Ce blog rassemble des informations et des réflexions sur l'avenir qui nous attend.

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vendredi 21 décembre 2018

Le stockage d'énergie, technologie clef de la transition énergétique/ Energy storage, a key technology for ensuring the energy transition


Energy storage is a key technology in the energy transition. Since wind and solar energy are intermittent, it is necessary either to associate with them an easily adaptable fossil energy, or an energy storage system. For the time being the share of these energies is small and it is therefore relatively easy to cover the intermittency by a modulation of the other sources of energy. It should be noted, however, that this leads to poorer economic use of other types of plants. From the moment when the share of renewable energies reaches a significant level, energy storage is required. However, there are no easily applicable solutions in this area. The most common solution for achieving significant storage capacity, which currently provides 99% of stationary storage needs, is to pump water at high altitude (storage phase) and then to recover power when needed, by sending the water back through a turbine. It is a well proven solution that leads to good overall yields (of the order of 80%) and which allows a very long life of the facilities. However, it is necessary to have adapted sites. In France, these sites are, for the most part already exploited. In addition, they are frequently far from the production sites, for example offshore wind turbines. Much progress has been made in the field of batteries, but they are not suited to large capacities or long storage times. For example, in the case of a wind turbine, storing the equivalent of the average production for 8 hours leads to an investment in batteries equivalent to the investment required for a wind turbine (Li-ion battery, with a 700 € / kWh of investment for the battery ). However, we can observe a lack of wind for several days. In addition, there is a lack of perspective regarding the life of batteries in such conditions. It is also envisaged to store electricity by producing hydrogen by electrolysis and then generating electricity in a fuel cell. However, the overall yield remains low (between 35 and 45%) and the storage of hydrogen in large quantities is not easy to ensure. Underground storage is possible, but it is imperative to guard against any risk of leakage, which leads to a problem of acceptability. Finally, the costs are high and all the more difficult to make profitable that the operation is intermittent. It is therefore imperative to study and develop innovative solutions in this field: mini hydraulic storage, seawater pumping, new batteries (such as Redox-flow batteries), other physicochemical systems? Many tracks can be envisaged, but none of them has yet been imposed on a large scale. It is therefore essential to identify new storage routes and to test them up to an industrial stage, in particular to have information concerning transient operation.

Le stockage d'énergie est une technologie clef de la transition énergétique. Comme les énergies éoliennes et solaires sont intermittentes, il faut soit leur associer une énergie fossile facilement modulable, soit un système de stockage d’énergie. Pour le moment la part de ces énergies est faible et il est donc relativement facile de couvrir l'intermittence par une modulation des autres sources d'énergie. Il faut noter toutefois que cela conduit à une moins bonne utilisation économique des autres types de centrales. 
   A partir du moment où la part des énergies renouvelables va atteindre un niveau significatif, le stockage d'énergie devient indispensable. Or, on ne dispose pas de solutions vraiment satisfaisantes dans ce domaine. La solution la plus répandue pour réaliser des capacités de stockage importantes, qui assure actuellement 99% des besoins de stockage stationnaire,  consiste à pomper de l'eau en altitude (phase de stockage) puis à la turbiner (déstockage).  C'est une solution éprouvée qui conduit à de bons rendements globaux (de l'ordre de 80%) et qui permet une très longue durée de vie des installations. Toutefois, il faut disposer de sites adaptés. En France, ces sites sont, pour la plupart déjà exploités. En outre, ils sont fréquemment éloignés des sites de production, s'il s'agit par exemple d'éoliennes en mer. 
    De grands progrès ont été accomplis dans le domaine des batteries, mais celles-ci ne sont pas adaptées aux grandes capacités ni à des temps longs de stockage. Ainsi par exemple dans le cas d'une éolienne, stocker l'équivalent de la production moyenne pendant 8 h entraîne un investissement en batteries équivalent à l'investissement nécessaire pour une l'éolienne (batterie Li-ion, avec l'hypothèse 700 d'investissement batterie  /kWh). Or, on peut observer une absence de vent pendant plusieurs jours. En outre, on manque de recul concernant la durée de vie des batteries dans de telles conditions.
   Il est également envisagé de stocker l'électricité en produisant de l'hydrogène par électrolyse, puis en générant de l'électricité dans une pile à combustible. Toutefois, le rendement global reste faible (entre 35 et 45%) et le stockage de l'hydrogène en grandes quantités n'est pas facile à assurer. Le stockage souterrain est possible, mais il faut impérativement se prémunir de tout risque de fuite, ce qui entraîne un problème d'acceptabilité.  Enfin les coûts sont élevés et d'autant plus difficiles à rentabiliser que le fonctionnement  est intermittent.
  Il est donc impératif d'étudier et développer des solutions innovantes dans ce domaine: mini stockages hydrauliques, pompage/turbinage d'eau de mer, nouvelles batteries (telles que les batteries Redox-flow), autres systèmes physico-chimiques? De nombreuses pistes peuvent être envisagées, mais aucune d'entre elles ne s'est encore imposée à grande échelle. Il est donc essentiel d'identifier des voies nouvelles de stockage et de les tester jusqu'à un stade industriel, notamment pour disposer d'informations concernant un fonctionnement en régime transitoire.

