Un Volant d'inertie | stockage des énergies renouvelables

Un Volant d'inertie | stockage des énergies renouvelables

Arrêtez... démarrez... arrêtez... démarrez... ce n'est pas une façon de conduire ! Chaque fois que vous ralentissez ou arrêtez un véhicule ou une machine, vous gaspillez l'élan qu'il a accumulé au préalable, transformant son énergie cinétique (énergie de mouvement) en énergie thermique dans les freins. Ne serait-il pas préférable que vous puissiez stocker cette énergie lorsque vous vous arrêtez et la récupérer au prochain démarrage ? C'est l'une des tâches qu'un volant d'inertie peut accomplir pour vous. D'abord utilisé dans les roues de potier, puis très populaire dans les moteurs et machines géants pendant la révolution industrielle, le volant d'inertie fait maintenant son retour dans tous les domaines, des bus et des trains aux voitures de course et aux centrales électriques. 

Pourquoi nous avons besoin de volants d'inertie

Volant d'inertie sur un moteur de pompage de gaz Easton Amos

volant d inercie

Photo : Un volant d'inertie typique sur un moteur de pompage de gaz. Le volant est la plus grande des deux roues noires avec la lourde jante noire au centre. C'est l'un des nombreux moteurs fascinants que vous pouvez voir au Think Tank, le musée des sciences de Birmingham, en Angleterre.

Les moteurs sont les plus heureux et les plus efficaces lorsqu'ils produisent de la puissance à une vitesse constante et relativement élevée. Le seul problème, c'est que les véhicules et les machines qu'ils conduisent doivent fonctionner à toutes sortes de vitesses différentes et doivent parfois s'arrêter complètement. Les embrayages et les engrenages résolvent en partie ce problème. (Un embrayage est un "interrupteur" mécanique qui peut désengager un moteur de la machine qu'il entraîne, tandis qu'un engrenage est une paire de roues dentées qui s'emboîtent et qui modifie la vitesse et le couple (force de rotation) d'une machine, de sorte qu'elle peut aller plus vite ou moins vite même lorsque le moteur tourne à la même vitesse). Mais ce que les embrayages et les vitesses ne peuvent pas faire, c'est économiser l'énergie que vous gaspillez lorsque vous

Qu'est-ce qu'un volant d'inertie ?

Un volant d'inertie est essentiellement une roue très lourde qui nécessite beaucoup de force pour tourner. Il peut s'agir d'une roue de grand diamètre avec des rayons et une jante métallique très lourde, ou d'un cylindre de plus petit diamètre fait d'un matériau composite en fibre de carbone. Dans les deux cas, c'est le genre de roue qu'il faut pousser très fort pour la faire tourner. Tout comme un volant d'inertie a besoin de beaucoup de force pour se mettre en marche, il a besoin de beaucoup de force pour s'arrêter. Par conséquent, lorsqu'il tourne à grande vitesse, il a tendance à vouloir continuer à tourner (nous disons qu'il a un grand moment angulaire), ce qui signifie qu'il peut stocker une grande quantité d'énergie cinétique. On peut la considérer comme une sorte de "batterie mécanique", mais elle stocke l'énergie sous forme de mouvement (énergie cinétique, en d'autres termes) plutôt que l'énergie stockée sous forme chimique dans une batterie électrique traditionnelle.

Les volants d'inertie sont de toutes formes et de toutes tailles. Les lois de la physique (brièvement expliquées dans l'encadré ci-dessous - mais vous pouvez les ignorer si elles ne vous intéressent pas ou si vous les connaissez déjà) nous disent que les roues de grand diamètre et lourdes stockent plus d'énergie que les roues plus petites et plus légères, tandis que les volants qui tournent plus vite stockent beaucoup plus d'énergie que ceux qui tournent plus lentement.

Les volants d'inertie modernes sont un peu différents de ceux qui étaient populaires pendant la révolution industrielle. Au lieu de roues en acier larges et lourdes avec des jantes en acier encore plus lourdes, les volants du XXIe siècle ont tendance à être plus compacts et fabriqués en fibre de carbone ou en matériaux composites, parfois avec des jantes en acier, qui sont peut-être quatre fois moins lourdes.

