Recherche:Stockage Energetique H2-O2 A Energie Potentielle
Introduction
[modifier | modifier le wikicode]Le stockage de l'énergie est encore un défi pour l'avènement des énergies renouvelables (souvent intermittentes).
L'énergie électrique du réseau est en constant équilibre entre la demande des consommateurs d’énergies et la production des génerateurs. Cet équilibre précaire doit sans cesse faire l’objet d'asservissement pour conserver une énergie stable et normalisée sur le réseau (50Hz 220VAC pour le réseau français).
Aujourd'hui les seules capacités de stockage de masse significativement utile à cette régulation sont les lacs de retenue et les STEP.
Toutes les unités de production électrique se partagent aussi pragmatiquement que possible cette ressource rare. Sans cela l’énergie produite ne trouvant pas demandeur immédiatement serai perdue, ou pire déstabiliserait le réseau.
Si un moteur H2-O2 voyait le jour industriellement en automobile, il faudrait des stations H2, qui pourrait lisser la demande en énergie électrique de façon massive, écartant un surcoût pour le renouvelable, et pour le nucléaire en heures creuses. La voiture électrique ouvre la porte au même avantage technique à ceci près que tous utilise une voiture à des heures synchronisés pour le trajet emploi domicile ce qui laisse des vides de régulation possible à certaines heures, d’où des centrales supplémentaires pour ces courtes périodes. Le moteur H2-O2 pourrait faire baisser le coût de l’électricité (taxe énergie renouvelable) dans sa production globale.
Stockage STEP
[modifier | modifier le wikicode]Les Station de Transfert d’énergie par Pompage sont situés dans des environnements idéaux pour le stockage d’énergie potentielle. Grâce au relief il est possible de turbiner mais également de pomper de l'eau pour régénérer de l’énergie potentielle. Ces lieux demandent des conditions géologiques particulières, qui ne sont possibles qu'a des rares endroits sur terre pour satisfaire à la fois aux risques écologiques, aux risques de crus et les pertes par infiltration demandant des zones très vastes pour y être implanter.
Moteur à combustion interne
[modifier | modifier le wikicode]Le moteur que tout le monde utilise tout les jours pour se déplacer en voiture. Malgré sa popularité et les nombreux efforts technologiques celui ci n’est pas très efficace, en effet selon sa charge de travail le rendement peut varié de 10% à 35% pour les moteurs les plus performants. Les diesels et les essences sont tout deux des machines thermiques répondants au lois de la thermodynamique et hélas rien n'est parfait. Pertes calorifiques pour maintenir le moteur sous les 90c (pertes mécaniques par frottements, lubrification, compression adiabatique imparfaite + avance à l'allumage trop prononcés débordant sur la compression), pertes de charges d'admission et d’échappement, pertes thermiques à l’échappement dont les gaz sont refoulés entre 400c et 900c, évaluées grossièrement à 35%. L'ensemble de ces pertes constitue donc 90% à 65% de l’énergie qui sera perdu lors de la conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique. Des technologies innovantes comme les automobiles hybrides, tentent de garder le moteur dans des régimes de charge ou son efficacité est la meilleure et basculer en électrique dans les cas défavorables. Hélas même en électrique rien n'est parfait puisque la transmission électrique hybride peut perdre jusqu’à 20% sous forte charge électrique (cycle de recharge, décharge des batterie en énergie mécanique). Il est d'ailleurs écrit dans le manuel que rouler uniquement en mode électrique EV entraîne une surconsommation générale. De manière plus générale, il faut éviter le plus souvent les courants importants qui induisent des pertes exponentielles - R I² dans le système (nécessite de charger la batterie à moitié pour obtenir une résistance interne dynamique équivalente la plus basse dans les 2 sens, ce qui réduit d'autant plus la capacité utilisable à haut rendement).
