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Biomasse, houle et moteurs hybrides : les énergies de demain

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Biomasse, houle et moteurs hybrides : les énergies de demain

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Dans cette édition spéciale de Futuris, nous découvrons trois projets de recherche européens centrés sur la production d'énergie : ils concernent la houle, les moteurs hybrides et la biomasse. Tous ont comme objectif, de meilleures performances, des coûts réduits et un moindre impact sur l'environnement, mais aussi des retombées économiques supplémentaires pour l'Union européenne.

Au large des îles Orcade au nord de l'Ecosse, notre reporter Julián López Gómez nous présente une plateforme flottante surnommée le "Pingouin". "Elle peut produire de l'énergie grâce à la houle et sa conception, sa construction et sa maintenance ont connu elles aussi, des hauts et des bas," fait-il remarquer.

Les trois quarts du globe étant recouverts par les mers et océans, l'énergie houlomotrice - c'est-à-dire produite par le mouvement des vagues - représente un potentiel immense. Les îles Orcades font figure de paradis des vagues. Un lieu idéal pour tester un prototype qui convertit la houle en énergie.

"À chaque passage d'une vague, la coque qui est asymétrique se met en mouvement," explique Timo Lotti, ingénieur en électricité et automatisation chez Wello Oy qui porte le projet. "À l'intérieur de la coque, il y a une masse excentrée qui commence à suivre le mouvement de la coque et ce mouvement est couplé à un générateur qui entame lui aussi sa rotation : c'est comme ça que le mouvement de la vague est transformé en une rotation continue à l'intérieur du Pingouin," précise-t-il.

De la plateforme flottante à la station et au réseau

Le prototype est ancré au plancher marin à 50 mètres de profondeur. Il a été installé au printemps 2017. "Cet hiver, on a eu des vagues énormes jusqu'à 18 mètres de haut et régulièrement, des vagues de 10 mètres et tout s'est bien passé," indique David Cousins, ingénieur contrôle chez Wello Oy.

Des câbles sous-marins acheminent l'énergie collectée jusqu'à une station où elle est stockée, puis intégrée au réseau électrique local. Lisa Mackenzie, responsable commerciale au sein du European Marine Energy Centre, est présente sur place : "Le site est capable de supporter une production électrique de 7 mégawatts et chaque câble qui arrive ici peut acheminer un mégawatt," détaille-t-elle avant d'ajouter : "Ce qui est important dans le fait de propager cette électricité au réseau local, c'est que les développeurs du prototype peuvent générer des recettes avec la quantité d'électricité produite pendant la période de test."

L'ensemble du système est contrôlé depuis des laboratoires situées dans une université locale. La fibre optique permet au "Pingouin" d'envoyer des données aux ingénieurs qui travaillent en son sein. "On a 40 ou 50 instruments à bord grâce auxquels on réalise des mesures très rapidement," souligne David Cousins, de Wello Oy. "On a accès aux informations de contrôle et on reçoit des données : on a par exemple, des accéléromètres standards qui nous renseignent sur le comportement de la coque, ses accélérations et son orientation," poursuit-il.

D'après les chercheurs, le "Pingouin" devrait changer la donne sur le marché de l'énergie houlomotrice dont la valeur est estimée à environ 74 milliards d'euros. "Quand toutes ces sources d'énergie et toutes ces technologies seront en pleine utilisation," assure son collègue Timo Loti, "je crois que l'Europe et le monde dans son ensemble seront tout-à-fait différents."

Coup d'accélérateur aux innovations de l'UE

Ces recherches font partie de la myriade de projets financés par le Conseil européen pour l'Innovation qui a pour but de donner un coup d'accélérateur aux innovations les plus prometteuses dans l'Union européenne.

