2 euros d'ici une dizaine d'années, d'un autre coté on arrivera a produire de l'azote liquide pour 1 centime le litres.
La ou il faudra 8 à 10 euros pour faire 100 kms en voiture a essence , l'azote liquide pour une voiture coutera 100 litre à 1 centime , Un EURO. C'est dix fois moins.
Quel rendement ?
Ensuite nous avons vu que plus la machine est de forte puissance, plus justement, le rendement est meilleur dans les 2 sens. Ce fait est dû aux pertes thermiques de la partie froide. Par exemple le compresseur qui comprime l'air froid qui sort de l’échangeur, comprime l'air jusque ce que l'air atteigne une température de 20°c. Si pendant la compression l'air est réchauffé par les parois du cylindre on atteindra plus vite les 20°c et donc on pourra obtenir un taux de compression moins important et donc récupérer moins d'énergie.
Il en est de même pour la production d'azote liquide, lorsque l'on va détendre l'azote froid dans le cylindre de détente, on obtiendra moins d'azote liquide si l'azote froid est réchauffé par les parois du cylindre. Ceci est dû au fait de la formule mathématique qui dit que lorsque l'on double le diamètre du cylindre, on double sa surface mais l'on quadruple le volume. Il y a donc moins d'échange thermique et donc de perte. Ceci est également vrai pour toute les tuyauteries. Lorsque l'on double leurs sections, on multiplie par 4 le débit en doublant seulement la surface.
Il serait possible d'isoler thermiquement les s de l'intérieur avec des matériaux qui résiste au froid et à la pression mais pour un surcoût non négligeable.
On peut penser que pour une machine de 100 kW, on obtiendra un rendement proche de 80% en génération d'azote et 80 % en détente. Soit un rendement global de 64 %. En mécanique. Si c'est un moteur électrique qui fait tourner le générateur puis inversement le moteur produit de l'électricité le rendement dépendra du rendement du moteur électrique ajouté au rendement de la génératrice et l'on commence à obtenir de bon rendement en électrique proche de 98% sur des machines de 50 kW.
Il en résulte que si l'on produit de l'électricité a 4 centimes le kWh comme vont le faire avant 2025 les éoliennes et le photovoltaïques. Avec un rendement de 60% on aura un cout de l'énergie stocké proche de 7 centimes et un cout moyen de l'électricité entre 5 et 6 centimes.
Nous avons vue également que le système marche mieux s’il est utilisé à pleine charge, toujours pour la même raison des pertes thermiques, en effet si on réduit la puissance en diminuant la vitesse de rotation, les pertes thermiques, elle reste les mêmes, il faut par conséquent mieux avoir plusieurs machines. Pour 4 machines par exemples, la première fonctionne à pleine charge et assure le stockage de l'énergie de 25% de la puissance d'une installation photovoltaïque, puis le soleil se renforce, la deuxième machine se met en route tandis que la première continue de tourner, pendant que l'on peut assurer la maintenance sur la quatrième.
Le F.A.Q des débutants
C'est un mouvement perpétuel ?
l'avantage de ce système par rapport à une batterie au lithium par exemple est que stocker l'azote liquide se stock dans un réservoir peu couteux et donc il est possible de stocker de grande quantité d'énergie. En fait ce n’est pas vraiment de l'énergie que l'on stocke puisque pour transformer l'azote liquide en énergie il faudra apporter de la chaleur qui est disponible dans l'atmosphère au moment où l'on réalise l'opération. Alors que par exemple pour l'eau d'un barrage c'est de l'énergie potentiel.
Dans l'espace ce système ne marcherait pas ou alors il faudrait embarquer la source chaude qui pourrait être la chaleur dégagée lors de la compression.
il n'existe à ce jour aucun système qui permette de stocker une si grande quantité d'énergie dans un volume aussi réduit a un cout aussi faible. Comparativement une batterie au lithium va couter au minimum 100 euros par kWh, une batterie d’un mètre cube va stocker 150 kWh mais coutera donc au minimum 15000 euros, a 50000 euros tandis qu’une cuve en inox à double parois coutera peut être 10 a 20 fois moins.