Le blog de Manx

Depuis bientôt 3 ans, les laboratoires intéressés à étudier la soie d’araignée et les nouveaux matériaux ont accès, à travers le monde, à BioSteel, un produit issu du biomimétisme qui imite la toile d’araignée. La matière première qui forme le BioSteel est en fait les protéines contenues dans le lait de chèvres transgéniques. J’ai déjà mentionné que sur une base de masse et de volume, la soie d’araignée était plus robuste que le kevlar (et beaucoup plus que l’acier). Ses applications actuelles sont encore en laboratoire et servent à déterminer ses caractéristiques, mais l’on peut espérer éventuellement que ce coûteux matériaux difficile à reproduire pourra aider dans les domaines médicaux et possiblement dans l’industrie militaire.

La compagnie Nexia offre maintenant son fameux BioSteel, très similaire à une soie d’araignée (l’araignée sécrète différents composés chimiques pour faire différentes parties de la toile – la “soie” d’araignée est donc une partie de la toile, et non le matériau qui la compose). Cette idée vient d’un ancien chercheur de McGill, qui a injecté une partie du code génétique d’araignée dans le génôme de chèvres.

Pour obtenir quelques informations sur le BioSteel, vous pouvez aller sur le site de Nexia.

Les chiffres de 2006 indiquent que 97% de l’électricité produite au Québec provenait de l’hydroélectricité. Cela signifie qu’environ 40% de l’énergie consommée au Québec cette année-là venait de l’eau. D’une année à l’autre, l’hydroélectricité et le pétrole s’échangent le titre d’énergie primaire la plus consommée dans la Belle Province. Cela vaut aussi à Hydro-Québec, l’entreprise nationale qui s’occupe de l’acheminement et de la majorité de la production d’électricité, le titre de principal producteur d’hydroélectricité à travers le monde.

Avec le portrait que je donne actuellement de l’hydroélectricité, vous comprendrez qu’il serait bien de vous éclairer sur le fonctionnement de base de cette source d’électricité. Parce que plusieurs Québécois ne savent pas encore exactement quels mécanismes affectent la conversion de l’énergie stockée dans l’eau en énergie électrique, voilà quelques formules de base qui pourront vous éclairer.

Tout est dans l’énergie potentielle

C’est très simple: l’énergie qui est convertie en hydroélectricité vient de l’énergie potentielle (ou plus précisément, l’énergie potentielle de pesanteur). L’énergie potentielle est créée à partir d’une chute, et c’est l’énergie qui est dissipée lorsque l’on passe d’un point de très haute altitude à un point moins élevé. En temps normal, cette énergie est perdue ou transférée en énergie cinétique. Par contre, en bénéficiant de ce transfert, il est possible d’actionner des turbines qui permettront de transformer cette énergie en énergie électrique.

Voici l’équation de base de l’énergie potentielle:

Ep = m * g * (h1 – h2)

Ep = Énergie potentielle (Joules)

m = masse d’eau (kg)

g = constante gravitationnelle (9.81 m/ s^2)

h1 = hauteur supérieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

h2 = hauteur inférieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

Le watt, l’unité que l’on utilise habituellement pour la puissance, est un joule d’énergie produit en une seconde. Donc, en sachant quelle masse d’eau circule à chaque seconde, on peut connaître l’énergie potentielle d’une chute. La masse, quant à elle, est calculée par la densité de l’eau (1000 kg/ m^3) et le débit d’une rivière ou un cour d’eau (le nombre de m^3/s qui y circule). Donc, on peut transformer l’équation précédente et obtenir ceci:

ep = 9810 * Q * (h1 – h2)

ep = puissance potentielle (watts)

Q = débit du courant (m^3/s)

h1 et h2 = hauteurs supérieure et inférieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

Voilà, si vous avez réussi à suivre cela, le calcul de l’énergie potentielle est très simple une fois les autres paramètres mesurés! Il ne suffit que de résoudre une multiplication. Pas besoin d’équations compliquées ou quoi que ce soit.

Si vous suivez bien ce que je viens de donner comme informations, la puissance générée par l’eau ne dépend donc que de deux choses: la hauteur de la chute d’eau que vous utilisez et le débit du cour d’eau.  Il reste un dernier paramètre qui affecte la production d’électricité: l’efficacité du système à convertir l’eau en électricité. Une fois que tout cela est compris, vous avez les trois seules variables qui affecteront la capacité à produire de l’électricité à partir de l’eau. Habituellement, afin de produire de grandes quantités d’électricité, les projets hydroélectriques ont recour à des barrages afin d’affecter le débit et la hauteur de la chute.

