Stockage de l'énergie pour une colonie martienne

salut à tous,

travaillant dans l'hydroélèctricité je me doit de répondre.

un tel système n'est pas du tout viable.

le premier problème est le poids. un groupe turbo alternateur pèse un poids monstre. pour une puissance de 1 méga-watt il faut compter plusieurs tonnes.

ensuite plusieurs paramètres entre en compte. la hauteur de chute d'eau et le débit d'eau à turbiner.

la ou je bosse ont à de la moyenne chute . A titre d’exemple il faut 1000l d'eau à la seconde sous une chute de 140m pour produire 1 MW.

plus la hauteur de chute d'eau diminue plus il faut de débit à turbiner .

le soucis dans notre cas c'est qu'il faut un groupe turbo alternateur . la en poussant ont peut arriver à faire une puissance de quelques centaines de kw ( 100-200 ) pour moins de 500kg .


mais après il faut de quoi amener l'eau jusqu’à notre centrale. et la tout de suite ce n'est plus réalisable sur une autre planète avec un transport par navette .

en supposant bien sur que l'ont puisse construire les bassin de rétention amont et aval .


franchement j'y croit pas. les seul solution viable sont soit l'énergie nucléaire soit les panneaux solaire .

voici des petit liens sympa si ça vous intérrésse :

http://www.econologie.com/calculer-la-puissance-hydraulique-potentielle-d-une-chute-d-eau-articles-4035.html

tappez eDF et hydraulique dans google image vous verrez à quoi ça ressemble une centrale hydraulique ;)

tchou a écrit:salut à tous,

...

le premier problème est le poids. un groupe turbo alternateur pèse un poids monstre. pour une puissance de 1 méga-watt il faut compter plusieurs tonnes.

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le soucis dans notre cas c'est qu'il faut un groupe turbo alternateur . la en poussant ont peut arriver à faire une puissance de quelques centaines de kw ( 100-200 ) pour moins de 500kg .
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mais après il faut de quoi amener l'eau jusqu’à notre centrale. et la tout de suite ce n'est plus réalisable sur une autre planète avec un transport par navette .

Bonjour,

Merci de votre éclairage. Mais en vérité, je n'ai pas compris votre argument. Si le problème est le poids de l'eau à placer dans les bassins ou le poids des canalisations, c'est un faux problème. En effet, il est bien évident qu'il faut exploiter la glace d'eau présente sur Mars et n'amener aucune goutte d'eau de la Terre.

Idem pour les canalisations et les réservoirs, ils doivent pouvoir être construits avec les ressources locales et un four solaire par exemple. Pas simple, il y aura d'ailleurs des outils à amener de la Terre, mais on économise ainsi des centaines de tonnes de matériel. De toute façon, on ne parle pas ici de la première mission martienne, mais de la problématique de l'établissement d'une base permanente.

Au bout du compte, s'il faut 10 tonnes de matériel, turbines et pomples entre autres, pour une technologie STEP avec une capacité d'1MW, cela serait AMHA compétitif, non ?

Au fait, j'ai trouvé ça sur Internet :

http://www.shf-hydro.org/122-1-manifestations-16.html

Prometteur pour la Terre ! En France, il semble que ce soit largement sous-exploité.

Cordialement,

Argyre

Et pourquoi pas au lieu de l'eau, difficile à conserver sous le "climat" martien, utiliser l'air comprimé? Par exemple il existe en france une petite société qui tente de fabriquer des véhicules roulant à l'air comprimé :
http://www.mdi.lu/

La très faible pression atmosphérique sur cette planète serait-elle un frein insurmontable, puisque dans ce cas ce qui génère de l'énergie est la différence de pression entre le réservoir et l'exterieur?

Argyre a écrit:

tchou a écrit:salut à tous,

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le premier problème est le poids. un groupe turbo alternateur pèse un poids monstre. pour une puissance de 1 méga-watt il faut compter plusieurs tonnes.

