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Volant d'inertie

Le stockage d'énergie par volant d'inertie fonctionne en donnant beaucoup de vitesse à une roue (volant d'inertie), et en maintenant une énergie de rotation dans le système. Lorsque l'énergie est récupérée, la vitesse de rotation du volant d'inertie baisse en application du principe de conservation de l'énergie. L'ajout d'énergie au système génère une hausse de la vitesse de rotation du volant.

La plupart des systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie utilisent l'électricité pour accélérer et ralentir le volant, mais il existe également des machines qui utilisent directement l'énergie mécanique.

Les volants d'inertie les plus évolués sont faits de fibre de carbone, en suspension magnétique et qui tournent entre 20000 et 50000 tours par minutes sous vide. Ces volants d'inertie peuvent acquérir leur vitesse en quelques minutes, soit bien plus vite que d'autres formes de stockage d'énergie.

Composition d'un volant d'inertie

Le système de stockage d'énergie par volant d'inertie classique est constitué d'une roue suspendue sous vide et combinée à un moteur - générateur électrique.

La roue du volant d'inertie

Les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie de première génération sont constitués d'un "volant" d'acier qui tourne sur des coussinets mécaniques. Les systèmes les plus récents utilisent plus volontiers la fibre de carbone, plus résistante à l'étirement que l'acier.

Les coussinets

Les coussinets magnétiques remplacent parfois les coussinets mécaniques pour réduire la perte d'énergie par friction.

Le coût de la réfrigération a forcé à l'abandon rapide des superconducteurs à basse température pour les coussinets magnétiques. Les coussinets en superconducteur à haute-température peuvent s'avérer économiques et allonger la durée de stockage par volant d'inertie. Ce sont des systèmes à coussinets hybrides qui devraient voir le jour les premiers. Dans ceux-ci, des aimants permanents soutiennent la charge, et des superconducteurs à haute température la stabilisent.

Physique des volants d'inertie

Par rapport aux autres moyens de stockage de l'électricité, les volants d'inertie ont une durée de vie assez longue (plusieurs dizaines d'années avec très peu de maintenance).

La capacité moyenne d'un volant d'inertie va de 3 à 133 kWh. Le temps de chargement n'excède généralement pas un quart d'heure. La densité énergétique qui est souvent citée pour les volants d'inertie peut être trompeuse, car les systèmes commercialisés en ont une bien plus faible, de l'ordre de 10 Wh/kg. Une tonne ne permet alors que de stocker 10 kWh.

Utilisation du volant d'inertie

Le volant d'inertie dans les transports

Volant d'inertie et automobile

Dans les années 1950, les Suisses ont mis en place des bus à volant d'inertie à Yverdon. Ces gyrobus font actuellement l'objet d'études pour tenter de les miniaturiser en accroissant leur capacité. Pour les batteries des véhicules, le volant d'inertie pourrait remplacer les batteries chimiques, proposant une capacité supérieure, un temps de charge plus rapide et une durée de vie plus longue.

Dans les années 1990, le fabricant automobile Rosen a développé un moteur hybride au gaz utilisant un volant d'inertie tournant à 55000 tours/minute pour améliorer l'accélération. Le volant d'inertie permet également de stocker l'énergie dans le cadre du freinage dynamique.

Volant d'inertie et rail

Le train a également fait l'objet de tests pour les volants d'inertie, et notamment dans de petites locomotives électriques pour l'aiguillage (par exemple la gyro-locomotive Sentinel-Oerlikon).

Alimentation sans interruption et volant d'inertie

Les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie actuels ont des capacités de stockage comparables aux batteries chimiques, et une capacité de décharge supérieure. Il sont essentiellement utilisés pour le nivellement de la charge des systèmes de batteries, par exemple pour des data-centers, car ils prennent moins de place que les batteries et restituent plus d'énergie.

La maintenance des volants d'inertie coût généralement moitié moins cher que les systèmes traditionnels d'alimentation sans interruption (UPS en anglais). Les seules contraintes sont une visite de maintenance annuelle et le changement des coussinets tous les cinq à dix ans, ce qui ne prend guère plus de quatre heures. Les coussinets de dernière génération n'ont même pas besoin d'être changés.

Régulation de la fréquence du courant

L'américain Beacon Power va ouvrir une centrale électrique de régulation de la fréquence en 2010. Cette adaptation permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre, d'accélérer le temps de réponse et permet d'acheter de l'électricité en heures creuses pour la restituer en heures pleines.

Volant d'inertie contre batterie chimique

Un changement de température n'affecte pas le volant d'inertie, contrairement aux batteries rechargeables. Le volant d'inertie n'a pas non plus l'effet mémoire dont souffrent les batteries chimiques. Sur l'aspect environnemental, le volant d'inertie n'utilise pas de composants chimiques. Par ailleurs, l'évaluation de l'énergie stockée dans un volant d'inertie est bien plus facile que dans une batterie chimique puisqu'il suffit de mesurer la vitesse de rotation.

Les limites du volant d'inertie

La résistance à l'étirement du volant est une des limites principales au développement des volants d'inertie. Pour mieux comprendre, il faut voir que plus le disque (la roue du volant) est solide, plus elle peut tourner vite, et donc plus elle peut accumuler d'énergie. Lorsque le système dépasse la résistance à l'étirement du disque, celui-ci se brise dans ce qu'on appelle l'explosion du volant. Par conséquent, le volant d'inertie doit être enfermé dans une enveloppe très solide par sécurité, mais cela accroît la masse de l'ensemble. Heureusement, les matériaux composites, comme la fibre de carbone, ont tendance à se pulvériser rapidement. Pourtant les volants d'inertie sont encore souvent enterrés par sécurité.

Une autre limite au volant d'inertie est le temps de stockage de l'énergie. Avec des coussinets mécaniques, le volant d'inertie peut perdre 20 à 50% de son énergie en deux heures. En revanche, les volants d'inertie à coussinet magnétique et sous vide peuvent maintenir une efficacité mécanique de 97%.