L’article ne traite pas de la production d’énergie, qui fait déjà l’objet de nombreuses publications, mais de son stockage et de sa restitution. En ce sens, ces accumulateurs sont des relais d’énergies.

Ce texte ne vise pas l’autarcie, mais à favoriser les réserves d’autoproduction d’énergie à usage domestique en vue de l’autoconsommation, bref de rendre un logement (maison, chalet, bungalow, roulotte, mobil home…) plus autonome en considérant que, Dieu merci, le réseau public d’électricité reste disponible en cas de besoin. L’esprit de l’autonomie ne vise pas l’indépendance énergétique, mais le choix de ses dépendances : l’EDF, le vent, le soleil, l’eau de pluie, les récoltes de biomasse…. Puisque l’énergie naturelle est aléatoire, pour qu’elle soit utilisable ou pilotable, elle demande un stockage qui, lui, doit fournir à la demande.

Les considérations développées ici ciblent davantage le particulier que l’industriel.

· L’ordre des puissances est de 100W et ne dépasse guère le KW

· L’ordre de durée de stockage retenue se dépasse pas le rythme nycthéméral (quotidien), selon le postulat simplifié que les sources d’énergies suivent aussi un cycle quotidien.

Dans la mesure du possible la préférence d’implémentation est d’utiliser des équipements et technologie déjà sur étagères. Ces solutions commerciales ont l’avantage de ne demander que leur achat, mais elles sont fragiles car elles demandent un réseau de distributeurs et d’experts qui vont à l’encontre du principe d’autonomie. C’est pourquoi l’article envisage des solutions mécaniques réalisables par des artisans adroits avec presque rien et donc de la même façon maintenables en cas de pannes et d’extension de puissance.

Chaque type accumulateur est analysé quantitativement, à savoir quantifier théoriquement l’énergie emmagasinable. L’hypothèse générale s’appuie aussi sur un rendement de 50% entre (l’énergie reçue) / (énergie restituée). Dans les calculs théoriques ci-dessous, le lecteur est invité à appliquer ce coefficient.

L’article commence par la présentation des bilans théoriques des réservoirs envisagés, se poursuit par des propositions d’implémentions dans le §3 Restitution de l’énergie et conclu en classant l’efficacité des types de réservoirs.

1 Types de « réservoirs »

Sept types de réservoirs sont abordés et leur classification est volontairement variable : Tantôt « Réversibles » vs. « Irréversibles» tantôt « Mécaniques » vs. « Fluides » vs. « Thermiques »

Malgré leur intérêt, ces réservoirs sont exclus de l’étude :

· Les aliments qui s’écartent un peu de la technologie et de l’esprit de cet article. L’énergie animale et humaine prévalait avant notre société thermo-industrielle et la nourriture était le carburant. Du point de vue science physique, un cheval fournit environ un « cheval vapeur » soit 736W tandis qu’un cycliste du tour de France grimpant l'Alpe d'Huez développe 400W. Nous, hommes ordinaires, développons 200W d’effort acceptable pendant 30 mn ou 100W pendant 2 H (randonnée avec fort dénivelé en montagne). Au moyen âge on utilisait des cages d’écureuil pour lever les charges et construire des cathédrales.

Engins de levage — Wikimini, l'encyclopédie pour enfants

Aujourd’hui on peut utiliser une bicyclette fixe pour entrainer son lave-linge.

Mon lave-linge à pédale -

On note que dans les 2 cas, nous utilisons nos jambes. Voici un calcul simpliste de notre utilisation énergétique qui montre parallèlement notre faible consommation de nourriture et notre faible puissance :

o Une bonne pomme de terre normale de 200g contient 160Kcal

o Un actif physique a besoin de 2300Kcal / Jour. Cette pomme de terre représente donc 7% de sa ration énergétique quotidienne. Convertie en temps : 24H * 7% > 1h 30 pendant lequel il peut théoriquement fournir 200W ou, 100W pendant plus de 3H, par pomme de terre

· Les carburants fossiles (pétrole, charbon, lignite et gaz naturel) et végétaux dont l’énorme densité d’énergie nous a servi depuis nos origines puis servira encore massivement pendant longtemps. Un Kg de pétrole a un pouvoir calorifique de 11,6 kWh soit 1,43 Kg de charbon ou 3 Kg de bois à 20% humidité. Ces carburants sont exclus de l’étude pour les mêmes raisons que les aliments.

