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Comment sortir de l’âge du fer ?

Wed, 01 May 2024 00:00:00 +0000

Image : Cage d’ancrage en acier pour les fondations d’une éolienne dans le comté de Gilliam (États-Unis). Image de Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Prisonniers de l’âge du fer

En 1836, l’archéologue et conservateur de musée Christian Jürgensen Thomsen a établi une distinction entre trois périodes préhistoriques sur la base des principaux matériaux utilisés pour les armes et outils coupants : l’âge de la pierre, l’âge du bronze et l’âge du fer.¹ Suivant cette logique, il a ainsi formulé l’hypothèse que le développement technique humain procède par « étapes métallurgiques ». La classification tripartite théorisée par Thomsen a beau faire référence au passé, si l’on s’en tient au critère retenu dans son analyse, nous n’avons en réalité jamais dépassé l’âge du fer. Même au 21ème siècle, le fer demeure le principal matériau utilisé, non seulement pour la fabrication des armes et outils coupants mais aussi, plus généralement, pour presque toutes les technologies modernes.

Le fer est désormais principalement utilisé sous forme d’acier. Toutefois, même en conservant le critère de Thomsen, on ne peut pas pour autant parler d’un « âge de l’acier ». Tout d’abord, car l’acier est simplement un alliage de fer (>98 %) et de carbone (<2 %). Ensuite, dans la mesure où les humains ont produit de l’acier dès les débuts de l’âge du fer. C’est une réalité historique peu connue dans le monde occidental, où la production d’acier n’a pris son réel essor qu’au 19ème siècle avec le développement des énergies fossiles. Les métallurgistes africains et asiatiques ont pourtant développé des aciers de haute qualité à des époques bien antérieures – un savoir-faire qui a d’ailleurs permis aux Européens de faire de même, à bien plus grande échelle, par la suite.²

En 2021, la production mondiale de fer et d’acier a atteint 1 950 millions de tonnes (Mt), soit 22 fois plus que la production cumulée d’aluminium et de cuivre (88 Mt). Cette production de fer et d’acier correspond à 5 fois la production mondiale de plastique (391 Mt) et éclipse totalement la production mondiale de silicium (8,5 Mt) et de lithium (0,1 Mt).³⁴ En tant que matériau, l’acier est la pierre angulaire des sociétés industrielles. Sans plastiques, lithium ou silicium, notre civilisation demeurerait industrielle. Sans fer ni acier, nous serions renvoyés 3 000 ans en arrière à l’âge du bronze.

Où se trouve tout cet acier ?

Il n’est pas si facile de prendre conscience de cette omniprésence de l’acier dans la société industrielle, tant ses usages pourtant massifs échappent bien souvent à nos regards au quotidien.⁵ On trouve dans un logement plusieurs objets et équipements en acier comme le réfrigérateur, le lave-linge, la bouilloire, la baignoire, ou encore les appareils de cuisson, de chauffage et de climatisation. Pourtant, seule 2-3 % de la production totale d’acier est destinée aux appareils domestiques.⁶⁷⁸ A l’extérieur, on retrouve de l’acier en grande quantité sous la forme de véhicules. Il s’agit notamment des voitures individuelles, qui à l’échelle mondiale utilisent environ 10 % de l’acier (20 % dans les pays riches). Les bus, camions, trains et bateaux mobilisent quant à eux 4-5 % supplémentaires. Additionnés, ces usages représentent toutefois moins de 20 % de la production mondiale.

L’essentiel de l’acier est incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels.

L’essentiel de l’acier est en fait incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels. Plus de la moitié de la production mondiale alimente le secteur de la construction, incluant les bâtiments (résidentiels, tertiaires, industriels) et les infrastructures (ponts, tunnels, ports, canaux, pistes d’aéroports, plateformes et tours de forage pétrolières, raffineries, pipelines, centrales thermiques, lignes électriques, voies ferrées, métros, et ainsi de suite). La plupart de cet acier est intégré dans du béton – le seul matériau capable de concurrencer la production d’acier (avec 1 819 Mt en 2021). Ce n’est pas un hasard si le béton armé est le matériau de construction le plus utilisé à l’échelle mondiale.

Environ 15 % de la production mondiale d’acier sert à fabriquer des machines, incluant des outils, machines-outils, équipements industriels, matériels électriques, ainsi que divers engins miniers, agricoles ou de construction. Même les produits fabriqués avec d’autres matériaux – plastiques, bois, autres métaux – sont usinés au moyen d’outils en acier.⁵ Les 15 % restants se retrouvent dans un large éventail d’objets, des couvercles d’emballages alimentaires aux meubles en passant par les conteneurs maritimes.⁶⁷⁸

Image : Le béton armé est le premier matériau de construction à l’échelle mondiale. Trou sur l’autoroute Interstate 84, aux États-Unis. Photo de Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

L’empreinte environnementale de la sidérurgie

L’acier est souvent présenté comme un des matériaux les plus durables. Contrairement aux plastiques, il peut être recyclé à volonté sans perte de qualité. La sidérurgie a par ailleurs réalisé des gains importants en termes d’efficacité énergétique, bien plus que d’autres industries. Produire une tonne d’acier brut nécessite désormais, en moyenne, environ 20 gigajoules (GJ) d’énergie primaire – trois fois moins qu’en 1950.⁹ Un bilan très favorable comparé à d’autre matériaux tels que l’aluminium (175 GJ/t), les plastiques (80-120 GJ/t), ou le cuivre (45 GJ/t).⁷ L’acier, contrairement aux plastiques, se dégrade sans toxicité pour l’environnement.¹⁰ Enfin, le minerai de fer n’est pas particulièrement rare. Le fer est le quatrième élément chimique le plus abondant dans la croûte terrestre, dont il compose environ 5 % de la masse.¹¹ A titre de comparaison, le cuivre en constitue seulement 0.01 %.⁵

Mais en dépit de tous ces avantages, la production mondiale de fer et d’acier consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie. En 2021, la consommation totale en énergie primaire liée à la production d’acier brut s’élevait à 39 exajoules (EJ), ce qui correspond à 7 % de la consommation mondiale pour cette même année (595 EJ). Les émissions de gaz à effet de serre sont, proportionnellement, encore plus élevées car environ 75 % de l’énergie utilisée provient du charbon – le combustible dont l’intensité carbone est la plus élevée. En 2021, l’industrie sidérurgique a ainsi émit quelques 3,3 Gt de dioxyde de carbone, soit environ 9 % des émissions planétaires (36,3 Gt), suivie de près par l’industrie du béton, avec 8 %.

A l’échelle mondiale, la sidérurgie consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie.

Les estimations ci-dessus proviennent de la World Steel Association et de l’International Energy Agency. Des données identiques sont disponibles pour tous les métaux ; documentées depuis de nombreuses années, elles permettent d’établir des comparaisons historiques. Toutefois, leur périmètre est restreint au seul procédé de fonte des métaux. Elles n’incluent ni l’énergie grise ni les émissions de carbone associées à l’extraction et au transport du minerai de fer, du charbon, du calcaire, de la ferraille, et des produits en acier. Pas plus qu’elles ne prennent en compte l’énergie et les émissions liées à la production du coke et à la préparation du minerai – autant d’étapes essentielles aux procédés sidérurgiques.⁷

Les études scientifiques qui se sont intéressées à l’industrie du fer et de l’acier avec un périmètre plus large sont arrivées à la conclusion que le coût énergétique de la production d’acier serait en réalité 50 % à 100 % plus élevé.¹² L’un de ces rapports estime que les émissions de méthane générées par l’extraction de charbon métallurgique pourraient quant à elles augmenter de 27 % les émissions imputables au secteur. Une autre étude évalue à 10-15 % d’émissions supplémentaires la part induite par le transport maritime du minerai de fer (en amont) et de l’acier (en aval). La sidérurgie génère par ailleurs d’autres problèmes environnementaux, à commencer par une forte consommation d’eau, la production de déchets solides, ainsi qu’une importante pollution de l’air et de l’eau.

L’empreinte carbone de l’industrie sidérurgique est sans conteste incompatible avec l’objectif de neutralité carbone à l’horizon 2050, et ce d’autant plus que la production d’acier va très certainement continuer à croître. La production d’acier a décuplé depuis 1950, et doublé entre 2000 et 2020, une croissance encore plus rapide que ce que de nombreux chercheurs avaient pu prédire.¹³ En parallèle, les gains d’efficacité énergétique ont diminué, et un consensus scientifique s’établit sur le fait que les technologies actuelles ont atteint la limite thermodynamique.⁷⁹¹⁴ Au cours des deux dernières décennies, la quantité moyenne d’énergie nécessaire pour produire une tonne d’acier est demeurée stable, aux alentours de 20 GJ/t.⁹¹⁵

Comment produire de l’acier sans énergies fossiles ?

Il y a deux manières de fabriquer de l’acier, l’une étant beaucoup plus soutenable que l’autre.¹⁶ D’un côté, le haut-fourneau (ou « convertisseur à oxygène ») est un procédé qui consiste à fabriquer l’acier à partir de minerai de fer et de charbon. Cette technique est – dans ses grands principes – vieille de 2 000 ans. De l’autre, le four à arc électrique, dans lequel l’acier est fabriqué à partir de ferraille et d’électricité. Relativement nouvelle, cette technologie consomme beaucoup moins d’énergie qu’un haut-fourneau, utilise une matière recyclée (il n’est ici pas nécessaire d’extraire du minerai de fer), et fonctionne sans utilisation directe de charbon ou autres combustibles fossiles (l’électricité pouvant être fournie par une source d’énergie solaire, éolienne ou nucléaire).

Les fours à arc électrique les plus performants énergétiquement consomment désormais moins de 300 kilowatt-heures (kWh) d’électricité par tonne d’acier produite.⁹¹⁷ Hypothétiquement parlant, si l’intégralité de l’acier produit en 2021 (1 950 Mt) l’avait été dans ce type de fours, la consommation totale de l’industrie sidérurgique se serait limitée à 585 térawatt-heures (TWh). Pour donner un ordre de grandeur, cela correspond à un tiers seulement de l’électricité produite par des éoliennes à l’échelle mondiale cette même année (1,848 TWh). Malheureusement, plus de 70 % de la production mondiale d’acier est aujourd’hui issue de hauts-fourneaux alimentés au charbon.⁹¹⁷ Un haut-fourneau est 20 fois plus énergivore, et ne peut pas fonctionner à l’électricité puisque le charbon y sert à la fois de combustible et d’agent réducteur dans la réaction chimique. La combustion du charbon dégage en effet du monoxyde de carbone, qui participe à la réduction du minerai en fer.⁷

Un manque de ferraille disponible

La solution paraît évidente : pourquoi ne pas produire tout cet acier dans des fours à arc électrique ? Cela s’avère impossible. Il n’y a tout simplement pas assez de ferraille disponible : la croissance continue de la production d’acier rend impossible une utilisation « circulaire » de la ressource.¹⁸ Il faut en effet attendre plusieurs décennies avant que l’essentiel du volume d’acier produit au cours d’une année donnée n’arrive en fin de vie et ne devienne disponible pour le recyclage. A titre d’exemple, les navires à coque métallique représentent à ce jour un « stock » virtuel de 543 Mt d’acier.¹⁹ La quantité de ferraille disponible pour le recyclage en 2021 correspond au niveau de production de 1965, c’est-à-dire à une époque où la production mondiale n’atteignait pas le quart de celle d’aujourd’hui (450 Mt).⁹¹⁰²⁰²¹ Par conséquent, les trois quarts restants doivent inévitablement être produits dans des hauts-fourneaux utilisant du charbon et du minerai de fer fraîchement extrait.