vendredi 20 avril 2018

L'avenir de la mobilité / The future of mobility


Mobility has been involved in all developments and industrial innovations for more than 150 years, in connection with energy, transport, manufacturing processes and social transformations. The world has experienced a series of industrial revolutions: machinism (1780/1850), Taylorism (1880/1950), automation and liberalism (1950/2000), the digital revolution (2000/2020) and perhaps tomorrow the fusion of physical, digital and biological technologies (2020/2040?) pending the biological revolution and the possible human-machine fusion (2040+?) In this context what will be the mobility of tomorrow? It is expected to become safe, clean, connected, efficient and inclusive. The changes will be guided by the technological evolution of society and by a segmentation between urban mobility, rural and long distance transportation. As mobility needs will explode (x 2.6 by 2050 for passenger transport, x 3 for freight transport), the share of urban transport will increase from 52% in 2010 to 67% in 2050. The use will gradually take precedence over the possession. This will result in a major reorganization of mobility services. The traditional model will however resist for the rural and the long distances, while evolving (plug-in hybrid cars, hydrogen?). Electrical and hydrogen technologies will become competitive. Cars will be electric, autonomous and connected in urban areas. While presently the car manufacturer is at the top of the value chain, tomorrow a whole range of actors will be leading developments in a much more autonomous way than today. The customer equipped with his smartphone will be at the center of the system, while the datas will become the new fuel for this mobility. An autonomous vehicle used in car-sharing will be available 100% of the time (thanks to the induction charge, it will be possible to recharge even while driving). Thus, in urban areas, the autonomous vehicle should be predominantly shared on demand, with a door-to-door mobility service, while in rural areas, car pooling should coexist with the maintenance of vehicles on the move. The car will however remain open to new horizons (drones?). Beyond these technological transformations, a more fundamental question arises. Is the current increase in the number of vehicles sustainable? While the number of vehicles in the world was 220 million in 1970, 660 million in 2000, it has exceeded the current billion and might be close to 2 billion in 2030 and 4 billion in 2050. Energy  and raw materials consumption that implies such an increase seems totally incompatible with the resources of the planet. In addition, the proliferation of advanced technologies (sensors, radars, lidars, digital technologies, lithium batteries, photovoltaic cells, offshore wind turbines, etc.) will also contribute to increasing the demand for scarce materials and rare metals (cobalt, platinum, lithium, neodymium, praseodymium, lanthanum, etc.). Therefore, two scenarios can be foreseen. In the first case, this race towards ever greater mobility and technology would be slowed down. In the second case, an extreme rise in inequalities would become likely: ever more technology and luxury for the happy few and the return to the rickshaw for others.

