Locomotives à vapeur claquant le long des voies ferrées. Des bateaux à aubes parcourent le Murray. Cuirassés Dreadnought propulsés par des moteurs à vapeur.

Beaucoup d’entre nous pensent que l’ère de la vapeur est révolue. Mais même si la machine à vapeur a été remplacée par les moteurs à combustion interne et désormais par les moteurs électriques, le monde moderne repose toujours sur la vapeur. Presque toutes les centrales thermiques, du charbon au nucléaire, doivent disposer de vapeur pour fonctionner. (Les usines à gaz ne le font généralement pas).

Mais pourquoi? C'est à cause de quelque chose que nous avons découvert il y a des millénaires. Au premier siècle de notre ère, les Grecs de l’Antiquité ont inventé l’éolipile, une turbine à vapeur. La chaleur a transformé l'eau en vapeur, et la vapeur a une propriété très utile : c'est un gaz facile à produire qui peut pousser.

Ce simple fait signifie que même si le rêve de la puissance de fusion se rapproche, nous serons toujours à l’ère de la vapeur. La première usine commerciale de fusion s'appuiera sur technologie de pointe capable de contenir du plasma bien plus chaud que le noyau du soleil, mais il sera toujours associé à une humble turbine à vapeur convertissant la chaleur en mouvement en électricité.

Pourquoi dépendons-nous toujours de Steam ?

Faire bouillir de l’eau nécessite une quantité d’énergie importante, de loin la plus élevée parmi les liquides courants que nous connaissons. L’eau nécessite environ 2.5 fois plus d’énergie pour s’évaporer que l’éthanol et 60 % plus que l’ammoniac liquide.

Pourquoi utilisons-nous de la vapeur plutôt que d’autres gaz ? L'eau est bon marché, non toxique et facile à transformer de liquide en gaz énergétique avant de se condenser à nouveau en liquide pour être utilisée encore et encore.

La vapeur a duré aussi longtemps parce que nous avons une abondance d'eau, couvrant 71 % de la surface de la Terre, et que l'eau est un moyen utile de convertir l'énergie thermique (chaleur) en énergie mécanique (mouvement) en énergie électrique (électricité). Nous recherchons l’électricité parce qu’elle peut être facilement transmise et peut être utilisée pour travailler pour nous dans de nombreux domaines.

Lorsque l’eau se transforme en vapeur dans un récipient fermé, elle se dilate énormément et augmente la pression. La vapeur à haute pression peut stocker d’énormes quantités de chaleur, comme n’importe quel gaz. Si on lui donne une sortie, la vapeur la traversera avec des débits élevés. Placez une turbine sur sa trajectoire de sortie et la force de la vapeur qui s'échappe fera tourner les pales de la turbine. Les électroaimants convertissent ce mouvement mécanique en électricité. La vapeur se condense en eau et le processus recommence.

Les machines à vapeur utilisaient du charbon pour chauffer l’eau afin de créer de la vapeur pour faire fonctionner le moteur. La fission nucléaire divise les atomes pour produire de la chaleur permettant de faire bouillir l'eau. La fusion nucléaire forcera les isotopes lourds de l’hydrogène (deutérium et tritium) à fusionner en atomes d’hélium-3 et à créer encore plus de chaleur – pour faire bouillir de l’eau pour produire de la vapeur afin d’entraîner des turbines pour produire de l’électricité.

Si l’on ne regardait que le processus final dans la plupart des centrales thermiques – au charbon, au diesel, à la fission nucléaire ou même à la fusion nucléaire – on verrait l’ancienne technologie de la vapeur poussée aussi loin qu’elle peut l’être.

Les turbines à vapeur qui entraînent les grands alternateurs électriques qui produisent 60 pour cent de l'électricité mondiale sont de toute beauté. Des centaines d’années de technologie métallurgique, de conception et de fabrication complexe ont pratiquement perfectionné la turbine à vapeur.

Allons-nous continuer à utiliser la vapeur ? Les nouvelles technologies produisent de l’électricité sans utiliser de vapeur. Panneaux solaires compter sur les photons entrants frappant les électrons du silicium et créant une charge, tandis que éoliennes fonctionnent comme des turbines à vapeur, sauf avec le vent soufflant sur la turbine et non avec de la vapeur. Certaines formes de stockage d'énergie, comme l'hydroélectricité pompée, utilisent des turbines mais pour de l'eau liquide et non de la vapeur, tandis que les batteries n'utilisent aucune vapeur.

Ces technologies deviennent rapidement d’importantes sources d’énergie et de stockage. Mais la vapeur ne disparaît pas. Si nous utilisons des centrales thermiques, nous utiliserons probablement encore de la vapeur.

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement convertir la chaleur en électricité ?

Vous vous demandez peut-être pourquoi nous avons besoin de tant d’étapes. Pourquoi ne pouvons-nous pas convertir la chaleur directement en électricité ?

C'est possible. Les dispositifs thermoélectriques sont déjà utilisés dans les satellites et les sondes spatiales.

Construits à partir d'alliages spéciaux tels que le plomb-tellure, ces dispositifs reposent sur un écart de température entre les jonctions chaudes et froides entre ces matériaux. Plus la différence de température est grande, plus la tension qu’ils peuvent générer est élevée.

La raison pour laquelle ces appareils ne sont pas partout est qu'ils ne produisent que du courant continu (CC) à basse tension et ont une efficacité comprise entre 16 et 22 % pour convertir la chaleur en électricité. En revanche, les centrales thermiques de pointe ont un rendement allant jusqu'à 46 pour cent.

Si nous voulions faire fonctionner une société avec ces moteurs à conversion thermique, nous aurions besoin d'un large éventail de ces appareils pour produire un courant continu suffisamment élevé, puis utiliser des onduleurs et des transformateurs pour le convertir en courant alternatif auquel nous sommes habitués. Ainsi, même si vous évitez la vapeur, vous finissez par devoir ajouter de nouvelles conversions pour rendre l’électricité utile.

Il existe d'autres moyens de transformer la chaleur en électricité. Des piles à combustible à oxyde solide à haute température sont en cours de développement depuis des décennies. Ceux-ci chauffent entre 500 et 1,000 XNUMX degrés Celsius et peuvent brûler de l’hydrogène ou du méthanol (sans véritable flamme) pour produire de l’électricité à courant continu.

Ces piles à combustible ont un rendement jusqu'à 60 pour cent et potentiellement même plus élevé. Bien que prometteuses, ces piles à combustible ne sont pas encore prêtes à être utilisées aux heures de grande écoute. Ils ont des catalyseurs coûteux et une durée de vie courte en raison de la chaleur intense. Mais le progrès est etre fait.

Jusqu'à ce que des technologies comme celles-ci arrivent à maturité, nous resterons coincés avec la vapeur comme moyen de convertir la chaleur en électricité. Ce n'est pas si grave : la vapeur fonctionne.

Quand vous voyez passer une locomotive à vapeur, vous pourriez penser qu’il s’agit d’une technologie désuète du passé. Mais notre civilisation dépend encore largement de la vapeur. Si puissance de fusion arrive, la vapeur contribuera également à alimenter l’avenir. L’ère de la vapeur n’a jamais vraiment pris fin.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: Siemens Pressebild via Wikimedia Commons

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• La source: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/