Image : Voitures destinées à la casse dans le port de Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

La Chine produit à l’heure actuelle environ la moitié de l’acier mondial, et ce quasi exclusivement (+90 %) à partir de hauts-fourneaux alimentés en charbon et minerai de fer. De nombreux pays producteurs d’acier disposent d’une proportion plus importante de fours à arc électrique. Mais pointer la Chine du doigt n’aurait pas beaucoup de sens. Tout d’abord, les États-Unis et l’Europe ont dès les années 2000 massivement délocalisé leurs industries en Chine, un phénomène qui coïncide parfaitement avec l’augmentation de la production sidérurgique dans le pays. Ensuite, la Chine n’utilisait quasiment pas d’acier il y a trente ou quarante ans. Il n’y a, de ce fait, presque pas de ferraille disponible dans le pays. La Chine n’a donc pas d’autre choix que d’utiliser des hauts-fourneaux.²²

Des aciers de qualités toujours plus élevées

Un deuxième obstacle réside dans la tendance actuelle à développer des aciers de qualités supérieures. On compte désormais 2 500 types d’aciers différents, dotés de diverses propriétés : résistance mécanique accrue, tenue à haute température, ou résistance à la corrosion.⁷⁹²¹²³ Si ces aciers peuvent être produits dans des fours à arc électrique, ils ne sont pas fabriqués à partir de ferraille recyclée, et sont bien plus énergivores.

L’acier disponible pour le recyclage forme un mélange hétérogène en termes de qualités d’acier. Ce mélange convient à la fabrication d’aciers ordinaires au carbone mais n’est pas approprié pour des aciers hautement alliés, qui nécessitent des ferrailles de qualité homogène. Or, cette ferraille n’est pas disponible. Par exemple, l’acier inoxydable, l’alliage le plus produit parmi toute la gamme des aciers spéciaux, a un taux de recyclage de 15 % seulement. La production d’acier inoxydable a atteint 60 Mt en 2021, contre seulement 4 Mt en 1980.²⁴ L’acier inoxydable était traditionnellement employé pour la coutellerie, l’outillage chirurgical, le matériel médical et de transformation agroalimentaire. Ses usages se sont désormais étendus à divers domaines d’application, tels que la construction de tunnels, le mobilier d’extérieur, le traitement des eaux usées, la désalinisation de l’eau de mer, le nucléaire civil et la production de biocarburants.⁷

Les faibles taux de recyclage et l’extraction des autres éléments d’alliage, tels que le chrome ou le nickel, rendent la production des aciers de qualités supérieures plus énergivore. A titre d’exemple, la fabrication d’acier inoxydable nécessite presque 80 GJ par tonne, soit quatre fois plus que la fabrication d’acier ordinaire au carbone.⁷²¹ Le développement incessant d’aciers de qualités supérieures est stimulé par la législation environnementale (imposant par exemple le recours à des aciers plus légers pour les carrosseries des voitures) mais également par la compétition d’autres matériaux, en premier lieu desquels l’aluminium et les composites plastiques.⁷⁹²¹²³ Paradoxalement, la compétition d’usage avec ces matériaux – encore plus énergivores – rend l’acier de moins en moins durable.

L’acier et les énergies renouvelables

Si la sidérurgie est, par la nature même de ses procédés, fortement dépendante des sources d’énergie qui l’alimentent, l’inverse est également vrai : le secteur énergétique repose lui aussi massivement sur l’acier. Presque 10 % de la production mondiale d’acier est destinée à la construction et à l’entretien des infrastructures énergétiques. Ce volume correspond à l’intégralité de l’acier produit en 1950. Une large part de cet acier se retrouve dans les multiples infrastructures pétrolières et gazières.²⁵ En effet, l’extraction, la production et le transport du pétrole et du gaz mobilisent de l’acier en énormes quantités, pour la fabrication de plateformes de forage en mer, oléoducs, gazoducs, raffineries, navires et réservoirs de stockage. L’extraction du charbon dépend quant à elle également de l’acier pour la fabrication de haveuses, chargeuses-pelleteuses, convoyeurs, excavatrices, et camions.⁷

Malheureusement, la transition vers des sources d’énergie peu carbonées et l’électrification des technologies de chauffage et de transport ne réduira pas notre dépendance à la sidérurgie – bien au contraire. Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier (et autres matériaux) qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles. Le solaire et l’éolien sont des sources d’énergie dites « diffuses » par comparaison aux énergies fossiles. Concrètement, cela se traduit par le fait qu’elles requièrent beaucoup plus de matériaux (et d’espace) pour produire in fine la même quantité d’énergie. Dans le jargon technique, on dit que le solaire et l’éolien ont une faible « densité de puissance », ou une forte « intensité matérielle ».²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰

Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles.

L’ « intensité matière » en acier des centrales thermiques au charbon ou au gaz est comprise entre 50 et 60 tonnes d’acier par mégawatt de puissance installée.³¹ Les centrales hydroélectriques ont une intensité matérielle moindre, avec 20-30 tonnes d’acier par MW.⁷³¹ Le nucléaire également, avec 20-40 tonnes d’acier par MW.³¹³² A l’autre bout du spectre, les panneaux photovoltaïque nécessitent entre 40 et 170 tonnes d’acier par MW de puissance installée.³¹³³ Bien que les panneaux en eux-mêmes ne comprennent que peu voire pas d’acier, il s’agit du matériau idéal pour les structures qui les supportent.

L’acier et l’énergie éolienne

L’énergie avec la plus haute intensité en acier est – de loin – l’éolienne contemporaine. L’intensité matérielle d’une éolienne dépend de sa taille. Une grande éolienne requiert ainsi une quantité d’acier bien plus importante par mégawatt de puissance installée que deux éoliennes plus petites.³⁴ Par exemple, une éolienne de 3,6 MW dotée d’une tour de 100 mètres de hauteur nécessite 335 tonnes d’acier (soit 83 tonnes/MW), tandis qu’une éolienne de 5 MW dotée d’une tour de 150 mètres nécessite 875 tonnes d’acier (soit 175 tonnes/MW).³⁵ Or, la tendance actuelle est à la construction d’éoliennes toujours plus hautes et, par conséquent, à une augmentation de leur intensité en acier.

Image: Tours d'éoliennes en acier dans le port de Rotterdam. Photo : Melle Smets

Avec la construction d’éoliennes en mer, cette intensité croît encore plus. Les parcs éoliens terrestres ont recours au béton armé pour leurs fondations, tandis que les éoliennes en mer utilisent d’énormes structures en acier – type « monopieu » ou « treillis métallique » – afin de s’ancrer aux fonds marins.³⁶ L’intensité matérielle de ces éoliennes en mer est estimée à environ 450 tonnes d’acier par MW pour une génératrice de 5 MW – huit fois plus que pour une centrale thermique.³⁴. En outre, la consommation d’acier va croissante à mesure que ces éoliennes augmentent en taille et s’implantent dans des eaux de plus en plus profondes.

L’éolienne en mer la plus courante à l’heure actuelle a une capacité de 7 MW, tandis que les plus grandes d’entre elles atteignent 14 MW.³⁴ En formulant une hypothèse conservatrice sur la base des chiffres cités plus haut (à savoir que l’intensité matière en tonnes d’acier/MW double chaque fois que la puissance est multipliée par deux), on peut estimer qu’une éolienne en mer de 14 MW nécessiterait 1 300 tonnes d’acier par MW, soit 18 200 tonnes au total. Une telle éolienne utilise par conséquent 24 fois plus d’acier qu’une centrale au charbon ou au gaz d’une capacité de production équivalente.

Une durée de vie plus courte

L’écart entre les énergies renouvelables et fossiles se creuse encore plus si l’intensité matérielle est calculée en tonne par unité d’énergie plutôt que par unité de puissance (MWh au lieu de MW). Contrairement aux centrales à charbon ou à gaz, l’énergie produite par les parcs éoliens et photovoltaïques dépend des conditions météorologiques. En conséquence, remplacer 1 MW de capacité de production d’électricité d’origine fossile implique (en moyenne) l’installation de 4 MW de solaire ou 2 MW d’éolien.³⁷ L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est ainsi presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.³⁸

L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.

Les installations solaires et éoliennes ont de plus une durée de vie inférieure (20-30 ans) à celle des centrales thermiques (30-60 ans).²⁹ Si cela n’affecte pas l’intensité en acier par MW de puissance installée, cela augmente une fois de plus l’intensité par unité d’énergie produite sur une durée donnée. La consommation d’acier ne s’en trouve certes pas systématiquement doublée, dans la mesure où les fondations des éoliennes en mer et les structures pour panneaux solaires ont potentiellement une durée de vie supérieure aux sources d’énergie dont elles constituent le support, et pourraient de ce fait être réutilisées.³⁹

Les infrastructures de transport de l’énergie

Les données exposées ci-dessus incluent uniquement l’acier incorporé dans les installations de production d’énergie elles-mêmes. Dans le cas des centrales à énergies fossiles, elles n’incluent pas l’acier utilisé pour la fabrication des pipelines, plateformes pétrolières, excavatrices à charbon, etc. Il en va toutefois de même concernant les sources d’énergie « bas-carbone ». Dans la mesure où elles requièrent une quantité de ressources beaucoup plus importante que les centrales thermiques (de l’acier mais également de nombreux autres métaux et matériaux), elles sont dépendantes d’un vaste réseau mondialisé d’infrastructures minières et logistiques, lesquelles s’avèrent tout aussi consommatrices d’acier que les chaînes d’approvisionnement des combustibles fossiles.

