Energie « Dr. Goulu

Dopez votre vélo !

Pourriez-vous remporter le Tour de France avec un vélo « amélioré » par rapport à ceux des autres concurrents ? Que diriez-vous d’un petit moteur électrique caché dans le cadre ?

Un cycliste amateur peut développer pendant quelques heures une puissance moyenne de 150 watts, un pro autour de 190 watts. Différence : 40 watts. Pas de problème pour le moteur, nos amis modélistes disposent de moteurs de 20 mm de diamètre produisant 200 W pour leurs engins volants. Pour la batterie, c’est plus compliqué en raison du volume réduit à l’intérieur du cadre. On dispose d’environ 0.25 l si on utilise qu’un seul tube rond de 25 mm, et de près d’1 litre si on remplit un cadre profilé dans les règles de l’Union Cycliste Internationale (UCI) , ce qui permet de disposer des batteries lithium-ion d’une capacité de 100 à 400 Wattheures.

le "Lithium Vivi RX-10S" de Matsushita, avec une batterie de 400 Wh/l qu'on pourrait presque loger dans le cadre ...

Donc oui, une assistance électrique discrète peut vous propulser au niveau des pros du peloton pendant plusieurs heures.

Pour grimper un col, ça passe encore : les mutants sont capables de développer 400 W pendant une ascension ! [2] Pour les suivre, voire les dépasser, il vous faudra les 200 W du moteur en plus d’un pédalage intensif, mais la batterie vous lâchera grosso-modo au bout d’une heure.

Mais vous pourriez aussi devenir un redoutable routier sans l’assistance d’un moteur, mais en violant plus visiblement les règles de l’UCI. En effet, à plat, la puissance développée sert essentiellement à compenser le frottement dans l’air :

On voit tout l’intérêt de réduire le Cx, confirmé par le fait que les records de vitesse de véhicules propulsion humaine sont détenus par des « vélos couché »:

record de l’heure : 90.6 km en 2009 par Sam Whittingham (contre 49.7 km pour un vélo « normal »)
record sur 200m : 133.28 km/h en 2009 par Sam Whittingham

Varna produit des vélos couché et détient de nombreux records (cliquez sur l'image)

Même sans carénage, un vélo couché offre un meilleur Cx qu’un vélo normal, et en plus il permet de s’appuyer sur un dossier pour exercer plus de force sur les pédales, sans la fatigue de la « montée en danseuse ».

Mais en 1934, l’UCI a interdit les vélos couchés, et elle a ensuite beaucoup limité l’amélioration aérodynamique des vélos. En fait, le carbone, le titane et les combinaisons moulantes des coureurs survitaminés cachent un gros gaspillage d’énergie : tous ces sportifs transpirent et brassent de l’air sur des machines qui devraient rejoindre les vélocipèdes au musée…

Références

« Batteries lithium-ion : la société Matsushita donne un coup d’accélérateur » sur Caradisiac (2008)
« Les calculs de puissance dans les cols du Tour de France » sur Cyclismag (2006)
« Puissance musculaire humaine et bicyclette » sur Wikipédia
« Règles techniques de la bicyclette« , UCI
Quoi attendre de l’énergie humaine?

6 juin 2010 Publié par Dr. Goulu | Energie, Sport, Transports | électrique, cyclisme, moteur, vélo | Un commentaire

Jeu-concours électrique

Amateurs de casse-têtes, de maths et d’algorithmes, oyez, oyez !

La Fédération Française des Jeux Mathématiques et la Société de Calcul Mathématique SA avec l’appui de Réseau de Transport d’Electricité organisent un concours doté de 2000 Euros de prix et ouvert jusqu’au 30 juin 2010.

Il s’agit de concevoir le réseau de lignes électriques nécessaires pour alimenter les villes d’un pays à partir de centrales :

le pays du concours, carré malgré les apparences

Pour ne rien arranger, les centrales sont de puissances différentes et fournissent de la THT, et les villes consomment également des puissances différentes (listées dans la donnée complète), mais doivent être alimentées en HT via des transformateurs à placer à volonté, mais à au moins 1km des villes et pas dans les zones protégées marquées en pointillés.

Pour relier tout ceci, on peut construire des lignes THT de 1GW à 1M€/km (c’est même « obligatoire de mettre une ligne THT lorsque c’est possible », mais cette contrainte me parait peu claire). On doit utiliser des lignes HT de 1 GW à 300K€/km pour alimenter les villes, et dans les zones protégées, on n’a droit qu’à des lignes HT enterrées de 0.3 GW à 1 M€/km.