· Le biogaz fournit par les méthaniseurs. Les digesteurs de bio-déchets produisent 60% CH4 et 40% CO2. De façon domestique on peut laver les gaz produits par un bulleur dans une colonne d’eau et obtenir une concentration de méthane à 90%. Une fois stocké dans des réservoirs, ce gaz est disponible pour être brulé et produire de la chaleur (cuisson, chauffage, eau sanitaire…) ou de l’énergie mécanique au travers d’un moteur à gaz, transformable en électricité si besoin, ou les deux ensemble grâce à la cogénération. Selon la nature des déchets, l’efficacité est de 1 à 10 m3 cubes par jour et par mètre-cube de déchets. C’est une excellente solution mais cet article se veut centré sur le stockage, qui pour le procédé de méthanisation est consubstantiel à la production : on ne peut séparer l’un de l’autre. Le web offre d’excellentes informations complémentaires à ce sujet.

· Le stockage par volant d’inertie qui est trop industriel pour être envisagé ici. Cet ancien principe se retrouve dans l’usage des tours de potier (une fois le tour mis en rotation, il continue de tourner via l’inertie du système). Hier en Suisse des Gyrobus pouvaient rouler plusieurs km sans se recharger grâce à un volant en acier de 1 500 kg lancé à 3 000 tr/min. Aujourd’hui un volant d'inertie dans les data centres permet de stocker de l'énergie en convertissant de l’énergie cinétique de rotation en électricité et inversement. Les plus rapides tournent jusqu’à 50000 tr/min, selon l’effet qu’en doublant la vitesse on quadruple l’énergie cinétique, car E = ½I ω ² où I est le moment d'inertie de la masse et ω sa vitesse de rotation.

· La génération de dihydrogène par électrolyse puis sa compression et enfin son utilisation comme vecteur d’énergie. L’électrolyse n’est pas un problème, ni bruler H2 dans un moteur 4 temps au lieu d’une pile à combustible. En revanche, le procédé de stockage est trop complexe à mettre en œuvre dans une installation domestique : Il faut à la fois comprimer, empêcher la fuite de la minuscule molécule de H2 et enfin réaliser une installation sans métal fragilisé par l’hydrogène

· Les super-condensateurs qui sont parfaitement adapté à des stockages avec apport massif d’électricité (e.g. récupération énergie de freinage de véhicules) qu’une batterie ne pourra pas absorber. Ils sont efficaces pour stocker pendant plusieurs heures. Ces super-condensateurs ont un bel avenir. Cependant dans une installation domestique les apports et les besoins d’énergie sont plutôt lisses. Comme les batteries chimiques, ils sont polarisés.

Avantage

o Fonctionnent à froid, contrairement aux batteries chimiques qui demandent d’être chaude pour être efficaces.

o Capacité de charge/décharge peuvent être très rapide : quelques secondes

o Densité de puissance 10Wh / Kg vs. batterie Lithium-Ion 200Wh / Kg

Inconvénient

o Auto décharge en 1 semaine

o Auto-dégradation en quelques années

Les « Redox flow battery » ou batteries à flux circulants bénéficient d‘une densité d’énergie élevée (1 KWh/kg). Elles peuvent supporter plus de 10.000 cycles de charge sans effet mémoire. Elles ne souffrent quasiment d’aucun effet d’auto-décharge. Parmi les inconvénients majeurs pour le particulier, citons la complication générée par la présence des réservoirs et la nécessité d’utiliser un système de circulation de l’électrolyte comprenant des pompes, des tuyauteries, des capteurs, etc. bien plus complexe qu’un simple BMS (Battery management system). Elles ne sont intéressantes que pour les grosses installations industrielles de stockage électrique. Entre ces systèmes plomb ou Lithium-Ion et « Redox Flow Battery » existe un point commun fondamental : Redox. Le principe traditionnel des batteries est d'avoir en interne 2 électrodes solides qui se modifient chimiquement/électroniquement lors de la charge et décharge, tandis que dans la Redox Flow Battery, ces 2 électrodes sont des réservoirs liquides, extérieur à la batterie. Elles sont donc de grande taille, à vocation stationnaires et avec une durée de vie supérieure.