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le soucis dans notre cas c'est qu'il faut un groupe turbo alternateur . la en poussant ont peut arriver à faire une puissance de quelques centaines de kw ( 100-200 ) pour moins de 500kg .
...
mais après il faut de quoi amener l'eau jusqu’à notre centrale. et la tout de suite ce n'est plus réalisable sur une autre planète avec un transport par navette .

Bonjour,

Merci de votre éclairage. Mais en vérité, je n'ai pas compris votre argument. Si le problème est le poids de l'eau à placer dans les bassins ou le poids des canalisations, c'est un faux problème. En effet, il est bien évident qu'il faut exploiter la glace d'eau présente sur Mars et n'amener aucune goutte d'eau de la Terre.

Idem pour les canalisations et les réservoirs, ils doivent pouvoir être construits avec les ressources locales et un four solaire par exemple. Pas simple, il y aura d'ailleurs des outils à amener de la Terre, mais on économise ainsi des centaines de tonnes de matériel. De toute façon, on ne parle pas ici de la première mission martienne, mais de la problématique de l'établissement d'une base permanente.

Au bout du compte, s'il faut 10 tonnes de matériel, turbines et pomples entre autres, pour une technologie STEP avec une capacité d'1MW, cela serait AMHA compétitif, non ?

Au fait, j'ai trouvé ça sur Internet :

http://www.shf-hydro.org/122-1-manifestations-16.html

Prometteur pour la Terre ! En France, il semble que ce soit largement sous-exploité.

Cordialement,

Argyre

il n'est bien sur pas question d'amener de l'eau de la terre.

par contre il faut bien amener l'eau du stockage amont jusqu’à l'alternateur . en partant du principe que sur MARS l'eau est rare il faut une chute important pour créer de l’énergie avec le moins d'eau possible.

sur TERRE 1L d'eau pèse 0.981kg contre 0.370kg sur MARS. ont peut donc conclure qu'il faut 2.6 fois plus de hauteur de chute d'eau ( ou de débit) sur MARS que sur TERRE pour créer la même force

en se basant sur la formule de calcule de puissance hydraulique suivante :

P(hydraulique)= hauteur de chute( en M ) x le débit turbiné ( en L/S ) x accélération de l'apesanteur ( 9.81 sur terre , 3.7 sur mars )

ont obtient une valeur en KW électrique.

parton sur une puissance raisonnable de 200kw pour une petite colonie et un débit raisonnable de 300L/Sec.

ont arrive à une hauteur de chute de 177m .

( avec un rendement de 1 ce qui bien sur n'est pas réalisable )


pour une vitesse d'eau raisonnable en conduite ( 1.5m/sec) il faut un tuyau d'un diamètre minimum intérieur de 50cm.
une épaisseur moyenne de 15mm sera nécessaire ( en vrai le tuyau n'a pas la même épaisseur de partout car la pression est plus faible en haut de la conduite donc tuyau plus mince mais la c'est du à la louche )
ça nous donne dans les 4.85m3 d'acier juste pour la construction de la tuyauterie reliant la centrale au réservoir supérieur.
avec la masse de l'acier ( a peut près 8000kg le m3 et 4500kg/m3 pour du titane) ont arrive à à peut près 39000 kg d'acier à envoyé sur mars si tout est fabriquer sur terre ou alors à produire sur place.


mais ça encore ce n'est que la partie technique .

le plus dure est de trouver un endroit sur mars qui soit en hauteur ( 200m mini ) ou l'ont puisse stoker de l'eau à l'état liquide.

dans mon exemple je part de 300l/s ça fait quand même du 1080m3/h d'eau

pour une journée de production avec un tel système il faudrait donc être capable de stoker 26.000m3 d'eau à l'état liquide
tout en sachant que la température moyenne de mars est de -63°C.

ensuite le principe de STEP ( la turbine réversible qui remonte l'eau ) n'a malheureusement qu'un coef grand max de 0.5.

donc pendant une journée ont produit 4.8MW-h et ensuite il va falloir produire avec une autre source d’énergie 9.6MW-h pour remonter l'eau du bassin bas au bassin haut de stockage.




franchement j'aime l'Hydro-Electricité car c'est mon boulot mais dans ce cas ci je n'y voit que des désavantages.

le seul avantage sur terre ( autre le fait d'être la source d’énergie la moins polluante ) c'est la capacités à démarrer très rapidement et donc compenser les fluctuation du réseau électrique .

ce n'est bien sur que mon humble avis mais une centrale solaire ou nucléaire me semble bien plus productif .