De plus le tout doit être résistant à une panne : si une centrale, une ligne ou un transfo flanche, les villes doivent toujours être alimentées.

Le vainqueur sera celui qui proposera le réseau satisfaisant à toutes ces contraintes et coutant le moins cher avant le 30 juin, mais mon petit doigt me dit qu’il ne faut pas attaquer le problème le 29…

Et avant de vous lancer dans de p’tits dessins ou de gros calculs, notez encore que tout ce qui précède peut être potentiellement faux et/ou incomplet (je décline toute responsabilité etc etc). Seul le règlement officiel fait foi.

Pour la petite histoire, j’ai trouvé ce concours sur « Au delà des lignes« , un blog intéressant découvert au moment de la rédaction de « 0.01 Ohm/km »

17 mai 2010 Publié par Dr. Goulu | Casse-Têtes, Energie, Maths, graphes | 8 commentaires

Comment on mesure le rendement des cellules solaires

De retour d’une conférence sur les énergies renouvelables, Laurent m’a posé cette question simple en apparence, à laquelle j’ai d’abord répondu naïvement : on mesure la puissance électrique fournie par une cellule photovoltaïque (PV) éclairée par une puissance lumineuse donnée; le rapport des deux, c’est le rendement.

évolution du rendement de différents types de cellules PV

Mais après étude, c’est nettement plus compliqué. Les valeurs de rendement publiées par les constructeurs sont mesurées en laboratoire en « conditions de test standard » (STC en anglais):

La mesure se fait en maintenant les cellules à 25°C. Le rendement des cellules diminuant de 0.1% à 0.5% par °C, le rendement effectif en plein soleil estival lorsque les cellules atteignent 60°C est nettement inférieur au rendement affiché par les fabricants. A noter que les cellules « Grätzel » ont un rendement qui augmente avec la température.
éclairement de 1000W/m², soit environ le maximum sous nos latitudes. Plutôt que d’utiliser le vrai soleil, capricieux et qui chaufferait les cellules, on éclaire les cellules par un flash de lampe au xénon étalonné par un pyranomètre. Une lampe de 1000W de puissance électrique permet de tester une cellule « standard » de 156×156 mm.

spectre « Air Mass 1.5″, correspondant à celui de la lumière solaire après avoir traversé 1.5 épaisseur de l’atmosphère, soit lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith. Le rayonnement du Soleil correspond grosso-modo à celui du corps noir à 5800°K, mais l’atmosphère filtre certaines longueur d’ondes. Le graphique ci-dessous montre bien l’effet de l’ozone sur les UV, ainsi que celui des gaz à effet de serre dans l’infrarouge : eau, H2O, monoxyde de dihydrogène et un tout petit peu de CO2. Mais ne digressons pas. En laboratoire, on utilise des filtres placés devant la lampe au xénon pour obtenir un véritable simulateur de Soleil.

Les conditions standard de test ne se rencontrent donc jamais dans la réalité, puisqu’il n’existe nulle part sur la planète où on obtient 1000 W/m² lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith, à fortiori lorsqu’il ne fait que 0°C, froid nécessaire pour que la température des panneaux ne soit que de 25°C.En réalité, les performances varient beaucoup en fonction des conditions et selon le type de cellules.

De plus, il semblerait que les fabricants de cellules sélectionnent leur plus beau silicium pour les tests, ou publient les meilleurs résultats obtenus, car les productions d’installations réelles sont systématiquement inférieures de quelques pourcents aux valeurs calculées.

En fin de compte, l’information la plus fiable sur le rendement réel provient de bases de données telles que BDPV, qui répertorient les données et résultats fournis directement par les propriétaires d’installations solaires.

Sources :

BFRL Project: Solar Photovoltaic Performance Measurements and Predictions, NIST
ASTM E948 – 09 Standard Test Method for Electrical Performance of Photovoltaic Cells Using Reference Cells Under Simulated Sunlight
PVGIS Solar Irradiation Data Calculateur d’énergie solaire de la CE

9 mai 2010 Publié par Dr. Goulu | Energie, Physique | photovoltaïque, rendement | 2 commentaires

0.01 Ohm/km

A l’origine de cet article il y a cette photo :

Publiée sur Bad Astronomy, on y voit la glace en train de se former en janvier sur l’estuaire du Saint-Laurent au Québec, une merveilleuse région à visiter. Mais on y distingue aussi, et mieux encore sur la photo complète, des lignes blanches bien droites taillées dans la forêt (la plus visible part du bord de mer en haut de la photo et descend vers le sud-ouest). Autoroutes visibles depuis l’espace ? Oui, mais pas destinées aux « chars » de nos trop peu nombreux amis francophones éparpillés dans cette vaste contrée.