1.1 Réversibles

5 stockages étudiés sont réversibles à savoir qu’on peut recréer de l’énergie à partir d’eux, électrique pour raison de simplicité.

· Stockage énergie potentielle de gravité mécanique

· Stockage énergie élastique dans un ressort

· Stockage énergie élastique de l’air comprimé

· Stockage énergie électrique par batterie chimiques stationnaire

· Stockage énergie électrique par batterie chimiques sur véhicules électriques

1.2 Irréversibles

2 stockages étudiés sont thermiques à savoir qu’il est déraisonnable de recréer de l’énergie à partir d’eux.

· Stockage énergie calorifique dans l’eau

· Stockage énergie frigorifique dans l’eau

2 Bilan énergétique des stockages

Quelques équivalences liminaires

• 1Wh = 3600J

• 1KJ = 1000 / 3600 Wh = 0.28 Wh

• 1Kcal = 4180J/3600J = 1,16Wh

• 1000Kcal = 1,16KWh

2.1 Energie potentielle de gravité d’une masse

Ce principe est celui du poids d’une pendule qu’on remonte et qui lors de sa descente entraine le mécanisme de la pendule.

Soit un portique avec une poutre horizontale remontant une charge (grâce à électricité photovoltaïque par exemple). En inverse la charge se comporte comme le poids d’une pendule qui actionne la génératrice lors de la descente de cette charge.

Par rapport à la force proportionnelle au bandage du ressort décrit ci-dessous, ici la force motrice, i.e. la gravité, de la restitution est constante.

Ce principe est comparable à celui du pompage d’eau vers une retenue en hauteur, suivi d’un turbinage

Le bilan d’énergie potentielle de gravité théorique est mauvais. Et pire en réel, compte tenu de la multiplication par le rendement.

100W = 10kg x mètre / seconde

100W = 1Tonne x m / 100 secondes =1 mn 40s

100W = 10Tonnes x m / 1000s =16mn 40s

100W = 5Tonnes x 2m / 1000s =16mn 40s

100W = 10Tonnes x 5m / 5000s =1h 23mn 20s

Si on retient comme unité de hauteur = 5m, l’énergie massique de 1Kg = 5 * 10 = 50J/kg

2.2 Energie élastique d’un ressort bandé

Ce principe est celui du ressort d’un ancien réveille-matin qu’on tend en le bandant, ou celui de la voiturette jouet dont on remonte le ressort avant de la reposer sur le sol.

Le principe de la restitution est comparable au cas ci-dessus de la masse remontée. Le détail du mécanisme de compression et de détente est présenté plus loin.

Si on écrase 4 ressorts à hélicoïdaux d’amortisseur de camionnette, de compression totale de 20 cm avec une force à mi-chemin (10cm) de 4 tonnes.

L’énergie élastique stockée est équivalente à l’énergie potentielle de 4 tonnes sur 0.2 m = 40000 * 0.2 = 8000J. Si on récupère cette énergie en 80s, on obtient 8000/80 = 100W pendant 1 mn 20s

Si 1 ressort fait 6Kg => masse totale de 24 Kg

8000J / 24kg = 333J / kg

2.3 Energie élastique dans l’air comprimé

Le principe consiste à comprimer l’air dans un réservoir puis de le détendre dans un moteur à air comprimé. Cet air offre aussi l’avantage de pouvoir circuler en conduites dans la maison (avec risque important de fuites) et que les moteurs à air comprimés peuvent entrainer en translation ou en rotation des machines, sans passer par l’électricité. On pense à des visseuse, perceuse, cloueur, fraise de dentiste, démarreur, marteau piqueur, verins etc.

Le rendement d'un compresseur 8 bars est d'environ 50 %. Des compresseurs du commerce montent facilement à 12 ou 14 Bars avec 2 étages de compression. Il faut prévoir un réservoir de quelques centaines de litres pour stocker l’air. Quant au moteur à air comprimé, grâce à la chaleur de l’air ambiant, il a un bon rendement : la détente n’est pas adiabatique mais isotherme.