Le principal constituant de l’atmosphère martienne est le dioxyde de carbone.
http://www.nirgal.net/atmosphere.html

Spoiler:

On pourrait envisager des cycles de compression et de détente. Plusieurs éventualités sont possibles en fonction de la température et de la pression.
On ne peut envisager un cycle gaz détendu /gaz compressé car pour rester sous forme gazeuse, il ne faudrait que très peu compresser le gaz –vu les basses températures de Mars ; et même parfois cela devient impossible par très grand froid quand le sol martien se recouvre de neige carbonique.

Les cycles envisageables sont gaz/solide , gaz / liquide et gaz/liquide/ solide

Si on opère entre 0 et 519 kPa (5,12 atm terrestre), en compressant on passerait directement de la phase gazeuse à la phase solide de masse volumique 1562 kg/m3

Sous des pressions supérieures et à des températures supérieures à – 56,6 °C, on pourrait stocker sous forme liquide, état fluide donc plus pratique que l’état solide. Avec une bonne isolation thermique, on devrait pouvoir s’y maintenir – même si la température tombe parfois en dessous de – 100 ° C. Et dans le cas d’une panne les tuyauteries ne seraient pas détruites puisque la masse volumique de la glace carbonique est supérieure à celle de son liquide (contrairement à la glace d’eau)

En résumé pour stocker l’énergie d’origine solaire, des compresseurs et pour la restituer par détente des turbines entrainant des alternateurs .
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyde_de_carbone

Spoiler:

http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?CountryID=19&GasID=26&LanguageID=2

Spoiler:

PS : une bonne isolation thermique est aussi requise pour le stockage sous forme liquide pour avoir un cycle de compression/détente presque adiabatique . N'oublions que le passage de l'état liquide à l'état gazeux demande de la chaleur et il faut donc qu'il se conserve le plus chaud possible avant détente . Sinon, la détente se ferait quand-même avec formation partielle de neige carbonique , mais à un débit bien inférieur vu que Mars n'est pas une source très chaude

Toutes les solutions comportant un nombre important "d'intermédiaires" mécaniques seront plombées par un rendement faible (frottements divers, inertie des pièces à mettre en mouvement) et comme cela a été souligné par l'aspect massif des installations et appareillages.
Disposer d'un stockage sous une forme simple et assez facilement distribuable, afin que sur le lieu d'utilisation on puisse "re-fabriquer" de l'électricité, me parait plus rationnel avec de l'énergie chimique.
Pendant les périodes diurnes avec une centrale solaire, on électrolyse de l'eau, puis on comprime les gaz (H₂ et O₂) dans des "réservoirs" de taille adaptée (au transport et à l'autonomie électrique recherchée).
Sur le lieu d'utilisation (donc des zones pouvant être dispersées) on recombine les gaz dans des "piles à hydrogène" et on utilise l'électricité produite. L'eau fournie peut être renvoyée à la zone de génération des gaz, ou utilisée sur place.
Les véhicules de transport peuvent aussi utiliser le système de pile à hydrogène pour leur propulsion.
Etre en mesure de fabriquer sur place et uniquement avec les matériaux martiens reste un challenge très difficile. Pour tout dire je n'y crois pas vraiment. Même après une durée d'installation significative l'autarcie pure et dure ne me parait guère envisageable. Le lien ombilical avec la Terre sera incontournable.