Ce sont des autoroutes à électrons, des lignes à très haute tension parmi les plus puissantes du monde. Hydro-Québec possède plus de 11’000 km de lignes à 735 kV et 765 kV, qui ont transporté en 2008 près de 192 TWh d’électricité renouvelable 100% propre vers les villes des Grands Lacs. Même New York reçoit de l’énergie des nombreux barrages hydro-électriques québécois comme Manic-5, dont le lac remplit le cratère de Manicouagan.

Pourquoi de telles installations ?

Selon l’équation bien connue W=U.I : la puissance (en watts) est égale au produit de la tension (en volts) par le courant (en ampères). Pour transporter une puissance donnée, on pourrait a priori soit faire de la haute tension, soit du « haut courant » à basse tension. Mais selon l’autre équation bien connue, la Loi d’Ohm U=R.I, la « résistance » des fils R (en ohms) s’oppose au passage du courant I en créant une chute de tension U, et en dégageant une puissance P=R.I² sous forme de chaleur, par effet Joule. Pour réduire les pertes, il faut donc réduire R, mais surtout réduire le courant I en augmentant la tension. Depuis quelques années il existe au Japon, en Chine et même en Italie des lignes fonctionnant à plus d’un million de volts. Pour la même raison, il est souvent plus avantageux de construire 2 lignes à haute tension parallèles : en fonctionnant chacune avec la moitié du courant, les pertes sont divisées par 4.

Cependant, la distance d’isolation entre les conducteurs dépend directement de U, et la très haute tension oblige donc à construire des pylônes énormes, et à écarter les lignes les unes des autres. Je n’ai pas retrouvé les dimensions exactes, mais j’ai vu au Québec 3 lignes parallèles dans une coupe déboisée sur environ 100m de large. C’est visible de l’espace…

"invasion" par katbert sur flickr. Lignes à 735 kV d'Hydro-Québec. Notez les 4 conducteurs par phase

L’isolation est l’obstacle principal à l’enfouissement des lignes. Pour la basse et moyenne tension, l’isolation par une gaine plastique suffit et est même meilleure que celle des lignes aériennes. Mais pour la très haute tension, l’air est un excellent isolant, et bon marché. Actuellement, les lignes souterraines et sous marines les plus puissantes fonctionnent à 450 kV « seulement » et coutent environ 10x plus cher qu’une ligne aérienne équivalente. La plupart sont des « HVDC« , fonctionnant en courant continu, qui nécessite d’impressionnante installations d’électronique de puissance aux extrémités pour convertir le courant triphasé des réseaux en continu et vice-versa, moyennant quelques pertes supplémentaires. Le sommet de la technologie actuelle est le « NorNed » de 580 km sous la Mer du Nord qui transmet 700 MW des barrages norvégiens aux Pays-Bas ou des centrales au charbon hollandais vers Oslo.

L’autre voie pour réduire les pertes de transport consiste à diminuer la résistance R des conducteurs. Les 4 meilleurs conducteurs d’électricité sont l’argent (résisitivité de 14.7 nano-Ohm*Mètre) , le cuivre (17.2), l’or (24.4) et l’aluminium (28.2). Lequel choisiriez-vous pour en suspendre des tonnes dans la nature ? Gagné : les lignes sont en aluminium. En toronnant plusieurs brins d’aluminium autour d’un câble d’acier, on obtient simultanément la résistance mécanique nécessaire et on contourne une difficulté : « l’effet de peau« . Pour conduire beaucoup de courant, il faut en principe des conducteurs de forte section, mais avec le courant alternatif, le courant ne circule que sous les premiers millimètres de la surface : il vaut donc mieux utiliser beaucoup de conducteurs de faible section plutôt qu’un gros. A l’inverse, l’effet « corona » produit des grésillements audibles et des perturbations électromagnétiques autour des conducteurs à haute tension de petit diamètre. Pour minimiser cet effet, on groupe 2 à 4 câbles en parallèle pour conduire une même phase, l’ensemble se comportant comme un seul câble de fort diamètre.