Modification mineure du Cycle Thermodynamique
[modifier | modifier le wikicode]Je souhaite revenir sur les pertes à l’échappement des gaz de combustion. En effet la détente est incomplète ce qui engendre des pertes très importantes. L’idée un peu nouvelle (dont je n'ai trouvé aucune référence sur le net) que je souhaite développé est d’étendre la durée de cette détente au maximum grâce à la pression de l’océan, ce qui a pour effet de modifier un petit peu le cycle thermodynamique classique. D'habitude l'explosion provoque une surpression sur le piston, ici je propose d’utiliser cette surpression pour régénérer de l’énergie potentielle en luttant contre la pression de l’océan. Je peux donc sortir de l’énergie instantanément du système, indépendamment de la charge au moment de l'explosion et prendre plus de temps pour refroidir, détendre les gaz brûlés. Ensuite on peut alors turbiner l’énergie potentielle comme nous savons très bien le faire avec les topologies STEP. Cette particularité nous oblige donc à être en profondeur et donc sous pression supérieur à la pression athmospherique. L’étape de compression adiabatique est alors supprimée, ses pertes et problèmes également (avance à l'allumage, cliquetis). La forte pression permet d'augmenter la densité énergétique par cycle jusqu’à résistance maximale des matériaux. Dans un moteur sur alimenté, classiquement on peut monter à 1bar, 1.5bar, 2bars (avec 20% de pertes compression isotherme) sans développer de soucis d'auto-inflammation avant allumage (cliquetis). Ici la profondeur définit la pression (1 bar / 10metres de profondeur) avant combustion, les gaz frais sont aisément à température ambiante. Si l’on souhaite avoir une pression de 300bars (3000metres), cela augmente très fortement la densité énergétique du cycle par unité de volume et réduit à densité énergétique égale les surfaces d’échanges lors de la combustion dont sont constitués une partie des pertes. Lorsque la combustion s'effectue, la détente est isobare, à pression océan aux pertes de charges prés, ce qui permet de profiter de toute l’énergie de la combustion. Enfin la dernière étape consiste à refroidir les gaz brûlés à températures ambiantes pour récupérer notre énergie potentielle définit selon la profondeur. Avec la combustion de l’hydrogène + oxygène, nous obtenons de la vapeur d'eau sèche, ce qui facilite les échanges de convection pour le refroidissement. à 50c la vapeur des gaz brûlés se condense jusqu’à former une pression très faible inférieure à la pression atmosphérique, ainsi notre vapeur a été détendue jusqu’à 50c. Ainsi nous avons profité d'un grand cycle en entier de T chaud 2700c (sans doute plus sous haute pression) à T froid 50c. La particularité de ce système réside dans la colonne d'eau (piston liquide), elle ne doit pas être évacuer en totalité, puisqu’il faut garder de l'eau froide pour refroidir les gaz brûlés grâce à la grande capacité thermique cp de l'eau. le 4,19 J par gramme d'eau par kelvin semble rendre cela possible avec une colonne d'eau qui n’est pas techniquement limitée en volume. L'eau froide devenu chaude est évacuer au fur et à mesure à chaque combustion. Ceci augure selon ma perspective une belle augmentation du rendement général pour les moteurs stationnaires à minima et peut-être sur des applications mobiles.
Principe de fonctionnement
[modifier | modifier le wikicode]Dans une vue d'ensemble, l’énergie en entrée est de type électrique et va servir à effectuer une électrolyse
H2O
sous haute pression. Cet H2 et O2 sera stocké à pression océan (300bars) ce qui permet des réservoirs de grandes taille sans contraintes de pression, de tres bonnes capacités de stockage énergétique - comparable au Lithium/kg de structure et on pourra se concentrer sur une bonne etancheité des 2 compartiments. La combustion H2 - O2 permet de créer un volume à basse pression, qui permettra ensuite de turbiner à basse température l'eau liquide sous haute pression de l’océan pour clôturer le cycle. Il faut au minimum 4 cylindres pour obtenir une continuité de pression différentielle afin d’entraîner la turbine sans à coup. En effet, il faut au moins un cylindre ayant une pression interne correspondant à T Froid, temporellement en attente d'une arrivée d'eau pour combler son "vide". De plus avec N cylindres cela permet de prolonger l’étape de détente qui est relativement lente à cause du processus de refroidissement / condensation de la vapeur d'eau.
Le principe est donc d'allié deux technologies reconnus pour créer une nouvelle petite évolution. Le moteur suggéré utilise une colonne d'eau comme piston, ce qui simplifie grandement le système puisqu’il n'y aucune lubrification dans la partie cylindre piston et pourra donc être associé à un cycle 2T dans ces conditions.
