201 - Énergie

Les performances de stockage de l’énergie par des nanoparticules d’oxyde de nickel de différentes tailles et fabriquées par décharges électrochimiques sont testées. Les nanoparticules de NiO obtenues sous l’action de voltage continu de 30, 36 et 42 V entre deux électrodes de nickel dans une solution aqueuse de 2 M H₂SO₄ + 0.5 M éthanol et PVP ont des diamètres moyens respectifs de 91, 70 et 107 nm. Une capacité massique maximum de 218 F/g à 2.7 A/g a été achevée avec les plus petites nanoparticules de 70 nm dans la fenêtre de potentiel 0 à 0.5 V dans 1 M KOH. Les plus grandes particules de 91 et 107 nm montrent toujours les caractéristiques d’un supercondensateur pseudocapacitif, permettant de stocker de l’énergie à l’ordre de 106 and 63 F/g respectivement, sous les mêmes conditions. La comparaison des énergies et puissances spécifiques des trois supercondensateurs dans un diagramme de Ragone est en faveur des plus petites nanoparticules avec 98 Wh/kg et 700 W/kg, en raison de leur plus haute surface spécifique favorable à l’accès d’une plus grande fraction des ions OH-.

Le besoin en énergie portative et les avancées dans la miniaturisation des systèmes contribuent au développement actuel des micro et nano systèmes de production d’énergie (MNPG) dont le potentiel énergétique est estimé à plus de vingt fois celui des batteries conventionnelles, lourdes, encombrantes et limitées en autonomie.

Les problèmes des MNPG proviennent de la génération d’une flamme auto entretenue dans des dimensions extrêmement réduites, de la conversion de l’énergie produite, et surtout de la mise en œuvre de tels systèmes. La résolution de ces problèmes peut se faire de façon théorique, expérimentale, numérique ou un couplage du numérique et de l’expérimental.

Plusieurs groupes de recherche se sont penchés sur le sujet et les données présentées dans la littérature témoignent non seulement de l’intérêt du sujet et de sa faisabilité mais surtout de son avenir très prometteur. Cette étude aborde l’aspect théorique et numérique du problème, explique les enjeux et les avancées de la recherche sur les MNPG à travers les grandes écoles de pensée, présente quelques résultats de simulation de l’influence des paramètres physiques sur la modélisation de la microcombustion.

Le défaut majeur des systèmes macroscopiques étant la pollution de l’environnement par les émissions générées, ces résultats ouvrent la voie à l’optimisation du potentiel énergétique des systèmes de micro et nano combustion et à la réduction de la production des polluants.

Dans ce travail, une optimisation multicritère
de la surface de transfert de chaleur et de la puissance associée aux pompes d'un
échangeur thermique tubulaire est présentée. Les solutions optimales donnant le
domaine de Pareto permettent de visualiser les compromis entre les deux critères
objectifs qui doivent être minimisés. Neuf variables de décision ont été
considérées : la disposition géométrique des tubes, le nombre de passes des
tubes, l’espacement des chicanes, le type de coupe des chicanes, l’espacement
entre les tubes et les chicanes, l’espacement entre les tubes et la calandre, la
longueur des tubes, le diamètre extérieur des tubes et l'épaisseur de la paroi
des tubes. L'optimisation a été exécutée en utilisant l'algorithme génétique NSGA-II,
disponible dans le module des algorithmes génétiques multicritères de MATLAB^®.
Pour vérifier la robustesse de la méthode, deux études de cas prises dans la littérature
récente sont présentées. Les résultats montrent que pour les deux études de
cas, les solutions proposées dans la littérature sont dominées. En plus, l’algorithme
NSGA-II fournit un front de Pareto sur une plus large plage des variables de
décision. Le classement des solutions du domaine de Pareto, en utilisant une simple
fonction de coût, montre que le coût de la conception optimale est inférieur à
ceux publiés dans la littérature pour les deux études de cas.

La géothermie utilise le sous-sol comme un immense réservoir de chaleur. Pourquoi ajouter un petit réservoir thermique secondaire constitué d’une citerne d’eau à l’immense réservoir qu’est le sous-sol de la géothermie? Cela peut paraître bien futile.

Ces réservoirs se distinguent pourtant par leurs impédances très différentes. Cette caractéristique permet une gestion d’énergie beaucoup plus flexible et de ce fait plus économique, et cela en toutes saisons.

L’impédance thermique d’un système caractérise la variation de température liée au flux thermique. Ainsi le sous-sol a une grande capacité, mais une impédance plus élevée. La température moyenne du sous-sol est de l’ordre de 8 °C. Mais, quand on y pousse de la chaleur en période de climatisation, la température de l’eau de retour monte significativement si bien qu’une climatisation directe (sans compresseur) devient vite impossible.