Le barrage (ou réservoir)

Le but d’un barrage est simple: déplacer l’eau là où l’on veut qu’elle aille et former un bassin. On utilise les barrages notamment pour créer des sources d’eau artificielles pour l’irrigation afin de nourir les gens, pour prévenir des innondations ou pour produire de l’électricité. Dans certains cas, les barrages remplissent ces trois fonctions en même temps. En électricité, on crée un barrage afin de contrôler le débit de l’eau et sa hauteur (comme mentionné plus haut, les deux paramètres qui affectent la production d’électricité).

Le barrage est donc placé à un lieu stratégique. Ce lieu doit avoir une bonne dénivellation, afin de créer une grosse chute. Le barrage est ensuite équippé de portes et de turbines, qui s’ouvriront pour laisser l’eau circuler selon les besoins en électricité. En plus de cela, le barrage doit également pouvoir résister à la pression en eau et être étanche aux fuites naturelles et aux écoulements qui causeront l’affaisement du sol ou qui pourraient laisser l’eau couler dans le béton. Un barrage, c’est donc plus qu’un gros bloc de béton; c’est aussi une structure composée de systèmes de drainage et de rideaux d’écoulement.

Le barrage modifie un bassin hydrographique grandement, et cela peut avoir des conséquences sur les animaux, les gens vivant autour ou dans les sols. On classe habituellement les centrales en deux types: les centrales à réservoir et les centrales au fil de l’eau.

Centrale au fil de l’eau vs centrale à réservoir

Une centrale au fil de l’eau est une centrale qui ne forme pas ou forme un très petit bassin hydroélectrique, comme c’est le cas à Beauharnois. Ces centrales sont souvent dans des zones où il serait trop dangereux de faire un bassin et où le débit de l’eau est très très rapide. En règle général, une centrale au fil de l’eau a un bassin qui pourrait être vidé entièrement par le déit normal de la rivière en moins de deux heures.

Beauharnois est une centrale à l’ouest de Montréal, et est la 5e plus grande au Québec. Elle a une capacité de 1755 MW, une chute de 24m et produit son électricité au coût ridicule de 0.01$/kWh. Faisons un calcul: en assumant que la centrale a une efficacité de conversion de 70% (70% de l’énergie potentielle est convertie en énergie électrique), la centrale de Beauharnois, lorsqu’elle fonctionne avec toute sa capacité électrique, a le débit suivant:

Q = 1755 * 10^6 Watts de puissance / (0.7 d’efficacité) * 9810 * 24m de chute = 104500 mètres cubes par seconde

En gros, la centrale a été conçue pour recevoir environ 104,000 mètres cubes d’eau par seconde! Beauharnois a été construite sur un canal artificiel qui connaît des débits d’eau très rapide. Comme elle est près de Montréal et qu’elle est dans une région assez plate, il serait impensable de faire un bassin hydroélectrique trop gros, car cela innonderait les terres des gens habitant près d’une région métropolitaine.

Centrale Beauharnois

Les centrales à réservoir, quant à elles, sont conçues pour avoir une très haute chute. Pour produire de l’électricité, le débit est moins important qu’à une station comme Beuaharnois, mais l’installation d’un tel projet demande la création d’un réservoir d’eau. En règle générale, le bassin formé par une centrale à réservoir se viderait en plus de 200 heures. Ces centrales ont l’avantage de pouvoir accumuler des réserves d’eau pour ne produire que la quantité d’électricité dont on a besoin.

La centrale LG-2 ou le bassin des Trois-Gorges, en Chine, sont deux exemples typiques de centrales hydroélectriques à réservoir. LG-2, maintenant appellée la centrale Robert-Bourassa, est la centrale avec la plus grande capacité au Québec: 5616 MW. La chute de LG-2, plus élevée que Beauharnois, est de 137.2 mètres. Cela signifie qu’avec le calcul précédent, on obtient un débit d’eau plus faible que Beauharnois, à environ 58,500 mètres cubes par seconde lorsque toutes les turbines sont en fonction (ce qui n’arrive pas souvent). Par contre, LG-2 a un avantage sur Beauharnois; en cas de problèmes de surcharge électrique, il est facile de fermer quelques turbines dans le complexe La Grande afin de ne pas créer de problèmes; Beauharnois, quant à lui, ne peut pas former de bassin hydroélectrique et est à la merci du courant, même en cas de problèmes.