De plus, étant des sources d’énergie plus diffuses avec de surcroît une production électrique intermittente et variable, souvent située loin des lieux de consommation de l’énergie, les installations d’énergies renouvelables contribuent largement à l’extension du réseau électrique. Or, ces infrastructures de transmission de l’électricité reposent elles aussi massivement sur l’acier pour leur déploiement – des postes de commutation aux pylônes en passant par les câbles.²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰⁴⁰

Enfin, les sources d’énergie bas-carbone sont fortement consommatrices d’aciers spéciaux, dont on a vu qu’ils étaient plus énergivores à produire. Ainsi, l’acier à destination des éoliennes en mer doit être résistant à la corrosion, tandis que les structures support de panneaux solaires sont de plus en plus réalisées en acier inoxydable.⁴¹ L’acier doux (acier au silicium, dit « magnétique »), formé par un alliage de ferrosilicium à très faible teneur en carbone, est quant à lui un composant indispensable pour les transformateurs du réseau électrique.⁷ Les centrales nucléaires ont certes une intensité matérielle en acier relativement faible, mais sont intégralement construites avec des aciers spéciaux hautement énergivores. A titre d’exemple, au sein des réacteurs nucléaires, le gainage des barres de combustible contenant l’uranium fissile est assuré par un acier allié au zirconium, tandis que tous les éléments structurels contiennent de l’acier inoxydable austénitique.⁷⁴²

Un réseau bas-carbone ne peut être construit à partir d’acier recyclé

La forte intensité matérielle en acier des sources d’énergie dites « décarbonées » nous confronte à un véritable dilemme, a priori insoluble.⁴³ Pour remplacer les centrales thermiques actuelles par des installations d’énergies renouvelables, nous avons besoin de quantités encore plus importantes d’acier. Du fait du manque de ferraille disponible, cet acier supplémentaire ne peut être produit qu’à partir de minerai de fer dans des hauts-fourneaux, c’est-à-dire en brûlant toujours plus de combustibles fossiles. Dans un contexte de lutte contre le changement climatique, il est nécessaire de déployer rapidement et massivement des sources d’énergie peu carbonées. Or, pour s’inscrire dans un usage circulaire des ressources et créer ces nouvelles installations en utilisant plutôt de la ferraille et de l’électricité d’origine renouvelable, nous serions amenés à faire précisément l’inverse – à savoir ralentir la mise en place d’un réseau électrique bas-carbone.

Image : Fondations en acier pour éoliennes en mer. Image de Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Une étude de référence, publiée en 2013, est arrivée à la conclusion suivante : pour que le solaire et l’éolien soient en mesure de fournir 25 000 TWh d’électricité – soit l’équivalent de la demande électrique mondiale en 2021 – 3 200 Mt d’acier seraient nécessaires à la construction des seuls parcs d’énergies renouvelables.³¹ ⁴⁴ Les projections estiment que la demande mondiale d’électricité atteindra 52 000 à 71 000 terawatt-heures en 2050, ce qui induira une augmentation du besoin en acier de 6 400 à 8 960 Mt au total.⁴⁵ Réparties sur la durée de vie estimée des éoliennes et panneaux solaires (25 ans), cela signifie qu’il nous faudrait produire entre 256 et 358 Mt d’acier supplémentaires chaque année, afin d’assurer la fabrication des éoliennes et des structures pour panneaux solaires – une quantité équivalente à celle utilisée annuellement par l’industrie automobile (196 Mt) et les autres modes de transport (98 Mt) réunis.

Ces estimations demeurent cependant très optimistes. La demande en électricité ne représente qu’environ 20 % de la demande totale en énergie. Pour que cette dernière (177 000 TWh en 2021) soit intégralement fournie par le solaire et l’éolien, 22 400 Mt d’acier seraient nécessaires. Cela représenterait 896 Mt d’acier supplémentaires à produire chaque année – autant que la production mondiale au début des années 2000. On pourrait certes avancer que l’électricité peut être utilisée avec une meilleure efficacité que les énergies fossiles, par exemple pour les voitures et les systèmes de chauffage. Cependant, la demande énergétique globale augmentera dans le même temps : par « effet rebond », les gains d’efficacité seront donc inévitablement absorbés par une consommation accrue d’énergie.

Les solutions high-tech

A l’heure actuelle, l’industrie sidérurgique mise sur des innovations technologiques pour décarboner la production d’acier. Une des options consisterait à remplacer le charbon par du gaz, méthode déjà relativement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. Si la fabrication d’acier à partir de gaz naturel permet certes de réduire les émissions de CO2, celles-ci demeurent largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. C’est pourquoi l’hydrogène, qui remplacerait le coke (obtenu par raffinage du charbon) comme agent réducteur dans un four à cuve de réduction directe, concentre tous les espoirs.⁴⁶ Toutefois, une industrie sidérurgique basée sur l’hydrogène ne permettrait pas d’échapper au paradoxe évoqué plus haut, puisqu’elle impliquerait à son tour une infrastructure requérant, par sa nature même, d’énormes quantités d’acier.

En effet, la production d’hydrogène est très énergivore. Il faut 50-55 kilowatt-heures pour produire 1 kg d’hydrogène, et 60 kg d’hydrogène pour fabriquer une tonne d’acier.⁴⁶ La production d’1 tonne d’acier à partir d’hydrogène consomme par conséquent 3 000 kWh d’électricité, soit dix fois plus que la consommation d’un four à arc électrique produisant la même quantité d’acier à partir de ferraille. De fait, une sidérurgie basée sur l’hydrogène mobiliserait à peu près dix fois plus d’éoliennes et de panneaux solaires que celle utilisant de la ferraille recyclée – donc dix fois plus d’acier. A cela, il faut en outre ajouter l’acier nécessaire à la construction des pipelines et réservoirs de stockage qui font partie intégrante de l’infrastructure associée à la technologie de l’hydrogène.

Image: Ouvrier sidérurgiste (fondeur) dans un haut-fourneau. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020'/ CC-BY-SA 3.0.

Les technologies de capture et stockage du carbone, supposées capter les émissions des aciéries et les stocker sous terre, sont évidemment confrontées aux mêmes problèmes. Cette solution impliquerait le déploiement d’infrastructures en acier d’une part, et d’autre part des besoins supplémentaires en énergie, augmentant ainsi de manière indirecte l’utilisation des énergies fossiles. Revenir aux procédés sidérurgiques préindustriels n’est pas non plus une solution. Un haut-fourneau actuel fonctionne, dans ses grands principes, comme un haut-fourneau ancestral, à la différence près qu’il est beaucoup plus efficace énergétiquement.⁷

Les solutions low-tech

Le tableau brossé ci-dessus ne laisse a priori que peu d’espoir quant à la perspective d’une décarbonation de la production d’acier et d’énergie. Il y a malgré tout une piste de solution low-tech pour y parvenir. Elle consisterait tout simplement à ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité. Ceci permettrait de produire l’intégralité de l’acier à partir de ferraille dans des fours à arc électrique, réduisant ainsi drastiquement la consommation énergétique du secteur sidérurgique et éliminant la quasi-totalité des émissions carbone associées. Bien sûr, l’idée n’est pas de remplacer l’acier par des plastiques, des composites ou de l’aluminium, dont la fabrication est encore plus énergivore. La seule option réellement soutenable serait de réduire l’utilisation globale de matériaux.

On pourrait ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité.

Diminuer la production d’acier et utiliser des qualités d’acier plus ordinaires ne signifierait pas pour autant un retour à l’âge du bronze. Comme mentionné plus haut, le volume disponible de matériaux ferreux en fin de vie représentait environ 450 Mt en 2021, ce qui nous permettrait de produire environ un quart de la production actuelle. Par ailleurs, l’offre en ferraille va continuer à croître dans les 40 prochaines années, ce qui permettrait de produire chaque année de plus en plus d’acier à faibles émissions de CO2. A l’horizon 2050, on estime que la disponibilité annuelle en ferraille pourrait atteindre 900 Mt, soit presque la moitié de la production mondiale d’acier actuelle.⁴⁷ Tout cet acier supplémentaire pourrait alors être utilisé en priorité pour déployer un réseau électrique bas-carbone sans que n’augmentent en contrepartie les émissions de carbone.

S’agissant de réduire l’intensité matérielle en acier du monde moderne, nous disposons d’une grande marge de manœuvre. Tous nos besoins essentiels – et beaucoup d’autres – pourraient être satisfaits en mobilisant des quantités d’acier bien moindres. Il serait par exemple possible de concevoir des voitures plus légères en réduisant leur taille. Ceci amènerait des économies d’énergie sans recours à des aciers alliés de haute qualité dont on a vu qu’ils étaient énergivores. Une partie des voitures individuelles pourraient être remplacées par la combinaison des transports en commun et du vélo, de manière à ce qu’une plus faible quantité d’acier soit partagée par un plus grand nombre de personnes.

De tels changements auraient par ailleurs pour effet de réduire la demande d’acier de la part du secteur routier, des infrastructures énergétiques et de l’industrie manufacturière. Nous aurions besoin de moins de machines-outils, conteneurs maritimes et bâtiments en béton armé. Dès lors que l’on entreprend de réduire l’intensité en acier dans un domaine, les bénéfices se répercutent sur l’ensemble du système. Prévenir la corrosion des éléments en acier et produire de l’acier plus localement, avec les ressources disponibles, permettrait également de réduire la consommation énergétique et les émissions du secteur sidérurgique.¹⁰⁴⁸

