Massive, Clean and Cheap hydrogen : 3 potential game-changers in H2 production (Repost)

hydrogen and bubble

Massive, Clean and Cheap hydrogen : 3 potential game-changers in H2 production (Repost)

Re-post d’un article Linkedin du 15 Mai 2020

Here we are! A new era of hydrogen is emerging on markets.

Things are changing and all industries from minerals, energy to transportation and manufacturing are investigating this new vector. Projects are starting, yet quite far from business sounds economics, but in some case, and with an appropriate and gentle stimulus, some business models may fly in a couple of years. This is encouraging..

Hydrogen is coming…. since several decades

Of course, hydrogen is widely used in Oil&Gas, ammonia production or steel industry for decades, using Coal Gasification or Steam Methane Reforming. As of today, it is not always clean (with a CO2 content in the range of 11 kgCO2/kgH2). And yes, the first industrial electrolyzers are approx. a century year old, so it is indeed a disruptive concept.

While we know how to make hydrogen with very low CO2 content, we are still struggling with the price : a large range of 5€/kg to 15 €/kg of H2 for clean hydrogen (whether it comes from renewable energy or with CCUS) is the current landscape. Although some projections aim for 3.5 €/kg (not delivered), green hydrogen in France. Within these values, there is low chance to de-carbonize widely the industry in Europe, Asia, or at least within a reasonable time.

To do this, we would need massive, clean and cheap Hydrogen, as cheap as 1 €/kg H2. Today this is not seen as reachable.

But there may be some game-changers. Here is my preferred list of them:

N°1 – Black carbon & hydrogen

Here is a simple equation : CH4 -> C(s) + 2H2. No carbon released.

Thermal decomposition of methane can provide solid carbon and hydrogen. The key point here is what to do with the carbon produced. Storing it in an old mine or sell it as a valuable products ?

black carbon plant in california - source = Monolith

Source : Monolithmaterial.com, REDWOOD CITY pilot plant, CA

Some companies such as Monolith in the USA are targeting the second options, and a few other are on the same track. Some also tried to do it decades ago, and then stop operation. This requires a very specific process such as a plasma torch to decompose properly the CH4.

But this is a pathway to clean, cheap and massive hydrogen.

N°2 – Solar to Hydrogen panels

Using solar panel (continuous current) to produce electricity after an inverter that feed a local grid and then an electrolyzer through an electrical transformer…. you have started to pile up cost and efficiency losses.

Why not doing everything in just 1 step?

This is a challenge that some like the start-up company Hypersolar in the USA, or the lab in KU Leuwen are targeting with a Solar to Hydrogen panels.

Aucun texte alternatif pour cette image

Source : Hypersolar, October 2019

More than 1 player, it can be industrialized as a simple panel, large improvement on efficiencies… does it not sound interesting to you ?

Still a long way to go from pilot to market, but it is definitively promising.

N°3 – ‘Natural’ Hydrogen

You know that hydrogen does not grow on tree, but what if we could just mine it ? You know, find a spot, make a well and pump it to the surface. How cheap hydrogen could be if it was possible ?

This is indeed a 2020 question. While it is known for many years that hydrogen is released in large but diffuse quantities at mid-ocean ridges, evidences are piling up for a natural, geological hydrogen in subterranean reservoirs. As of today, we know that there is hydrogen released continuously, with high purity and in many part of the world.

map of natural hydrogen sources - credits IFPEN

source : IFPEN

Still to be understood: How this hydrogen is formed (several modelling are being considered)? For how long a well can be productive ? for which flow ? How can we detect it ? Which business models will be implemented (that include long distance transportation)?

There are still (many) unresolved questions, but cheap, massive, local hydrogen might be indeed on its way.

La Méthanisation en Europe en Chiffres

La Méthanisation en Europe en Chiffres

10 Janvier 2020,

Pour bien commencer 2020 et à quelques jours du salon Biogaz à Nantes, Voltigital vous propose infographie sur la #méthanisation en Europe. De nouvelles technologies émergent pour encore et toujours améliorer l’apport du #biogaz et du #biomethane à la transition énergétique et en particulier la #biométhanation ou #méthanation par voie biologique.

VOLTIGITAL étudie la méthanation biologique dans le cadre d’une étude de l’état de l’art et du potentiel d’émergence.

Les chiffres de la méthanisation en Europe (fin 2017) et l'apport potentiel de la méthanation biologique à cette filière

Poursuivre sur Linkedin la discussion :

Quelles politiques publiques en matière de technologies durables ?

Quelles politiques publiques en matière de technologies durables ?