Une façon simple d’examiner le bilan énergétique de l’installation est de considérer la puissance du compresseur multipliée par sa durée de la compression, quel que soit la pression, (i.e. le nombre d’étages), la taille de la cuve ou la puissance du moteur… Puis d’appliquer un rendement de 50%.

Un standard d’emplissage de cuve de compresseur est 3 mn pour 2 KW = 0.05H * 2000W = 100Wh. Ici le choix d’un compresseur sera de 100W, volontairement choisi trop petit (=> modification du compresseur), car il est supposé stocker un excédent d’énergie à faible puissance. Avantage : son faible débit offre un meilleur refroidissement naturel de l’air comprimé, ce qui augmente le rendement. S’il comprime pendant 1h consomme 100Wh, on pourra ressortir 100/2 = 50Wh d’énergie utile.

2.4 Energie électrique par batterie chimiques stationnaire

Une batterie plomb de petite moto 10AH sur 12 V donne théoriquement (sans réduire avec un rendement) 120Wh, soit 100W pendant 1,2h = 1h 12mn. Elle de même ordre de grandeur que 100W = 10Tonnes x 5m / 5000s =1h 23mn 20s

Une batterie plomb de diesel 100AH sur 12V pesant 24kg donne théoriquement 1200Wh, soit 100W pendant 12H

Énergie spécifique =1200Wh / 24 Kg = 50 Wh/kg

Rappel 1Wh = 3600J

50Wh * 3600J = 180KJ/Kg

2.5 Energie électrique par batterie chimique sur véhicule électrique

Dans un écosystème électrique fermé, séparé du réseau, un véhicule électrique à batterie est capable d'alimenter une habitation

La Zoé ZE 40 dispose d’une batterie 40 KWh et les voitures électriques compactes plus récentes sont équipées d’une batterie de 50 KWh. Cela qui permet théoriquement d’alimenter une habitation avec 2KW pendant 24h !

N.B. Le coût de l’électricité ne fera qu’augmenter dans les années à venir, là où celui des panneaux photovoltaïques continuera de baisser. D’où l’intérêt cohérent et raisonnable des acheteurs de véhicule électrique à s’équiper également, de panneaux photovoltaïques par exemple.

2.6 Energie calorifique

2.6.1 De l’eau

Il s’agit de répondre aux besoins sanitaires, alimentaires, approvisionnement en eau chaude de lave-linge ou lave-vaisselle et autres. L’idée est d’avoir un chauffe-eau de volume plus important que ceux nécessaires aux besoins normaux, afin de l’utiliser aussi en stockage de chaleur, et de repousser au dernier moment le secours du réseau public d’électricité ou autres sources électriques. Ici la notion de rendement est liée aux pertes d’isolation de la paroi. On peut approcher la question de divers points de vue.

Approche 1

Chauffer 10 kg d’eau de 14 à 100°C = 860 Kcal = 1 kWh

Approche 2

Soit un chauffe-eau normal limité à 60°C, chauffant un delta volume eau 25L

• Arrivée eau = 20°C

• Sortie eau = 60°C

• Volume eau chauffé = 25L

Chauffage 1L de 1°C =1Kcal

25L chauffé de 40°C = 1000Kcal = 4180KJ

4180KJ = 4180KW*1s = 1KW*4180s = 100W*41800s = 100W*11,61h

En conclusion 100W pendant 11,61h = 25L élevés de 40°C

2.6.2 De l’huile

Une installation plus complexe consisterait à stocker de la chaleur dans un matériau à changement de phase i.e. un solide froid chauffé devient un liquide chaud : Exemple l’huile de palme fond à 40°C avec une Chaleur latente: 211,6 (kJ/kg) Dans l’autre sens chaque kg l'huile liquide qui se solidifie va libérer 211 kJ à un palier de 40°C. Autrement dit la solidification de 1 kg d'huile demeurant à 40°C permet « mathématiquement » d’élever la température 1 Kg d'eau de 211 / 4.18 = 50°C. Comme il impossible de dépasser ces 40°C, plus pratiquement le résultat équivaut à une élévation de 2 Kg d’eau de 25°C.