La croissance continue de la production d’acier – autrement dit, l’intensité matérielle toujours plus forte de la civilisation industrielle – rend impossible toute tentative de produire de l’acier de manière plus durable. La solution ne pourra venir d’aucune technologie, puisqu’il ne s’agit fondamentalement pas d’un problème d’ordre technique. Au même titre que la foresterie ne peut être soutenable que si la demande en bois ne dépasse pas la quantité de bois que les forêts sont capables de générer, la sidérurgie ne peut être soutenable (ou non) que dans la mesure où l’offre (ferraille) s’équilibre avec la demande (acier). Nous ne quitterons peut-être pas l’âge du fer, mais nous avons en revanche une ébauche de piste pour sortir du cercle vicieux qui lie inextricablement la production d’acier aux énergies fossiles.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. Voir aussi : Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788 - 1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. Et : Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Article à paraître, Kris De Decker, Low-tech Magazine. S’abonner à la newsletter de Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, et Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, et George E. Totten (dir.). Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Les données disponibles sur cette page ont entre temps été actualisées pour l’année 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, et Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
On estime qu’une fois mis en œuvre, entre 25 % et 33 % de l’acier produit chaque année est détruit par la corrosion. Voir : Iannuzzi, M., et G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
Lenzen, Manfred, et Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Voir, par exemple : Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. Cet article avait estimé que la consommation d’acier atteindrait 1 800 Mt aux alentours de 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Précisons qu’environ 5 % de l’acier mondial est produit via un troisième procédé : la réduction directe de minerai de fer à partir de gaz. Ces fours utilisent du gaz naturel en lieu et place du charbon et génèrent par conséquent moins d’émissions de carbone. Celles-ci demeurent toutefois largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. La fabrication d’acier à l’aide de gaz naturel est principalement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Ce constat vaut également pour de nombreux autres matériaux et ressources. Voir : “L’Économie circulaire est-elle vraiment circulaire ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, Novembre 2018. https://qelnixcor.cloud/fr/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, et A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎
Janke, Dieter, et al. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
En Occident, l’usage de l’acier s’est généralisé sur une période historique de 150 ans environ, de manière concomitante et en lien étroit avec les évolutions techniques de l’époque. A contrario, en Chine, cette mutation technologique s’est accomplie en seulement quelques dizaines d’années : navires, voies ferrées, électrification, bâtiments et structures en acier, voitures et avions, internet, énergies renouvelables. On trouve encore des régions du monde où les sociétés humaines ont conservé une très faible intensité matérielle en acier, telles que l’Inde et l’Afrique. La production (et la consommation) d’acier conservent donc un potentiel de croissance considérable. Source: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, et Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
“Un réseau électrique alimenté à 100 % par les énergies renouvelables serait-il réellement durable ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/fr/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
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Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, et Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, et Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Ce chiffre s’avère cohérent avec les analyses de Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. Les données sont disponibles dans en annexe : https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Dans le cas des éoliennes en mer, la durée de vie des fondations est estimée à 100 ans, elles pourront donc en principe servir au remplacement des éoliennes par de futurs modèles de même taille et masse. En revanche, l’hypothèse que ces fondations en acier finiront par être recyclée n’a rien d’une évidence. Premièrement, le recyclage du métal ne contribue au recouvrement des coûts de démantèlement qu’à hauteur de 10 %, ce qui signifie qu’il n’est pas une option économiquement - ni peut-être même énergétiquement - intéressante. Deuxièmement, il arrive dans certains cas qu’une biodiversité marine se soit développée autour des fondations. Les quatre parcs éoliens en mer démantelés en 2019 ont eu une durée de vie respective de 15, 18, 20 et 26 ans. Source : Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
Voir: https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
Voir: https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., et Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
En anglais, l’expression « catch-22 » désigne une situation de paradoxe logique où la résolution d’un problème semble impossible du fait de prémisses contradictoires [N.d.T.]. ↩︎
Une partie de cette capacité de production d’énergies renouvelables est déjà construite. Les chercheurs de cette étude se basent sur la production solaire et éolienne de l’année 2013, soit 400 TWh, or ces deux énergies ont produit un cumul de 2 894 TWh en 2021. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎
Un autre argument en faveur d’une réduction de l’intensité matérielle en acier de notre société est que cela limiterait le risque de conflits géopolitiques. Plus nous produisons de l’acier pour des applications civiles « pacifiques », plus la quantité d’acier disponible pour mener guerres et destructions augmente. On s’étonnera d’ailleurs que la fabrication d’armes et d’équipements militaires ne figure pas dans les statistiques récentes sur la production d’acier, ou qu’elle n’en représente, le cas échéant, qu’une part très faible. Quoi qu’il en soit, en temps de guerres, les aciéries sont systématiquement réquisitionnées pour la production d’acier à des fins militaires. L’industrie sidérurgique peut donc à tout moment être convertie en industrie d’armement. Or, la capacité mondiale de production d’acier est à ce jour plus grande qu’elle ne l’a jamais été dans l’histoire. ↩︎

Énergie solaire directe : hors réseau, sans batteries

Wed, 24 Jan 2024 00:00:00 +0000

Image : un ordinateur portable alimenté par énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Les installations solaires classiques ne remettent pas en cause notre dépendance aux énergies fossiles et le mode de vie énergivore qu’elles génèrent. Peu importe le temps qu’il fait, les panneaux solaires sur nos toits ou dans d’immenses centrales nous fournissent toute l’énergie qu’il nous faut, dans la mesure où ces systèmes utilisent le réseau électrique général. Alimenté en grande partie par des énergies fossiles, il agit comme une batterie et nous évite les coupures de courant.

Bien que les panneaux solaires, reliés au réseau général, permettent une réduction de la consommation en énergie fossile des centrales thermiques, les économies ainsi réalisées sont partiellement contrebalancées par la même énergie fossile nécessaire à la construction et à l’entretien de ce qui est en réalité une infrastructure à double énergie. La combinaison de la production éolienne et solaire permettrait d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le réseau, mais il faudrait adapter davantage les infrastructures, ce qui demanderait beaucoup d’énergie, de temps et d’argent.

La même problématique se pose lorsqu’il s’agit de remplacer les centrales à énergies fossiles par des solutions de stockage, dans le but d’emmagasiner le surplus d’énergie produit au cours des journées à fort ensoleillement, afin de le restituer lorsqu’il y en a moins. Les systèmes de stockage d’énergie, reliés au réseau général ou aux ménages de particuliers (systèmes hors réseau), sont en effet très coûteux financièrement. De plus, leur construction et leur entretien génèrent une quantité considérable d’émissions de carbone.

Installations solaires autonomes

La production de panneaux solaires entraîne bien sûr un coût financier et énergétique. Cependant, ce coût est moindre face à celui associé aux équipements complémentaires. Dans le cas d’installations reliées au réseau, il est difficile d’estimer précisément ces dépenses, mais en ce qui concerne les installations autonomes (non reliées au réseau et disposant de leurs propres systèmes de stockage), la tâche est plus facile. Prenons donc comme exemple le petit dispositif solaire autonome alimentant mon salon à Barcelone.

Ce système se compose de deux panneaux solaires de 50 W installés sur le balcon, d’une batterie au plomb de 100 Ah et d’un régulateur de charge de 10 A. L’énergie produite est notamment utilisée pour l’éclairage et le système audio ainsi que pour charger des appareils électroniques comme des ordinateurs portables. L’investissement financier initial a été de 340 euros : 120 euros pour les panneaux solaires, 170 euros pour la batterie et 50 euros pour le régulateur de charge.

Cependant, même si les panneaux solaires devraient tenir 30 ans et le régulateur 10 ans, je dois quand même changer la batterie au plomb tous les 3 à 5 ans. ¹ Sur 30 ans, les coûts s’élèvent à 120 euros pour les panneaux, 150 euros pour les régulateurs et dans le meilleur des cas 1 020 euros pour les batteries. Les batteries (et les régulateurs de charge associés) représentent donc 90 % des coûts du cycle de vie.

Le système de stockage représente aussi la majorité de l’énergie « intégrée » au système (et les émissions carbone associées). Il faut 1 200 mégajoules (MJ) d’énergie pour produire une batterie au plomb. ² Sur 30 ans d’utilisation (au mieux, six batteries), cela équivaut à 7 200 MJ. Les trois régulateurs de charge ajoutent 360 MJ supplémentaires et le bilan énergétique du système de stockage sur 30 ans s’élève alors à 7 560 MJ. ³ Néanmoins, la production des panneaux solaires ne coûte que 2 275 MJ sur un total de 9 835 MJ. ⁴ Conclusion : plus de 75 % de la consommation totale d’énergie fossile est due au stockage de l’énergie.

Image : à droite, sur le balcon, les deux panneaux solaires 50 W qui alimentent mon salon. À côté, le panneau de 30 W permettant à ce site de fonctionner. Photo : Marie Verdeil.

Image: La structure pour les panneaux solaires, faite à partir de bois de récupération. Photo : Kris De Decker.

Image : La batterie au plomb 100 Ah alimentant le salon la nuit tombée. Photo : Kris De Decker.

L’utilisation d’un autre type de batterie ne modifierait pas significativement cette conclusion. Dans un système hors réseau similaire utilisant des batteries lithium-ion, le stockage d’énergie représenterait 95 % des coûts du cycle de vie (presque le double d’un système fonctionnant avec des batteries au plomb). Même en étant optimiste sur les durées de vie (10 ans) et en tenant compte des régulateurs de charge, les batteries au lithium sont responsables de 70 % de l’énergie engagée dans un réseau solaire. ⁵ ⁶ Pour les batteries nickel-fer, le stockage représenterait 85 % des coûts du cycle de vie (il n’y a pas de données sur le coût énergétique). ⁷

L’échelle et le lieu de l’installation n’ont également aucune incidence. Un système plus extensif nécessiterait plus de panneaux solaires, mais aussi des batteries plus grosses et des régulateurs de charge plus puissants et plus coûteux. Les pourcentages restent les mêmes. ⁸ La structure sur laquelle les panneaux solaires sont montés est le seul facteur pouvant légèrement augmenter leur part dans le coût total. Nous ne prendrons pas en compte ces structures puisque je les ai construites moi-même à partir de bois de récupération. Néanmoins, installer soi-même les panneaux solaires sur un toit est plus compliqué. Même dans ce cas-là, le coût lié au stockage d’énergie reste de loin le facteur le plus important.

L’énergie solaire directe : beaucoup plus économique et durable

Contrairement aux combustibles fossiles, le vent et le soleil ne sont pas disponibles à la demande. C’est là tout le problème dans notre approche des énergies renouvelables : nous insistons pour que l’énergie soit toujours disponible à volonté, qu’importe la météo, la saison ou l’heure. Adapter l’offre d’énergie à la demande, comme par le passé, entraînerait des réductions énormes dans les coûts et l’utilisation des combustibles fossiles.

Par exemple, si je n’avais pas installé de batterie dans mon installation solaire, mon système aurait été environ 10 fois moins cher : 120 euros au lieu de 1 290 euros sur un cycle de vie de 30 ans. Sinon, j’aurais pu dépenser ces 1 290 euros en panneaux solaires et atteindre les 1 075 W avec mon système solaire. Cela représente dix fois la capacité de l’installation avec les batteries, mais ça ne tiendrait pas sur le balcon.

Sans batterie et régulateur de charge, le coût énergétique de l’installation chute de 9 835 MJ à 2 275 MJ. En d’autres termes, je pourrais générer au moins quatre fois plus d’énergie solaire pour le même investissement en combustibles fossiles.

Comment utiliser concrètement l’énergie solaire directe ?

Tout cela est bien beau, mais le soleil n’est pas toujours au rendez-vous et la quantité d’énergie solaire varie selon l’heure et la saison. Par conséquent, la question se pose : comment utiliser concrètement des panneaux solaires sans batteries (ou sans équipements complémentaires dans le cas d’installations reliées au réseau) ?

Pour y répondre, regardons l’exemple d’un pionnier de l’énergie solaire directe : la Living Energy Farm. Cette communauté de sensibilisation environnementale, située dans l’état de Virginie aux États-Unis, est complètement « hors réseau » grâce à l’énergie solaire. Cependant, seulement 10 % de cette énergie est stockée dans une batterie (Nickel-fer), alors que les panneaux solaires alimentent plusieurs maisons, une cuisine commune, un atelier de métallurgie et une ferme. ⁹ ¹⁰

Image : système d’énergie solaire directe à la Living Energy Farm.

L’installation solaire est en activité depuis 2011 et se compose de systèmes distincts réunissant une puissance-crête totale de 1 400 watts. ¹¹ À titre comparatif, la puissance-crête moyenne d’une installation solaire privée au Royaume-Uni et aux États-Unis (pour un ménage) est respectivement de 4 000 watts et de 6 500 watts. Comme dans mon appartement, l’énergie est utilisée avec modération à la Living Energy Farm. Cependant, il y a d’autres raisons pour lesquelles la communauté se passe de batteries.