Que fait un volant d'inertie ?

Volant d'inertie expérimental de la NASA

volant d inertie
Photo : Un volant d'inertie moderne typique ne ressemble même pas à une roue ! Il est constitué d'un cylindre en fibre de carbone qui tourne, monté à l'intérieur d'un conteneur très robuste, conçu pour arrêter tout fragment à grande vitesse si le rotor venait à se briser. Les volants de ce type sont équipés d'un moteur électrique et/ou d'un générateur, qui stocke l'énergie dans la roue et la restitue plus tard en cas de besoin. Photo avec l'aimable autorisation du Glenn Research Center de la NASA (NASA-GRC).

Imaginez un moteur de traction à vapeur à l'ancienne, c'est-à-dire un vieux tracteur lourd actionné par une machine à vapeur qui roule sur la route plutôt que sur les rails. Disons que nous avons un moteur de traction avec un grand volant d'inertie qui se trouve entre le moteur produisant la puissance et les roues qui prennent cette puissance et font avancer le moteur sur la route. Supposons en outre que le volant d'inertie soit équipé d'embrayages afin de pouvoir être connecté ou déconnecté de la machine à vapeur, des roues motrices ou des deux. Le volant d'inertie peut faire trois choses très utiles pour nous.

Tout d'abord, si la machine à vapeur produit de l'énergie de façon intermittente (peut-être parce qu'elle n'a qu'un seul cylindre), le volant d'inertie permet de lisser la puissance reçue par les roues. Ainsi, alors que le cylindre du moteur peut ajouter de la puissance au volant toutes les trente secondes (chaque fois que le piston sort du cylindre), les roues peuvent prendre de la puissance au volant à un rythme régulier et continu - et le moteur roulera en douceur au lieu de s'emballer par à-coups (comme il le ferait s'il était alimenté directement par le piston et le cylindre).

Deuxièmement, le volant d'inertie peut être utilisé pour ralentir le véhicule, comme un frein, mais un frein qui absorbe l'énergie du véhicule au lieu de la gaspiller comme un frein normal. Supposons que vous conduisiez un moteur de traction dans une rue et que vous vouliez soudainement vous arrêter. Vous pourriez débrayer le moteur à vapeur avec l'embrayage pour que le véhicule commence à ralentir. Ce faisant, l'énergie serait transférée du véhicule au volant d'inertie, qui prendrait de la vitesse et continuerait à tourner. Vous pourriez alors débrayer le volant d'inertie pour faire arrêter complètement le véhicule. La prochaine fois que vous repartirez, vous utiliserez l'embrayage pour reconnecter le volant d'inertie aux roues motrices, de sorte que le volant d'inertie restitue une grande partie du moteur qu'il a absorbé lors du freinage.

Troisièmement, un volant d'inertie peut être utilisé pour fournir une puissance supplémentaire temporaire lorsque le moteur ne peut pas en produire suffisamment. Supposons que vous vouliez dépasser un cheval et une charrette qui se déplacent lentement. Supposons que le volant d'inertie tourne depuis un certain temps mais qu'il n'est actuellement relié ni au moteur ni aux roues. Lorsque vous le reconnectez aux roues, c'est comme un second moteur qui fournit une puissance supplémentaire. Mais il ne fonctionne que temporairement, car l'énergie que vous fournissez aux roues doit être perdue par le volant d'inertie, ce qui le ralentit.