Le fait que ce système soit en haute profondeur diminue considérablement les risques en cas d'avaries et en cas de remontée accidentelle, la pression disloquerai les réservoirs bien avant de rencontrer la surface. Potentiellement la plate forme peut être en légère flottaison ancrée au fond de l’océan, l'immunisant contre les risques sismiques prononcés
Principe de fonctionnement adapté aux conditions atmosphériques courante
[modifier | modifier le wikicode]Il s'agit d'une variante du même cycle mais au lieu d’utiliser la pression océan comme énergie potentiel et l’océan comme source froide, on installe une bouteille d'air comprimé à 60bars, ou un matériau compressible sans perte qui pressurise le système qui serai alors totalement hermétique et on installe un gros échangeur pour refroidir l'eau à la température ambiante. La bouteille ne devra pas imposer de perte de charge donc cela impose un grosse section pour la tête de raccordement. La Bouteille isolé thermiquement fonctionnera en compression/décompression quasi adiabatique. Plus la pression sera haute, plus le facteur de variation de pression sera bas affaiblissant les pertes par compression et plus l’énergie par cycle pourra être élevée. Utiliser cette bouteille tampon comme tampon de carburant H2, permettrai de purger au fur et à mesure une dissolution possible puis un dégazage minime de H2 et O2 imbrûlé, qui pourrait représenter un risque dans ce cas précis. De plus une injection ou un retrait d'eau influencerai directement sur la densité énergétique du cycle et donc d'asservir la puissance fourni par le moteur.
Avantage :
-taux de compression illimité sans perte de compression mécanique/isotherme. (p = 20% roue compresseur turbo).
-densité énergétique par cycle non limité et pilotable par la pression interne du système.
-pas de papillon des gaz sur un moteur à explosion (avantageux à faible charge).
-détente des gaz à T Froid, à l’état liquide = T ambiante.
-TChaud = >2700c.
-Perte de charge très limité du au vitesse de fluide incompressible faible.
-Utilisation du moteur comme cycle secondaire compatible avec l'exploitation des pertes thermiques d'une pile à combustible haute température en lieu et place d'une turbine conventionnelle Rankine.
Inconvénient :
-Ne fonctionne qu'avec de la vapeur ou une combustion H2 O2.
-Maîtrise de l'explosion de H2 O2 en évitant les phases de détonation supersonique (2 500 m/s).
-Haute pression, faible débit d'eau pour la generatrice.
-Moteur nouveau, aucune étude, aucune réalisation experimentale.
Si le moteur donne de très bon rendement, ce pourrait être une grosse avancée pour les véhicules hybrides car en moyenne une voiture ne consomme que 20kw pour rouler à 130kmh. Il faudrait alors installer un échangeur de 10kw pour un rendement de 50%, le problème doit être similaire pour les piles à combustible de 80kw, avec n = 60% soit 32kw à évacuer à des températures plus élevés cependant...
Dans le cadre de l’utilisation d'un carburant fossile comme la technologie "pile à oxydes solides SOFC" qui atteint déjà des rendements très impressionnants (75% avec utilisation d'un cycle thermodynamique, 300 €/kW électrique). ce nouveau type de moteur permettrai d'augmenter d'autant plus le rendement dans ce cycle thermodynamique secondaire avec une installation moins complexe qu'une turbine à gaz difficilement envisageable sur une automobile. Un tel système générant de la vapeur d'eau (pertes thermiques de la SOFC à 900c), rendrait alors possible l’utilisation d'une énergie fossile de petite puissance (5-10kw) secondairement pour les très longs trajets tout en étant compatible avec une combustion H2 - O2 principale de plus forte puissance moins onéreuse à la fabrication. Une coopération optimisée entre ces 2 modes d’énergie, permettrai de mettre en température à moins coût énergétique la SOFC grâce aux pertes de confinement du moteur H2 O2 afin d'activer un mode "longue distance". On aboutirai sur un véhicule hybride alimenté par 2 types d’énergie avec une grande souplesse d'utilisation tant en puissance qu'en autonomie, d'autant plus que les stations H2 O2 sont encore trop rare sur le territoire pour lancer le marché sur ce seul vecteur énergétique.
Cadre sécuritaire de cette étude, Mise en garde, danger lié à l’hydrogène et l’oxygène
[modifier | modifier le wikicode]ce travail est exclusivement théorique : un exercice de pensée pour progresser sur les techniques d'exploitations de l’énergie du couple hydrogène oxygène. Les problèmes de sécurité dans les phase de combustion sont très complexes, en raison de l’extrême réactivité du combustible. Ils ne peuvent être assimilés à la combustion d'un carburant hydrocarbure comme l'essence ou le butane largement utilisé. En effet les vitesses de réaction, vitesse de flamme peuvent dans certaines configuration mener à des détonations extrêmement dangereuses, ce qui empêche de nombreuses théorie expérimentale de voir le jour, de nombreux débats sont fermés sur de nombreux forums liés à la charte sécurité. Le revers de cet état de fait est que l’on progresse très peu dans la connaissance et l'avancement de cette technologie pourtant nécessaire. Le risque financier en recherche et développement est élevé face à une non acceptabilité et une non connaissances précises des risques. On a peur avec raison de ce que l’on connaît pas!
