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1 - COMPOSANTS DE STOCKAGE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : VOLANT D'INERTIE

2 - VOLANT D'INERTIE

3 - SYSTÈME INERTIEL DE STOCKAGE D'ÉNERGIE SISE

4 - APPLICATIONS DES VOLANTS D'INERTIE (SISE)

5 - CONCLUSIONS GÉNÉRALES

Article de référence | Réf : D4030 v2

Composants de stockage d'énergie électrique : volant d'inertie
Stockage inertiel de l'énergie

Auteur(s) : Juliette KAUV, Jean BONAL, Pierre ODRU

Date de publication : 10 mai 2012

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RÉSUMÉ

Le stockage de l'énergie issue des combustibles fossiles est correctement maîtrisé, il n’en est pas de même pour l’électricité. Pour autant, ce choix représente une solution intéressante pour l’avenir, notamment pour absorber les variations importantes dans les secteurs du transport, de l’habitat et des industries. Le volant d’inertie est un composant de stockage dont la capacité est de stocker et de restituer de l’énergie électrique sous forme d’énergie cinétique. Ce dispositif présente beaucoup d’avantages : peu de sensibilité aux variations de température, une autonomie et une durée de vie importantes. Toutefois sa technologie reste assez complexe, aggravée par un risque d’explosion lors de son utilisation.

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ABSTRACT

Although the storage of energy from fossil fuels is correctly mastered, this is not the case for electricity. However, this choice represents an interesting solution for the future notably in order to absorb important variations in the transportation, housing and industry sectors. The inertia wheel is a storage component which is able to store and return electric energy in the form of kinetic energy. This application presents many advantages i.e. little sensitiveness to variations in temperature as well as a significant autonomy and life-cycle. However its technology remains rather complex which is aggravated by explosion hazards during use.

Auteur(s)

  • Juliette KAUV : Docteur ès sciences - Ingénieur de recherche à l'Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux IFSTTAR

  • Jean BONAL : Ingénieur ESE - Docteur ingénieur - Chargé de cours à l'École Spéciale des Travaux Publics ESTP

  • Pierre ODRU : Ingénieur de recherche principal - IFP Énergies nouvelles

INTRODUCTION

En ce début de millénaire, les énergies fossiles représentent 80 % de la consommation énergétique mondiale, mais force est de constater que les besoins énergétiques de l'humanité ne pourront être satisfaits à l'avenir uniquement par ces énergies qui ont été stockées au cours des ères géologiques antérieures dans les couches superficielles de notre planète.

Le stockage de l'énergie à travers l'utilisation de combustibles fossiles est aisé. Il n'en est pas de même avec l'électricité, appelée à jouer un rôle de plus en plus important en substitution, qui ne se stocke pas directement, mais qui doit passer à travers des transformations réversibles (potentiel gravitaire, électrochimique, cinétique...).

Dans le futur, la fonction stockage deviendrait elle-même une source « dynamique » de puissance en ce sens qu'elle devrait être capable de fournir et d'accepter les pointes de puissance transitoires demandées par les charges utilisatrices. La source « principale », quant à elle, se limitant à fournir la puissance moyenne appelée par ces charges.

Un tel découplage permettrait de réduire la puissance de dimensionnement de la source principale, ce qui devrait conduire à des gains en termes d'investissement, de matière première et de coûts d'exploitation et à des gains au niveau du rendement global des divers systèmes énergétiques. De telles évolutions seraient déjà en germe aux niveaux des engins de transport (voitures hybrides – réseau de transport en commun...) et des réseaux de distribution en énergie électrique ou thermique.

Le challenge présentement proposé aux chercheurs et aux ingénieurs réside dans la mise au point de solutions de stockage adaptées aux demandes variées des divers secteurs économiques (transports, habitats, industries...).

Le stockage de l'énergie peut répondre à plusieurs problématiques :

  • il peut compenser une insuffisance due à un écart entre l'offre et la demande, ou à un déphasage entre la production et la consommation d'énergie ; c'est notamment le cas lorsque l'on utilise des énergies renouvelables photovoltaïque ou éolienne. La taille de l'élément de stockage doit être adaptée en fonction des paramètres de la source et du consommateur ;

  • il peut pallier une interruption accidentelle de la fourniture d'énergie ; c'est le cas notamment dans les applications alimentations de sécurité où la rupture de la chaîne énergétique ne peut être tolérée sous peine de dégâts irréparables, par exemple, des salles d'opérations, des salles de commande de certains process industriels ou de centres de décisions stratégiques ;

  • il peut conduire à une baisse de la consommation énergétique dans toutes les applications de type cyclique où il est nécessaire de dépenser de l'énergie pour mettre des véhicules en mouvement et où une partie de cette énergie peut être récupérée dans la phase de décélération du véhicule.

