I NTRODUCTION GENERALE
2.4 V OLANTS D ’ INERTIE
Les volants d’inertie sont des éléments de stockage mécanique, indirect, considérés comme des sources de puissance élevée.
L’énergie électrique peut, après transformation, être stockée sous forme d’énergie mécanique : potentielle (pesanteur) ou inertielle (cinétique). L’énergie potentielle étant principalement liée à la génération centralisée de l’énergie électrique, le paragraphe suivant portera sur le stockage par énergie cinétique et particulièrement sur le volant d’inertie.
2.4.1 ORIGINE /HISTORIQUE
L’idée de stocker de l’énergie à l’aide d’un mobile en mouvement est ancienne (plusieurs milliers d’années). Le premier brevet concernant le volant d’inertie a été déposé en 1868 par Louis Guillaume Perreaux de l’Orne [21]. C’est au XXème siècle que le volant d’inertie sera étudié avec intérêt pour le stockage de l’énergie sous forme cinétique.
18 2.4.2 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L’énergie électrique est utilisée pour accélérer un volant entraîné par une machine électrique (en fonctionnement moteur). Le stockage de l’énergie est alors réalisé sous forme cinétique de rotation. L’énergie stockée est restituée par la machine électrique (en fonctionnement générateur) entraînée par le volant d’inertie. Le dispositif est donc constitué d’un volant d’inertie + paliers, d’une machine électrique, d’une électronique de puissance associée et d’une enceinte de protection.
FIGURE I-8 : STRUCTURE D’UN ACCUMULATEUR D’ENERGIE ELECTROMECANIQUE [22]
2.4.3 TECHNOLOGIES
Pour le volant, plusieurs matériaux peuvent être utilisés, en fonction des contraintes mécaniques notamment [21] :
Matériau Densité énergétique [Wh.kg-1]
Aciers Entre 30 et 70
Aluminium Entre 30 et 60
Titane Entre 55 et 80
Composites Entre 135 et 285
TABLEAU I-4 : CARACTERISTIQUES DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE VOLANT D’INERTIE
En ce qui concerne le moteur/générateur, plusieurs types de machines peuvent être associés au volant d’inertie : Machine Asynchrone (MAS), Machine Synchrone (MS), MS à aimants permanents (MSAP), MS à reluctance variable (MSRV), … Le choix de la machine se fait suivant les critères suivants : vitesse de rotation, rendement en charge et en décharge, bruits mécaniques, coût, …
Concernant les paliers, on distingue deux types de contacts : mécanique (réalisé par paliers à billes) et magnétique (paliers actifs, passifs ou supraconducteurs). Les paliers mécaniques sont les plus utilisés car leur coût est plus faible que les paliers magnétiques. Cependant, ils sont sensibles à l’usure mécanique et génèrent des pertes non négligeables. Les dispositifs à suspension magnétique sont nécessaires dès que les durées de stockage dépassent 24 heures.
Enfin l’enceinte de confinement est nécessaire pour assurer la protection de l’environnement en cas de défaillance du volant. Elle doit présenter des propriétés de tenue mécanique élevées car elle maintient les paliers et doit supporter la différence de pression entre l’extérieur et l’intérieur (le vide est nécessaire dans l’enceinte pour limiter les effets aérodynamiques à vitesse élevée).