Ce système théorique est en outre imaginé sous la mer, dans des zones abyssales ne laissant pas de place à des réalisations personnelles (ni dans son garage, ni sur un terrain vague). Ce type de pratique expérimentale est réservée à des professionnels dont les connaissances sont suffisantes pour respecter la longue liste de critères de sécurité nécessaire pour ne mettre aucune vie en danger. Le savoir expérimental doit se transmettre avec toutes les règles de sécurité obligatoires, sans cela c’est l'accident assuré (avec les responsabilités pénales qui s'en suivent).
L'auteur ne garantit rien et reste purement théorique. Il n'invite personne à expérimenter aucune des idées ici présentées sans l'accompagnement de professionnels, et ne saurait être tenu pour responsable en cas d'outrepassement de ce cadre théorique et de propositions sur l’état de l'art de la combustion de hydrogène-oxygène. Néanmoins il pense que la sécurité est aussi un savoir précis et rigoureux, et que des professionnels sans certaines nouvelles connaissances pourrait risquer l’accident. Il lui semble donc bénéfique d'expliquer les risques selon les configurations et ainsi éviter l'obscurantisme parfois violent dans les nouvelles technologies. Cela pose une question philosophique au monde libre Open Hardware : peut-on mettre en libre service une idée technique qui comporte des risques évidents qui ne pourrait qu’être utile qu'a des professionnels de part sa nature, sachant que ces professionnels ne pourront pour la plupart pas revendiquer cette idée sans être automatiquement relié à leur emplois, à des clauses de confidentialité ou à une punition dissuasive?
Électrolyse H2O
[modifier | modifier le wikicode]Je ne vais pas détaillé particulièrement ce passage, sauf évidement une séparation impérative des gaz par une membrane "nafion" ou équivalent, de l’oxygène et de l’hydrogène pour facilité une gestion des risques optimales. On doit être en mesure de détecter la moindre anomalie si jamais de l’oxygène venait à se combiner a l’hydrogène sur l’ensemble du système.
La haute pression permet d'améliorer les rendements de production d'H2 O2 car les bulles à 300bars occupent bien moins de volume qu'a pression atmosphérique, ce qui augmente la conductivité de l’électrolyte, electrodes et donc diminue les pertes ohmiques de l’électrolyse. La haute pression permet également une montée en température significative sans ébullition réduisant encore la résistivité du milieu, la pression critique étant de 220bar et 370c, il est possible de tirer parti d'un tel environnement pour une électrolyse à haut rendement sans confinement particulier autre que thermique. Cela serai bien différent quant aux problèmes de pression qui serait rencontrée en surface. L'eau douce qui alimente l’électrolyse provient d'un dessalanisateur classique.
Les rendement semble être dans la fourchette des 85-95% selon l'intensité par cm2 d’électrode selon les fabricants proposant cette technologie.
Note sécuritaire : les Generateurs HHO vendu sur ebay mais aussi ailleurs ne font pas de séparation des gaz et sont donc extrêmement dangereux bien qu'en vente libre...ne jamais concevoir un réservoir tampon de ce mélange ultra détonnant pour quelque raison que ce soit. Si le réacteur venait à exploser, de l'acide ou une base serait violemment projetée. un œil peut être abîme ou perdu!
Stockage à haute pression
[modifier | modifier le wikicode]Densité énergétique
[modifier | modifier le wikicode]Une bouteille B50 contenant de l’hydrogène à 200bars, contient 0.9Kg de dihydrogène (0.089kg.m3 x 200bars / 20). Malgré que la masse volumique de l’hydrogène ne soit pas tout à fait linéaire avec une augmentation de pression, pour un mètre cube de H2 à 300bars, nous disposons de 26,7Kg de dihydrogène H2. Avec un pouvoir calorifique de combustion avec l’oxygène de 141860 kJ/kg (PCS), la capacité énergétique est de 1.052 MWh / m3.
Le lest imposé pour immerger 1 mètre cube de H2 correspond à une tonne + le volume du lest ainsi que l'enveloppe d'etancheité du réservoir. le choix du béton à 2400Tonne/m3, demande de recourir à 1.8Tonne de béton pour être à l’équilibre de la poussé d’Archimède. La densité énergétique est donc de 0.585 kwh / kg de structure.