Une brève histoire des volants d'inertie

Anciens volants d'inertie

 

On pourrait dire que les volants d'inertie sont parmi les plus anciennes des inventions : les premières roues étaient faites de pierre lourde ou de bois massif et, parce qu'elles avaient un moment d'inertie élevé, elles fonctionnaient comme des volants d'inertie, qu'elles y soient destinées ou non. Le tour de potier (peut-être la plus ancienne forme de tour qui existe - même plus ancienne que les roues utilisées pour le transport) repose sur le fait que son plateau tournant est solide et lourd (ou a une jante lourde), il a donc un moment d'inertie élevé qui le fait tourner tout seul pendant que vous façonnez l'argile dessus avec vos mains. Les roues hydrauliques, qui produisent de l'énergie à partir des rivières et des ruisseaux, sont également conçues comme des volants, avec des rayons solides mais légers et des jantes très lourdes, de sorte qu'elles continuent de tourner à un rythme constant et d'alimenter les moulins à une vitesse constante. Les roues hydrauliques de ce type sont devenues populaires à partir de l'époque romaine.

 

Modèle d'une roue à aubes en dessous montrant la conception en forme de volant d'inertie des rayons et l'épaisseur de la jante extérieure.

 inertie

Photo : Les roues hydrauliques utilisent le principe du simple volant d'inertie pour se maintenir en rotation à une vitesse constante. Voici une maquette d'une roue à aubes (actionnée par une rivière qui coule en dessous).

 

Volants d'inertie de la révolution industrielle

Les volants les plus connus datent de la révolution industrielle et sont utilisés dans des choses comme les machines à vapeur d'usine et les moteurs de traction. Si vous regardez de près presque toutes les machines d'usine du 18e ou 19e siècle, vous verrez un énorme volant d'inertie quelque part dans le mécanisme. Comme les volants sont souvent très grands et tournent à grande vitesse, leurs lourdes jantes doivent résister à des forces extrêmes. Elles doivent également être fabriquées avec précision car, si elles sont même légèrement déséquilibrées, elles oscillent trop et déstabilisent ce à quoi elles sont attachées. La grande disponibilité du fer et de l'acier pendant la révolution industrielle a permis de concevoir des volants d'inertie de haute précision et de bonne facture, qui ont joué un rôle essentiel dans le bon fonctionnement des moteurs et des machines.

 

Grâce aux travaux de pionniers de l'électricité au XIXe siècle, comme Thomas Edison, l'énergie électrique a rapidement été disponible pour faire fonctionner les machines d'usine, qui n'avaient plus besoin de volants pour lisser les machines à vapeur erratiques alimentées au charbon. Pendant ce temps, les véhicules routiers, les bateaux, les trains et les avions utilisaient des moteurs à combustion interne alimentés par de l'essence, du diesel et du kérosène. Les volants d'inertie étaient généralement grands et lourds et n'avaient pas leur place dans un moteur de voiture ou un navire, encore moins dans un avion. En conséquence, la technologie des volants d'inertie a été quelque peu abandonnée au cours du XXe siècle.

 

Les volants d'inertie modernes

Depuis le milieu du XXe siècle, l'intérêt pour les volants d'inertie a repris, en grande partie parce que les gens sont devenus plus préoccupés par le prix des carburants et l'impact environnemental de leur utilisation ; il est logique d'économiser l'énergie - et les volants d'inertie sont très efficaces à cet égard. Depuis les années 1950 environ, des constructeurs d'autobus européens tels que M.A.N. et Mercedes-Benz expérimentent la technologie des volants d'inertie dans des véhicules appelés "gyrobus". L'idée de base est de monter un volant d'inertie en acier lourd (environ 60 cm de diamètre, tournant à environ 10 000 tr/min) entre le moteur arrière de l'autobus et l'essieu arrière, afin qu'il fasse office de pont entre le moteur et les roues. Chaque fois que le bus freine, le volant d'inertie fonctionne comme un frein à récupération, absorbant l'énergie cinétique et ralentissant le véhicule. Lorsque le bus redémarre, le volant d'inertie renvoie son énergie à la transmission, ce qui permet d'économiser une grande partie de l'énergie de freinage qui aurait autrement été gaspillée. Les trains et les métros modernes font également un usage répandu des freins à volant d'inertie régénératifs, ce qui permet d'économiser un tiers ou plus de l'énergie totale. Certains constructeurs de voitures électriques ont proposé d'utiliser des volants d'inertie à rotation ultra-rapide comme dispositifs de stockage d'énergie au lieu de batteries. L'un des grands avantages de cette solution serait que les volants d'inertie pourraient potentiellement durer toute la vie d'une voiture, contrairement aux batteries, qui devront probablement être remplacées à un coût très élevé au bout d'une dizaine d'années.

