La récupération de la chaleur et les technologies de pointe

Les participants à l’atelier Solutions intégrées supérieures en matière d’efficacité énergétique de la conférence Énergie 2011 ont assisté à des présentations portant sur des technologies de pointe en cours d’élaboration dans les domaines de la récupération de la chaleur et de l’optimisation des chaudières. Des représentants de CanmetÉNERGIE (centres de recherche d’Ottawa et de Varennes) ainsi que Cameron Veitch, de ConDex Systems, ont discuté des économies d’énergie qui pourraient découler de la mise en œuvre de ces technologies avancées.

« Les technologies de récupération d’énergie liées aux brûleurs pour les chaudières industrielles qui sont actuellement mises au point par CanmetÉNERGIE laissent entrevoir des possibilités considérables sur le plan de l’économie d’énergie et de la réduction des émissions », a expliqué le chercheur scientifique Peter Gogolek. Des études de cas ont révélé que des brûleurs à récupération intégrale – la technologie la plus simple pour les brûleurs – peuvent aider les entreprises à réduire leurs coûts de l’énergie d’environ 40 % grâce à la récupération et au captage des pertes dues à la dilution. Il est également possible de réaliser d’importantes économies de combustible en équipant les tubes radiants d’un brûleur à récupération autonome.

La récupération de la chaleur et les technologies de pointe

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Demandez-le à un scientifique : L’énergie d’ionisation de l’air

 Question

Quelle est la fréquence nécessaire pour qu’un laser ionise l’air, et quelle est l’énergie d’ionisation de l’air?
Réponse

On ne peut pas vraiment parler de l’énergie d’ionisation de l’air, car il s’agit en fait d’un mélange de gaz : chaque gaz possède son énergie d’ionisation propre. Ceci dit, il faut se demander quel gaz on veut ioniser. Prenons l’azote, puisque ce gaz compte pour 78 % du mélange que nous appelons « air ».

L’azote possède une énergie d’ionisation de 1402,3 kJ/mol (quantité d’énergie nécessaire pour enlever 1 mole d’électrons de 1 mole d’azote gazeux), soit :

1402 kJ/mol × 1000 J/kJ / 6,022 × 1023 = 2,328 × 10-18 joule par atome

La longueur d’onde du faisceau laser doit donc avoir au moins cette quantité d’énergie pour ioniser l’azote. Pour trouver la longueur d’onde, on se sert de l’équation suivante :

E = h•c / λ

avec E l’énergie d’ionisation nécessaire (ici, 2,328 × 10-18 J), h la constante de Planck en J•s (http://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Planck), c la vitesse de la lumière (2,98 × 108 m/s) et λ la longueur d’onde du faisceau laser.

En remplaçant les variables par leurs valeurs et en isolant λ, on obtient une longueur d’onde d’environ 85 nm (rayonnement ultraviolet lointain). Par

f = c / λ

avec f la fréquence, on obtient une fréquence de 3,5 × 1015 Hz. C’est une bonne chose que l’azote doit être exposé à des rayons ultraviolets lointains pour s’ioniser : autrement, bonjour les coups de soleil!

- Kevin Shortt

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Demandez-le à un scientifique : véhicules

Question : Voici l’hypothèse de base pour mes questions : Le fait que, les voitures des citoyens cottoient des véhicules lourds (transport de marchandises) sur les routes, oblige les organismes de normalisation à adopter des exigences de sécurité et de robustesses qui sont coûteuses en ressources. Ceci se traduit par des voitures relativement lourdes et complexes qui consomment beaucoup d’énergie au cours de leur cycle de vie. En assumant qu’il soit possible de réorganiser le réseau routier pour minimiser le partage des routes entre poids lourds et voitures, il serait pensable de permettre aux citoyens d’utiliser des voitures très légères et donc beaucoup plus éconergétiques (comparables en poid aux motos). Si on envisage que le changement de normalisation nécessaire inclu un volet visant à prolonger la durée de vie des véhicules, faisant obstacle à la désuètude planifiée qui augmente la consommation de ressources naturelles et donc d’énergie, il serait probablement raisonnable d’assumer que la durée de vie de ces véhicules puisse être doublé.

Est-ce que l’économie potentielle sur le plan énergétique est quantifiable (à l’échelle du pays et pour tout le cycle de vie du véhicule)? Est-ce un sujet déjà à l’étude dans un centre de recherche ou une université canadienne? Est-ce que ces véhicules ultra légers pourraient, techniquement, être alimentés en énergie par un réseau de distribution d’électricité longeant les routes en utilisant le principe d’opération des tramways?

 

Réponse : Un modèle pourrait certainement être développé pour évaluer quantitativement la consommation (ou l’économie) d’énergie pour ce type de véhicule. Vu que certains paramètres de réduction de poids ont été réalisés à partir de ces modèles plus légers, l’outil GHGenius (http://www.ghgenius.ca/) développé par RNCan serait probablement une bonne basse de départ pour la conduite d’une analyse du cycle de vie. Si l’on prenait pour hypothèse qu’au Canada tous les véhicules automobiles personnels devaient adopter cette technologie, il suffirait, pour en déterminer l’impact à l’échelle du pays, de modéliser une voiture ‘moyenne’ dans le GHGenius et de multiplier les résultats par le nombre de voitures au Canada (ce qui nous donnerait une solution approximative dont la précision dépendrait des hypothèses adoptées).