La combustion requière 1 mole de H2 pour 1/2 mole de O, ce qui permet d’évaluer le volume du réservoir d'O2. La mole d'H2 pesant 2g et la mole d’oxygène 31,9988g. Il serait nécessaire de stocker 213.592kg de O2. La masse volumique de O2 à 1.013bar 15c étant de 1,337 kg/m3, approximativement il faudrait 0,533 m3 de O2 à 300bars. Le lest imposé pour immerger ce volume avec du béton serait de 950Kg.
La densité énergétique finale est donc de 0.3825 kwh / kg de structure. En guise de comparaison, la densité énergétique du Lipo est de 0.180kw / kg. Il conviendra de déduire les pertes du rendement moteur + generatrice afin d’avoir une comparaison acceptable.
Pour fixer un ordre de grandeur le cycle moteur à 300bars pour un remplissage de 1L de gaz développerai une puissance de 686 wh ou 2,5 MJ thermique...L’énergie potentielle à 3000metre de profondeur correspondant à cette énergie est égal à 12L d'eau. Un cycle par seconde produirait 2,5 MW de puissance et viderai les réservoirs en 25minutes. Les contraintes thermiques sur le cylindre seront énormes si cela est possible. Peut-être que de multiples jet d'eau liquide sous HP, transformé en vapeur aiderait au confinement.
Flottabilité
[modifier | modifier le wikicode]Tout incident sur les réservoirs H2-O2, en particulier un mélange accidentel implique d'activer un rappel. L’oxygène est plus lourd que l'hydrogène mais la séparation passive de ces gaz est très lente. Des configurations adaptées permettent la détection d'un mélange et d'activer une procédure de sécurité. Une purge du réservoir, un remplissage en eau et la mise en maintenance de la plate forme en surface peut être nécessaire pour diagnostiquer l'origine d'une anomalie. Un câblot de remontée peut être nécessaire pour la remontée et pour éviter d'avoir à regéolocalisation l'AIS ainsi que pour le transfert de données informatiques. Dans les cas favorables, une remontée douce avec une purge progressive permet de ne pas déployer ce câblot. Arrivé en surface la purge de l’hydrogène par un gaz neutre (ex : argon bien plus lourd devient accessible, avec une bouteille B50 pour le travail de maintenance en sécurité).
Se stabiliser à -100metres par une petite bouée de surface est également possible, en attendan l’équipe technique... pour respecter des critères de sécurité notamment de distance face à un risque peut-être encore inconnue à ce stade de l’opération (consultation des données par radio grâce à la bouée).
Le système doit pouvoir être stable, réservoir vide ou plein. Ceci implique des choix adéquats de ballast et de lest. Il est difficile de fabriquer de gros réservoirs résistants à 300 bars, une pressurisation à pression océan par l'ajout d'un évent est donc préférable. la profondeur (et donc la pression) impactant directement le taux de remplissage, l’équilibre est toujours instable. Une source d’énergie est donc nécessaire pour la régulation. Une pompe à eau pouvant pressuriser jusqu’à 10 bars supplémentaires les réservoirs prévus à cet effet est souhaitable. En cas de nacelle autonome, cela donnerai une amplitude de 100 mètres autorisé pour décoller du fond et se poser plus loin par exemple, pour vider ses réservoir dans une structure adapté à ce besoin spécifique ou se désolidariser du fond en cas de secousse sismique. Dans le cas d'une structure qui exploiterait des ondes de pressions de vagues (théorie non vérifiée, qui m'a encouragé à développer l’ensemble de ces idées (moteur H2-O2 et stockage)), on pourrait envisager un « vol » sous marin débutant à faible profondeur puis au fur et a mesure que les réservoir se remplisse, entamer une descente lente tout en maîtrisant la flottabilité de la plate forme pour atterrir sur une zone de stockage étudiée à cette effet. Il faudrait alors avoir assez de puissance mécanique pour remonter près des -100metres pour réitérer un cycle d'exploitation des houles de tempête. Il s'agit à ce jour de pure science-fiction :)
Dans l'attente d'une maîtrise totale de la Combustion H2 O2 : La vapeur d'eau à 1000c
[modifier | modifier le wikicode]Il semblerai que certains alliages à base de nickel (Nimonic 75) tienne la corrosion à la vapeur d'eau haute température, ce qui permet d'envisager de capter de la chaleur depuis un foyer externe pour générer de la vapeur in situ. Le cycle thermodynamique serait moins efficace à cause d'une température moins haute et d'une cinétique plus faible de remplissage du cylindre débouchant sur davantage de perte par convection. Néanmoins cela ouvre des possibilités pour exploiter des foyers à feu de bois, à gaz, fioul, mais aussi à la récupération de pertes thermiques par une pile à combustible à oxydes solides SOFC.