 

Volant spatial de la NASA

moderne flywheel 

Photo : Un volant d'inertie moderne développé par la NASA pour une utilisation dans l'espace. Notez que le centre argenté de la roue est principalement constitué d'espace vide et de rayons, alors que la masse de la roue est concentrée autour de la jante. Cela donne à la roue ce que l'on appelle un moment d'inertie élevé (expliqué plus en détail ci-dessous) et lui permet de stocker plus d'énergie. Photo avec l'aimable autorisation du Glenn Research Center de la NASA (NASA-GRC).

 

Ces dernières années, les voitures de course de formule 1 ont également utilisé des volants d'inertie, mais davantage pour fournir un surcroît de puissance que pour économiser de l'énergie. Cette technologie, appelée KERS (Kinetic Energy Recovery System), consiste en un volant d'inertie très compact et à très grande vitesse (tournant à 64 000 tr/min) qui absorbe l'énergie qui serait normalement perdue sous forme de chaleur lors du freinage. Le conducteur peut actionner un interrupteur sur le volant pour que le volant s'engage temporairement dans le groupe motopropulseur de la voiture, ce qui donne une brève impulsion de vitesse lorsqu'une puissance supplémentaire est nécessaire pour l'accélération. Avec un volant d'inertie aussi rapide, les considérations de sécurité deviennent extrêmement importantes ; le volant d'inertie est monté à l'intérieur d'un conteneur en fibre de carbone super robuste pour éviter qu'il ne blesse le conducteur s'il explose. (Certaines formes de KERS utilisent des moteurs électriques, des générateurs et des batteries pour stocker l'énergie à la place des volants d'inertie, de la même manière que les voitures hybrides).

 

Tout comme les volants d'inertie - sous la forme de roues hydrauliques - ont joué un rôle important dans les efforts de l'homme pour exploiter l'énergie, ils font un retour dans la production moderne d'électricité. L'une des difficultés des centrales électriques (et plus encore des formes d'énergie renouvelable comme l'énergie éolienne et solaire) est qu'elles ne produisent pas nécessairement de l'électricité en permanence, ou d'une manière qui corresponde exactement à la hausse et à la baisse de la demande au cours d'une journée. Un problème connexe est qu'il est beaucoup plus facile de produire de l'électricité que de la stocker en grande quantité. Les volants d'inertie offrent une solution à ce problème. Aux moments où l'offre d'électricité est supérieure à la demande (comme la nuit ou le week-end), les centrales électriques peuvent alimenter leur surplus d'énergie dans d'énormes volants d'inertie, qui la stockeront pendant des périodes allant de quelques minutes à plusieurs heures et la restitueront aux moments de pointe. Dans trois centrales situées à New York, au Massachusetts et en Pennsylvanie, Beacon Power a été la première à utiliser des volants d'inertie pour fournir jusqu'à 20 mégawatts de stockage d'énergie afin de répondre aux pics temporaires de la demande. Elles sont également utilisées dans des endroits comme les centres de données informatiques pour fournir une alimentation de secours en cas de panne.

 

Avantages et inconvénients des volants d'inertie

Les volants d'inertie sont une technologie relativement simple qui présente de nombreux avantages par rapport à ses concurrents, comme les batteries rechargeables : en termes de coût initial et de maintenance continue, ils sont moins chers, durent environ dix fois plus longtemps (il existe encore de nombreux volants d'inertie en fonctionnement datant de la révolution industrielle), sont respectueux de l'environnement (ils ne produisent pas d'émissions de dioxyde de carbone et ne contiennent pas de produits chimiques dangereux qui polluent), fonctionnent dans presque tous les climats et sont très rapides à mettre en service (contrairement aux batteries, par exemple, qui peuvent mettre de nombreuses heures à se recharger). Elles sont également extrêmement efficaces (peut-être 80 % ou plus) et prennent moins de place que les piles ou d'autres formes de stockage d'énergie (comme les réservoirs d'eau pompée).