16 Décembre 2019

Pour ceux qui veulent mieux comprendre l’impact (énergie et carbone) des choix politiques, le MIT propose (en version beta) un simulateur très intéressant. Vous le trouverez sur le site EN-ROADS du MIT

On notera qu’il ne donne pas d’indications sur le coût (économique, politique) de ce type de transitions…. et que c’est là que réside la difficulté, comme on l’a évoqué lors de cette conférence : http://voltigital.com/index.php/2019/12/06/les-ingenieurs-peuvent-ils-sauver-le-monde/

Les évolutions futures de l’énergie et de la problématique du changement climatique touchent tout le monde, et par voie de conséquence, beaucoup se sentent rapidement incités / autorisés à prendre position.

Entre la tentation de réserver la parole aux seuls experts (et leurs contradictions propres) et de mettre les avis de tous sur le même pieds d’égalité (pas la bonne solution non plus), il y a l’idée, l’ambition que chacun s’approprie les concepts et que humblement, on puisse avoir une discussion dépassionnée, argumentée, critique mais sereine sur les sujets aussi importants que les changements climatiques, les politiques publiques de l’énergie et de l’industrie etc…

J’espère que ce type d’initiative pourra aider à aller dans ce sens

Les ingénieurs peuvent-ils sauver le monde?

Les ingénieurs peuvent-ils sauver le monde?

6 Décembre 2019

J’ai récemment eu l’opportunité d’intervenir dans un groupe d’anciens diplômés (alumni) sur la région Nantaise sur le thème des changements climatiques et des technologies.

Le format (1h de présentation devant ~ 80 personnes) et 20-30min d’échanges avec la salle suivi d’un verre nous a permis de présenter un vaste panel de problématiques liées aux changements climatiques, et à la résolution de ce problème, ainsi que les technologies qui sont actuellement envisagées / envisageables.

Alors les ingénieurs peuvent-ils sauver le monde ?* des changements climatiques…. Et bien malheureusement non, c’est bien plus q’une affaire de technique ou de technologie. Cela n’empêche pas qu’ils peuvent avoir un rôle important à jouer, comme tout un chacun.

Merci aux organisateurs de l’événement de m’avoir permis cette présentation.

Le support de la conférence est accessible au téléchargement ci-dessous.

A short review of thermodynamical electricity storage technology

A short review of thermodynamical electricity storage technology –

27 Avril 2014, Reblog du 3 Juillet 2019, Fabien MICHEL

Hi there !

Cleantech industry is looking for new technologies to store electricity, storing meaning both consuming electricity during a moment of the day and delivering it back at another time. While a great deal of articles are about how battery would change the world (or not), my personal bet is that thermodynamical technologies are the best suited for mid to large scale distributed energy storage (from 1 to 100 MW). So this is a review of some interesting technologies :

Compressed air technologies

  • Compressed Air Electrical Storage (CAES) and Advanced-Adiabatic CAES (AA- CAES)

Storage of electricity through compressing, storing and expanding air is a process well known since the 70s. Here below is main concept (from http://www.arup.com) :

Two existing units of big capacity have been built (and are still in operation), using ground cavern to store the compressed air :

  • in 1978, the 290 MW Huntorf plant, in Germany, with discharge capacity of 3 hrs.
  • in 1991, the 110 MW McIntosh plant , Alabama, USA with discharge capacity up to 26 hrs. This units works in conjunction with heat recovery fro gas turbine outlet to provide additional energy for the air discharge.

Others prototypes units are said to be in operation, or under development, including for surface CAES, meaning that the air is not stored anymore in cavern, there allowing more places to allow such installation.

– One key drawback of CAES plant is their low efficiency (30 to 40%). Storing separately heat and compressed air in an adiabatic system allows to improve drastically the efficiency of the process up to 65%. You can understand it quiclky with the ADELE concept described :

– Another challenge to overcome is to maintain a relatively stable pressure at turbine outlet during discharge. While emptying the storage, pressure goes down, and therefore, both turbine power (because there is less air flow) & efficiency (because the turbine works out of its nominal point) are reduced.

Among the new developments, you may find the lightsail concept interesting combining a piston power block (reverse generator or motor engine), a close to isothermal compression and featuring a heat capture & storage system. Some additional technical description can be found on one of the founder blog here 

Another concept that may be promising is the Hydrostor concept of storing air underwater. Therefore, maintaining a constant pressure while discharging the air storage is possible. With the following video, you may share the concept with your 4years old kids.

Liquid Air Electrical Storage

From this point, i would like to introduce you to the Liquid Air Electrical Storage (LAES) concept.

Liquefied air is known since the 1900s, independently  with the Claude process (giving birth to the company Air Liquide) and the Linde process (and its rival company Linde).

Liquefied air (at approx -190°C and rather low pressure) can store a big amount of energy that can be restored into electricity through revaporization and expansion to atmospheric pressure.