La mobilité est partie prenante de toutes les évolutions et innovations industrielles depuis plus de 150 ans, en lien avec l’énergie, les transports, les processus de fabrication et l’organisation sociale. Le monde a connu une série de révolutions industrielles : le machinisme (1780/1850), le taylorisme (1880/1950), l’automatisation et le libéralisme (1950/2000), la révolution numérique (2000/2020) et peut-être demain la fusion des technologies physique, numérique et biologique (2020/2040 ?) en attendant la révolution biologique et la possible fusion homme-machine (2040+ ?) Dans ce contexte que sera la mobilité de demain ? Elle devrait devenir sûre, propre, connectée, efficace et inclusive. Les changements seront guidés par l’évolution technologique de la société et par une segmentation entre la mobilité urbaine, le rural et la longue distance. Tandis que les besoins de mobilité explosent (x 2,6 d’ici 2050 pour le transport de passagers, x 3, pour le transport de marchandises), la part du transport urbain va passer de 52 % en 2010 à 67% en 2050. L’usage va progressivement primer sur la possession. Il va en résulter une réorganisation importante des services de mobilité. Le modèle traditionnel résistera toutefois pour le rural et les longues distances, tout en évoluant (hybride rechargeable, hydrogène ?). Les technologies électrique et hydrogène vont devenir compétitives. Les voitures seront électriques, autonomes et connectées en zone urbaine. Alors que le constructeur automobile se trouve, aujourd’hui, au sommet d’une chaîne de valeurs, demain, il se retrouvera au milieu d’un jeu d’acteurs menant des développements de façon beaucoup plus autonome qu’actuellement. Le client équipé de son smartphone sera au centre du système, tandis que les datas vont devenir le nouveau carburant de cette mobilité. Un véhicule autonome utilisé en auto-partage sera disponible 100% du temps (grâce à la charge par induction, il pourra être rechargé même en roulant). Ainsi, dans les zones urbaines, devrait prédominer le véhicule autonome en partage à la demande, avec un service de mobilité porte à porte, tandis que dans les zones rurales, le covoiturage via application et la conduite automatique devraient coexister avec le maintien de véhicules en possession tandis que sur les longues distances conduite automatique et covoiturage devraient s’imposer. La voiture devra toutefois rester un objet de liberté ouvert vers de nouveaux horizons (drones ?). Au delà de ces transformations technologiques, se pose une question plus fondamentale. L'accroissement actuel du nombre de véhicules est-il soutenable? Alors que le nombre de véhicules dans le monde était de 220 millions en 1970, de 660 millions en 2000, il a dépassé le milliard actuellement et pourrait avoisiner 2 milliards en 2030 et 4 milliards en  2050. La consommation d'énergie et de matières premières que suppose un tel accroissement paraît totalement incompatible avec les ressources de la planète. En outre la multiplication de technologies avancées (capteurs, radars, lidars, technologies numériques, batteries lithium, capteurs photovoltaïques, éoliennes en mer, etc.) va également contribuer à augmenter la demande en matériaux peu répandus et métaux rares (cobalt, platine, lithium, néodyme, praséodyme, lanthane, etc.). Dès lors, on peut envisager deux scénarios. Dans un premier cas, on parviendrait à un ralentissement de cette course vers toujours plus de mobilité et de technologie. Dans le deuxième scénario, on observerait une montée extrême des inégalités: toujours plus de technologie et le luxe pour les 1% les plus fortunés et de plus en plus de misère ainsi que le retour au rickshaw pour les autres.

vendredi 30 mars 2018

Le véhicule à hydrogène: rêve ou réalité?/ The hydrogen vehicle: dream or reality?


Generations of researchers and engineers have been dreaming about the hydrogen vehicle. A fuel whose combustion emits only water seems ideal for vehicles traveling in polluted metropolitan cities. Producing this fuel from renewable energies would provide a clean and sustainable solution. Unfortunately the difficulties are numerous. Hydrogen is currently produced from methane, emitting 10 kg of CO2 per kg of hydrogen produced. Electrolytic production is much more expensive, especially if the electrolyser is used intermittently. Hydrogen transportation and storage poses difficult problems, both in terms of cost and safety. Finally, progress in the field of fuel cells is slower than originally planned. Two experiments currently carried out in France show, however, that hydrogen vehicles can find their place for well-chosen applications. The company Pragma Industries has realized a bicycle running on a fuel cell and hydrogen as fuel. It plans to develop many other applications in the coming years (tricycles, drones, scooters, portable health devices). The current system (Alpha) includes a PEM fuel cell and hydrogen storage in a tank at 200 bar embedded in the bicycle. All these devices are compactly integrated. The range may exceed 100 km and the time for recharging is of the order of 1 min. Various projects including a charging station are underway: Vedecom Versailles (10 bikes and a charging station), Saint Lô Cherbourg (20 bikes and 2 charging stations), Savoie (2 charging stations 20 km one of the other). The Hype program, developed by the STEP start-up, consists in implementing a fleet of hydrogen taxis. This program is justified by the need for "zero emission" vehicles in cities for reasons of public health. Electric vehicles have limitations (range, charging time, battery materials) that can be lifted with hydrogen vehicles. In addition, the city of Paris lends itself well to such experimentation: global showcase, adapted market, political support from the mayor, Anne Hidalgo. At the beginning of 2018, 75 vehicles (62 IX 35 and 13 Mirai) are in place. The aim is to demonstrate the validity of this option by deploying 600 vehicles by the end of 2020, in order to implement a more fully commercial Phase 2. The stakes are high (17,000 taxis and 20-30,000 VTCs). The Olympic Games of 2024 represent an opportunity to deploy a new non-polluting solution. It is now a question of broadening the partnership through HysetCo, a structure which will allow to acquire new financing, to develop the current experiment and to prepare Phase 2. These two experiments show that hydrogen vehicles can make part of the reality of tomorrow. Other targeted applications may be considered: road transport of goods or public transport. The issue of hydrogen service stations is critical, but can be solved quite easily for vehicles traveling in defined urban areas, or between specific locations.