19 2.4.4 GRANDEURS CARACTERISTIQUES
L’énergie stockée dans un volant d’inertie est proportionnelle à son moment d’inertie, suivant la relation :
I-10
Avec : WVI : énergie stockée dans le volant d’inertie [J]
J : moment d’inertie [kg.m²]
Ω : vitesse de rotation du volant d’inertie [rad.s-1]
Si le volant d’inertie est considéré comme un cylindre mince (c’est-à-dire dans le cas où on peut assimiler le rayon extérieur au rayon intérieur du cylindre), on a les relations suivantes :
I-11
I-12
Avec : εM : densité énergétique massique [J.kg-1] εV : densité énergétique volumique [J.m-3] νext : vitesse périphérique du cylindre mince [m.s-1]
VI : masse volumique du volant [kg.m-3] L’énergie maximale stockée dans un volant d’inertie est :
I-13
Il est d’usage de faire fonctionner le volant d’inertie à une vitesse comprise entre la vitesse maximale et la moitié de celle-ci. L’énergie récupérée sur cette plage de vitesse est égale à 75% de l’énergie maximale stockée (Figure I-9):
I-14
Avec : WVI_utile : énergie utile restituée par le volant d’inertie [J]
WVI_max : énergie maximale stockée dans le volant d’inertie [J]
Ωmax : vitesse de rotation maximale du volant d’inertie [rad.s-1]
2.4.5 PROPRIETES
Les propriétés d’un volant d’inertie sont les suivantes :
- la densité énergétique massique d’un volant d’inertie peut atteindre 100Wh.kg-1 si l’on considère le volant seul, en matière composite permettant d’atteindre une vitesse périphérique élevée (de l’ordre de 1000m.s-1). Si on considère le volant d’inertie avec son environnement (paliers, enceinte de confinement, moteur/générateur, …), la densité d’énergie massique chute entre 5 et 25Wh.kg-1. - la densité de puissance massique peut atteindre jusqu’à 2kW.kg-1 [22]
- la durée de décharge est de l’ordre de la minute pour une application impulsionnelle et de l’ordre de l’heure pour une application de lissage de charge par exemple.
20
FIGURE I-9 : CARACTERISTIQUE DE DECHARGE D’UN VOLANT D’INERTIE EN FONCTION DE SA VITESSE DE ROTATION
La Figure I-10 présente le diagramme de Ragone et le diagramme « toile d’araignée » pour le système à volant d’inertie.
FIGURE I-10 : DIAGRAMMES DE RAGONE ET TOILE D’ARAIGNEE – SYSTEME VOLANT D’INERTIE
2.4.6 APPLICATIONS
Les volants d’inertie sont utilisés pour des moyens de transport (train, tramway, bus), notamment pour récupérer l’énergie de freinage et dans des applications stationnaires pour des alimentations non interruptibles ou du lissage de charge [23]. Certains dispositifs sont commercialisés dans ces deux applications. Les problématiques de sûreté de fonctionnement sont à prendre en considération pour ce dispositif. Pour les applications stationnaires, il est courant d’enterrer le dispositif pour anticiper le risque de dégradation en cas de rupture mécanique. Les volants les plus performants en termes d’énergie spécifique sont ceux en matériaux composites, qui sont également les plus chers. Le coût du kilo-Watt diffère suivant l’application : pour un volant impulsionnel (de 100W.kg-1 à quelques kW.kg-1), on l’estime entre 150 et 250€/kW ; pour un volant de lissage (de quelques Wh.kg-1 à 25Wh.kg-1), on l’estime entre 30 à 80€/kW [24]. L’aspect système pour ce moyen de stockage est très important dans la mesure où les performances du volant rapportées au système complet sont bien inférieures à celles du volant seul.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 20 40 60 80 100
WVI_utile/WVI_max
Ωmin/Ωmax
0 1 2 3 4 5 Energie spécifique
Puissance spécifique
Temps de décharge
Nombre de cycles Rendement
Auto- décharge
21
3 L
ES ELEMENTS DE STOCKAGE COMME DES SOURCES D’
ENERGIELes moyens de stockage considérés comme des sources d’énergie sont des dispositifs capables de fournir une certaine puissance pendant un temps relativement long au vu de l’Application. Ci-après sont donc présentés des SSE que l’on identifie comme source d’énergie compte tenu des temps de mission d’un aéronef, à savoir :
- les accumulateurs électrochimiques (notamment les accumulateurs au plomb, au nickel et au lithium)
- le système {Pile à Combustible + stockage Hydrogène + Electrolyseur}