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Energie : La revanche de l’air comprimé

L’EPFL a développé une filière prometteuse et l’EPFZ invente le premier moteur hybride pneumatique….

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Avec l’envol du solaire, de l’éolien et le développement des voitures hybrides, le stockage de l’énergie est devenu, en quelques années, un thème de recherche et d’investissement phare. Davantage même que la capacité à produire l’énergie, la stocker sous une forme efficace et rationnelle décidera du futur des réseaux énergétiques. On l’oublie souvent mais le pétrole et ses dérivés, essence, mazout ou kérosène offrent non seulement une densité énergétique remarquable mais une simplicité de stockage qui explique la suprématie incontestée de l’or noir au XXe siècle.

Globalement, on estime que les réseaux électriques conventionnels pourront absorber 10 à 20% d’énergie renouvelable intermittente (solaire, éolien) sans grande modification des réseaux électriques. Au-delà, il faudra stocker les surplus et injecter les réserves quand les installations solaires ou les parcs éoliens seront à l’arrêt (nuit, absence de vent). Les grands barrages hydroélectriques suisses, la construction d’ouvrages de pompage-turbinage pour augmenter leur puissance et disponibilité, peuvent être assimilés à de gigantesques batteries dont la valeur augmentera au fil du développement des nouvelles énergies vertes.

Bien sûr, on peut stocker l’énergie sous forme chimique, comme dans les piles mais la technique montre ses limites. Les batteries sont chères, utilisent des métaux rares et leur capacité à charger et à se décharger butent sur des obstacles qui pourraient compromettre le développement de la voiture électrique.

Il y a plus d’un siècle, les ingénieurs avaient imaginé de stocker l’énergie sous forme d’air comprimé, notamment pour assurer une plus grande autonomie aux locomotives à vapeur et aux premières automobiles. Mais leurs travaux se sont heurtés aux dures lois de la thermodynamique. Lorsque l’air est comprimé, il s’échauffe et une partie importante de l’énergie se dissipe sous forme de chaleur. Les rendements s’avèrent misérables, du moins si faibles qu’ils ont dissuadé beaucoup de chercheurs de persévérer dans cette voie. Or, depuis peu, l’air comprimé refait surface dans les laboratoires. L’Allemagne fut la première à s’y intéresser. L’usine de Hundorf, située près de Brême, stocke dans une caverne souterraine 11 millions de m3 d’air comprimé, permettant d’accumuler une énergie équivalent à 290 MW électrique (un quart d’une grosse centrale) disponible pour quatre heures. Mais ce stockage exige un apport de gaz naturel pour réchauffer l’air et maintenir son potentiel d’énergie. Des projets de recherche européens et américains visent à s’affranchir du gaz en récupérant la chaleur lors du processus de compression pour la réinjecter au moment de la décharge du réservoir. Les premières études montrent que le potentiel d’énergie stockée pourrait être augmenté de 50% au moins. D’un rendement de 25 à 30%, le stockage d’air comprimé frôlerait les 70%, pour autant que toutes opérations de transformation de l’énergie soient optimisées, selon les premières expériences menées par les géants RWE et General Electric. Leurs travaux portent sur les matériaux, en particulier les céramiques capables d’absorber la débauche de chaleur qui se produit lors de la compression de l’air. Selon le laboratoire de recherche californien Electric Power Research Institute, qui collabore avec la plupart des grandes compagnies électriques, le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé pourrait s’avérer 10 à 20 fois moins coûteux que des batteries dont le coût du recyclage est élevé et monte en flèche.

 De son côté, l’EPFL a développé une approche technologique différente mais tout aussi prometteuse. La compression de l’air utilise un «piston liquide», hydropneumatique: la chaleur qui se dégage est absorbée par l’eau et réchauffe l’air pendant la phase de détente. Ces travaux, qui ont fait l’objet de brevets, sont exploités par la start-up Enairys fondée en 2008 par Sylvain Lemofouet. Dans une première phase d’industrialisation, Enairys vise des petites applications domestiques même si à terme des installations de grandes capacités sont envisageables. Le département de l’énergie américain vient tout juste de dégager les premiers fonds publics pour soutenir des expériences pilote aux Etats-Unis dans le cadre du plan de relance de l’économie américaine. Sylvain Lemofouet se félicite du nouvel intérêt qui se manifeste pour le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé. «L’EPFL est clairement une pionnière mondiale mais la concurrence s’annonce rude», admet-il.

En fait, la route technologique de l’air comprimé s’annonce longue et difficile. Elle pourrait passer par des innovations intermédiaires. Ainsi, l’équipe du professeur Lino Guzzella, de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich, a mis au point, une première mondiale, un prototype de moteur hybride pneumatique bon marché. Distingué par le «Watt d’or 2010» délivré par l’Office fédéral de l’énergie, il ne s’agit pas à proprement parler d’un moteur à air comprimé mais d’une invention qui se greffe sur le moteur à combustion traditionnel et qui permet d’en améliorer à faible coût la performance. On le sait, le moteur à combustion a un rendement médiocre car l’essentiel de l’énergie transformée se dissipe sous forme de chaleur. En réduisant la cylindrée des moteurs, les constructeurs ont amélioré le bilan et la performance en y greffant un turbocompresseur. Mais la greffe a un défaut: le turbo ne donne toute sa puissance qu’à partir d’un certain régime. Pour pallier ce «trou d’air», les ingénieurs zurichois ont eu l’idée de stocker dans un petit réservoir de l’air comprimé pour épauler le turbocompresseur dont la charge s’opère à la décélération. Les premiers tests sont concluants: le dispositif permet de réduire la consommation d’énergie de 35% pour un surcoût de 20% seulement alors que les batteries des hybrides dopent la performance des voitures mais renchérissent lourdement le coût final des véhicules. Un tel moteur serait idéal pour des petites voitures. Si aucun industriel n’a pour l’instant signé de contrat avec l’équipe du professeur Lino Guzzella, le ministre chinois de la Science et de la technologie a été le premier à descendre dans les sous-sols du laboratoire de Lino Guzzella où ronronne le premier moteur hybride pneumatique.

Par Pierre Veya le temps janv10

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