Un cylindre qui supporte l'oxydation et les chocs thermiques avec une admission + soupape supérieure permettrai d’accueillir la vapeur à haut débit. Une base d'alumine serai candidat, la soupape pilotée depuis le bas moteur en eau froide, serait ouverte vers l’extérieure. Avec une pompe HP pour une réinjection vers la source chaude. La pression de vapeur du capteur thermique devra être plus élevée que la pression interne du moteur d'un facteur > 4 minimum pour la tolerance de débit vs pertes convection. Les multiples jet d'eau utilisés pour la phase de détente devront respecter un choc thermique raisonnable (???Vitesse de remplissage vs chaleur spécifique, conduction thermique du cylindre = deltaT = choc inconnu) du cylindre. Un effort d'isolation thermique sera nécessaire entre la source de chaleur et le moteur afin de réduire les pertes. Le contrôle d’énergie du cycle peut se faire par un asservissement de l'injection d'eau liquide vers le capteur thermique, par la pression interne du moteur, une non-activation de la soupape vapeur ou par un arrêt du generateur électrique, bloquant ainsi l'admission d'eau dans le cylindre.
Note1 : Ayant une source de chaleur supérieur au point d’auto inflammation H2-O2, un tel système pourrait s'averrer intéressant pour éviter un dispositif d'allumage interne mais parait très critique pour la soupape d'admission vapeur. En contre partie une preinjection de combustible avant allumage devient impossible. Peut être faire un cylindre type "vapeur" et un type H2 O2 séparément semble être l'approche la moins risquée, la plus optimisable également.
Note2 : L'usage de la vapeur d'eau étant réglementé selon les pays, la volumétrie et la pression en jeu devra s'y conformer parfaitement - bien que les volumes soit faibles. Le moteur pourrait fonctionner avec d’autre fluide comme le butane dans un cas réglementaire défavorable, tout en réduisant les problèmes d'oxydation (le butane est inflammable, et peut se décomposer à de telle température, un cycle plus bas en température est donc requis...).
Combustion H2 O2
[modifier | modifier le wikicode]Abordons ici les explications pour lesquelles je m'interdis, et j'interdis formellement toute expérimentation sans professionnels car trop dangereuse, sans simulation coûteuse en puissance de calculs, en compétences que je ne pourrais prétendre avoir en ma possession.
Pour faire le parallèle avec des combustions mieux connues : dans un moteur essence on tente plutôt d’accélérer la vitesse de combustion par des géométries particulières, des bougies lasers multipoints, etc. Ici au contraire la rapidité du front de flamme peut être d'une tout autre dimension (vitesse x1000) et engendre des contraintes difficilement prédictibles sans simulation.
Pour comprendre le problème, imaginer un cube de 1cm3 dans un milieu incompressible ; imaginer que ce cube puisse se dilater instantanément (temps infiniment court) à 10cm3. Que ce passe t-il au sein de la matière ? Une onde de choc supersonique va se produire en un temps infiniment court ; onde qui possède une énergie infinie. Rien ne peut résister au choc, les pertes de charges sont infinies... d’où le danger (et l'inutilité énergétique) à ne surtout pas prendre à la légère avec ce combustible.
Heureusement la combustion de H2-O2 n'est pas instantanée. Mais comprenons qu’il n'y pas ici de "à peu près" possible ; une simulation numérique des événements en fonction de chaque géométrie est un préalable indispensable.
Il est donc difficile pour un constructeur de modifier un moteur essence en moteur H2, même en changeant la cartographie d'injection et d'allumage. Les contraintes sont inévitablement majorées et un moteur initialement conçu pour de l'essence - sans une très grosse préparation - aura probablement une moindre durée de vie.
Onde de choc, Vitesse de front de flamme très élevée
[modifier | modifier le wikicode]Auto-inflammation
[modifier | modifier le wikicode]À 300bars il semble que l’hydrogène puisse lancer une combustion à partir de 350c avec une énergie de 10uJ. Il s'agit d'une valeur théorique calculée et cela pour un mélange H2_O2_N (air).