Les véhicules ultra-légers pourraient certainement être alimentés par un réseau de distribution de l’électricité. La technologie pour ce type de distribution de l’électricité est bien définie et existe. Mais il faudrait plutôt se demander si un tel réseau est faisable, économique et pratique. Les coûts de conception, d’installation et d’entretien de telles lignes de distribution en travers de chaque route et autoroute du Canada seraient exorbitants. Un tel concept pourrait avoir du sens si les mouvements de circulation suivaient un trajet déterminé (comme une ligne de tramway ou d’autobus), et si l’application n’en était pas généralisée pour tous les Canadiens. Ce qui est problématique avec un tel système, c’est qu’on ne peut vraiment aller qu’aux endroits où les lignes de distribution peuvent alimenter les véhicules; le véhicule est à la fois tributaire de l’infrastructure routière et de la source d’alimentation.

Le problème est fondamentalement environnemental, économique et technique, et la recherche dans le domaine peut donc se faire à plusieurs endroits. Voir la liste des contacts où de l’information supplémentaire peut être obtenue.

Chaires de recherche du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) qui œuvrent dans le domaine de l’allègement des véhicules automobiles :

http://www.nserc-crsng.gc.ca/Chairholders-TitulairesDeChaire/Chairholder-Titulaire_eng.asp?pid=394

http://www.nserc-crsng.gc.ca/Chairholders-TitulairesDeChaire/Chairholder-Titulaire_eng.asp?pid=189

 

Centre for Automotive Research de l’Université de Waterloo: http://watcar.uwaterloo.ca/

 

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Demandez-le à un scientifique : un moteur alimenté par le vent

Question :

Je me demande s’il est possible de fabriquer un moteur alimenté par le vent?

Réponse :

Pour l’instant, à ce que je sache, la seule façon viable d’utiliser le vent pour actionner une voiture serait de recourir à un véhicule électrique et à une turbine. L’énergie du vent pourrait être emmagasinée dans une turbine stationnaire, puis utilisée pour actionner le véhicule électrique. À l’heure actuelle, les principaux véhicules électriques sur le marché sont des hybrides rechargeables ou des voitures à batterie, suivies de près par les voitures à hydrogène.

Pour plus d’information, visitez les pages Web ci après concernant les voitures électriques, les piles à combustible à l’hydrogène et les énergies renouvelables.

http://oee.nrcan.gc.ca/transports/carburants-remplacement/index.cfm?attr=8

http://www.h2fcprogress.collaboration.gc.ca/scie/index-fra.htm

http://canmetenergy-canmetenergie.nrcan-rncan.gc.ca/fra/energies_renouvelables/energie_eolienne.html

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Demandez-le à un scientifique : la thermodynamique

Question :

Comment l’énergie nécessaire pour augmenter d’un degré Celsius la température de 10 grammes d’eau se compare-t-elle avec l’énergie nécessaire pour augmenter d’un degré Celsius la température de 100 grammes d’eau? Cette question est en rapport avec la capacité thermique massique. Merci.

Réponse :

Cette question est du domaine de la thermodynamique :

Tout d’abord, la capacité thermique massique (ou plus communément la chaleur massique) d’une matière est une mesure de la quantité de « chaleur » qu’il faut fournir à une unité de masse pour élever sa température d’un degré. Lorsque la taille de l’échantillon est multipliée par dix (p. ex. de 10 à 100), on comprend intuitivement que la chaleur requise nécessaire augmentera aussi, ce qui est le cas! Pour garder les choses aussi simples que possible, nous supposons que les deux échantillons sont initialement à 20 degrés et à la même pression. Ceci permet d’éliminer des différences entre les conditions ambiantes où se trouvent les deux échantillons et de minimiser la complexité du problème. De cette façon, la réponse et l’analyse peuvent porter sur la description du changement qui est important pour l’expérience, à savoir la variation de la masse. Dans ce cas, nous pouvons utiliser la formule suivante :

Q (quantité de chaleur à fournir) = m (masse) x dT (différence de température) x c (constante de chaleur massique)

La constante de chaleur massique « c » est exprimée en J/(g.K). Le joule « J » représente une unité servant à quantifier l’énergie, « g » représente la masse en grammes et « K » représente la température en degré kelvin. Comme votre question utilise les degrés Celsius, il convient de noter qu’un changement de 1 K est égal à un changement d’un degré Celsius.

Dans le cas présent, le changement de température et la constante de chaleur massique sont les mêmes, donc, après simplification il ne reste qu’un changement de masse. Comme la masse de l’échantillon est multipliée par 10, la quantité de « chaleur » nécessaire sera aussi multipliée par 10. Mathématiquement, cela donne le rapport suivant :

Q(échantillon 2 )/ Q(échantillon 1) =

[m (échantillon 2) x dT(échantillon 2) x c] / [m (échantillon 1) x dT(échantillon1) x c]

Comme dT(échantillon 2) et dT(échantillon1) sont égaux (dans ce cas égal à 1) et que « c » est commun aux deux, ils peuvent être simplifiés au numérateur et au dénominateur, il reste donc :

Q2/Q1 = m2/m1 = 100/10 = 10

* Si l’expérience était modifiée de telle sorte que les échantillons soient soumis à des conditions différentes (comme des pressions ou des températures différentes ou encore des températures qui pourraient entraîner un changement de phase de l’un des échantillons) cela changerait la réponse finale. *

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