Centrale Robert Bourassa en hiver

Les avantages et les problèmes reliés à l’hydroélectricité

L’hydroélectricité est une technologie bien particulière. Elle provient de l’eau, une source de courant qui est plus fiable que le vent, mais qui n’est pas très régulière. Au Québec, par exemple, les crues du printemps font que le débit d’eau n’est pas constant. Comme nous produisons plus d’électricité que nous n’en consommons, par contre, nous nous arrangeons pour vendre nos surplus aux États-Unis en leur offrant des tarifs au prix de leur marché. Par contre, comme il est plus facile de contrôler notre production électrique (il faut quelques minutes pour fermer une turbine dans une centrale hydroélectrique et quelques minutes pour la repartir; dans une centrale thermique, il faut quelques semaines), certaines compagnies de distribution d’électricité nous vendent leurs surplus de production afin de s’assurer que les systèmes électriques du Nord-Est de l’Amérique ne tombent pas en panne à cause d’une surcharge.

L’hydroélectricité est donc une énergie renouvelable qui, même si elle est irrégulière, peut être contrôlée facilement une fois que l’on développe un plan global. Son empreinte écologique est plus faible au niveau de la pollution atmosphérique, mais elle comporte aussi d’autres problèmes.

La création de réservoirs modifie les écosystèmes de façon majeure. Il faut donc bien évaluer les conséquences d’un projet. Dans le Nord Québécois, par exemple, la présence de mercure dans les sols cause la contamination des eaux et de la chaîne alimentaire du à l’érosion causée par la formation de bassins. Au bout de quelques années, ces conséquences deviennent moins importantes. Les barrages ont de graves conséquences sur la vie aquatique, et plusieurs tribus Amérindiennes dans le Nord ont souligné la diminution des bancs de poissons et d’autres animaux suite à l’implantation de barrages. Les conséquences de l’effondrement d’un barrage sont aussi extrêmement dangereuses, car elles posent le risque d’innonder d’encore plus grandes régions. Finalement, il faut aussi arriver à prévenir l’accumulation de boue dans le réservoir du barrage, afin de s’assurer que celui-ci dure plus longtemps. Mais au niveau des bénéfices et des conséquences entourant un barrage, l’exemple le plus poignant est celui du bassin des Trois-Gorges, en Chine.

La centrale des Trois-Gorges

La centrale des Trois-Gorges a pour but principal de prévenir des innondations. Dans les années ‘90, une innondation dans la région a causé des pertes économiques équivalentes au coût de production anticipé du barrage des Trois-Gorges sur la rivière Yangzi. Suite à de nombreuses polémiques à l’intérieur de la Chine, les autorités Chinoises ont décidé qu’elles construiraient un barrage hydroélectrique afin de produire de l’énergie renouvelable, contrôler le traffic maritime et de contrôler les innondations. Ironiquement, le réservoir de la centrale des Trois-Gorges a forcé l’évacuation et la relocalisation de plus d’un million de personnes.

Le bassin fait un peu plus de 10 km^2 et la capacité électrique installée est de 18200 MW. Mes calculs me montrent que la centrale est censée fonctionner à environ 50% de sa capacité installée totale. Cela signifie que le débit de la rivière est d’environ 130,000 mètres cubes par seconde en moyenne, à l’année longue. Par contre, afin d’éviter les crues, de nombreuses terres agricoles ont été évacuées et des villages entiers ont été fermés. On a relocalisé les populations dans les villes (sans plan social pour les aider) ou dans les montagnes. Par contre, l’agriculture dans des territoires montagneux, plein de pierres, ce n’est pas l’idéal.

Malgré tout, le bassin des Trois-Gorges sera fini cette année. C’est la plus longue centrale électrique (elle s’étend sur 2 km) et elle a la plus grande capacité électrique du monde. Le gouvernement Chinois n’a pas géré ce projet avec les mêmes normes qu’un pays développé ne l’aurait exigé (une telle délocalisation serait impensable ici, même pour éviter les innondations), mais la gestion a été jugée comme à peu près “acceptable” selon les normes Chinoises. C’est tout de même l’un des projets qui fut le plus critiqué à l’intérieur du pays.

La centrale des Trois-Gorges, en construction en 2006

En gros, voilà un bon aperçu de l’hydroélectricité, de ses moyens de production. Je n’ai qu’introduit les conséquences de base de l’implantation de projets hydroélectriques, mais j’espère que si vous êtes arrivés à suivre, vous comprenez un peu mieux tout ce qui se passe quand vous appuyez sur un interrupteur pour allumer une lumière.

On retrouve de plus en plus de nouveaux matériaux dans tous les domaines, en ce moment. On utilise maintenant le carbone comme matériau de construction de luxe, la recherche biomédicale crée de nouvelles avenues de matériaux, on cherche à valoriser nos déchets afin de ne plus les rendre aussi “indésirables”, etc. De nombreuses avenues sont disponibles pour des matériaux qu’il y a à peine 5 ans, on aurait vu comme des rebus et qui auraient été envoyés au site d’enfouissement sans aucune pitié.

