Nous sommes actuellement confrontés à une extinction de masse, semblable à celles que la Terre a connues à plusieurs reprises au cours des dernières centaines de millions d'années. Notre problème réside dans notre besoin croissant d'énergie pour extraire et recycler les matières premières, accéder à l'eau produire de la nourriture, surmonter les sécheresses. NTERK présente une solution pour stocker de l’énergie sous la forme du stockage thermodynamique. À chaque extinction de masse, une part significative de la biosphère disparaît, incapable de s'adapter aux changements brutaux qui exigent des ressources considérables.

L'énergie est la clé du problème, elle est nécessaire en permanence, et pas seulement lorsque le vent souffle ou que le soleil brille. Même pour réduire notre consommation, nous avons besoin de davantage d'énergie pour produire les matériaux et les mettre en œuvre . Le stockage de l'énergie sous forme thermodynamique peut répondre à cette demande. Car le défi réside non pas dans la production d'énergie, mais dans sa disponibilité au moment où nous en avons besoin.

De nombreux paramètres entrent en jeu pour stocker de grandes quantités d'énergie de manière efficace. NTERK vise à répondre à cette exigence.

Le concept de stockage d'énergie développé par NTERK implique la production d'air liquide en utilisant l'énergie à stocker. Cet air liquide est ensuite stocké dans un réservoir et, ultérieurement, il est employé comme source de refroidissement en conjonction avec la chaleur environnante pour générer de l'énergie. 1 kilogramme d'air liquide peut générer 0,25 kilowatt, c’est une densité remarquable comparer a un barrage hydraulique qui nécessite un volume de stockage 1000 fois plus important pour la même quantité d’énergie.

Il est donc envisageable de stocker d'importantes quantités d'énergie à partir de l'air liquide. Actuellement, d'énormes réservoirs sont utilisés pour stocker du gaz liquéfié, ce qui permet d'alimenter un pays entier pendant plusieurs mois en réponse à une demande. Cependant, se pose la question de savoir si cela est réalisable de manière aussi rentable et économique avec de l'air liquide. il ne s'agit pas seulement d'extraire l'air liquide du sol comme on le fait pour le gaz naturel, mais de produire de l’air liquide à l'aide de dispositifs et d'énergies renouvelables, de le stocker, puis d’en restituer de l’énergie plusieurs heures, jours, semaines ou mois plus tard avec ce même dispositif. Cela a un cout, en matière première, en  temps en surface.

 C'est ce que nous allons explorer en prenant en considération les paramètres clés.

Pour produire de l'air liquide, il est nécessaire d'utiliser une machine frigorifique capable principalement de comprimer de grandes quantités d'air à une pression élevée tout en maintenant le processus isotherme.

La compression isotherme est un processus au cours duquel la chaleur générée par la compression est immédiatement dissipée, de sorte que la température du gaz reste constante tout au long de la montée en pression. Cela signifie que le volume du gaz ne s'agrandit pas, mais au contraire diminue, car il est comprimé.

 La compression isotherme est essentielle pour plusieurs raisons :

• Efficacité : Lorsque l'on compresse un gaz de manière adiabatique (c'est-à-dire sans dissiper la chaleur), il se réchauffe, ce qui entraîne une dilatation du gaz et, par conséquent, une augmentation de son volume. Pour comprimer la même quantité de gaz, un compresseur doit travailler davantage puisque le volume du gaz augmente, ce qui réduit son efficacité.
• Économie d'énergie : La compression isotherme réduit la quantité d'énergie nécessaire pour comprimer un gaz, ce qui se traduit par une consommation d'énergie moindre, ce qui est essentiel pour maintenir des coûts bas.

La compression isotherme la clef du succès

Concernant les systèmes économiques de compression isotherme de l'air, on recense diverses technologies telles que les compresseurs à piston, à vis et centrifuges. Cependant, aucun de ces systèmes industriels n'assure une compression totalement isotherme, où la température de l'air ne s'élève que de quelques degrés.