Remarque : 40°C est une température intéressante pour:

· L'eau chaude Sanitaire

· Le chauffage basse température

En contrepartie, la chaleur massique de l’huile d'olive (celle de l’huile de palme introuvée) est moindre que celle de l’eau

COMPOSÉ	Cal/g.°C	J/g.°C
Huile d’olive	0,47	2
Eau (liquide)	1	4.18

2.7 Energie frigorifique

Soit un congélateur descendant à -20°C

L’idée est d’y loger des blocs accumulateurs de froid (également appelés plaques eutectiques) qui gèleront vers -18°C. En cas de coupure électrique, ces blocs en se dégelant maintiendront la température à - 18°C et donneront une plus grande autonomie de temps au congélateur avant son déclenchement du besoin de se recharger en froid grâce aux sources d’électricité (batteries, du réseau public d’électricité…)

2.7.1 De l’eau

Une solution de 20% de chlorure de sodium (NaCl), présente l’avantage de geler complétement à -18°C mais l’inconvénient de se dilater à 110% et ne pas avoir de chaleur latente de solidification. En effet les germes les moins salés cristalliseront en premiers, puis concentreront en sel le reste de la solution qui se solidifiera à une température inférieure. La liquéfaction se réalisera en inverse. Malgré ces inconvénients, poursuivons la démonstration.

Rappel : la chaleur latente de solidification/liquéfaction de l'eau est de 333 KJ/kg à 0 °C (il faudra 333Kj pour faire passer 1Kg de glace à l'état liquide).

Considérons le besoin en froid d’un réfrigérateur classique sans congélateur, autour de 300 litres

https://www.kelwatt.fr/guide/conso/frigo

https://www.lesfurets.com/energie/guide/consommation-frigo#quelle-est-la-consommation-moyenne-dun-frigo

182 KWh / an => 500 Wh/jour = 1800 Joules / jour

Soit 6 blocs accumulateurs de froid d’eau salée de 1 L. Ils absorbent en fondant 6*333 =2000 J > 1800 Joule et suffisent théoriquement à maintenir le froid pendant 1 jour.

2.7.2 De l’huile

Plus que l’eau salée, dans un congélateur il serait plus intéressant d’utiliser des blocs eutectiques avec ces huiles végétales qui ont un point de solidification bas et probablement une chaleur latente intéressante (introuvée)

https://agronomie.info/fr/caracteristiques-des-huiles-vegetales/

Huile	Point de fusion (°C)
huile de tournesol	-15
huile de maïs	-18 à –10
huile de soja	– 15

2.7.3 Aider un réfrigérateur à refroidir ?

Des blocs avec un contenu d’huile se solidifiant à température autour de 6/7°C (comme l'huile d'arachide qui se solidifie à 3 °C), température moyenne d’un frigo, peuvent aussi être placés dans un congélateur pour solidification puis déplacés dans le réfrigérateur pour lui apporter du froid en se liquéfiant.

Cela demande une intervention manuelle de déplacement des blocs du congélateur vers le réfrigérateur.

C’est selon ce phénomène qu’il est énergétiquement avantageux de laisser décongeler des aliments dans le réfrigérateur plutôt qu’ailleurs. Idem pour dégivrer un congélateur : Mettre la glace à fondre dans le réfrigérateur

3 Restitution de l’énergie

Le point le plus délicat du déstockage est la régulation de la restitution d’énergie. A savoir qu’il faut :

· la récupérer sans emballement, ni gaspillage grâce à un mécanisme de rétroaction

· pouvoir délivrer une puissance variable i.e. pour les énergies mécaniques savoir ajuster la vitesse de descente du poids ou celle de débandage du ressort.

3.1 Energies mécaniques

3.1.1 Énergie potentielle de gravité d’une masse

3.1.1.1 Utilisation d’un différentiel

L’objectif est toujours d’utiliser l’énergie entrante pour entrainer la génératrice et s’il reste encore de l’énergie, remonter la masse. Puis lorsque l’énergie entrante faiblit, la masse prend le relai pour entrainer la génératrice.

Une solution serait d’utiliser un différentiel automobile pour repartir l’énergie initiale entre le treuil, la génératrice et la possibilité pour que ce treuil reprenne le relai pour rendre son énergie potentielle à la génératrice.