J’aimerais dire que les choses sont en train de changer, mais ce n’est le cas que pour certains produits particuliers. On retrouve maintenant de plus en plus d’utilisations qui sont devenues commercialisables et ont quitté les laboratoires de recherche pour atteindre le consommateur, mais surtout de façon indirecte (sans que vous ne vous en rendiez compte). Voilà donc un petit résumé de nouvelles matières premières qui sont maintenant utilisées pour créer des produits que l’on peut consommer.

Les résidus de scierie

Les résidus de scierie sont souvent dans une forme difficile à collecter et entreposer. Les copeaux de bois, trop petits, ont par contre une valeur calorifique relativement élevée et une faible concentration en eaux. Cela les rend très utiles comme matière première pour faire des granulés de bois. Les granulés sont en fait de la biomasse densifiée pouvant être utilisée dans les poêles comme combustible. L’utilisation de granules a des avantages nombreux, notamment d’avoir un contenu en cendres plus faible que les autres foyers au bois.

Granulés de bois

Les défis dans ce domaine concernent actuellement l’entreposage et la transmission de cette technologie aux consommateurs. Le Québec produit 1.5 millions de tonnes par année de granules de bois. Uniquement 25% de ces granules sont consommées au Québec, du à une faible demande. Le reste de la production quitte le Canada pour se rendre en Europe, où un marché s’est développé pour ce combustible. Étonnament, les Norvégiens et Danois, qui ont un climat similaire au nôtre, sont ceux qui achètent nos granules.

L’entreposage, de son côté, pose problème dans les plus grandes installations. Il faut maintenir des conditions particulières pour conserver des granules longtemps, car il est possible que la granule fermente ou qu’elle absorbe l’humidité. Les granules sont donc souvent vendues en paquets pré-emballés afin de prévenir ces effets néfastes.

La bagasse

Après avoir extrait les jus de la canne à sucre (ou de l’agave bleue – plante servant à faire la tequila), la partie fibreuse qui n’est pas utilisée pour l’extraction du sucre ou la fermentation d’éthanol est appelée la bagasse. En fait, c’est un des résidus agricoles les plus répandus en Amérique du Sud, et je ne vous cacherai pas que c’est une matière première qui est employée depuis un bon bout de temps.

La bagasse peut notamment servir à fournir de l’énergie qui sera convertie en électricité ou en chaleur. On estime qu’il est possible de produire jusqu’à 140 kWh par tonne de canne à sucre (ayant un contenu de bagasse de 30%), pour une production électrique allant donc à 1.68 GJ/t de bagasse. On n’y échappe pas; toute recherche relatant la combustion de biomasse doit donner les propriétés de la bagasse, vu son potentiel d’utilisation dans l’hémisphère Sud. L’Inde et le Brésil ont tous deux des usines brûlant la bagasse pour produire de la chaleur et de l’électricité par des systèmes de cogénération.

Ce matériau est aussi l’un des seuls produits qui remplacent, sur une échelle appréciable, l’utilisation du bois dans les pâtes et papiers. La paille et la bagasse sont les deux produits les plus répandus comme remplacements du bois. Mais vous le devinerez; la bagasse n’est pas un produit qui connaît un grand marché au Québec.

Vos poubelles

Si vous saviez combien d’entreprises ont fait des gens riches et heureux, uniquement en jouant dans les poubelles des autres! C’en est horrible… et à la fois, c’est aussi très effrayant.

Les sites d’enfouissement sont des territoires contaminés par de nombreuses choses assez horribles, mais sont aussi riches en nutriments. Et qui dit richesse en nutriments dit aussi “activités biologiques”. En absence d’oxygène, les bactéries qui digèrent ces nutriments relâchent du biogaz, composé en grande partie de méthane. Il y a une dizaine d’années, la majorité des sites d’enfouissement se contentaient de capter le méthane et de s’assurer qu’il ne cause pas de mal à la santé des gens. Maintenant, on utilise le biogaz comme on utiliserait du gaz naturel, et l’on produit de l’électricité avec celui-ci.