Toutes ces mesures techniques permettent aujourd’hui d’obtenir des lignes d’une puissance de 1GW (la production d’un gros barrage ou d’une centrale nucléaire) dont la résistance ne vaut que 0.01 Ohm par kilomètre ! Une ligne d’ 1GW à 765 kV conduisant environ 300 ampères de courant efficace par phase, elle ne dissipe que 3×300²=270 kW par effet Joule sur 100 km, soit 0.027% de la puissance transportée.

Les fournisseurs d’électricité comme Hydro-Québec ou EDF annoncent des pertes totales de l’ordre de 5% de leur production, mais le transport à longue distance de l’énergie n’en représente qu’une toute petite part. C’est paradoxalement les derniers kilomètres qui approvisionnent les consommateurs à moyenne et basse tension qui génèrent la grande majorité des pertes.

Les très faibles pertes du transport à longue distance ont quelques conséquences intéressantes:

ce n’est pas demain qu’on verra se généraliser les lignes à supraconducteurs. Actuellement il n’existe qu’un seul câble supraconducteur transportant environ 500MW sur 600m à New-York, fabriqué par American Supraconductor. Son refroidissement à l’hélium liquide consomme plus d’énergie que ce que perdrait un câble normal…
Une installation solaire donnée produirait environ 10% de plus d’énergie si on la déplaçait de 100 km plus au sud (voir la carte) et qu’une éolienne donnée produit environ 10% en la plaçant 100 km plus au nord (voir l’autre carte). Or les pertes de transport sont largement inférieures à ces gains : plutôt que de produire de l’énergie renouvelable à un endroit peu adapté, il est plus économique et rationnel d’acheter du courant éolien de la Mer du Nord, ou de l’électricité solaire espagnole en attendant celle du Sahara. Et faire de l’hydroélectrique là où il y a de l’eau, même si c’est très loin, comme le fait très bien Hydro-Québec.

Sources:

« lignes à haute tension » sur Wikipedia
« Hydro-Québec » sur Wikipédia
« MÉTHODOLOGIE DE CALCUL DU TAUX DE PERTES DE TRANSPORT« , Document Hydro-Québec
« Le transport du courant électrique » du groupe d’information sur les éoliennes (un peu polémique, mais très bien documenté)

19 mars 2010 Publié par Dr. Goulu | Energie | Québec, haute tension | 5 commentaires

Un vent de haute technologie

Quand on s’intéresse à plein de choses, il arrive parfois qu’apparaisse soudain une nouvelle qui relie miraculeusement des sujets très différents. C’est ce qui est m’est arrivé en lisant cet article de Thierry Seray.

$250'000 et 8kg pour du vent

Malgré de regrettables rebondissements judiciaires sans fin, la Coupe de l’America qui va se disputer prochainement à Valencia reste la « formule 1″ de la voile, où des budgets énormes permettent le développement de technologies de pointe. A ce titre, l’appareil que BMW Oracle prévoit embarquer* est proprement stupéfiant : le « Racer’s Edge » de la startup Catch The Wind Inc. permet de mesurer la vitesse et la direction du vent jusqu’à 1000 m de distance ! La précision annoncée (2° en direction et 0.5 nœuds en vitesse) donnerait un net avantage stratégique à Oracle. On peut donc s’attendre à ce qu’Alinghi tente par tout les moyens (légaux*…) d’empêcher son utilisation en course.

Reste que la technologie existe, et vise aussi d’autres applications. Catch The Wind Inc. propose le « Vindicator » pour le marché des éoliennes : en mesurant la vitesse du vent 300m avant l’hélice, il permet d’anticiper ses variations, et d’agir sur l’incidence des pales pour extraire plus d’énergie des rafales ou éviter un ralentissement de l’hélice dans une dévente et ainsi rapprocher le rendement de la limite de Betz.

Ces appareils sont basés sur la « vélocimétrie laser« , une technologie combinant LIDAR et effet Doppler. La mesure de vitesse se fait avec un interféromètre semblable à ceux utilisés pour la détection des exoplanètes par la méthode des vitesses radiales.

Ce genre d’engins tenait dans une camionnette il y a 20 ans, maintenant ils sont « portables », peut-être remplaceront-ils bientôt tous ces petits anémomètres qu’on voit tourner partout avant de finir intégrés dans nos téléphones iFaitTout.

Note* : parce que bon, on pourrait aussi imaginer envoyer un rayonnement bien pensé vers l’appareil pour le brouiller…