Ultimement pour remonter un treuil il faut de l’énergie mécanique ce qui implique un arbre tournant, représenté ci-dessous en vert, quel que soit l’origine de la puissance fournie à cet arbre (moteur électrique force, éolienne...)

Le tambour/treuil et le générateur sont comme les roues d’un véhicule.

3.1.1.2 Utilisation d’un possible régulateur de vitesse

Si on envisage un régulateur de vitesse pour la génératrice, il existe des exemples de régulateurs avec un résonateur sans frottement d’horloge par échappement à cylindre, ancre, chevilles … (résonateur par balancier ou ressort spiral).

https://www.dailymotion.com/video/xd6k8d

https://www.youtube.com/watch?v=KEHYy9HDsTY

Il faut exclure :

· l’échappement à foliot qui possède un oscillateur qui n’est pas un résonateur, i.e. qui n’a pas de fréquence propre de résonnance mais qui est influencé par la force reçue de la roue de rencontre

· Le ralentisseur à air comme dans les petites boites à musique ou ceux des marteaux frappant les cloches des pendules qui n’est autre qu’un freinage en pure perte

Cette régulation n’est pas un produit sur étagère et il faut la fabriquer soit même => avis aux artisans ingénieux !

3.1.1.3 Cas de l’arbre entrant moteur

Les 2 sorties du différentiel tournent selon leur couple résistant, le moindre couple sera entrainé.

Si on privilégie d’actionner la génératrice, il faudra alourdir la masse du treuil. Si à un moment donné la génératrice demande trop de couple, le treuil commencera à remonter.

Le réglage pourra se faire ne chargeant plus ou moins la masse ou la charge de la génératrice.

3.1.1.4 Cas de l’arbre entrant verrouillé

Dans ce cas les 2 axes tournent à l’envers : le treuil se déroule et redonne son énergie à la génératrice.

3.1.1.5 Cas de l’arbre entrant donnant une partie du couple, l’autre étant fourni par le treuil

L’aboutissement de cette réflexion dépend de l’implémentation des autres composants, notamment comment se transmettent les puissances : Vitesse constante => couple variable ou Couple constant => vitesse variable.

Cette solution de différentiel demande des réglages et une maquette, en particulier il est probable qu’il faille ajouter des roues à rochets selon les emplacements ci-dessous, et possiblement 2 sur l’arbre entrant qui serait en réalité décomposé en 2 arbres ?

3.1.2 Énergie élastique du ressort bandé

L’idée est de reproduire un mouvement permanent comme pour celui de la masse descendante : Bandage/débandage du ressort concomitamment de l’entrainement de la génératrice. Ici une différence de taille : les forces en jeu sont de l’ordre de la tonne => Importante réduction par engrenage ou vis sans fin.

Le principe est celui de l’embrayage mono disque d’un véhicule qui, tout en tournant, emmagasine l’énergie grâce à ses 4 ressorts lors d’à-coups.

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L’aspect extérieur se présente comme 2 roues solidaires chacune d’une croix horizontales paraleles. Ces 2 ensembles superposés sont reliés entre eux par des ressorts boudins de camionnette.

Dans les schémas vus de dessus, la partie inferieure reçoit la source mécanique d’énergie et sert à bander tandis la supérieure sert à restituer l’énergie mécanique.

3.1.2.1 Schéma du bandage continu

En partie inférieure, un moteur entraine la croix bandant les 4 ressorts

3.1.2.2 Schéma du débandage continu

En partie supérieure, la détente des ressorts pousse la croix solidaire de la couronne engrenant un petit pignon et une démultiplication pour entrainer une génératrice. Optionnellement on peuts insérer un régulateur de vitesse avant la génératrice.

Il faut éviter les étages d’engrenages pour démultiplier la vitesse. Pour cela, une solution est de construire soit même la couronne avec l’astuce suivante :

· récupérer des vielles chaine de motocyclette (vélocipède solidité insuffisante)

· les rabouter avec une attache rapide

· l’enrouler l’ensemble autour d’un grand disque

· cela réalisera une couronne femelle dans lequel s’engrènera un pignon male.