Certains appareils ne sont utilisés que de jour

Une première raison est évidente : certains appareils électriques ou certaines machines ne sont utilisés que de jour. C’est notamment le cas de toutes les machines de l’atelier de métallurgie, y compris : une scie à ruban, un compresseur, une meuleuse, une scie circulaire, un tour, une fraiseuse et une perceuse. C’est aussi le cas pour les machines agricoles comme le moulin à grains et la pompe pour puits profond. Directement reliées aux panneaux solaires, ces machines ont les mêmes capacités que les technologies modernes du réseau général, si ce n’est le fait de ne pas pouvoir être utilisées la nuit. ¹⁰

À une toute autre échelle, l’énergie solaire directe m’a permis d’alimenter : un fer à repasser, un pistolet à colle et une pompe d’arrosage (pour mon balcon). Ajoutons aussi à la liste d’exemples d’appareils et de machines pouvant n’être utilisés que le jour : les aspirateurs, les machines à coudre, les lave-linges, les consoles de jeux, les découpeuses laser et les imprimantes 3D. Il n’est pas si difficile d’envisager une société moderne dans laquelle passer l’aspirateur ou bricoler n’est possible que pendant la journée. Ce n’est certainement pas un retour au Moyen-Âge.

Image : Plusieurs outils à la Living Energy Farm, la plupart fonctionnant à l’énergie solaire directe. Image : Alexis Zeigler.

Image : Tour à métaux fonctionnant à l’énergie solaire directe, Living Energy Farm. Image : Alexis Zeigler.

Image : Soudure à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

D’un autre côté, les appareils électriques n’ont pas tous besoin d’être constamment surveillés. Les lave-linges et les lave-vaisselles pouvant être programmés pour démarrer automatiquement au lever du soleil sont souvent cités comme exemples d’application d’un réseau électrique « intelligent ». Cependant, cette approche s’appuie sur une infrastructure considérable de transmission électrique, de réseaux de communication et d’appareils électroniques.

En revanche, avec une approche solaire directe et décentralisée, cette « intelligence » est fournie par le soleil et la rotation de la planète. Un lave-linge ou un lave-vaisselle alimenté par énergie solaire directe peut être complètement chargé et allumé le soir. La machine se recharge ensuite « automatiquement » le matin. On peut même utiliser des minuteurs (électroniques ou mécaniques) pour programmer l’activation des équipements l’un après l’autre.

Il reste à déterminer si les nuages constituent un obstacle supplémentaire pour une installation solaire directe. La solution repose sur la taille des panneaux solaires. Doubler la surface des panneaux solaires garantit suffisamment de puissance par temps partiellement couvert. De plus, les coûts économiques et écologiques demeurent bien plus faibles que pour une installation avec des batteries ou autres équipements complémentaires.

L’augmentation supplémentaire de la surface des panneaux solaires permettrait de produire suffisamment d’énergie, même en cas de forte couverture nuageuse. Cependant, au-delà de dix fois la surface originelle, les coûts sont équivalents à ceux d’un système autonome classique avec batteries. En quadruplant leur surface, le système redevient dépendant des combustibles fossiles.

Beaucoup d’appareils possèdent leur propre batterie

Avec l’énergie solaire directe, l’utilisation d’appareils électroniques la nuit tombée reste possible. Comme indiqué précédemment, la Living Energy Farm utilise peu de batteries qui servent, entre autres, à alimenter les luminaires, les ventilateurs ou les appareils électroniques la nuit. ¹⁰ Par ailleurs, beaucoup d’appareils modernes sont dotés de leur propre système de stockage. C’est notamment le cas de la grande majorité des véhicules électriques, de la plupart des gadgets électroniques et d’anciens appareils fonctionnant avec des piles AA.

Par conséquent, ce type d’appareil peut être rechargé par énergie solaire directe durant le jour, ce qui permet leur utilisation plusieurs heures après le coucher du soleil grâce aux batteries intégrées. Associé à une banque d’énergie au lithium-ion, un panneau à énergie solaire directe permet également de recharger des appareils USB la nuit. Ce dispositif peut même fonctionner pour l’éclairage, puisque de nombreux luminaires possèdent des batteries et peuvent être utilisés comme des sortes de torches accrochées à différents endroits des pièces et des bâtiments.

Image : Un téléphone portable se rechargeant à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Bien entendu, externaliser le stockage d’énergie chimique dans les appareils n’est pas la solution la plus durable. La production de batteries lithium-ion nécessite des combustibles fossiles et (contrairement aux batteries au plomb) elles ne sont pas recyclables. La meilleure solution reste évidemment de limiter l’utilisation des appareils électroniques. Néanmoins, les charger à l’énergie solaire directe est bien plus durable et efficace que d’utiliser d’autres batteries ou un réseau électrique alimenté par des combustibles fossiles. S’il faut utiliser ces appareils technologiques, utilisons-les de la manière la plus intelligente possible.

Stockage d’énergie non électrique

La troisième raison pour laquelle l’énergie solaire directe est bien plus pratique qu’il n’y paraît est que certains appareils peuvent être utilisés une fois le soleil couché grâce à l’énergie thermique. Cette option est bien plus économique et durable que le stockage d’énergie électrique. Le stockage d’énergie thermique est une solution assez répandue pour les systèmes de chauffage des locaux et la production d’eau chaude. L’eau est chauffée par le soleil et est ensuite stockée soit dans une chaudière, soit dans l’enveloppe du bâtiment (pour le chauffage des locaux uniquement). Ce n’est pas surprenant que la Living Energy Farm soit dotée de tels systèmes. C’est aussi l’énergie solaire thermique qui chauffe l’eau de mon appartement.

De plus, cette même approche fonctionne aussi pour deux appareils ménagers essentiels qu’il est nécessaire de faire fonctionner après le coucher du soleil, mais qui sont aussi énergivores : le réfrigérateur et la cuisinière. Plutôt que de stocker l’énergie d’un panneau solaire dans une batterie pour ensuite alimenter un réfrigérateur ou une cuisinière, la Living Energy Farm utilise l’isolation thermique. Cela permet de conserver la chaleur à l’intérieur (dans le cas de la cuisinière) ou à l’extérieur (dans le cas du réfrigérateur) en l’absence d’alimentation électrique. L’isolation thermique est également une solution très efficace énergétiquement, ce qui signifie que ces appareils peuvent fonctionner sur des panneaux solaires de quelques 100 ou 200 watts.

Un réfrigérateur alimenté par énergie solaire directe

Il est tout à fait possible de relier un réfrigérateur classique ou un congélateur directement à un panneau solaire. Néanmoins, une telle installation chaufferait très vite la nuit. Même les réfrigérateurs étiquetés comme étant les plus efficaces énergétiquement présentent une épaisseur d’isolation relativement limitée (généralement 2,5 cm). Cependant, si cette épaisseur d’isolation est portée à 12,5 cm, la consommation d’énergie d’un réfrigérateur est divisée par quatre.¹² ¹³ Sa capacité de refroidissement passif peut être amplifiée en ajoutant une masse thermique sous la forme d’un réservoir d’eau à l’intérieur de l’appareil. Pendant la journée, le panneau solaire refroidit l’eau ou la change en glace. La nuit, cette eau (ou glace) ralentit le réchauffement de l’appareil. ¹⁴

Aussi, un réfrigérateur à énergie solaire directe s’ouvre par le haut et non par l’avant. L’air froid est lourd, et par conséquent beaucoup moins d’énergie est perdue lorsque quelqu’un ouvre la porte. Tous ces choix de conception cumulés permettent une économie d’énergie considérable. Une étude sur les réfrigérateurs à énergie solaire directe dans des régions très ensoleillées (Texas et Nouveau-Mexique, États-Unis) a démontré qu’ils pouvaient garder leur capacité de refroidissement même après 6 à 7 jours sans alimentation électrique. Les équipements fonctionnent à l’année avec des panneaux solaires de 80 W à 120 W seulement. ¹⁵ la Living Energy Farm alimente son réfrigérateur solaire à l’aide d’un panneau de 200 W. ¹⁰

Image : Le Sundanzer DDR165. un réfrigérateur conçu spécialement pour l’énergie solaire directe. Photo : Sundanzer.

Contrairement au chauffage solaire, le refroidissement solaire est parfaitement adapté aux variations saisonnières du rayonnement solaire. Refroidir est plus énergivore en été, la période où le rayonnement solaire est au plus haut. Le réfrigérateur installé au Nouveau-Mexique, mentionné précédemment, a enregistré une consommation de 406 wattheures par jour en été, contre 230 en hiver. ¹⁶ De plus, cette technologie peut être utilisée tout le long de la chaîne du froid pour laquelle le réfrigérateur, bien qu’il demeure essentiel, ne représente qu’un maillon. La climatisation est une autre application de l’énergie solaire directe, bien qu’elle soit peu documentée et difficile à mettre en place. ¹⁷

Une cuisinière à énergie solaire directe

En principe, une cuisinière standard peut être reliée directement à un panneau solaire, mais comme pour un réfrigérateur standard, ce n’est pas très pratique. On ne peut cuisiner que le jour et cela implique d’installer un grand nombre de panneaux solaires. Une seule plaque chauffante nécessite une puissance électrique de 1 000 watts. Pour résoudre ce problème, les plaques des cuisinières solaires électriques sont enveloppées d’un isolant thermique. En principe, cette technologie est la combinaison d’une cuisinière électrique et d’une marmite norvégienne.

Image : Test d’une cuisinière solaire électrique. Photo : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Grâce à l’isolation thermique, une cuisinière solaire électrique emmagasine progressivement la chaleur pendant le jour pour pouvoir ensuite cuisiner une fois la nuit tombée. Ainsi, il est possible d’atteindre de hautes températures à moindre coût énergétique. Cela revient à « charger » la cuisinière, non pas avec de l’électricité, mais avec de la chaleur.

Des chercheurs de l’université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly) ont construit la première cuisinière solaire électrique en 2015. Leur appareil de 12 volts, qui a évolué depuis, n’a besoin que d’un panneau solaire de 100 W pour fonctionner. Il fait bouillir un litre d’eau en une heure. Sur une journée ensoleillée, il peut cuire presque 5 kg de haricots, de riz, de ragoût ou de pommes de terre.¹⁸

En utilisant une marmite avec un fond beaucoup plus épais (5-10 kg), il devient possible de cuisiner après la tombée de la nuit. L’équipe de recherche de Cal Poly a notamment réussi à atteindre une température de 250 °C à l’intérieur du dispositif de stockage par chaleur sensible, après cinq heures de charge par un panneau solaire de 100 W. En trois secondes, ils ont ainsi fait bouillir un litre d’eau après le coucher du soleil. Au cours d’un autre test, ils ont réussi à cuire 1 kg de légumes en deux minutes. La configuration idéale est de disposer de deux marmites, une avec stockage de chaleur et l’autre sans. On peut alors utiliser une cuisinière solaire électrique pour des cuissons lentes ou rapides, selon le moment de la journée et le plat à préparer. ¹⁹

Image : Principe de la cuisinière électrique avec stockage par chaleur sensible. Dessin : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Thermique ou électrique ?