As of today, technology is considered mature and a 300 kWe pilot plant has been started by Highview power in the UK.

This technology is said to have a drawback with is to have a rather low electrical efficiency. I personally found it very interesting.

The web site of highview power with a nice virtual plant visit

Carnot Batteries

This part of the post will be updated later…

Sources :

Algorithme et machine learning : des idées pour les PME industrielles

le monde de la data

Algorithme et machine learning : des idées pour les PME industrielles

6 mars 2017, Reblog du 3 juillet 2019, Fabien MICHEL

Reprenons l’exemple du calcul du coût de revient d’un tuyau métallique, composé de différentes sections et coudes, soudés entre eux. La valeur de sortie (le coût de revient) est une combinaison des valeurs d’entrée avec certains coefficients que vous pouvez détailler selon différents cas.

Regardons 2 approches pour calculer le prix de ce tuyau :

L’approche classique

Le coût d’un tuyau métallique peut se décomposer  :

Coût d’un tuyau =

coût de la matière

+  coût de la soudure

+  coût de la peinture

+  frais fixe.

Si vous faites cette opération de manière fréquente, plutôt que de calculer à la main, vous aurez vite fait d’écrire un algorithme qui demande les longueurs, nombreux de coudes et diamètre de tuyaux pour vous donner le coût de revient final selon une somme de calculs intermédiaires. Pour cela, il vous faudra cependant réfléchir au lien entre le diamètre et la masse du tuyau d’une part, le temps de soudure d’autre part et bien d’autres liens, certes simples, entre vos variables d’entrées.

L’approche Supergeek : avec un peu de machine learning

(et beaucoup de données), dans ce cas, vous pouvez vous illustrer à la machine à café par une approche innovante :
– Rassembler toutes vos estimations précédentes dans un tableau avec des paramètres d’entrée x1, x2, x3 donnant un y. Ici x1, x2, x3 sont respectivement le diamètre, le nombre de section droite d’une longueur minimale et le nombre de coudes et y le prix.
– Séparer votre tableau en 2 jeux de données : le jeu d’apprentissage et le jeu de tests (c’est là qu’il faut beaucoup de données)
– Effectuer une régression linéaire par un algorithme type « gradient descent » sur l’ensemble de votre jeux d’apprentissage en postulant que  h(x) = ao.x0 + a1.x1 + a2x2. a3.x3  (avec xo=1). Ce faisant, votre algorithme va définir par « l’expérience », les valeurs de ai (i=1 à 4) qui minimisent l’écart entre y constaté et h(x) calculé
– vérifier que ça marche sur votre jeu de test en comparant y et h(x) pour ces lignes du tableau.

Une fois cela terminé, vous pourrez rentrer directement x1, x2, x3 pour vos prochains calculs pour trouver le prix y correspondant. Et vous n’aurez même pas eu besoin de connaitre le taux horaire du soudeur, ni la densité de l’acier, ni le lien entre les 2 !!

Quelle leçon en retenir ?

Dans ce petit exemple illustratif, sous réserve d’avoir un grand nombre de données et le bon modèle entre y et xi (ici linéaire), vous pourrez potentiellement vous affranchir de l’étape de réflexion de l’approche classique. En fait, il suffit d’un grand nombre de données et d’algorithme robuste pour pouvoir recréer une boîte noire qui transforme des valeurs d’entrées en une valeur de sortie, même sans rien connaitre au système interne.

Une leçon à méditer?

Histoire d’une invention : la machine à vapeur

ancêtre de la machine à vapeur

Histoire d’une invention : la machine à vapeur

30 Janvier 2013 (Reblog le 3Juillet 2019), Fabien MICHEL

J’ai beaucoup d’intérêt pour la manière dont les technologies prennent naissance, évoluent, se développent (et parfois meurent).

S’il est une technologie essentielle, pilier de la révolution industrielle, c’est bien la machine à vapeur. Si avant le 18eme siècle, seule l’énergie hydraulique pouvait subvenir aux besoins des usines de l’époque, avec la nécessité de disposer d’un accès à un fleuve et des courants puissants, c’est avec la machine à vapeur que l’industrialisation a peu s’affranchir de cette contrainte.

Je vais tenter de résumer le début de son histoire ci-dessous et je conseille le livre « Britain since 1700 » de RJ Cootes, en particulier pour son histoire des technologies de la révolution industrielle.

Si la possibilité de créer une force par la détente de vapeur est connue depuis l‘antiquité Grecque (avec l’Eolipyle de Heron d’Alexandrie), ce n’est qu’au XVIe siècle que se créent les premières applications.