Le véhicule à hydrogène a fait rêver des générations de chercheurs et d'ingénieurs. Un carburant dont la combustion ne rejette que de l'eau paraît idéal pour alimenter des véhicules circulant dans les métropoles polluées d'aujourd'hui. Produire ce carburant à partir d'énergies renouvelables permettrait de disposer d'une solution propre et durable. Malheureusement les difficultés sont nombreuses. L'hydrogène est actuellement produit à partir de méthane, en émettant 10 kg de CO2 par kg d'hydrogène produit. Le produire par électrolyse coûte beaucoup plus cher, surtout si l'électrolyseur est utilisé de manière intermittente. Le transport et le stockage de l'hydrogène posent des problèmes difficiles, à la fois en termes de coûts et de sécurité. Enfin, les progrès dans de domaine des piles à combustibles sont moins rapides que ce qui était initialement prévus. Deux expérimentations menées actuellement en France montrent toutefois que les véhicules à hydrogène peuvent trouver leur place sur des créneaux bien choisis. La société Pragma Industries  a réalisé un vélo fonctionnant avec une pile à combustible et de l’hydrogène comme carburant. Elle prévoit de développer de nombreuses autres applications dans les années à venir (tricycles, drones, scooters, appareils de santé portables, applications militaires). Le système actuel (Alpha) comporte une pile à combustible PEM et un stockage d’hydrogène sous pression à 200 bar embarqué dans le cadre du vélo. Tous ces dispositifs sont intégrés de manière compacte. L’autonomie peut dépasser 100 km et le temps de recharge est de l’ordre de 1 mn. Différents projets intégrant une borne de recharge sont en cours: Vedecom Versailles (10 vélos et une station de recharge), Saint Lô Cherbourg (20 vélos et 2 stations de recharge), Savoie (2 stations de recharge à 20 km l’une de l’autre). Le programme Hype, développé par la société STEP, consiste à mettre en œuvre une flotte de taxis à hydrogène. Ce programme est justifié par la nécessité de disposer de véhicules « zéro émission » dans les villes pour des raisons de santé publique. Les véhicules électriques présentent des limitations (autonomie, temps de recharge, matériaux pour batteries), qui peuvent être levées avec les véhicules à hydrogène. En outre, la ville de Paris se prête bien à une telle expérimentation : vitrine mondiale, marché adapté, soutien politique (Anne Hidalgo). Début 2018, 75 véhicules (62 IX 35 et 13 Mirai) sont en place. Le but poursuivi est de démontrer le bien-fondé de cette option, en déployant 600 véhicules d’ici fin 2020. Il s’agirait ensuite, en Phase 2, de passer à une offre véritablement commerciale. Les enjeux sont importants (17 000 taxis et 20-30 000 VTCs). Les Jeux Olympiques de 2024 représentent une opportunité pour déployer une nouvelle solution non polluante. Il s’agit à présent d’élargir le partenariat à travers HysetCo, structure qui doit permettre d’acquérir de nouveaux financements, de développer l’expérience actuelle et de préparer la Phase 2. Ces deux expérimentations montrent que les véhicules à hydrogène peuvent faire partie de la réalité de demain. D'autres applications ciblées peuvent être envisagées: transport routier de marchandises ou transport collectif. La question des stations service de distribution d'hydrogène est critique, mais peut-être résolue assez facilement pour des véhicules circulant dans des zones délimitées, en milieu urbain, ou entre des lieux déterminés.