Mais ce n’est pas tout! Plusieurs chercheurs évaluent, depuis les années ‘50, la possibilité de lancer des projects de “Landfill mining” (exploitation des décharges). Les nutriments contenus dans les déchets peuvent effectivement remplacer les fertilisants à base de combustibles fossiles, si les déchets eux-mêmes sont bien traités. Les sites d’enfouissement contiennent aussi de nombreux métaux rares et des éléments qui ont une valeur élevée, comme l’or (contenu dans quelques objets que vous utilisez) ou les métaux ferreux (faciles à extraire, vu leurs propriétés magnétiques). L’exploitation des décharges a été employée à quelques rares endroits, dont Tel Aviv. Un autre exemple proche de cette idée vient de la ville d’Edmonton, qui transforme 60% de ses déchets en compost après en avoir séparé les plastiques, RDD et métaux. Cela permet de transformer les déchets en nutriments pour les sols, et ce en tuant les parasites et les pathogènes pouvant se trouver dans les déchets. Cela leur a aussi permis de réduire la quantité de déchets à enfouir.

En soit, l’exploitation des décharges descend des bidonvilles, où les gens cherchent à gagner des sous en trouvant des objets de valeur dans les déchets. Elle utilise cependant des mécanismes plus élaborés.

Les eaux usées

Une autre grande source de nutriments, les eaux usées peuvent évidemment servir de matière première à plusieurs applications, notamment dans le domaine de l’énergie.

Les applications de la biologie et de l’eau sont nombreuses. Grâce aux bioréacteurs à membrane, une technologie maintenant implantée dans plusieurs municipalités pour traiter les eaux, les bactéries arrivent à retirer le phosphore et l’azote de l’eau. Grâce à l’ajout de ces bioréacteurs, le village Olympique de Pékin a pu doubler la capacité de son centre de traitement des eaux et à faire circuler à nouveau 50% de ses eaux usées dans l’aqueduc municipal.

Comme avec les sites d’enfouissement, les eaux usées peuvent aussi servir à la digestion anaérobique et à générer du biogaz. Les eaux usées des usines de pâtes et papiers, riches en nutriments, peuvent donc générer du biogaz et diminuer leur dépendance au gaz naturel lors de leurs opérations. Tembec Inc. vend 8,1 MW d’électricité à Hydro-Québec, en partie grâce à la production de biogaz à partir de leurs eaux usées. L’avantage de la digestion anaérobique est qu’elle permet aussi de partiellement traiter les eaux rejettées dans les rivières par la suite, une plaie pour plusieurs entreprises forestières.

Il est aussi possible d’utiliser les eaux usées ou partiellement traiter pour répondre à des besoins en eaux qui ne sont pas liés à la consommation humaine directe. Plusieurs pays d’Amérique du Sud ou d’Afrique utilisent les eaux usées municipales en aquaculture ou pour irriguer des plantations. Cela comporte plusieurs défauts, dont la propagation de pathogènes. Des étapes de traitement partiel sont donc nécessaires pour s’assurer de ne pas propager des épidémies.

Mais une autre particularité de l’eau est qu’elle abrite ses propres microorganismes: les algues. L’utilisation des eaux usées enrichies de nutriments sont des avenues prometteuses pour produire de l’hydrogène ou du biodiésel à partir de microalgues.  Mais rien ne bat encore, au niveau de la science-fiction, l’utilisation de microbes pour produire de l’électricité à partir de l’eau. En digérant des nutriments, les bactéries peuvent créer des réactions d’oxydoréduction dans l’eau (création de cations H+ et d’anions OH-). L’électricité est un mouvement d’électrons. Donc, l’oxydoréduction étant un échange d’électrons, il est possible de faire passer les anions et cations par une membrane filtrante et de créer un “potentiel”, ce qui générera directement de l’électricité.

Le glucose, la cellulose et d’autres sucres ont été employés comme sources de nutriments pour certaines populations de microbes. L’acétate est le produit le plus utilisé, mais la technologie est encore à un stade où ces cellules électriques ne sont employées qu’en laboratoire. Pour l’instant, on arrive à obtenir des rendements de 115 W / mètre cube d’eau.

Alors voilà quelques matières premières auxquelles on ne pensait pas il y a quelques années et qui fournissent maintenant une partie de nos besoins en énergie ou en matériaux, ou qui pourraient le faire bientôt. Dans plusieurs de ces cas, plusieurs personnes affirment que ces produits sont des polluants, comme les déchets. La vérité est que la pollution est toujours un facteur relatif et qu’il est vrai que ces produits, souvent vus comme “déchets”, sont des polluants en grande quantité. Par contre, il est possible d’utiliser les eaux usées ou les déchets, pour ne nommer qu’eux, afin d’en extraire des nutriments que l’on extrait traditionnellement du pétrole ou du gaz naturel. Certains gens voient de la pollution, mais en regardant au-delà de cela, on peut aussi leur trouver des utilités qui font que l’on pourrait faire assez d’argent pour apprendre à mieux traiter nos vrais déchets.