Cylindre, refroidissement de la vapeur sèche et injection H2 O2
[modifier | modifier le wikicode]La topologie générale est constitué d'un cylindre qui devra supporter le cahier des charges de contraintes inconnues, avec un dispositif insérer dans le cylindre pour pulvériser de l'eau liquide froide à 10 bars afin d'accomplir le processus de condensation de la vapeur sèche de combustion. Il s'agit d'un circuit fermé, l'eau est prise dans la colonne d'eau qui constitue le piston liquide du moteur. Dans un premier temps et avec une extrême simplification, ce dispositif constitué d'une multitude de petits trou servira donc à l’étape de détente mais aussi à protéger thermiquement le cylindre lors de la combustion à plus de 2700c. 4 petits orifices latéraux, à un niveau inférieur permettront d'éjecter une flamme H20 ou un plasma H2 pour allumer le mélange H2-O2 dont la masse à t = 0, n’est pas définie même théoriquement pour cause de contraintes inconnues. Peut être que la répartition des buses peut être travaillé pour absorber et limiter la réflexion d'onde de choc... Si cela s’avérait efficace, le même procéder pourrait être envisagé le long de la colonne d'eau formant le piston, afin de réduire les pertes du à l'onde de choc qui irait frapper les clapets et dissiperait de l’énergie inutilement hors du cylindre. L'idée serait de, soit envoyer du mélange par les petites buses avec un circuit H2 et un circuit O2, soit de l'eau sous pression, ce qui aura pour effet de verrouiller l'injection du combustible afin de moins solliciter, de pré-verrouiller les anti retours. Dès lors que la pression est supérieur à l'injection, allumage plasma H2 ou flamme type chalumeau H2 O2...
Ceci est trop simplifié ; il faudra peut-être recourir à une injection HP pour contrôler le débit d'injection et donc étaler la puissance dans un temps pas trop long non plus. Pour rappel, l'injection d'eau forcé peut servir à limiter la température de combustion notamment sous très hautes pression initiale (300bars). Plateau océanique Europe = -5000 metres, soit 500bars !
Allumage contrôlé par plasma H2O
[modifier | modifier le wikicode]Allumage par une fine combustion type chalumeau de H2 / O2
[modifier | modifier le wikicode]Vitesse de réaction et contrôle de la combustion
[modifier | modifier le wikicode]Turbinage de l'énergie potentielle
[modifier | modifier le wikicode]La principale difficulté réside dans les hautes pressions entre la pression océan 300bar et 0.2bar pression de "dépression" dans le cylindre. En effet la densité énergétique d'un cycle (1L H2 - O2) par seconde, sous entend d'arriver à turbiner 2,5 MW avec seulement 12L d'eau par seconde à 300bars. L'avantage cependant, c’est que les pertes de charges deviennent faible en comparaison à ce grand delta de pression.
Une méthode que je semble privilégié, serait de construire un generateur électrique telle une vis, dont l'axe serait guidé par des aimants néodymes tout le long du filet avec une aimantation permanente Nord Sud en extrémité pour la generatrice. Ainsi on peut avoir un assez large diamètre de rotor augmentant les vitesse d'inversion des flux magnétiques et en même temps aux extrémités un axe coulissant tel un piston de faible diamètre (donc faible débit). ce dernier serait donc pousser par la pression de 300bars alternativement d'un coté puis de l'autre grâce à un distributeur de chaque coté de la "vis generatrice". L'etancheité pourrait être effectuée aux extrémités grâce à de faible vitesse linéaire par joint spi ou autre technologie adaptée sans lubrification. La distribution peut s’envisager par une longue vis percé radialement en son centre à 2 points différent de façon à obtenir une vanne 3 voie HP. Des joints spi au milieu pourrait réduire les fuites d'eau. En contre partie le génerateur ne produirait que du continu, sera épaulé par des super-condensateurs lors des inversions de distribution et devra comporter une électronique pour gérer un variateur de fréquence. En basse tension 400VDC les pertes peuvent être estimée entre 3% et 5% pour la conversion électronique (redressement + onduleur).
Pression de vapeur d'eau
[modifier | modifier le wikicode]Après la combustion de H2 O2, la vapeur sèche est condensée par de multiple jet d'eau froide, ce qui permet de réduire son volume et sa pression à une valeur très basse. Selon thermexcel.com, à 60c la pression retombe à 0.2bar ce qui permet d'aspirer de nouveau de l'eau après l'avoir expulsé par une explosion de vapeur d'eau. La vapeur n’étant thermiquement pas très conductrice, il convient de pulvériser de l'eau froide directement dans le cylindre et coup de chance nous avons l'eau froide du piston liquide à disposition sans trop de travail énergétique. Par ailleurs, plus le rendement de la combustion H2 O2 sera haut, moins il y aura d’énergie à dissiper en refroidissement de la vapeur sèche. Un échangeur situé dans la colonne d'eau (piston liquide) permettant d’évacuer les calories en excès, peut être ajouté mais il ne semble pas nécessaire.