Par exemple, avec un compresseur à piston, lorsque le piston se déplace dans le cylindre, l'air se comprime et chauffe. La seule stratégie pour refroidir cet air et limiter son échauffement consiste à installer des ailettes sur le cylindre pour augmenter la surface d'échange thermique avec l'extérieur. Néanmoins, les possibilités de dissipation de la chaleur restent limitées en raison de la surface restreinte du cylindre. Même si on maintient le cylindre à basse température, l'échange de chaleur avec l'air comprimé est insuffisant du fait de la vitesse élevée du piston. À une cadence de 1000 tours par minute, l'air est comprimé en seulement 0,03 seconde, ne laissant pas le temps à l'air  dans le cylindre de se refroidir.

Pour un compresseur plus lent, par exemple à 3 tours par minute, le problème persiste car le temps n'est toujours pas suffisant pour une dissipation efficace de la chaleur. De plus, ce ralentissement implique une hausse des coûts : pour atteindre la capacité d'un compresseur à 1000 tours par minute, il faudrait un appareil 300 fois plus grand, alors qu'un compresseur rapide est déjà onéreux.

Certains systèmes optent pour une compression multi-étagé où l'air est légèrement comprimé puis refroidi par des échangeurs thermiques externes avec une large surface de contact, se rapprochant graduellement de l'idéal isotherme.

La société NTERK a choisi une approche différente et radical : un compresseur qui fonctionne lentement et incorpore une grande surface d'échange à l'intérieur du cylindre. Mais insérer un échangeur de chaleur à l'intérieur d'un cylindre où un piston doit bouger est complexe. La solution réside dans l'utilisation d'un piston liquide qui s'adapte à l'échangeur, permettant ainsi un refroidissement constant de l'air. Ce procédé, connu sous le nom de compresseur à piston liquide et existant depuis un siècle, utilise une pompe à eau qui injecte de l'eau dans un cylindre équipé de barres d'acier verticales. Ces barres offrent une large surface de contact et une masse thermique importante, refroidissant efficacement l'air comprimé à mesure que l'eau monte. L'eau, en montant lentement, permet un transfert de chaleur optimal vers les barres d'acier. De plus, l'eau refroidit elle-même en contact avec le cylindre, qui est conçu avec un diamètre adéquat pour optimiser les échanges thermiques avec l'environnement. La pompe à eau peut alors fonctionner à une vitesse élevée sans affecter l'efficacité du refroidissement.

Le compresseur à piston liquide se distingue favorablement pour son efficience alliée à une conception épurée. Capable de refroidir l'air pendant la compression, il autorise également un ratio de compression supérieur, atteignant sans difficulté un facteur de 20, alors que les compresseurs à piston classiques plafonnent souvent à un rapport de 1 à 10. Cet avantage s'explique par la lenteur inhérente à son fonctionnement et l'utilisation d'un liquide qui minimise le volume mort.

Dans un compresseur à piston traditionnel, un espace résiduel subsiste au point mort haut entre le piston et la valve, limitant ainsi la compression ultérieure de l'air. De plus, une compression excessive induit une élévation de température de l'air, ce qui rend contreproductif la réduction du nombre de cylindres ; au contraire, leur augmentation est souvent privilégiée. Pour atteindre une pression de 300 bars, un compresseur standard nécessite au moins trois, sinon quatre étapes de compression.

En revanche, grâce à l'utilisation du compresseur à piston liquide, la chaleur se dissipe plus efficacement, et le liquide pénètre dans les recoins les plus étroits du cylindre, permettant ainsi de réduire le processus à seulement deux étapes pour comprimer de l'air à 300 bars avec une grande efficacité. La connaissance précise du nombre de cylindres requis facilite le calcul de la quantité de matière nécessaire pour comprimer 1 kg d'air de manière optimale.