Comme pour le chauffage des locaux et la production d’eau chaude, les cuisinières et les systèmes de refroidissement solaires peuvent fonctionner avec ou sans électricité, soit à l’aide de panneaux photovoltaïques, soit à l’aide de capteurs solaires thermiques. Mais, les cuisinières et systèmes de refroidissement solaires sont plus économiques et plus efficaces énergétiquement quand ils fonctionnent à l’aide d’électricité, ce qui n’est pas le cas pour le chauffage solaire.

Le chauffage des locaux et de l’eau peut s’obtenir avec de faibles écarts de températures. Ils peuvent être fournis par des capteurs thermiques solaires bon marché composés de plaques de verre et de conduites d’eau. En revanche, les systèmes de refroidissement solaires et les cuisinières solaires nécessitent des écarts de température plus importants, qui requièrent des capteurs solaires thermiques plus sophistiqués (à tubes sous vide ou paraboliques), plus chers que les panneaux photovoltaïques. ²⁰ ²¹

La seule exception est la cuisinière solaire classique, composée d’une boîte isolée avec un couvercle en verre, qui ne peut pas atteindre des températures aussi hautes. Les cuisinières électriques solaires présentent encore d’autres avantages. Avec un appareil non électrique, il faut cuisiner à l’extérieur, ce qui est moins pratique et moins efficace, surtout en hiver ; les pertes d’énergie sont plus grandes pour une cuisinière solaire thermique. Les cuisinières solaires électriques sont aussi plus rentables énergétiquement puisqu’elles sont isolées de tous les côtés. Elles sont aussi plus performantes par temps couvert et après le coucher du soleil. À la Living Energy Farm, la cuisinière solaire parabolique n’est utilisée que lorsque les conditions sont optimales : quand le soleil brille fort et qu’il fait chaud.

Quels défis techniques ?

Même si la Living Energy Farm met en œuvre toutes ces applications de l’énergie solaire directe, quelques défis techniques subsistent pour ceux qui voudraient faire de même. Presque toutes nos technologies modernes sont conçues pour être utilisées avec une alimentation énergétique stable et continue. Il pourrait en être autrement, mais l’énergie solaire directe nécessite généralement un peu de bricolage. Construire un système solaire direct est bien plus facile que de construire un système autonome avec batteries, mais cela implique souvent des ajustements au niveau des dispositifs.

Certains appareils peuvent être reliés directement à un panneau solaire : il suffit de connecter les bornes positives et négatives du panneau et de l’appareil. Par exemple, les machines à moteurs CC tolèrent d’importantes fluctuations d’alimentation électrique. L’atelier de métallurgie et les machines agricoles de la Living Energy Farm fonctionnent ainsi. Si les nuages bloquent le soleil, la charge électrique combinée peut surpasser la puissance fournie par les panneaux solaires, mais cela n’arrête pas les machines. Tous les moteurs ralentiront puisqu’ils se partageront l’énergie disponible, mais ils continueront néanmoins à fonctionner. ¹⁰ ²²

Les appareils utilisant des éléments à résistance chauffante sont également concernés, par exemple les chaudières, les plaques de cuisson ou les systèmes de chauffage électrique. Ils fonctionnent quelque soit la puissance ou la tension, seule leur vitesse varie. Un réfrigérateur à alimentation solaire directe fonctionne idéalement avec un compresseur à courant continu variable, lequel peut ajuster sa vitesse en fonction des variations de la production d’énergie solaire. ¹⁰ ²³

De nombreux autres appareils requièrent une tension d’entrée précise et stable, ne correspondant généralement pas à celle produite par un panneau solaire. Néanmoins, il est possible de remédier à cet inconvénient en installant un convertisseur DC-DC (convertisseur « buck » ou « boost ») entre le panneau solaire et l’appareil. Il s’agit d’un petit module électronique qui transforme la tension fluctuante du panneau solaire en une tension de sortie constante adaptée à un appareil basse tension (5 V, 12 V ou plus). ²⁴

Image : expériences avec l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Si vous ajoutez un onduleur, les appareils fonctionnant sur secteur pourront aussi être alimentés directement par un panneau solaire. ²⁵ Les convertisseurs DC-DC sont donc nécessaires pour tous les appareils qui contiennent des composants électroniques. C’est le cas de nombreux appareils aujourd’hui, notamment ceux qui fonctionnaient jusqu’à récemment sans électronique, comme les lave-linges ou les machines à café. En règle générale, il existe deux façons d’alimenter ces appareils avec de l’énergie solaire directe. Vous pouvez soit installer un convertisseur DC-DC, soit modifier l’appareil en contournant l’électronique.

Manuels de bricolage et appareils commerciaux

La plupart des installations solaires directes opèrent à basse tension, il est donc possible de faire l’installation soi-même en toute sécurité. Low-tech Magazine publiera bientôt un manuel à ce sujet. Toutefois, la Living Energy Farm opte pour le courant continu à tension plus élevée dans plusieurs de ses installations, comme par exemple les machines-outils de l’atelier de métallurgie (90 V) et un certain nombre de fours solaires électriques de grande puissance (48 V, 180 V). Il est peu recommandé de construire ces systèmes soi-même sans l’aide d’un électricien qualifié : ces tensions électriques peuvent entraîner des accidents mortels.

Si vous souhaitez construire vos propres fours solaires électriques (à basse tension), vous trouverez des manuels complets auprès de la Living Energy Farm ou de la Cal Poly. ²⁶ Les appareils peuvent être fabriqués à partir de matériaux simples. Les matériaux d’isolation doivent être ignifuges (par exemple, la laine de roche, la fibre de verre, la laine naturelle ou l’argile).

Différentes technologies peuvent être utilisées pour les éléments chauffants, mais la solution la plus simple consiste à incorporer des fils de nichrome dans le ciment. Ces fils peuvent être récupérés sur divers appareils tels que les grille-pains, les fours ou les plaques de cuisson. En principe, les fils chauffants peuvent être fixés directement à la marmite, cependant il est plus judicieux de confectionner un « nid » chauffé dans lequel la marmite peut être placée.

Image : inspirée par les travaux de la Cal Poly, la Living Energy Farm a aussi développé un certain nombre de fours solaires électriques, dont l’un [est commercialisé sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Le four Roxy s’utilise comme plaque chauffante ou comme four, par exemple pour la cuisson du pain. La porte reste fermée même lorsqu’il est utilisé comme plaque chauffante. Ce four solaire ne stocke pas l’énergie.

Image : le four Roxy sans porte avec l’isolation en laine de verre visible. L’appareil, fabriqué dans l’atelier de métallurgie à l’aide de l’énergie solaire directe, fonctionne à 48 V et nécessite un panneau solaire de 200 à 500 watts. La Living Energy Farm commercialise également le réfrigérateur solaire Sunstar [sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

L’énergie solaire directe est-elle source de gaspillage ?

La durabilité d’une installation solaire dépend non seulement de la quantité d’énergie nécessaire à la production et à l’entretien de l’infrastructure, mais également de l’énergie générée par les panneaux solaires au cours de leur durée de vie. Selon certains, les installations solaires directes sont beaucoup moins performantes que les installations conventionnelles raccordées au réseau ou alimentées par des batteries.

En effet, on n’utilise pas quotidiennement son aspirateur, son lave-linge ou sa perceuse, et si aucun appareil électrique n’est branché, un panneau solaire ne produira pas non plus d’électricité. Par conséquent, la quantité d’électricité produite par le panneau diminuera au cours de sa vie, alors que l’énergie nécessaire à la fabrication du panneau restera la même. Ainsi, l’énergie produite par un panneau solaire direct est beaucoup plus polluante en termes d’émissions de carbone.

En revanche, comme le stockage de l’énergie dans des batteries (ou l’alternative connectée au réseau) représente une proportion importante de l’énergie totale investie, un panneau solaire autonome peut dilapider une plus grande quantité d’énergie avant de devenir moins durable que son équivalent avec un stockage dans des batteries ou une connexion au réseau.

De plus, la consommation directe d’énergie solaire empêche les pertes de charge et de décharge causées par les batteries, ou encore les pertes d’énergie au niveau de la structure de transmission pour les systèmes raccordés au réseau. Les deux doivent être compensés par l’installation de panneaux solaires supplémentaires. Parallèlement, les panneaux solaires reliés à des batteries ou au réseau électrique gaspillent également de l’énergie, conséquence de la grande différence de production d’énergie entre l’été et l’hiver.

Maximiser l’énergie solaire directe grâce aux services collectifs

Néanmoins, il est important de maximiser la production d’énergie d’un panneau solaire direct. À ce propos, il convient de revenir un instant sur l’exemple initial du système installé sur mon balcon. L’énergie solaire directe constitue un complément intéressant à ce système, en particulier pour le réfrigérateur et le four. Ces appareils m’ont amené à conclure en 2016 qu’il était impossible de déconnecter complètement mon appartement du réseau.

Cependant, la Living Energy Farm démontre qu’il est bel et bien possible de le faire : il y a en effet de la place pour installer 200 watts supplémentaires de panneaux solaires (4 x 50 W) sur le balcon, soit une puissance suffisante pour alimenter un réfrigérateur et une plaque de cuisson isolés thermiquement. Il ne serait donc pas nécessaire d’augmenter la capacité de la batterie.

En revanche, l’énergie solaire directe n’est pas très utile pour la plupart de mes autres appareils. L’installation d’un panneau solaire supplémentaire pour la machine à laver ou la perceuse électrique n’est pas très utile, étant donné qu’elles ne sont pas utilisées quotidiennement. Ainsi, il semble plus intéressant de mettre en place un réseau électrique « intelligent », afin que plusieurs ménages puissent utiliser la même énergie solaire, en sachant qu’il y a toujours une personne qui a besoin de laver du linge ou de percer un trou.

L’installation d’un tel réseau requiert toutefois une infrastructure importante, et ce malgré l’utilisation de l’énergie solaire directe à une telle échelle. Elle ne nécessiterait pas obligatoirement de batteries ou de combustibles fossiles en guise de secours, mais plutôt la mise en place d’un réseau de transmission et de communication.

Image : un tourne-disque fonctionnant directement à l’énergie solaire. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm offre une solution alternative : l’organisation communautaire des tâches ménagères et du travail. Au lieu de disposer d’un réseau électrique communal répartissant l’énergie entre de nombreux foyers individuels, il est possible de mettre en place des services collectifs à production d’énergie décentralisée.

Grâce à l’atelier communautaire de la Living Energy Farm, l’énergie solaire directe est utilisée de manière beaucoup plus efficace qu’au sein d’un atelier individuel dont l’utilisation n’est qu’occasionnelle. Par exemple, une laverie collective utilisée dans chaque rue permettrait d’utiliser l’énergie solaire directe plus efficacement. De plus, cette solution fait économiser beaucoup d’énergie aux appareils de construction et permet de gagner en espace.