Régulation
[modifier | modifier le wikicode]== Conclusion ==La propulsion du véhicule est habituellement obtenue au moyen de moteurs, à savoir dispositifs mécaniques capables de convertir l’énergie chimique d’un combustible en énergie mécanique. L’énergie chimique du combustible est d’abord convertie en chaleur par la combustion, puis la chaleur est convertie en travail mécanique. En effet, la chaleur produite par la combustion augmente la pression ou le volume spécifique, et grâce à son expansion, le travail mécanique est obtenu.
Dans les moteurs à combustion interne (MCI), les produits de combustion (par exemple l’air et le carburant) sont utilisés comme fluides de travail, tandis que dans les moteurs à combustion externe, la combustion produit le transfert de chaleur à un autre fluide de travail au moyen d’échangeurs de chaleur. En outre, alors que dans le MCI la combustion a lieu à l’intérieur du cylindre, dans les moteurs à combustion externe, la combustion est obtenue dans une chambre séparée, appelée habituellement brûleur.
Science fiction - Aile volante houlomotrice
[modifier | modifier le wikicode]Il s'agit ici d'exploiter la supposée onde de pression générée par une onde de la houle grâce à une aile sous marine.
Supposant qu’il est bien une pression différentielle entre le haut de la vague et sa dépression, une nacelle au profile hydrodynamique muni d'ailes gonflables multiples (la portance n’est pas recherché, profil symétrique en limitant au mieux la traînée et en favorisant son élasticité), soutenue par une armature interne à l'aile, permettrai en se mettant à un cap perpendiculaire à la houle de profiter de ce différentielle de pression, pressurisant et dépressurisant les ailes sous le passage de la houle. La vitesse de la nacelle permet de gagner en fréquence notamment dans une houle longue ou les périodes sont relativement longue. Le flux d'air sous pression pourrait actionner une turbine et alimenter une électrolyse
H2O
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Le gaz neutre initialement injecté dans les ailes gonflables pourrait être additionner avec l’hydrogène généré sous réserve de maîtriser l'etancheité et ainsi pouvoir stocker l’énergie tout au long de la descente dans les abysses des océans ou une station de livraison serait préalablement installée. Dans les latitudes des 40emes, des houles longues de 5 à 15 mètres d'amplitude sont monnaies courantes, cela représente une énergie colossale directement issue du vent et donc parfaitement renouvelable. Des pressions différentielles de 500mbars à 1bars sont attendues ce qui largement exploitable sous réserve que ces ondes de pression se répercute dans les profondeurs. Des avis tirerais parti de ces phénomènes pour expliquer les pentes trop faibles, l'érosion des roches, recensées des fonds des océans par la simple gravité ou le courant marin. C'est un postulat à vérifier d'urgence! Par ailleurs c’est pour moi le point de départ qui a aiguisé ma curiosité pour toute cette recherche en domaine subaquatique...assez loufoque au premier abord!
Pour imager le problème de l’élasticité de l'aile, il faudrait à la fois un bords d'attaque semi rigide et éviter les plis dans les dépressions. Il semblerai que les films polyester avec une fine couche d'aluminium comme sont constituée les couverture de survie ont un taux de fuite très acceptable pour une pression relative nulle. La mise en forme et les soudures posent de vrais soucis d'etancheite par contre. Un polymère très démocratisé comme le PET (Polyethylene terephthalate Film) semble être un bon candidat pour mouler une aile semi rigide en une seule pièce.
Permeability to Carbon Dioxide @25C x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1 0.2
Permeability to Hydrogen @25C x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1 0.4
D’après goodfellow.com, la perméabilité à l’hydrogène semble être 2 fois supérieur à celle du dioxyde de carbone. Le matériaux semble bon pour l'eau gazeuse (dioxyde de carbone sous pression) ce qui laisse peut-être des possibilités suffisantes pour l’hydrogène. Un revêtement métallisé de quelques microns semble efficace. Le profil de l'aile inférieur devra être suffisamment rigide (mat carbone interne) pour supporter le poids de la nacelle et souple sur le profil supérieur pour pouvoir "respirer" avec les variations de pression. J'imagine que les industriels peut inventer un polymère spécialement étudié à cet effet.