D'après certaines statistiques, la hausse de la productivité dans les pays développés résulte à 85%, de l'innovation. Mais les entreprises européennes continuent de dépenser moins en Recherche et Développement que leurs concurrents à travers le monde. Si la part des innovations mises sur le marché en Europe était aussi importante qu'aux Etats-Unis, cela permettrait d'ici 20 ans, de créer jusqu'à 1 million d'emplois et d'ajouter 2000 milliards d'euros au PIB européen. Avec cet objectif en tête, le Conseil européen pour l'innovation dispose de 2,7 milliards d'euros pour financer la recherche européenne et l'aider à commercialiser ces découvertes dans différents domaines.

Locomotives diesel - gaz naturel

Découvrons une autre innovation prometteuse pour l'avenir : "Elle se trouve étonnament dans un engin de trente ans d'âge à Riga en Lettonie," indique notre reporter Julián López Gómez. "Sur place, les scientifiques ont soumis une ancienne locomotive diesel à une cure de jouvence : elle a été modernisée pour pouvoir rouler également au gaz naturel," complète-t-il. "Les chercheurs espèrent que leur travail contribuera à maintenir le secteur ferroviaire européen sur de bons rails en matière de développement économique," insiste-t-il.

Il suffit de quelques jours pour installer la vingtaine de pièces mécaniques qui feront fonctionner cette locomotive en mode hybride. Cette transformation permet de réduire de 15 à 20% les émissions de dioxyde de carbone et de plus de 30% les rejets d'oxydes d'azote. Le secret ? Un réseau complexe d'appareils innovants comme nous l'expliquent les ingénieurs impliqués dans le projet.

"Il y a des composants très différents : en commençant par les systèmes de stockage et de compression du gaz," détaille Nikolay Volev, ingénieur mécanique chez Digas Group. "On a aussi une solution électronique pour gérer l'alimentation en diesel d'un côté et l'alimentation en gaz de l'autre, ainsi qu'une plateforme de télémesure et puis on doit aussi citer les dispositifs de sécurité contre le feu et de détection de fuite de gaz," énumère-t-il.

D'après ces ingénieurs, le système a été conçu pour donner l'opportunité à ses utilisateurs de rentabiliser leur investissement en trois ans, en particulier en faisant des économies sur le diesel.

"Les technologies hybrides visent à répondre à des défis cruciaux dans le secteur ferroviaire : les coûts de carburant et l'impact environnemental," affirme Petr Dumenko, PDG de Digas Group. "Les coûts de carburant représentent jusqu'à 50% des coûts opérationnels dans le ferroviaire, or en remplaçant le diesel par le gaz naturel, on peut augmenter de 40% les économies réalisées sur le carburant," fait-il savoir.

Télémesure et intelligence artificielle

Ces locomotives hybrides diesel-gaz naturel supposent aussi de résoudre de nombreux défis : leurs moteurs sont exposés par exemple, à des températures et des pressions de combustion plus élevées. Mais les chercheurs ont trouvé la parade avec des solutions informatiques et mécaniques sophistiquées.

Oleg Golevych, ingénieur en télécommunications au sein de la même entreprise, nous en dit plus : "Le système de télémesure a une fonction de répartition qui donne rapidement l'alerte en cas de situation critique : ces données nous aident à réduire les temps de maintenance et à améliorer la gestion quand on doit utiliser d'autres locomotives en remplacement. Le système dispose aussi d'une plateforme d'intelligence artificielle," ajoute-t-il, "pour alerter sur d'éventuels problèmes au niveau des moteurs que l'on ne pourrait pas détecter autrement."

Cette technologie comme d'autres du même type répond à un besoin en Lettonie puisque les locomotives diesel courantes dans le pays ne sont pas performantes et que l'électrification complète du réseau national nécessiterait des investissements énormes. Elle contribuera à rendre ce secteur plus compétitif dans l'avenir d'après le PDG de la société de chemin de fer lettone. "Nous sommes en très forte concurrence avec le transport routier, mais aussi avec d'autres entreprises ferroviaires," reconnaît Edvīns Bērziņš. "Donc il est certain que nous devons investir dans des technologies innovantes qui peuvent nous donner un avantage et nous rendre plus compétitifs," estime-t-il.