L’énergie éolienne directe ?

Cette stratégie prend tout son sens si l’on opte non pas pour l’énergie solaire directe, mais pour l’énergie éolienne directe, ou pour une combinaison des deux. La Living Energy Farm est située dans une région ensoleillée, mais la même approche conviendrait également aux régions venteuses.

Il existe toutefois une différence significative entre l’énergie solaire et l’énergie éolienne. Le rendement d’un panneau solaire ne dépend pas de sa taille. L’énergie solaire est donc idéale pour la production d’énergie décentralisée. En revanche, le rendement d’une éolienne augmente plus que proportionnellement à la hausse du diamètre du rotor. Par conséquent, il est plus intéressant de posséder une seule grande éolienne pour une communauté de ménages, par exemple pour alimenter une laverie ou un atelier collectif, qu’une éolienne par ménage.

La durée de vie d’une batterie plomb-acide dépend de nombreux facteurs. Elle peut être inférieure à trois ans si la décharge est trop importante ou si la batterie n’est pas entièrement rechargée régulièrement. En revanche, une batterie au plomb peu ou pas utilisée peut durer bien plus de cinq ans. Pourtant, la documentation académique mentionne une durée de vie de trois à cinq ans, qui correspond à l’expérience que j’ai eue avec celles que j’utilise depuis 2016. Voir par exemple « Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage» , A. Celik, dans « Progress in Photovoltaics : Research and Applications », 2008. & « Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects », E.A. Alsema, dans « Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion », juillet 1998. ↩︎
La fabrication d’une batterie au plomb ( à partir de matériaux majoritairement recyclés) utilise environ 1 MJ d’énergie par wattheure de capacité de stockage. Ma batterie de 100 ampères-heure possède une capacité de stockage équivalente à 1 200 wattheures, soit une énergie intégrée de 1 200 MJ. Sur une durée de vie de 30 ans, il me faudra au mieux six de ces batteries, soit 7 200 MJ au total. Source : « Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements) » et « Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies) » (PDF). Energy conversion and management 46, 2005 (2015) : ↩︎
Peu de travaux de recherche ont été réalisés sur l’énergie intégrée des contrôleurs de charge. Les informations les plus pertinentes dont je dispose font état d’une valeur de 1 MJ par watt de puissance maximale : Kim, Bunthern, et al. « Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries. ». Journal of cleaner production 208 (2019) : 1459-1468. Pour une capacité de 120 W (mon régulateur de charge possède une capacité maximale de 10 A x 12 V = 120 W), cela revient à 120 MJ. Quant à la durée de vie, j’ai trouvé des estimations de 7 et 12,5 ans : même référence que ci-dessus, ainsi que : Kim, Bunthern, et al. « Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment ». IECON 2016 - 42^e conférence annuelle de la IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. J’ai donc effectué le calcul fondé sur une durée de vie estimée à 10 ans. ↩︎
Nawaz, I., et G. N. Tiwari. « Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level ». Energy Policy 34.17 (2006) : p. 3144-3152. Selon cette source fréquemment citée, il faut 3500 MJ pour produire 1 m² de panneau solaire. Mes deux panneaux solaires combinés mesurent 0,65 m², pour un coût énergétique total de 2275 MJ. Une revue littéraire plus récente évalue le coût énergétique de la production de différents types de panneaux solaires entre 1034 et 5150 MJ/m². Les dernières études sur les panneaux solaires en silicium, présentées dans cet article, estiment leur coût à environ 1000 MJ/m², un chiffre bien plus bas que celui que je mentionne. Voir : Ludin, Norasikin Ahmad, et al. « Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review ». Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018) : p. 11-28. ↩︎
Les batteries en lithium-ion sont bien plus onéreuses que celles au plomb-acide, mais elles possèdent une plus grande capacité de déchargement (jusqu’à 15 % de leur capacité totale) et une plus longue durée de vie (entre 7 et 10 ans). Par conséquent, la taille et la quantité des batteries nécessaires sont réduites. En prenant en compte ces facteurs, le coût à vie d’une batterie en lithium est de 750 € contre 1020 € pour une au plomb. En contrepartie, les batteries en lithium-ion ont besoin d’un contrôleur de charge plus sophistiqué et onéreux. Selon sa qualité, un chargeur de 10 A coûte entre 200 et 600 €. En supposant qu’un contrôleur de charge coûte 400 € et dure 10 ans tout comme la batterie, le stockage de la batterie représente 95 % du coût à vie (2070 € au total, bien plus que le coût total d’une installation avec des batteries au plomb-acide). Sources : https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Bien que la production des batteries en lithium-ion consomme plus d’énergie que celle des batteries au plomb-acide (entre 1,4 et 1,9 MJ/Wh contre 1 MJ/Wh), elle est contrebalancée par une durée de vie plus longue et une plus grande capacité de charge. Sur une durée de vie de 30 ans, le coût énergétique des batteries en lithium-ion est d’environ 3000 MJ, bien inférieur à celui des batteries au plomb-acide. En revanche, son contrôleur de charge contient davantage de pièces électroniques complexes. Malheureusement, aucune donnée n’est disponible sur le coût énergétique d’un tel contrôleur de charge. Il n’existe donc pas d’autre solution que d’estimer le coût énergétique par rapport au coût financier, qui s’avère être quatre à douze fois plus élevé qu’un contrôleur de charge pour une batterie au plomb-acide. En supposant que le coût soit quatre fois supérieur, l’énergie grise du contrôleur de charge monte jusqu’à 480 MJ, ou 1440 MJ sur une période de 30 ans. Le coût énergétique total pour ce système est de 6685 MJ, dont 70 % sont consacrés au stockage de la batterie, une valeur inférieure à celle des batteries au plomb-acide. ↩︎
Les batteries en nickel-fer, plus lourdes et imposantes que celles au plomb-acide, nécessitent une maintenance régulière, mais peuvent se décharger entièrement et ont une très longue durée de vie (20 ans). De plus, elles sont compatibles avec les contrôleurs de charge des batteries au plomb-acide. Sur une période de 30 ans, ces batteries coûtent 750 € au total, soit un coût inférieur à six batteries au plomb-acide de même capacité. Une batterie en nickel-fer, accompagnée de panneaux solaires de 100 W, coûte 1020 €, dont 85 % sont dédiés au stockage d’énergie. Malheureusement, il est difficile de se procurer des batteries en nickel-fer, notamment les petits modèles. Sources : https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
En réalité, le prix des panneaux solaires dans une plus grande installation serait comparativement plus bas, car les panneaux solaires de petite taille (comme les 50 W) sont proportionnellement plus onéreux à chaque watt de capacité, par rapport aux panneaux solaires de taille traditionnelle (à partir de 250 W). Une logique plus ou moins similaire s’applique au coût énergétique. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fondateur de la Living Energy Farm, a écrit un livre à propos de ce projet, entièrement disponible en ligne : Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. La version papier peut également être commandée. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Puisque l’énergie solaire directe ne nécessite pas de contrôleur de charge pour chaque système distinct, diviser une installation solaire n’implique pas de coûts supplémentaires ni de surconsommation d’énergie. ↩︎
Des recherches démontrent que doubler l’épaisseur de l’isolation de 2,5 cm (standard) à 5 cm réduit la consommation d’électricité annuelle d’un réfrigérateur (capacité de 50 L) de 250 à 125 kilowattheures. [^13] Pour une épaisseur d’isolation entre 10 et 12,5 cm, la consommation d’électricité est encore divisée par deux et atteint les 60 kilowattheures par an. Une isolation plus épaisse n’entraîne qu’une baisse minime de la consommation d’électricité et n’est donc plus une solution intéressante, car elle impliquerait une hausse du coût et de la taille du réfrigérateur. Cette étude prend comme exemple un réfrigérateur solaire à courant alternatif qui fonctionne grâce à un onduleur et une batterie. Il est moins écoénergétique qu’un réfrigérateur solaire direct. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, et Jyotirmay Mathur. « Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator ». Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014) : p. 55-67. ↩︎
Cette inertie thermique peut simplement être un récipient d’eau placé à l’intérieur du réfrigérateur, ou des bouteilles d’eau de consommation. Toutefois, l’eau peut également être stockée dans des réservoirs installés le long de l’équipement, derrière une paroi qui les maintient en place et les dissimule. L’eau a une plus haute densité de stockage de la chaleur que l’air, et stabilise donc la température plus longtemps. ↩︎
Ewert, M., et al. « Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results ». Compte-rendu de la conférence sur l’énergie solaire. American Solar Energy Society ; American Institute of Architects, 2002. ↩︎
Cet avantage s’applique uniquement si le réfrigérateur est installé dans une pièce non chauffée. L’installer dans une cuisine chauffée alors que la température hivernale extérieure est égale ou inférieure à celle à l’intérieur du réfrigérateur est évidemment du gaspillage. Ce n’est pas non plus un avantage dans les pays tropicaux, où les températures sont élevées toute l’année. ↩︎
L’utilisation d’énergie solaire directe comme source de climatisation n’a pas été soumise à une analyse aussi approfondie que les réfrigérateurs domestiques. Voir : Luerssen, Christoph, et al. « Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications ». Applied energy 273 (2020) : p. 115-145. De plus, les chances de réaliser des économies d’énergie aussi importantes sont minces. Un réfrigérateur est toujours isolé, contrairement à une pièce ou un bâtiment climatisé où ce n’est pas toujours le cas. En outre, un réfrigérateur est placé dans une pièce où la température est stable. Un bâtiment est sujet à des fluctuations de températures importantes, et peut également être chauffé grâce au rayonnement solaire direct. La climatisation solaire directe est donc bien plus compliquée. Voir : Qi, Ronghui, Lin Lu, et Yu Huang. « Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions ». Energy conversion and management 106 (2015) : p. 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Voir également ce PowerPoint du même auteur. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎
Voir : Ferreira, Carlos Infante, et Dong-Seon Kim. « Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data ». International Journal of Refrigeration 39 (2014) : p. 23-37. ///// Riffat, James, et al. « Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations ». International Journal of Refrigeration 19.10 (2022) : p. 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. « Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage ». Building and Environment 206 (2021) : p. 108-324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. « Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview ». Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022) : p. 7911-7944. ↩︎
Faute de recherche, il n’est pas certain que cela s’applique également à la consommation d’énergie grise. ↩︎
Dans les deux cas, il est cependant nécessaire de contourner l’interrupteur de l’appareil, car l’électricité en courant continu produit davantage de chaleur que celle en courant alternatif. Un interrupteur externe approprié peut s’avérer utile, mais le mécanisme de sûreté de l’appareil est alors contourné, représentant un risque évident. [^10] Là encore, ce problème pourrait être évité, car il est techniquement possible de fabriquer des appareils adaptés à l’énergie solaire directe. ↩︎
Un compresseur à vitesse fixe peut utiliser seulement 50 % de l’énergie solaire utile produite, alors qu’un compresseur à vitesse variable en utilise 75 %. [^15] Un condensateur est alors nécessaire pour aider le compresseur lors de la phase de démarrage. ↩︎
À la place d’un convertisseur DC-DC, vous pouvez installer une petite « batterie tampon » ainsi qu’un contrôleur de charge qui assure une tension de sortie stable. De plus, cette petite batterie peut fournir un stockage d’énergie limité, particulièrement utile pour faire face à des pics de consommation d’énergie passagers. Par exemple, certains appareils provoquent un pic de consommation lorsqu’ils sont en charge. La batterie tampon présente toutefois des inconvénients, comme son coût, une hausse de l’énergie grise, ou des défaillances au niveau des composants. Un condensateur est une technologie alternative pour absorber les pics d’énergie. ↩︎
Néanmoins, utiliser des appareils en courant continu basse tension est bien plus écoénergétique, puisque les panneaux solaires produisent également un courant continu basse tension : https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Explication vidéo de la fabrication de fils chauffants. Stockage de la chaleur thermique : Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎

Compresseur d’Air à Énergie Humaine avec Stockage d’Energie

Wed, 06 Dec 2023 00:00:00 +0000

Image : Compresseur d’air à énergie humaine avec système de stockage d’énergie. Photo d’Andy Lagzdins.