Le stockage de l'énergie par électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène, puis recombinaison peut être effectivement une voie , mais des progrès doivent encore être réalisés, côté photovoltaïque + électrolyse en réduisant cette chaîne à une photolyse directe de l'eau . En tout cas il y a des avancées avec la "feuille" de Nocera
http://www.decouplage.org/article-feuille-de-nocera-pile-de-sridhar-futur-de-l-energie-85809616.html

tchou a écrit:
franchement j'y croit pas. les seul solution viable sont soit l'énergie nucléaire soit les panneaux solaire .

Le nucléaire n'est pas une énergie renouvelable, donc ça peut être une solution au début, mais ce ne serait que provisoire. De plus, il faut tout de même pas mal d'appareils de haute technologie, avec une maintenance pas évidente, donc ça se complique vite après quelques années d'utilisation. Si on veut un développement "durable", le nucléaire n'est pas la meilleure solution.

Quant aux centrales solaires, justement, elles ne permettent pas le stockage, donc il faut un complément. Electrolyse de l'eau et stockage H2/O2, c'est une idée. Et toutes les autres options évoquées dans ce fil. Mais aucune ne semble être la panacée, chacune a un inconvénient. C'est bien pour cela qu'on discute !

A+,

Argyre

Finalement, les bonnes vieilles batteries chimiques, ce n'est peut-être pas si mal, avec quelques compromis densité d'énergie/facilité de recyclage...

je suis bien d'accord avec toi sur le nucléaire. c'est une énergie "propre" pour la production mais dont ont ne sait pas quoi faire des déchet .

ça à quand même 3 avantages dans notre cas :

* production d'énergie très élevée

* les déchets soit confiné et ne s'envole pas dans la nature comme avec de la combustion.

* la chaleur produite par le réacteur serai largement suffisante pour chauffer une colonie sans utiliser l'éléctricitée produite .

et malheureusement actuelement ont à pas trouvé mieux.

la téchnologie avance, mais la sortie du nucléaire tel qu'ont le connais n'est pas avant les 30 ou 40 ans à venir .

en plus avec le nucléaire ont ne stocke pas non plus l'énergie.



avec une centrale solaire et des batteries ont arrive à stoker quand même un peut d'énergie pour un coup et une masse somme toute modeste.

c'est déjà le cas pour certaines centrale solaire ici sur terre.

Merci Giwa de votre réponse très complète ! Le stockage de "l'air" martien est effectivement nettement plus complexe que sur notre planète.
Le nucléaire est effectivement une source d'énergie intéressante surtout quand on est dans un environnement à priori mort, mais cela ne résoud pas le problème du stockage de l'énergie.
Une colonie martienne subira bien des variations de sa consommation électrique en fonction de l'activité de ses habitants, en france nous avons la chance d'avoir en plus de notre imposant parc nucléaire un parc hydroélectrique, éolien et de centrales à énergie fossile qui nous permettent d'adapter notre production d'énergie.
Comment une colonie dont la seule source d'énergie serait une mini centrale nucléaire, pourrait-elle adapter sa production? Il faudrait bien, à moins d'effectuer du délestage, utiliser un système de stockage de l'énergie pour lisser les creux et les pics de consommation? Ou alors prévoir une source d'énergie auxiliaire plus modulable?

montmein69 a écrit:... Etre en mesure de fabriquer sur place et uniquement avec les matériaux martiens reste un challenge très difficile. Pour tout dire je n'y crois pas vraiment. Même après une durée d'installation significative l'autarcie pure et dure ne me parait guère envisageable. Le lien ombilical avec la Terre sera incontournable.

Ne sous-estime pas la force ! ;-)
En effet, comme dit le proverbe, l'union fait la force et c'est un procréant et se multipliant qu'on finit par atteindre les ressources humaines permettant de développer et entretenir toutes les industries nécessaires à l'autonomie.

