Stockage inertiel de l'énergie

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.