 

Utiliser un volant d'inertie pour stocker l'énergie produite par un panneau solaire

 solar flywheel

Photo : Les volants d'inertie constituent une excellente alternative aux piles. Ici, un volant d'inertie (à droite) est utilisé pour stocker l'électricité produite par un panneau solaire. L'électricité produite par le panneau entraîne un moteur/générateur électrique qui fait tourner le volant d'inertie. Lorsque l'électricité est nécessaire, le volant d'inertie entraîne le générateur et produit à nouveau de l'électricité. Photo de Warren Gretz, avec l'aimable autorisation du ministère américain de l'énergie et des ressources naturelles (US DOE/NREL)

Le plus grand inconvénient des volants d'inertie (certainement en ce qui concerne les véhicules) est le poids qu'ils ajoutent. Un volant d'inertie complet de Formule 1 KERS (y compris le conteneur, l'hydraulique et les systèmes de contrôle électronique dont il a besoin) pèse environ 25 kg de plus que le poids de la voiture, ce qui représente une charge supplémentaire importante. Un autre problème (en particulier pour les pilotes de Formule 1) est qu'une grande roue lourde qui tourne à l'intérieur d'une voiture en mouvement aura tendance à agir comme un gyroscope, résistant aux changements de direction et pouvant affecter la maniabilité du véhicule (bien qu'il existe diverses solutions, notamment le montage de volants d'inertie sur des cardans comme un compas de bateau). Une autre difficulté réside dans les énormes contraintes et sollicitations que subissent les volants d'inertie lorsqu'ils tournent à des vitesses extrêmement élevées, ce qui peut les faire éclater et exploser en fragments. Cela limite la vitesse à laquelle les volants peuvent tourner et, par conséquent, la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker. Alors que les volants traditionnels étaient fabriqués en acier et tournaient à l'air libre, les volants modernes sont plus susceptibles d'utiliser des composites ou des céramiques à haute performance et d'être scellés à l'intérieur de conteneurs, ce qui permet d'atteindre des vitesses et des énergies plus élevées sans compromettre la sécurité.

Partager cet article...
Publication précédente Publication suivante

Articles similaires

Comment choisir la bonne pompe à eau solaire ? | energie solaire
Comment choisir la bonne pompe à eau solaire ? | energie solaire
Il existe plusieurs types et qualités de pompes à eau solaires disponibles sur le marché. Il existe essentiellement q...
Lire aussi
4 points critiques aident à concevoir des systèmes | pompe solaire
4 points critiques aident à concevoir des systèmes | pompe solaire
4 points critiques aident à concevoir des systèmes de pompage solaire réussis Une solution de pompage solaire correct...
Lire aussi
À savoir si je peux utiliser un disjoncteur AC pour le DC ?
À savoir si je peux utiliser un disjoncteur AC pour le DC ?
 Connaître les caractéristiques électriques du courant continu et ses différences par rapport au courant alternatif e...
Lire aussi
Comment construire votre propre système de panneaux solaires ?
Comment construire votre propre système de panneaux solaires ?
Le faire soi-même est devenu plus qu'une tendance pour de nombreux propriétaires aventureux - c'est un mode de vie. L...
Lire aussi
Comment choisir un Onduleur pour votre ordinateur
Comment choisir un Onduleur pour votre ordinateur
Une prise de courant bon marché peut protéger l'équipement contre les surtensions, mais elle ne fait rien pour vous a...
Lire aussi
COVID-19 Les conseils relatifs à l’utilisation des masques | CORONAVIRUS SENEGAL
COVID-19 Les conseils relatifs à l’utilisation des masques | CORONAVIRUS SENEGAL
Devenu tendance comme moyen de sécurité et préventif de l’épidémie COVID-19.  Les masques contre la poussière et les...
Lire aussi

Commentaires

Laisser un commentaire

Ils nous ont fait confiance