C’est l’inverse pour le réservoir d’eau qui a une faible capacité, mais une impédance nulle. En effet, c’est directement cette eau qui pourra circuler dans les radiateurs de chauffage.

Cette complémentarité des deux types de réservoirs permet :

de diminuer le nombre de puits

d’augmenter le facteur d’utilisation de l’électricité

de climatiser principalement en mode “ Free cooling” (sans thermopompe)

une meilleure gestion d’énergie dans les mi-saisons

une gestion anticipative selon les prévisions météo

récupération optimisée de l’énergie solaireaugmentation du COP des thermopompes.

Dans la dernière décennie, plusieurs chercheurs ont démontré un intérêt concernant la possibilité de récupérer de l'énergie mécanique provenant de structures vibrantes. Il a été démontré dans la documentation scientifique qu'un récupérateur d'énergie vibratoire excité par une source harmonique est efficace sur une faible bande de fréquences qui doit coïncider avec sa fréquence de résonance. En effet, les performances chutent radicalement lorsque l'excitation s'éloigne de la fréquence de résonance. En pratique, les sources d'excitation sont rarement harmoniques et s'étendent plutôt sur une large bande de fréquences. Dans ce cas, les architectures traditionnelles de récupérateurs sont peu performantes et des conceptions alternatives doivent être proposées afin d'élargir la bande de fréquences où le récupérateur est efficace. Différentes stratégies ont déjà été proposées afin d’améliorer les performances de récupération quand la source vibratoire a un contenu fréquentiel à large bande. Cette étude présente donc une revue critique des stratégies proposées dans la documentation scientifique et suggère de nouvelles façons de faire.

Il existe actuellement sur le marché deux types de concentrateurs de sirop d’érable.

1) Les évaporateurs au bois ou plus généralement au mazout léger. Plus de 17 Méga litres de mazout léger ont été consommés en 2010 au Québec pour cela. Pour produire 1 litre de sirop d’érable il faut presque 1 litre de mazout. Cela représente près de 1,2 kg CO²/ L sirop.

2) Les séparateurs à osmose inversée. Ces derniers ne permettent qu’une concentration partielle; typiquement de 2 à 10 brix. Il est alors nécessaire de compléter la concentration jusqu’à 66 brix par un évaporateur classique.

Nous avons développé au CSTPQ un nouveau type de concentrateur à évaporation qui peut faire passer la concentration de 2 à 66 brix (ou 10 à 66brix) avec une efficacité énergétique de plus de 20 fois supérieure à celle d’un évaporateur au mazout. Cela représente un coût énergétique négligeable.

En plus de l’immense gain en efficacité énergétique, notons les avantages suivants :

- Ne consomme plus de mazout léger

- Aucune émission de CO²

- Pas de problèmes de suie qui agit comme isolant et réduit de façon notable le transfert de chaleur

- Pas besoin de cheminée

- Production d’eau distillée

- Excellente qualité du sirop

- Impossibilité de brûler les pannes

- Facilité de nettoyage

- Automatisation complète possible.

Le LiFePO₄ est présentement utilisé comme matériau actif dans les piles au lithium en raison de sa capacité théorique de 170 mAh/g^[1], de sa non-toxicité et de sa sécurité. La structure du LiFePO₄ est orthorhombique olivine^[1] et le lithium peut être extrait de la structure électrochimiquement ou par oxydation chimique et donc former la structure hétérosite^[1]. Le but de ce travail est d’étudier la cinétique de désinsertion du Li de la structure olivine par oxydation chimique. Le matériau actif délithié peut être utilisée par la suite dans des procédés industriels pour les revêtements de LiFePO₄ par des polymères conducteurs^[2]. La réaction s’effectue par un mélange de peroxyde d’hydrogène, de l’eau, de l’acide acétique et du LiFePO₄^[2]. Les produits formés par cette réaction sont le Li_(1-x)FePO₄ délithié, du sel de lithium ainsi que de l’eau. Le Li_(1-x)FePO₄ est caractérisé par diffraction des rayons X (DRX) ainsi que par infrarouge à transformée de Fourier par réflexion atténuée (FT-IR-ATR).

Références :

[1] A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy and J. B. Goodenough, Journal of The Electrochemical Society 1997, 144, 1188-1194

[2] D. Lepage, C. Michot, G. Liang, M. Gauthier and S. B. Schougaard, Angewandte Chemie International Edition 2011, 50, 6884-6887