dimanche 20 janvier 2013

Les idées fausses de Jeremy Rifkin / The wrong ideas of Jeremy Rifkin

Jeremy Rifkin encounters a great success, especially in Europe, with his books. Unfortunately most of his ideas have proven to be wrong. He has been the prophet of the "end of Work".  In practice,  a country like France where the working hours have been massively reduced (1679 h/y) are in a much more difficult position than those where they have been maintained at a higher level, such as Germany (1904 h/y). In 2002, he claimed that the "Hydrogen Economy" was imminent. Ten years later, nobody believes any more that it may be true. His comparison of the energy system with Internet has proven to be false, even where renewable energy sources are widely deployed. Later, he announced that Internet was creating a world "Empathic Civilization", a view quite close to the idea that we have reached the "end of history", because all nations will recognize the Western values as the only right ones. Now he claims that a "third industrial revolution" has started, based upon Internet and renewable energy sources. Thus he completely misses the mere fact that the priority of the two World great economic powers, the United States and China, have chosen to power their economic growth by using the cheapeast available energy sources, shale gas for the United States, coal for China. Only Europe seems to have chosen "the dream". 

Jeremy Rifkin, dont on vient de publier en France le dernier ouvrage consacré à "La troisième révolution industrielle" rencontre beaucoup de succès, notamment en Europe. Pourtant, si on examine le bilan de toutes les idées qu'il a soutenues au cours du temps, on peut constater qu'elles ont été toutes démenties par les faits.
En 1995, il s'est fait l"apôtre de la société post-industrielle et post-travail, annonçant "la fin du travail". Force est de constater que ceux qui ont cru à cette idée sont maintenant mal en point. La France où le temps de travail annuel est de 1679 h a un taux de chômage deux fois plus élevé qu'en Allemagne où ce temps de travail est de 1904 h. En 2002, il a annoncé l'économie de l'hydrogène. Dix ans après, personne ne croit vraiment que ce soit une révolution à notre portée. Il a également assimilé le fonctionnement du secteur énergétique à Internet, considérant que chacun va produire sa propre énergie et que l'hydrogène pourra transférer l'énergie d'une habitation à une autre.

jeudi 13 octobre 2011

L'avion à hydrogène / Hydrogen plane

Hydrogen, which was considered with much hope, as a clean fuel for cars is encountering major dificulties, and it seems unlikely that it might be widely used for such applications in the near future. Later on, other solutions like the electric car might be preferred. Still, hydrogen might be the most attractive option in the future for commercial planes, as hydrogen is the fuel with the highest specific energy content, as alternative options for replacing kerosene are lacking. A new project, NACRE (New Aircraft Concepts Research), has been launched, for investigating the features of a future plane propelled by hydrogen, with teams from 12 pays of the European Union and Russia. Still, such an option could be used commercialy only in the long term  (by 2050). The main difficulty remains the storage of hydrogen, which for such an application should be stored liquid at -253°C. Storage in high presure tanks seems unappropriate and the use of hydrures would lead also to a significant increase of the mass to be transported.


L'hydrogène, qui avait suscité de nombreux espoirs dans le secteur automobile peine à s'imposer. Les difficultés de transport et de stockage, jointes aux coûts associés à la pîle à combustible, ont renvoyé son éventuelle utilisation sur des véhicules commerciaux à beaucoup plus tard. Par contre, l’hydrogène va peut-être trouver une place de choix dans le secteur aérien. En effet de tous les carburants, l’hydrogène est celui qui stocke le plus d’énergie par unité de masse, ce qui est un avantage majeur pour l’aviation. En outre, dans ce secteur, il n'existe pratiquement pas d'alternative au kérosène, en dehors des biocarburants, dont un très large usage risque de poser de graves problèmes, en termes d'allocation des sols. De nouveaux concepts d’avions mettant en œuvre l’hydrogène comme carburant, sont étudiés actuellement dans le cadre d’un projet de recherche européen qui a été lancé récemment, le projet NACRE (New Aircraft Concepts Research), qui réunit des équipes de recherche et plusieurs grands constructeurs d’avions de 12 pays de l’Union Européenne et de Russie. Néanmoins, une telle option ne pourra être appliquée qu’à long terme (à l’horizon 2050). La principale difficulté reste le stockage de l'hydrogène, qui pour cette application devrait être utilisé liquide (à -252,87°C), ce qui pose évidemment de nombreux problèmes économiques et pratiques. Le stockage dans des réservoirs sous pression parait inapproprié et l'utilisation d'hydrures conduit également à alourdir considérablement la masse à transporter.