3. Techniques composantes de la centrale aux nouvelles énergies
3.1 Système électrique par énergie solaire
|
|
|
L'électricité par énergie solaire est actuellement utilisée de plus en plus souvent dans les foyers en tant que source énergétique propre et conviviale pour l'environnement, et utilisant une énergie naturelle. Toutefois, la capacité de ce système électrique variant selon les conditions météorologiques, un approvisionnement électrique stable doit nécessairement être recherché en associant des batteries sodium-souffre (NaS) rechargeables au système solaire proprement dit. Lors de l'exposition, des panneaux à poly-cristaux de 200 kw, des panneaux récepteurs bilatéraux de 30 kw (respectivement présentés sur la Figure 5), ainsi que des panneaux de type amorphe de 100 kw (Figure 6) produisent un total de 330 kw.
3.2 Système de stockage d'électricité dans des batteries sodium-soufre (NaS)
Les batteries sodium-soufre sont des batteries secondaires rechargeables travaillant à une haute température de 350° et ayant une densité d'énergie volumétrique élevée. Une céramique spéciale conductrice du sodium et nommée beta-alumina est utilisée comme électrolyte solide, la décharge et la recharge d'électricité étant produites par le déplacement des ions positifs du soufre et des ions négatifs du sodium à travers l'électrolyte solide. Le sodium et le soufre utilisés comme substances actives étant présents en grandes quantités dans la nature, et l'électrolyte étant solide, la décharge autonome de ces batteries est extrêmement faible. Si leur application en est encore au stade expérimental sur le plan technique, un grand système de 6000 kw est actuellement utilisé par une compagnie d'électricité pour la stabilisation de l'électricité des transformateurs. Lors de l'exposition, des batteries sodium-soufre NaS (Figure 7) d'une capacité de 500 kw et d'une durée d'utilisation en continu de 7 heures servent à stabiliser la production électrique en absorbant les fluctuations de l'énergie solaire et l'énergie excédentaire de nuit des piles à combustible.
Figure 7 Batteries NaS du site de l'Exposition
3.3 Système de piles à combustible
Le principe des piles à combustible est une réaction chimique entre l'électricité et l'eau, en fonction de la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène, à savoir un principe inverse à celui de l'électrolyse de l'eau. Les piles à combustible se caractérisent par (1) un rendement élevé en énergie malgré leur petite taille, dû à l'utilisation de l'énergie thermique d'échappement, (2) une faible génération de bruit et de vibrations et (3) un impact moindre sur l'environnement. Ces piles seront probablement utilisées largement à l'avenir en tant que source performante d'alimentation électrique individuelle.
Les types de piles à combustible varient selon les différentes électrolytes utilisés et, par conséquent, les diverses températures de fonctionnement (Tableau 1). Si des piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC) fonctionnant aux températures les plus basses ont été développées - les unes avec des capacités de plusieurs dizaines de kw pour les automobiles et les autres avec une capacité d'un kw, sous forme de type fixe pour les foyers - elles ne sont pas présentées lors l'exposition. Pour celle-ci, deux piles à combustible au carbonate en fusion (MCFC), l'une de 250 kw (Figure 8), et l'autre de 250 kw et dotée d'une micro-turbine à gaz, sont utilisées. Les piles à combustible MCFC fonctionnant à une température élevée de 650 degrés seront probablement largement appliquées à l'avenir, en les employant par exemple comme combustible avec le gaz obtenu par la fermentation des déchets, qui sera évoqué plus loin. Afin de renforcer les capacités d'ensemble de production électrique, 4 piles à combustible à acide phosphorique (PAFC, Figure 9) de 200 kw, pour un total de 800 kw déjà mises en application, et une pile à combustible à oxyde solide (SOFC, Figure 10) de 50 kw, actuellement en cours de développement comme pile à combustible de la seconde génération, sont également utilisées pour l'exposition. L'énergie thermique d'échappement de ces piles à combustible est récupérée et sert à la climatisation des bâtiments à l'intérieur du site.
Figure 8 Pile à combustible au carbonate en fusion (MCFC)venant d'être installée
Figure 9 Pile à combustible à l'acide phosphorique (PAFC) en cours de construction
Figure 10 Pile à combustible à l'oxyde solide (SOFC)
Tableau 1 Différents types de piles à combustible
| Type haute température | Type basse température | ||||
| Pile carbonate en fusion (MCFC) | Pile oxyde solide (SOFC) | Pile acide phosphorique (PAFC) | Pile électrolyte polymère (PEFC) | Pile alcaline (AFC) | |
| Electrolyte | Carbonate | Céramique | Phosphate | Membrane polymère | KOH |
| Porteur de chargeur | CO32- | O2- | H+ | H+ | OH- |
| Catalyseur | non | non | Pt | Pt | Ni, Ag |
| Température de fonctionnement | environ 650°C | environ 1000°C | 150°C à 200°C | 80°C à 100°C | 50°C à 100°C |
| Rendement | 50 à 65% | 55 à 70% | 35 à 42% | 35 à 40% | 60% |
| Caractéristiques | . Haut rendement . Convient aux grandes capacités |
. Haut rendement . Avantage sur le plan durabilité |
. Premier type de pile développé, actuellement au stade de la mise en pratique. | . Possibilité de fonctionnement à basse température . Facilité de démarrage et d'arrêt . Haute puissance |
. Possibilité de fonctionnement à basse température |
| Combustible | . Gaz naturel . GPL . Méthanol . Gaz de déchets . Gaz de charbon |
. Gaz naturel . GPL . Méthanol . Gaz de déchets . Gaz de charbon |
. Gaz naturel . GPL . Méthanol |
. Gaz naturel . GPL . Méthanol |
. Uniquement hydrogène pur |
| Application | . Source électrique individuelle . Source électrique alternative pour centrale thermique (grande envergure) |
. Source électrique individuelle . Source électrique alternative pour centrale thermique (envergure moyenne) |
. Source électrique individuelle de petite envergure | . Automobile . Foyers |
. Développement spatial . Utilisations particulières |
3.4 Système de fermentation du méthane
Les nombreux restaurants du site produisent un volume important de déchets périssables durant l'exposition. Ces déchets sont collectés la nuit par des voitures-poubelles et sont regroupés vers le système de fermentation du méthane (Figure 11) qui peut accepter un maximum de 4,8 tonnes. Ils sont ensuite, après l'ouverture des sacs poubelles, triés et pulvérisés, puis réduits en boue liquide après l'addition d'eau et d'alcali pour être conduits vers un réservoir de fermentation. Les déchets périssables ne sont donc pas transférés à l'extérieur du site, mais sont traités dans leur totalité grâce à ce système. Le méthane produit est utilisé comme combustible pour les piles MCFC. Et si le méthane fermenté s'avère insuffisant, le gaz de ville intervient pour le complémenter.
