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Quel est le rendement d'un dispositif moteur stirling solaire générateur d'électricité? Et avec la puissance électricité obtenu, peut-on l'utiliser pour hydrolyser l'eau en O2 et H2 et de stocker dans des réservoirs pour pouvoir utiliser dans une pile à combustible durant l'hiver? Et quel serait le rendement en terme d'énergie et en argent avec la technologie actuelle?

Question de Shing (27 ans)

RTS Découverte

Réponse de Roman Kanala

Université de Genève

Groupe climat

Le problème soulevé touche à une problématique émergente qui gagne de l'importance avec la fermeture des sources d'électricité en ruban (notamment les centrales nucléaires) et leur remplacement par des sources renouvelables stochastiques (photovoltaïques ou éoliennes), avec des périodes de maximum de production et de consommation décalées. Ceci crée deux grands défis: le renforcement des lignes électriques pour transporter les surplus d'électricité dans une configuration qui change rapidement (heures, minutes), et le stockage du surplus d'électricité. La solution classique avec période diurne (jour/nuit) est une station hydraulique de pompage, mais elle dépend de la topologie des lieux et n’est rentable que pour de grandes installations. La recherche d'alternatives plus petites a récemment généré une grande activité de recherche.

D'abord, concrètement, la solution que vous proposez. Le moteur de Robert Stirling a été inventé en 1816. Il fonctionne déjà avec une petite différence de températures et sans changement de phase, ce qui le distinguait des machines à vapeur, qui à l'époque étaient peu fiables et dangereuses. Aujourd'hui, on utilise le moteur Stirling comme moteur immergé pour le pompage d'eau ou pour toute autre application qui requiert un fonctionnement stationnaire avec puissance constante. Pour les petites différences de température, la surface de l’échangeur de chaleur doit s'agrandir en conséquence, d'où des dimensions et un poids assez importants par rapport aux moteurs à combustion interne. La production d'électricité à partir de panneaux solaires concentrateurs de chaleur est en effet une utilisation de plus en plus fréquente.

Des panneaux solaires photovoltaïques ont un rendement jusqu’à 45% mais les meilleurs produits, qui vont au-delà de 25%, restent chers. Les cellules photovoltaïques produisent un courant continu. Les pertes de la transformation en courant alternatif peuvent atteindre 10 à 16%, lorsque le courant est censé alimenter le réseau électrique. Pour l'électrolyse, on utilise directement le courant continu. Le rendement d'un système composé d'un moteur Stirling pour la production d'électricité à l'aide d'un concentrateur solaire peut également atteindre 30%. Un rendement plus élevé, autour de 40%, peut être atteint par une installation hybride: panneaux solaires assortis d’un moteur Stirling, et production de la chaleur par une source fossile en plus, qui compense le manque d’ensoleillement et peut aussi soutenir l’électrolyse. En effet, l'électrolyse est plus efficace à une température et une pression élevée. Une bonne explication riche d'illustrations se trouve à l'adresse suivante: http://pointfocus.com/images/pdfs/mcconnell.pdf.

L'électrolyse de l’eau est une des façons les plus courantes d'obtenir de l'hydrogène pur. Elle est ancienne, étant connue depuis plus de deux siècles (1789). Une autre méthode fréquemment utilisée est le reformage du méthane dans la vapeur d'eau.

La pile à combustible est également une technologie ancienne (1838), qui est réemployée de nos jours. Elle utilise l'hydrogène et l'oxygène pour une production directe de courant continu sans passer par la chaleur et une génératrice classique. Quoi de plus logique que de séparer le H2 et l'O2 pour les utiliser dans une pile à combustible?

Le problème, c'est le stockage de l'hydrogène. Ses petites molécules traversent l'acier et ainsi il ne peut être stocké de façon efficace que pendant de courtes périodes. Un litre d'essence contient 116 grammes d'hydrogène, alors qu'un litre d'hydrogène liquide n'en contient que 71 grammes. Et le carbone présent dans les grandes molécules d'essence contribue encore au pouvoir calorifique. Pour maintenir l'hydrogène sous sa forme liquide, il faut le refroidir à une température de 20 Kelvins, ce qui est énergétiquement très exigeant.

Les alternatives sont le stockage chimique qui peut se faire par exemple dans les hydrides de métaux, hydrocarbures de synthèse ou dans des liquides organiques capables de lier l'hydrogène, comme l'acide formique, qui est un agent de stockage prometteur, stable, et permettant d’éviter les réactions parasites de création de monoxyde de carbone. En revanche, l'acide formique est corrosif, toxique et cancérigène. D'autres méthodes de stockage ont toutes leurs avantages et désavantages. Les deux principales méthodes de stockage restent le gaz comprimé ou condensé et les hydrides de métaux.

A cause de tout cela, il est difficile à l’heure actuelle de calculer l'efficacité d'un tel système en général, car les solutions sont nombreuses et elles ne sont pas standardisées. Un résumé de solutions existantes peut par exemple être trouvé à cette adresse: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.12.010.

Pour une esquisse d'analyse économique, on peut également consulter ces deux adresses: californiahydrogen et http://dx.doi.org/10.1109/EEM.2013.6607315.

Ainsi le stockage d'hydrogène pendant plusieurs mois n'est pas avantageux. En revanche, les systèmes composés d'une éolienne et de piles de combustible à hydrogène représentent plus de la moitié des installations. Leur rôle est de stocker le surplus d'électricité qui n'est pas transportable immédiatement sur un réseau surchargé ou, au contraire, lorsque la demande est basse. L'hydrogène est utilisé rapidement après une brève période de stockage. L'alternative étant l'arrêt des éoliennes pendant ces périodes, cette énergie est "gratuite" car l'agent énergétique, le vent, est gratuit. De plus, sans le stockage à côté, cette énergie ne serait pas produite du tout.

3 mars 2016

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