Le sujet sur « comment coloniser Mars à partir de ses ressources» :
https://astronautique.actifforum.com/t13546p165-comment-coloniser-mars-a-partir-de-ses-ressources#259986
nous a conduit à reparler du stockage de l’énergie et des volants d’inertie.

Si on souhaite stocker un maximum d’énergie cinétique de rotation aves des volants d’inertie, il faut que ces derniers soient capables de tourner le plus vite possible sans éclater et les nanotubes de carbone seraient les meilleurs pour cela.

On peut se demander pourquoi privilégier la vitesse de rotation du moment d’inertie plutôt que sa masse ?

Parce que si l’énergie cinétique de rotation est proportionnelle à la masse m du volant , elle est aussi proportionnelle au carré de sa vitesse angulaire de rotation, ω : il est donc plus efficace de privilégier ω.

Mais alors nouvelle question ? Pourquoi ne pas augmenter tout les paramètres, c'est-à-dire m, r et ω ?

Si effectivement pour le rayon r cela est intéressant puisque le moment d'inertie est aussi proportionnel au carré du rayon ; pour la masse m , on augmente le poids du volant si on se trouve dans un champ de gravité , ce qui oblige pour maintenir le volant en sustentation à utiliser des champs magnétiques plus intenses .

Certes sur Mars la pesanteur n’est plus que le tiers de celle de la Terre, donc ce qui va permettre de maintenir des volants de masse trois fois plus élevé en sustentions pour le même champ magnétique que la Terre (encore un nouvel avantage ! ), mais autant en profiter pour augmenter au maximum les dimensions du volant avec un matériau de densité plus faible, mais plus résistant aux contraintes de tension, extrêmes sur le moyeu du volant.

Comment alors rendre cela compatible avec une sustentation magnétique au dessus d’un anneau supra conducteur ?

Avec un système a deux étages :

D’abord un disque magnétique en lévitation au dessus de l’anneau supra conducteur de rayon pas trop grand pour ne pas éclater et au dessus solidaire un second disque de rayon plus grand en nanotubes de carbone pouvant supporter à la périphérie des forces centrifuges plus élevées sans éclater au niveau du moyeu où toutes les contraintes s’additionnent .

L'ensemble tiendra en équilibre grâce à l'effet gyroscopique .

Pour revoir ce qui avait été déjà dit à ce sujet:

https://astronautique.actifforum.com/t11855-stockage-de-l-energie-pour-une-colonie-martienne/post?p=224898

Spoiler:

https://astronautique.actifforum.com/t11855-stockage-de-l-energie-pour-une-colonie-martienne/post?p=227069

Spoiler:

Des compléments importants au post précédent.

Si ce volant d’inertie doit stocker l’énergie sur plusieurs heures, il ne faut pas oublier alors que Mars tourne sur elle-même en un peu plus de 24h : un jour sidéral martien égal à 24 h 37 min 22,663 s à ne pas confondre avec le sol ou jour solaire martien égal à 24 h 39 min 35,244 s

Voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Mesure_du_temps_sur_Mars

Il en résulte que si notre volant d’inertie se trouve au niveau d’un pôle martien, il pourra par effet gyroscopique conserver sa position verticale sans problème.

Mais ceci n’est plus le cas pour d’autres latitudes . Prenons l’exemple d’un volant d’inertie vertical au départ situé à l’équateur : au bout d’un quart de jour martien sidéral , il se retrouverait à l’horizontal .

Que faire pour éviter cela ?

Placer d’office le volant d’inertie à l’horizontal selon l’axe des pôles en le maintenant en sustentation magnétique aux deux extrémités.

Pour les latitudes intermédiaires, les volants d’inertie devront alors être disposer en oblique selon toujours l’axe des pôles.

Autre question que l’on peut se poser ? Comment on injecte et l’on récupère l’énergie du Volant ?

Au moyen de moteurs électriques réversibles pouvant fonctionner en générateurs ou récepteurs.

Sur Terre, il y a déjà des applications de ces volants d’inertie pour des interruptions de courtes à moyennes durées de l’alimentation électrique.