Quelques valeurs numériques

· Soit effort moyen = 4 tonnes sur la croix sur un rayon de 50cm

· Soit une couronne = 2 mètres diamètre => la force en périphérie de la couronne n’est plus que de 1 tonne => couple = 10000 Nm

· L’énergie des ressorts contenus dans 20 cm de compression = 40000N * 0.2 = 8000J

· En déroulant cette énergie en 80 secondes, on développe théoriquement 100W pendant 1min 20s

· La denture de la couronne se déplace de 4 * 20 cm = 0.8 m

· Soit petit pignon = pignon avant de moteur moto diamètre = 8 cm. Il tournerait 200/8 = 25 fois plus vite que la couronne en 1 seul étape de démultiplication.

o mais la couronne ne se déplace que de 80 cm

o le petit pignon tourne encore trop lentement = 80 / 8 * pi = 10 / pi = 3.18 tours

o avec un couple trop important de 10000 / 25 = 400 Nm

o pour le coupler directement à une petite génératrice qui demande plusieurs tours / min

· => il faudra rajouter un étage de démultiplication vers la génératrice.

3.2 Energies fluides

3.2.1 Energie élastique dans l’air comprimé,

L’histoire a retenu le régulateur à boules de James Watt pour réguler l’arrivée de vapeur dans ses machines. Le régulateur de vitesse des moteurs à air fait varier la pression d'air, le volume d'air ou les deux à fois. Ces moteurs industriels sont déjà équipés du régulateur de vitesse. Il faut les acheter sur étagère avec cette fonctionnalité.

3.2.2 Energie électrique d’une batterie chimique stationnaire

Les batteries chimiques sont chères, fragiles et s’usent, notamment avec le nombre de cycles charge/décharge qui dépend de la consommation. Elles deviennent insatisfaisantes entre 7 et 14 ans.

L’électricité permet toutes les régulations possibles grâce à l’électronique embarquée. Un onduleur acheté sur étagère et puisant son électricité dans la batterie contient ce qui faut pour assurer en sortie les bonnes tensions et fréquence : 230V AC - 50Hz.

Les types de batteries ? Se reporter au web en cherchant « home battery » ou « batteries domestiques ». Il est riche d’explications et de comparaisons sur les batteries.

· Plomb : Il ne faut pas utiliser des batteries au plomb de démarrage, car elles ne sont pas prévues pour une décharge profonde. Utiliser des batteries de « traction » genre charriot élévateur 48V qui sont prévues pour une décharge jusqu’à 80%. Un autre avantage : sa tension intéressante de 48V supérieure à 12V ou des batteries d’onduleur.

· Lithium Ion : A capacité égale, elles pèsent moins et vieillissent plus tard que celles au plomb. Elles s’achètent facilement et on peut penser notamment aux batteries d’onduleurs et surtout aux batteries des bicycles électriques transportables devenues communes comme ci-dessous 72Vx46AH=3312WH. La gestion de la charge est assurée par la batterie elle-même grâce à la technologie Battery Management System (BMS). Elle place l’intelligence dans les batteries vs. son alimentation et permet l’utilisation de chargeurs simples, mais la durée de vie est celle des composants électroniques.

· Alimentation sans interruption ou Uninterruptible power supply (UPS) sont des solutions de secours qui prennent le relai en cas de défaut d’alimentation 230V AC. Elles protègent l’informatique et se trouvent dans des data centers ou chez le particulier avec des déclinaisons plus simples. Elles reposent sur la mise en cascade des dispositifs suivants :

o un convertisseur de courant alternatif du secteur en courant continu appelé redresseur

o un dispositif de stockage de l'électricité dans une batterie d'accumulateurs

o un convertisseur reproduisant du courant alternatif (pour la sortie de l'appareil), appelé onduleur ou « mutateur » fonctionnant à fréquence fixe

o Accessoirement d'une source d’énergie externe (par exemple un groupe électrogène) si l’interruption de l'alimentation électrique se prolonge au-delà de la capacité du dispositif de stockage prévu

Ces systèmes sur étagère, sont satisfaisants mais ne répondent qu’indirectement à la question abordée dans l’article. Il ne s’agit pas de craindre leur autonomie, puisqu’il suffit de prévoir leur bon dimensionnement pour durer, mais plutôt de considérer

o qu’ils sont prévus pour stocker une électricité déjà « noble » disponible en 230V AC

o et si l’autonomie atteint sa limite de basculer sur une autre électricité « noble » comme un groupe électrogène.

