Batterie Azote Liquide
Stockage des énergies renouvelables intermittentes
COP 21 - zéro émissions de CO2- Transition énergétique
Batterie azote liquide 10 ou 250 kW
Batterie azote liquide
Je développe une Pile azote liquide de 10 kW et 250 kW pour le stockage d'énergie solaire des centrales au sol ou pour le résidentiel ou comme prolongateur d’autonomie des véhicules électrique. La pile produit de l’azote liquide qui est stocké dans un réservoir cryogénique (-195°c).
La pile comporte un compresseur, un échangeur, un détendeur. Le compresseur comprime l’azote qui 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.
Licence
La pile c'est d'abord une machine mécanique qui comprime et détend de l'air en passant dans un échangeur. Je réalise les plans sous SOLIDWORK et selon le brevet que j'ai déposé le 9 septembre 2017.
J'ai étendue le brevet à l'Europe, l'Inde, la Chine, l'Australie, le Canada, l'Australie et le Maroc.
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
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Cop 21
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Contact
- Montévrain, France
Équipe
Eric Dupont
Inventeur
J'ai 52 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 ?
La France a décidé d'interdire la commercialisation de véhicule a essence ou diesel à partir de 2040. L'alternative exposé par les constructeurs autommobiles est la voiture a hydrogène ou la voiture électrique avec pour chacun ses avantages et inconvénients.
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.
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 ?
Selon les calculs thermodynamiques, il faut 240 Wh pour produire 1 kg d'azote liquide et inversement 1 kg d'azote liquide produit 240 Wh. Mais en pratique, bien entendu il faut plus d'énergie pour produire l'azote liquide tandis que l'on récupère moins d'énergie par kg d'azote liquide.
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.
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 ?
Non, il y a des pertes, comme pour tout système de stockage d'énergie. Admettons que l'on dispose de 100 kWh d'énergie électrique on ne récupérera que 60 kWh d'énergie électrique après avoir transformé l'énergie électrique en azote liquide puis inversement l'azote liquide en énergie électrique. Lorsque l'on va produire l'azote liquide il va y avoir un dégagement de chaleur équivalent à l’énergie stocké.
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.
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.