Figure 11 Système de fermentation du méthane dans le site
Parmi les installations de traitement des déchets des organismes publics du Japon, celles ayant une capacité inférieure à 200 tonnes/jour ne sont pas dotées d'installations de production électrique et sont par conséquent contraintes d'utiliser une énergie considérable afin d'incinérer des déchets périssables ayant une forte teneur en eau. Ceci est dû au fait que les petits générateurs avec turbine à vapeur n'ont qu'un très faible rendement. En transformant les déchets périssables en méthane, des piles à combustible ayant un rendement énergétique élevé peuvent être utilisées même pour des installations de petites dimensions.
3.5 Système de gazéification à haute température
Un des objectifs de l'exposition étant de réduire la destruction de l'environnement, le nombre d'arbres abattus durant la construction du site a été limité au minimum. En outre, ces arbres ainsi que les déchets en plastique du site sont utilisés pour les piles à combustible. Ils sont réduits en poudre et gazéifiés à une haute température de 1200 degrés environ dans un four, et le gaz produit (ayant pour principaux composants de l'hydrogène et du monoxyde de carbone) est ensuite conduit vers une pile MCFC. Comme pour le gaz de fermentation du méthane, on fait appel au gaz de ville lorsque le gaz produit s'avère insuffisant. Le four de gazéification est présenté sur la Figure 12, et le système est décrit sur la Figure 13.
Figure 12 Four de gazéification à haute température installé sur le site
Figure 13 Système de gazéification à haute température
3.6 Système de contrôle de l'offre et la demande en énergie
Sur le site de l'exposition, un micro-quadrillage ayant une capacité totale de 2200 kw est formé par la connexion au point 6.6 kv de courant alternatif de l'énergie provenant des panneaux solaires, des 2 piles MCFC, des 4 piles PAFC, de la pile SOFC et des batteries NaS. Le contrôle de l'offre et de la demande en électricité dans ce micro-quadrillage est présenté sur les Figures 14 et 15. Les piles MCFC et SOFC sont responsables de la demande de base, les piles PAFC, ayant une réponse relativement rapide, étant pour leur part chargées de répondre aux changements de la demande en électricité, alors que les brusques fluctuations de capacité des piles solaires sont résorbées par les batteries NaS rechargeables. La capacité des piles à combustible et des batteries NaS est contrôlée par ordinateur, par rapport aux changements de la demande en électricité (maximum de 1200 kw environ) du Pavillon du Japon dans l'Aire de Nagakuté. Le contrôle de l'offre et de la demande dans le micro-quadrillage prend pour base une quantité identique au même moment pendant 30 minutes, sans courant inverse dans les circuits électriques. Les essais expérimentaux permettront, d'une part, d'évaluer la qualité des sources électriques, à savoir la tension, les hautes harmoniques et le scintillement et, d'autre part, de procéder au meilleur contrôle des fonctions objectives des piles solaires, des piles à combustible et des batteries NaS, sur le plan de la minimalisation des coûts, de la réduction du dioxyde de carbone dans les gaz d'échappement, et de l'optimalisation du rendement de l'utilisation de l'énergie.
Par ailleurs, et en tirant les leçons des exemples tels que la grande panne de courant de New York, une mise en service autonome du micro-quadrillage fournissant l'électricité est d'ores et déjà tentée comme lors de la coupure des circuits électriques extérieurs qui sera effectuée au mois d'octobre, après la fermeture de l'exposition. En d'autres termes, l'asservissement de la charge dans le cas où les piles PAFC sont utilisées comme sources de tension, et les autres piles à combustible ainsi que les batteries NaS comme sources de courant, est dans un premier temps analysé et prévu par simulation sur ordinateur. Par la suite, les autres piles à combustible sont connectées par étapes et le degré de difficulté est augmenté, la mise en service autonome étant ainsi planifiée à l'intérieur du micro-quadrillage.
Figure 14 Concept du contrôle de l'offre et de la demande dans le micro-quadrillage
Figure 15. Système de contrôle de l'offre et de la demande dans le micro-quadrillage