La chaleur de la biomasse

Autre question qui se pose dans le domaine de l'énergie : comment améliorer la compétitivité des centrales électriques européennes ? Notre reporter a visité une centrale de Suède qui utilise du bois déchiqueté comme biomasse. "100.000 tonnes de bois déchiqueté servent ici chaque année à produire de l'énergie et une technologie très innovante est en cours de test dans l'objectif d'améliorer le rendement et la compétitivité de ce secteur," précise Julián López Gómez.

Cette centrale produit à partir de bois déchiqueté, de l'énergie pour fournir du chauffage et de l'eau chaude aux 20.000 habitants de la ville voisine. Les résidus de bois récupérés dans différentes forêts sont très hétérogènes : ils se composent de copeaux d'écorces, de racines et de branches. Leur qualité est très inégale. Souvent, ils ont une valeur énergétique faible et parfois, présentent une trop forte humidité. Et il y a encore d'autres difficultés. "Parmi les problèmes auxquels on est confronté," déclare Tommy Kindblom, responsable du département chauffage chez Norrtälje Energi, "il y a les cendres que l'on obtient après la combustion du bois déchiqueté quand il est plein de poussière, de sable ou de cailloux : dans ce cas-là, les cendres forment une sorte de bloc de verre qui peut nuire au fonctionnement de tout notre système. Cette situation nous force à faire des travaux de maintenance coûteux, voire à interrompre notre production d'énergie puisque nous devons stopper le processus de combustion pour pouvoir nettoyer la chaudière," constate-t-il.

Pour relever ce défi, cette équipe européenne a installé sur place, un appareil d'analyse des copeaux. En une minute, il évalue le taux d'humidité d'un échantillon et détermine le contenu des cendres qui résulteront de sa combustion, sa valeur énergétique et l'éventuelle présence de sable et de cailloux. Solliciter un laboratoire spécialisé aurait pris plusieurs jours.

"C'est d'abord un problème économique : grâce à cet appareil, vous pouvez vérifier la qualité de cette biomasse et vous payez le prix juste plutôt que de payer pour tout ce que le camion vous apporte," assure Karl Wejke, responsable des ventes chez Mantex.

"C'est aussi une question environnementale parce qu'on génère moins d'émissions et moins de cendres quand la qualité de la biomasse est meilleure et ensuite, il y a moins de maintenance quand vous avez moins de cailloux, de sable et de poussières dans les chaudières, l'usure est moindre," poursuit-il.

Le bois dans tous ses états

Mais pour que l'appareil fournisse des données fiables, il a d'abord fallu établir des valeurs références pour les copeaux. Le système utilise des faisceaux de rayons X pour détecter la présence de matériaux comme le sable ou la pierre qui ont de plus fortes densités que le bois.

"La composition des résidus de bois peut être très complexe : cela peut ressembler quasiment à tout et n'importe quoi entre le copeau ordinaire et la poussière," fait remarquer Ralf Torgrip, chimiste analyste chez Mantex. "Et pour calibrer cela, c'est très compliqué parce qu'on doit faire ce calibrage pour une quantité énorme de matériaux très différents," dit-il avant d'ajouter : "Mais ce laboratoire nous permet de travailler avec les bons échantillons et de faire ces calibrages."

Prochaine étape selon les chercheurs : installer des appareils d'analyse similaires sur les tapis roulants pour contrôler plus rapidement, de plus gros volumes de biomasse.

Et si les coûts opérationnels sont plus faibles, une baisse du prix de l'énergie est à espérer, assurent les responsables de cette centrale. "L'appareil d'analyse pourrait nous aider à économiser entre 100.000 et 150.000 euros par an puisque nous pourrons produire plus d'énergie et limiter nos travaux de maintenance," évalue Tommy Kindblom.

D'après ces chercheurs, cette même technologie d'analyse pourrait être employée pour d'autres matières premières utilisées comme biomasse à travers le monde comme les balles de riz et les pailles de céréales.

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