À cette phase, il est crucial d'estimer la quantité de matériaux utilisée pour les réservoirs et les échangeurs nécessaires au stockage d'1 kWh d'énergie, ce qui permettra de les évaluer en comparaison avec d'autres formes de production d'énergie. Il est important de vérifier la viabilité de la mise à l'échelle de cette technologie.

Dans ce cadre, j'ai entrepris la construction d'un prototype de 10 kW. Celui-ci est constitué de deux réservoirs de basse pression de 300 litres sous 20 bars et de deux réservoirs de haute pression de 15 litres sous 300 bars. Un cycle de compression de 20 secondes à 30 secondes durant lequel un réservoir se vide pendant que l'autre se remplit devrait assurer une compression très proche de l’isotherme. La masse totale de l'ensemble des réservoirs avoisine les 300 kg. Ramener au kWh cela représente une masse de 30 kg d’acier ce qui reste relativement négligeable.

La tâche d'évaluer grossièrement la masse des échangeurs thermiques, constitués de barres d'acier inoxydable fines, est relativement simple. La quantité de chaleur à évacuer est comparable à la puissance utilisée par le moteur électrique de la pompe, qui est d'environ 10 kWh, en tenant compte de son rendement. L'agencement des échangeurs se fait avec des tiges fines en acier disposées verticalement et serrées les unes contre les autres, pour optimiser l'échange de chaleur par convection, profitant de la faible conduction thermique de l'air en réduisant l'espace entre les tiges.

Le transfert thermique des échangeurs est évalué à 500 W/m² pour une hausse de température de 5°C. Toutefois, chaque échangeur fonctionne seulement pour la moitié du temps durant un cycle complet, car les réservoirs sont utilisés en alternance. L'efficacité de l'échangeur est réduite, notamment parce que son rendement baisse progressivement lorsque l'eau montante le submerge, raison pour laquelle il est idéalement positionné en haut du cylindre. Ces éléments réduisent l'efficacité effective de l'échangeur à environ 150 W/m², ce qui nécessite une surface d'environ 6 m² par kWh, ou l'équivalent de 12 kg de fil d'acier inoxydable de 1,4 mm de diamètre pour chaque kWh.

Concernant le matériel requis pour atteindre une compression isotherme efficace avec un rendement thermodynamique aux alentours de 98 %, il faut 30 kg d’acier carbone pour les cylindres et 12 kg d’acier inoxydable pour les échangeurs. En France, la puissance des systèmes de production d'énergie est d'environ 60 GW, soit approximativement 1 kW par habitant. Pour doter la planète entière de systèmes de stockage à 1 kW par habitant, la production annuelle d’acier suffirait pour un mois, tandis que celle d'inox serait nécessaire pendant trois ans. L'inox pourrait être substitué par un autre matériau résistant à l'eau et ayant une chaleur massique adéquate pour stocker ou libérer de la chaleur.

La transition des sources d'énergie électrique basées sur les combustibles fossiles vers des alternatives sans émissions de CO2 est une priorité. La France envisage de réaliser cette transition en combinant des énergies renouvelables, dont le coût de production est faible, avec l'énergie nucléaire, qui garantit une réponse fiable à la demande quelles que soient les conditions météorologiques. Le coût d'installation du kilowatt nucléaire avoisine les 6000 euros, alors que pour le photovoltaïque, capable de générer un volume d'énergie annuel similaire, ce coût pourrait être de 2000 euros. Ceci aboutirait à un coût moyen combiné de 4000 euros. Pour une production entièrement basée sur le photovoltaïque, qui est plus économique, un investissement de 3000 euros serait nécessaire pour augmenter la capacité afin de compenser les pertes de rendement liées au stockage. De plus, il est essentiel que les coûts des systèmes de stockage ne dépassent pas 2000 euros, portant le coût total à 5000 euros.

Il apparait donc que le cout d’un système de stockage de 1 MW ne devrait pas dépasser 2 millions d’euros pour une centrale solaire d’une puissance 5 ou 6  fois plus importante