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.