Mais sur Mars, on devrait pouvoir faire mieux grâce à sa faible gravité et son atmosphère très tenue qui minimise les frottements.

Un site intéressant qui explique le fonctionnement d’un onduleur avec volant d’inertie ; la vidéo est en anglais, mais même si vos connaissances sont limitées dans cette langue, vous devriez pouvoir vous en sortir grâce aux schémas :

http://www.industrie.com/it/le-fonctionnement-d-un-onduleur-a-volant-d-inertie.12897

Le stockage de l'atmosphère (comme Giwa l'a proposé à la page précédente) me semble le plus simple à mettre en oeuvre et c'est aussi quelque chose de déjà expérimenté sur terre et même commercialisé depuis quelques années (voitures à air comprimé et groupes électriques). Par exemple : http://www.mdi.lu/

Ici nul besoin de gigantisme ou de matériaux hyper résistant. On décide d'une architecture avec une pression maximum qui donne une marge de sécurité pour les conditions martienne et qui ne demande pas trop d'isolant (pb de l'état solide) et on peu très facilement faire X systèmes de tailles moyenne avec X suffisamment grand pour offrir une plus grande souplesse vis à vis des pannes et de la maintenance. Les premiers groupes électriques à air comprimé martien auront peu être un rendement faible, inférieur à celui du meilleur moteur à aire comprimé terrestre de 2012 mais en revanche on peu espérer obtenir une fiabilité et un coût satisfaisants étant donné la relative simplicité du système. Ensuite il suffit d'en avoir 2 ou 3 douzaines pour alimenter une petite colonie en cas de besoin.



Mais quelque soit les systèmes purement mécaniques qui seront choisit il me semble qu'il ne faut pas oublier aussi la méthanisation des déchets de la colonie (déchets humains, animaux et végétaux) qui est une forme de production d'énergie continue (biogaz - puis au besoin électricité) qui est fonction des rejets de la colonie et qui peu être stocké. Si ce biogaz est utilisé uniquement la nuit et qu'une partie est utilisé directement (chauffage par exemple) on peu sans doute apporter une part non négligeable de l'énergie nécessaire pour les nuits de la colonie. Ici il est évident que la technologie est déjà bien éprouvée -et même en plein boom- mais en plus les agences spatiales s'y intéressent déjà !

Spoiler:

Merci Jupiter d’accueil pour ces informations à propos des véhicules motorisés à l'air comprimé .

Il existe en effet déjà des applications de l’air comprimé pour la motorisation de véhicules et ceci depuis les années 1900, mais jusqu’à maintenant de tels engins souffrent d’une autonomie assez limitée
http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_%C3%A0_air_comprim%C3%A9

Les véhicules utilisant ce mode de propulsion sur le site que vous avez indiqué : http://www.mdi.lu/
sont plutôt à usage urbain où ce type d’automobiles sans pollution peut trouver un créneau intéressant pour des déplacements courts ; donc pourquoi pas un tel mode de transport à l’intérieur des serres martiennes si elles sont assez vastes.

Pour Mars le dioxyde de carbone est une substance précieuse nécessaire à l’alimentation des plantes et aussi précurseur de toute une chimie organique et mieux vaut - il ne pas le rejeter dans l’atmosphère martienne.

En dehors du stockage de l’énergie sous forme cinétique dans des volants d’inertie, il y a d’autres possibilité à exploiter : accumulateurs, super -condensateurs, piles à combustibles, supraconductivité.

De même le méthane -si on en fait la combustion- va consommer du dioxygène, lui aussi substance précieuse sur Mars et à ne pas gaspiller.

Alors oui, pour capter le méthane, mais pour des usages différés comme carburant pour des moteurs thermiques en sachant que sur Mars il n’y a pas de dioxygène présent dans l’atmosphère et que tout engin à moteur thermique devra posséder deux réservoirs : un pour le carburant(le réducteur) mais aussi un pour le comburant (l’oxydant)