Il suffit de jeter un rapide coup d’œil dans mon atelier de réparation de motos pour se rendre compte que les outils pneumatiques y sont absolument partout. Du petit outillage portatif comme les clés à choc, ponceuses, cisailles, scies et meuleuses, aux équipements plus conséquents – notamment une cabine de sablage et une machine à pneus ; l’air a un rôle vital et permet de réaliser un large éventail de tâches au sein de l’atelier.

J’utilise depuis les années 1990 un compresseur d’air 220v, dont le moteur électrique 7 ch entraîne une pompe à air bi-étagée à 800 tr/min, qui remplit le réservoir de 300 litres (80 gallons) à une pression de 150 psi en cinq minutes environ. C’est une machine extrêmement fiable, à tel point que je n’y pense que rarement de manière consciente. Ce n’est qu’en cas de panne de courant que je réalise combien je suis dépendant, dans le cadre de mon activité, d’un approvisionnement permanent en air comprimé.

Face au constat de l’instabilité croissante de notre monde actuel, au sein duquel l’abondance, le faible coût et la fiabilité de l’énergie ne peuvent désormais plus être tenus pour acquis, j’ai décidé de me fabriquer un système qui me permettrait de remplir mes réservoirs d’air comprimé sans avoir à utiliser d’électricité ni de carburant. Ma conception du dispositif serait exempte de toute électronique et, moyennant un entretien minimal, les composants devraient (idéalement) durer toute une vie. Je souhaitais par ailleurs utiliser un maximum de pièces d’occasion, dans la double optique de promouvoir le recyclage et le réemploi tout en réduisant le coût de la fabrication.

Les Composants

La première étape consistait à trouver un réservoir d’air. J’ai déniché un compresseur d’air Ingersoll Rand d’une capacité de 300 litres, fabriqué en 1952, auquel j’ai retiré la pompe à air et le moteur électrique. La pompe d’origine a été remplacée par un nouveau modèle Speedaire, préconisé pour 115 psi, et nécessitant un moteur de seulement 0.5 ch pour fonctionner. La pompe est fixée sur le dessus du réservoir avec une plaque d’acier, boulonnée à la platine du moteur d’origine. À l’emplacement du moteur électrique, j’ai installé un arbre de transmission en acier massif, monté sur paliers à semelle avec roulements auto-aligneurs. Cet arbre de transmission accueille trois poulies de 20 kg utilisées comme volant d’inertie (on parle aussi de « volant moteur »), c’est à dire destinées fluidifier le fonctionnement. Ces disques de fonte ont un alésage de 3.5 cm de largeur et mesurent 40 cm de diamètre. La pompe à air est reliée à l’arbre moteur par une courroie de distribution simple trapézoïdale de section 4L.

Image : Compresseur et poulies de compresseur utilisées comme volants d’inertie. Photo d’Andy Lagzdins.

Image : Arbre de transmission en acier massif, avec trois poulies utilisées comme volant d’inertie. Photo d’Andy Lagzdins.

L’étape suivante consistait à trouver une source d’énergie humaine pour faire tourner ces volants d’inertie. J’ai trouvé un vélo d’appartement Schwinn des années 1970, de très bonne facture, presque entièrement construit en acier. Après l’avoir dépouillé pour ne conserver que le strict nécessaire, j’ai remplacé la roue à rayons d’origine par un moyeu à 8 vitesses intégrées de marque Sturmey Archer. Ce moyeu offre une plage de braquets (rapports de démultiplication de la transmission) comprise entre 1 et 3,25. Les changements de vitesse sont effectués via une manette située sur le guidon.

Afin de supporter les sollicitations mécaniques d’un pédalage à pleine puissance, l’ensemble du pédalier d’origine a quant à lui également été remplacé par des bras de manivelle tubulaires Cr-Mo (acier faiblement allié au chrome-molybdène), un boîtier à roulements scellés, ainsi que des pédales à plateforme issues d’un BMX de course. Enfin, le guidon et la potence ont été remplacés par des composants en Cr-Mo afin de minimiser leur flexion lors d’une utilisation intensive. Les chaînes 1/8” (largeur équivalente à 3.175 mm) sont de la plus haute résistance pour plus de fiabilité.

A ce stade de l’assemblage, le vélo et le réservoir d’air comprimé se trouvaient alignés l’un par rapport à l’autre, et installés sur des cadres en bois traité de section 14 x 14 cm à leur emplacement définitif. À l’avant du vélo, le pignon de sortie a ensuite été relié à un pignon similaire fixé à l’extrémité de l’arbre moteur ; le système de transmission était désormais terminé.

Image : Un vélo d’entraînement Schwinn des années 1970. Le pédalier d’origine a été remplacé par des bras de manivelle tubulaires Cr-Mo, un boîtier à roulements scellés, ainsi que des pédales à plateforme issues d’un vélo de course BMX. Photo d’Andy Lagzdins.

Image : Moyeu à 8 vitesses intégrées de marque Sturmey Archer. Photo d’Andy Lagzdins.

Pour gérer le flux d’air, j’ai intégré un système à deux étages. Les deux réservoirs d’air, d’une capacité respective de 10 et 80 litres, sont dotés de valves séparées, ce qui me permet de les remplir séparément, simultanément, ou de transférer de l’air d’un réservoir à l’autre. Sur chacun d’eux, un manomètre indique la pression interne. Après remplissage initial du grand réservoir, j’augmente sa pression à 50 psi en l’alimentant directement depuis la pompe à air. Je commence alors à remplir le petit réservoir jusqu’à atteindre 100 psi, pour ensuite le vider vers le grand.

Une Transmission à 8 Vitesses

Le système de transmission à 8 vitesses est d’une précieuse aide au cours du processus de remplissage. Quand la pression du réservoir est faible, le vélo peut être utilisé avec de grands braquets. À l’inverse, les plus petits braquets permettent de surmonter la résistance opposée par la pompe à air quand la pression atteint la plage de 70 - 100 psi.

Le remplissage des deux réservoirs à une pression de 100 psi nécessite 5 à 10 sessions de pédalage par jour sur environ une semaine. Dans les périodes de forte activité à l’atelier, enfourcher le vélo de temps en temps permet de me vider un peu l’esprit pour me remettre les idées en place ; par temps froid, c’est un bon moyen de se réchauffer tout en stimulant la circulation sanguine. Je peux aussi me mettre en petit rapport de vitesse et pédaler plus doucement tout en étant sur mon portable ou en écoutant de la musique. Le fait d’avoir à pédaler aussi fréquemment pour obtenir de l’air comprimé m’incite à éviter de gaspiller de l’air quand j’utilise mes outils. Cela oblige par ailleurs à vérifier régulièrement l’absence de fuite en s’assurant que tous les raccords sont bien étanches.

Image : Outils à air comprimé. Photo d’Andy Lagzdins.

Dans cette installation, les composants les plus exposés à l’usure dans le temps sont les joints de la pompe à air, la courroie de transmission et les chaînes, les pignons ainsi que le flexible en caoutchouc. Je garde en stock pour chacun d’entre eux des pièces de rechange, afin de m’assurer que le système puisse rester opérationnel pour les années à avenir. Toutes les opérations d’entretien et de maintenance peuvent être réalisées au moyen d’outils manuels simples, et la totalité des pièces sont réparables et remplaçables.

L’autre avantage d’utiliser l’air comprimé comme vecteur d’énergie est le faible coût des outils pneumatiques. La tendance actuelle est à la généralisation du matériel électroportatif sur batterie, ce qui incite beaucoup de gens à vendre leurs « vieux » outils pneumatiques, soi-disant désuets. On trouve ainsi à la vente beaucoup d’anciens compresseurs dont la pompe ou le moteur est défectueux, pour des prix par conséquent très abordables. Le marché d’occasion propose une bonne offre de vélos d’appartement ; probablement du fait de personnes qui ont entamé un programme d’entraînement physique pour finalement abandonner en cours de route. La prochaine modification prévue consistera à ajouter un second réservoir d’air de 300 litres afin d’augmenter la capacité de stockage.

En résumé, les principaux avantages du vélo générateur d’air comprimé (ou « compresseur d’air à pédale ») sont les suivants : aucune source d’énergie extérieure n’est nécessaire, il peut fonctionner dans des sites isolés à n’importe quel moment de la journée ou de l’année, il est construit à partir de composants recyclés qui sont facilement remplaçables, et ne coûte rien à l’utilisation. Les avantages secondaires sont nombreux : de plus en plus de bienfaits se font sentir à l’usage de cette machine. En premier lieu, on peut citer une meilleure forme physique grâce au pédalage, et un esprit plus libre après s’être changé les idées.

Image : Compresseur d’air à énergie humaine avec système de stockage d’énergie. Illustration d’Andy Lagzdins.

Caractéristiques techniques :

Réservoir d’air principal : 300 litres Horizontal, Ingersoll Rand
Réservoir de remplissage : 38 litres, 125psi, SnapOn
Pompe de compresseur d’air : 1 étage, 1 ch Max, 115psi, Speedaire 40KH94
Cycle stationnaire : vélo d’appartement Schwinn Exerciser
Transmission : moyeu à vitesses intégrées Sturmey Archer S80 XRK8 (8 vitesses)
Volants d’inertie : Fonte, diamètre 406 mm, alésage 35 mm
Roulements : paliers à semelle P207 avec roulements auto-aligneurs
Courroie : simple trapézoïdale, type 4L
Chaînes : KMC Z1eHX Wide 1/2”x1/8”
Valves : valves à boisseau sphériques 12.7 mm, laiton
Filtre à air : filtre K&N, coton et treillis métallique

Vidéo

Andy fait une démonstration de la machine et explique son fonctionnement dans cette vidéo.