NB : Le chapitre suivant traite de « Energie électrique d’une batterie chimique sur véhicule électrique ». Il suppose que leur batterie n’est pas transportable comme celle d’un bicycle électrique.

3.2.3 Energie électrique d’une batterie chimique sur véhicule électrique

La solution prometteuse est de charger une voiture électrique moderne avec sa propre énergie domestique naturelle quand elle est présente, enfin utiliser l’onduleur embarqué et la batterie de véhicule pour produire du 230V AC à usage domestique. C’est le concept de recharge bidirectionnelle grâce aux technologies Vehicle-To-Everything (V2X) dans sa déclinaison Vehicle-To-Home (V2H). Tesla, Ford, Mitsubishi, KIA … offrent déjà cette fonctionnalité

Pour information il existe aussi Vehicle-To-Grid (V2G) qui permet aux véhicules électriques branchés au réseau électrique de lui restituer de l’énergie. Mais cela sort de l’objet de l’article.

La société française EP Tender propose un astucieux concept mixte de batterie pour véhicule électrique et transportable sous forme d’une petite remarque de batterie tractée.

· Pour véhicule elle permet une prolongation d’autonomie : Un Tender permet d’ajouter 60kWh de batterie à votre véhicule par attelage puis raccordement électrique, représentant un gain d’environ 300km d’autonomie à vitesse autoroutière.

· Pour unité de stockage stationnaire : Le Tender est rechargés avec de l’énergie locale et permet le stockage pour consommation personnelle et de surcroit transportable : Au bout du jardin ou au bout du monde.

3.3 Energies thermiques

3.3.1 Energie calorifique dans l’eau

Le régulateur n’existe pas, mais on peut parler d’efficacité du « limiteur » de baisse de température dépendant du soutirage d’eau chaude et de l’inertie du réservoir

3.3.2 Energie frigorifique dans l’eau

Le point de fusion de l’élément gelé régule la température, tant qu’il est phase de fusion. La notion de rendement n’existe pas mais l’efficacité est liée aux pertes d’isolation de la chambre froide.

4 Conclusion

Les 5 stockages verts sont réversibles à savoir qu’on peut recréer de l’énergie à partir d’eux.

Les 2 stockages bleus thermiques sont à considérer comme stockages d’eux même et pour eux même si le besoin requiert du chaud et du froid. Il serait déraisonnable de recréer de l’énergie à partir d’eux.

L’absence de stockage mécanique prêt à l’emploi sur étagère conduit à le construire soi-même, avec de surcroit l’inconvénient d’un faible stockage d’énergie et d’un encombrement important. C’est d’ailleurs la raison de leur défaut sur le marché... Elles offrent l’avantage qu’avec une ficelle et un couteau la maintenance est possible.

Comparons

• L’énergie potentielle de gravité emmagasinée dans un masse de 1 Kg sur 5m = 0.05KJ/kg

• l'énergie élastique emmagasinée dans un ressort par unité de masse = 0.3 KJ/kg

• Tandis qu’en arrondissant, l’énergie emmagasinée dans une batterie plomb par unité de masse = 150 KJ/Kg

Ce qui conduit à

• L’énergie de la batterie plomb = 3000 fois supérieure à celle de gravité (sur 5m, 300 fois sur 50m)

• L’énergie de la batterie plomb = 300 fois supérieure à celle du ressort

En privilégiant l’efficacité et les offres ready to use / off the shelf packages, la comparaison des masses, les disponibilités commerciales et la complexité donne le classement suivant des efficacité & aisance décroissantes des relais d’énergie.

1. Stockage énergie électrique par batteries chimiques sur véhicules électriques

2. Stockage énergie électrique par batteries chimiques stationnaire

3. Stockage énergie élastique dans l’air comprimé

4. Stockage énergie calorifique dans l’eau

5. Stockage énergie frigorifique dans l’eau

6. Stockage énergie élastique dans un ressort comprimé

7. Stockage énergie potentielle de gravité