Dans ce dossier, nous présentons un composant de stockage d'énergie électrique, le volant d'inertie, qui est un dispositif symétrique tournant autour d'un axe de révolution, ayant le plus souvent une forme discoïdale ou cylindrique, capable de stocker et de restituer de l'énergie sous forme d'énergie cinétique.

Le fait que des masses tournantes puissent emmagasiner et restituer de l'énergie a été observé et utilisé par les artisans potiers de Mésopotamie il y a environ 5 500 ans. Le premier brevet sur le volant d'inertie déposé par Louis Guillaume Perreaux de l'Orne datait du 26 décembre 1868. Ce dispositif permettait d'accumuler de l'énergie dans le but de lisser un mouvement de rotation, il était utilisé plus tard pour le vélocipède à vapeur.

Nous décrivons un volant d'inertie en partant de son principe physique et traitons ensuite la façon de concevoir un système inertiel de stockage d'énergie électrique. Nous abordons également les aspects de son dimensionnement, le choix des matériaux utilisés et les différents constituants pour sa fabrication. Nous terminons par des exemples d'utilisations des volants d'inertie dans les domaines des applications stationnaires et embarquées.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d4030


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1. Composants de stockage d'énergie électrique : volant d'inertie

1.1 Comparaison des caractéristiques des composants de stockage

Le diagramme de Ragone représenté figure 1  permet de situer les composants de stockage d'énergie électrique les uns par rapport aux autres, en termes de densité d'énergie spécifique et de densité de puissance spécifique. Il apparaît que le supercondensateur est bien adapté pour fonctionner en régime impulsionnel (forte à très forte puissance pendant des temps très courts d'où une énergie relativement faible).

Par définition, la densité massique, ou énergie spécifique, est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur ; elle correspond à la quantité d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse.

On peut utiliser aussi la densité volumique, ou densité d"énergie qui correspond à la quantité d'énergie (Wh/m3) qu'il peut restituer par rapport à son volume.

La puissance massique, ou puissance spécifique, correspond à la puissance rapportée à la masse de l'accumulateur, et s'exprime en Watt par kilogramme (W/kg).

Le volant d'inertie est un composant intermédiaire entre les capacités diélectriques et les batteries électrochimiques. Il a des performances en énergie et en puissance comparables aux supercondensateurs.

Il est important de rappeler que la comparaison des systèmes de stockage d'énergie doit prendre en compte des paramètres suivants : temps de recharge du composant, sa durée de vie ou le nombre de cycles maximal pour une profondeur de décharge optimale sans dégradation prématurée du composant, et surtout du type d'application visée.

Le temps de recharge des supercondensateurs est inférieur à 30 s et ils peuvent admettre des centaines de milliers de cycles de charge-décharge.

Le temps de recharge des volants d'inertie est compris entre 80 et 120 s et ils admettent un nombre...

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BIBLIOGRAPHIE

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  • (2) - ARVIN (A.), BAKIS (Ch.) -   Optimal design of press-fitted filament wound composite flywheel rotors.  -  Pennsylvania State University, Elsevier (2004).

  • (3) - ASHLEY (S.) -   Designing safer flywheels.  -  Mechanical engineering, vol. 118, no 11, p. 88-91 (1996).

  • (4) - BAI (Y.) et al -   Design of composite flywheel rotor.  -  Mechanical Engineering China (2008).

  • (5) - BEACON Power -   20 MW frequency regulation plant.  -  3 nov. 2010.

  • (6) - BENDR (D.) -   Flywheels for renewable energy and power quality applications.  -  ...

1 Sites Internet

Beacon power https://beaconpower.com/

Blueprint Energy http://www.blueprintenergy.com/

Flywheel Module and System technical Specifications. Prepared by Flywheel Energy Systems InC. Ottawa, on K2H 8S1 Canada, (May 2009) http://www.electricitystorage.org/site/technologies/

Electricity Storage Association – power quality, power supply http://www.flybridsystems.com/ http://www.grepes.be/PDF/presentation/schouleur_sapin_palier_magnetique.pdf https://energystorage.org/

Renewable and Alternative Energy Resources by KINNEY (L.), (February 1999) http://www.moteurnature.com/actu/2010/Porsche-gt3R-hybride.php http://www.nedo.go.jp/

Compact Flywheel Energy Storage System, Takayata, Thoolen, Nonami, (Avril 2001) http://www.piller.com/ http://www.railwaygazette.com/nc/news/single-view/view/kinetic-energy-storage-wins-acceptance.html https://ieeexplore.ieee.org/document/1377830

Flywheel Dangers, Mind the RPM's....

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