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En 1690, Denis Papin, conçoit une machine à vapeur en condition atmosphérique. Il s’agit de la première réalisation combinant un cylindre (liée à une chaudière à vapeur) et un piston, guidé dans un sens par la pression de vapeur, et dans l’autre sens par la pression atmosphérique, une fois la vapeur condensée. Un système composé d’une crémaillère et de roues dentées relaie ce mouvement, permettant ainsi d’actionner n’importe quel mécanisme. On inverse ensuite le processus pour ramener le piston en place. Malheureusement, on ne peut recommencer qu’au bout de quelques minutes (le temps de laisser se refroidir le cylindre), alors qu’une véritable machine doit pouvoir fonctionner en continu. La « machine atmosphérique à piston flottant » de Papin n’est donc qu’une ébauche.

En 1698, Thomas Savery, utilise le principe pour construire une machine dont le but est de pomper l’eau des mines inondées. C’est une machine sans piston, qui fonctionne grâce à un jeu de robinets : on amène la vapeur d’eau depuis une chaudière jusqu’à un récipient contenant une partie de l’eau à épuiser, et l’irruption de la vapeur expulse l’eau vers le haut ; puis un jet d’eau froide condense cette vapeur et crée un vide partiel. L’eau située plus bas dans la mine est alors aspirée dans le récipient, et le cycle peut recommencer. Ce qui fait l’originalité de la machine de Savery, par rapport à celle de Papin, c’est la condensation accélérée de la vapeur, par arrosage extérieur du récipient, qui permet de réaliser une pompe foulante et aspirante efficace (quoique sujette à de nombreux accidents, en raison de l’absence de soupapes de sûreté).

En 1705-1706, Thomas Newcomen, améliore le design de Savery ce qui aide à la diffusion de la technologie. La vapeur provenant de la chaudière est introduite via une vanne dans un cylindre ouvert au dessus. Le piston se soulève sous l’effet de l’augmentation de la pression jusqu’à ce qu’un jet d’eau froide extérieur vienne condenser la vapeur, ce qui crée un vide, et l’action de la pression atmosphérique force le piston a redescendre dans le cylindre, actionnant la pompe. Ces premiers modèle étaient inefficaces, en particulier car il n’était pas possible de fabriquer les composants avec précisions (cylindre, piston). Cependant en 1711, une société est créée pour perfectionner les aspects mécaniques et l’invention (toujours une pompe), devient répandue dans les mines de charbon du Nord Est de l’Angleterre. Avec la capacité de pomper de l’eau à de grande profondeur, les pompes de Newcomen permettent de travailler dans des mines plus profondes. Dans les années 1770, une centaines de ces machines étaient installées essentiellement dans les mines de charbon, mais également pour l’approvisionnement en eau.

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En 1763, James Watt travaille sur une machine de Newcomen pour la réparer, et est frappé par son manque d’efficacité, en particulier à vis à vis de l’injection d’eau froide sous le piston pour condenser la vapeur, gaspillant la capacité thermique. Pour cela, Watt invente tout d’abord le condenseur séparé. Watt isole ensuite le cylindre ouvert pour que la vapeur soit introduite alternativement d’un côté, puis de l’autre du piston et expérimente une boite à injection.Une première société fut créée à partir de 1769, mais la production des machines soulève de nombreux problèmes techniques, ce qui mène la société à la faillite. Néanmoins, en 1774, avec de nouveaux partenaires, Watt relance une activité, en s’appuyant sur des compétences fortes en fabrication, et en utilisant les techniques de précision déployées tout récemment pour la réalisation de canons!!. Si l’entreprise devient florissante avec la reconduction des brevets en 1775 et 40 machines construites les 5 années suivantes, l’invention de Watt ne concerne encore à l’époque qu’une pompe.

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C’est le développement du mouvement circulaire en 1781, qui va transformer la pompe de Watt en moteur, en transformant un mouvement de va et bien vertical en mouvement circulaire. L’invention est perfectionnée en utilisant l’invention de William Murdock du réducteur planétaire.

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C’est ainsi que démarre réellement la diffusion de la technologie du moteur rotatif à vapeur. Avec le monopole des brevets sur la technologie de 1775 à 1800, Watts et ses partenaires auront construit près de 300 machines, mettant la technologie du moteur rotatif à l’honneur et remplaçant petit-à-petit les moulins à eau.

Au final, l’invention mettra plus d’un siècle à devenir opérationnelle et sous l’influence de plusieurs personnages et connaitra de nombreuses évolutions et perfectionnement les années et siècles suivants.

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Sources :

– Britain since 1700, RJ Cootes

-http://fr.questmachine.org/wiki/Histoire_de_la_machine_à_vapeur

– Lancelot Hogben, Science for the Citizen: A Self-Educator Based on the Social Background of Scientific Discovery, Illustrated by J. F. Horrabin (London: George Allen and Unwin Ltd., 1938)