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Posté le 21/02/2017 à 06:00 par Philippe Schwoerer - Lu 9491 fois - 16 commentaires


Le volant d’inertie, un avenir pour la mobilité électrique et les énergies renouvelables ?


Volant d’inertie, roue d’inertie, moteur à inertie, machine à inertie, accumulateur cinétique à inertie, SREC, Kers, flywheel : autant de noms pour qualifier un dispositif apparu il y a très longtemps afin d’emmagasiner puis restituer de l’énergie à la demande, notamment pour fournir une forte puissance au lancement d’un mécanisme, quel qu’il soit. Son principe gyroscopique qui s’épuise par frottement impose d’exploiter à relatif court terme la réserve accumulée. Pour la mobilité, le système peut être embarqué à bord des véhicules, auquel cas il doit être d’un poids et de dimensions relativement modestes. En revanche, il est aussi possible de l’inclure dans une architecture extérieure bien plus volumineuse, soit pour récupérer l’énergie des forts ralentissements et freinages récurrents (métro), soit pour ne pas perdre les bénéfices d’une production EnR.

Potiers de Mésopotamie

De quand date exactement le principe du volant d’inertie ? De très longtemps, puisqu’un tel dispositif qui permet de conserver et de restituer de l’énergie pour faire fonctionner un tour de potier avec régularité était déjà exploité il y a près de six millénaires en Mésopotamie. Mille ans plus près de nous, un disque recouvert de pierres taillées améliorait déjà un rouet d’enroulement de fibres textiles. Scieries, moulins, puits, machineries de théâtre, etc. : on ne compte plus les diverses applications du moteur à inertie qui a su traverser le siècle dernier plus particulièrement pour des besoins industriels spécifiques, comme le concassage des cailloux pour obtenir du gravier.

Du vélocipède aux autobus

L’entrée du volant d’inertie au service de la mobilité semble dater de décembre 1868, avec le dépôt d’un brevet par l’ingénieur français Louis-Guillaume Perreaux pour un vélocipède à grande vitesse, censé pouvoir emporter son utilisateur à vive allure, c’est-à-dire à environ 35 km/h. Motorisé avec une machine à vapeur, le dispositif, alimenté en énergie par les petits sauts répétés du pilote sur son siège fixé à un ressort à lame, servait en quelque sorte d’assistance. Même pas 100 ans plus tard, le concept d’une propulsion au moyen d’un moteur à inertie, développé par la société Suisse Oerlikon, a été appliqué aux Gyrobus. Le principe permettait de se passer du coûteux réseau de caténaires nécessaire à la circulation d’une flotte de Trolleybus. A bord de ces bus qui ont véritablement circulé dans plusieurs villes de Belgique : un moteur électrique de traction couplé à une roue d’inertie disposée à plat sous le plancher. Réalisée en acier, elle pesait tout de même 1,5 tonne pour 1,6 mètre de diamètre. Cette architecture était suffisante pour que l’engin rejoigne à 50-60 km/h l’arrêt suivant distant de seulement quelques kilomètres. Là, le temps de renouveler les passagers, une perche située sur le véhicule permettait de recevoir l’électricité du réseau pour alimenter le moteur/générateur (mode moteur), spécifique au volant, pour relancer ce dernier à 3.000 tr/min (soit 900 km/h en périphérie). En phase de roulage, le moteur de traction recevait son énergie du système gyroscopique via le même appareil alors en mode générateur.

Un projet pour Bordeaux dans les années 1990

On aurait pu croire le volant d’inertie définitivement écarté de la mobilité du fait d’une conduite des véhicules rendue problématique par un pesant fardeau. La force gyroscopique affectait les changements de direction (rappelez-vous les jouets à friction dont ce système est le principe actif), et les risques d’un accident gravissime étaient réels avec l’énorme disque d’acier qui pouvait s’échapper de son logement. Il en fallait plus pour décourager la communauté urbaine de Bordeaux (33) qui comptait s’appuyer sur les travaux de l’université locale, en partenariat avec l’Aérospatiale, pour s’affranchir de ces problèmes. Grâce à un volant d’inertie d’un diamètre de seulement 35 cm pour un poids de 250 kilos, il était possible de gommer les effets gyroscopiques indésirables. Au détriment de l’efficacité !? Non ! Le système était capable de relancer 4 fois un camion électrique de 16 tonnes, de 0 à 75 km/h, sans aucun apport de la batterie de traction. On aurait tendance à penser qu’il faut un matériau très dense et donc très lourd pour qu’une roue d’inertie soit efficace. Au contraire, afin d’optimiser les performances, il doit avoir la masse volumique la plus faible possible. A l’instar des supercondensateurs, la flywheel servait à retrouver bien plus rapidement la vitesse de pointe et à doubler l’autonomie des poids lourds principalement utilisés en ville, mais aussi à gommer les faiblesses des batteries plomb. Maintenue sous vide pour réduire les frottements avec l’air, l’enceinte de confinement du système avait été étudiée pour éliminer tout risque que le disque s’échappe. Heureusement, car ce n’est pas une vitesse de 900 km/h, mais de 2.500, qui était atteinte en périphérie !

Puissance et régularité

Quand verrons-nous un volant d’inertie dans les voitures ? Il y en a déjà !!! Pour assurer leur régularité de fonctionnement, réduire les vibrations et lisser le couple, les moteurs automobiles essence et diesel disposent déjà d’une telle pièce, sans que l’on s’intéresse plus que ça à elle. De nouvelles technologies lui redonnent de l’intérêt. Parfois de manière assez inattendue, comme dans les gyropodes ou la force gyroscopique assure leur stabilité. Si, en dépit de sérieuses recherches effectuées par quelques constructeurs, dont Volvo, il n’existe pas de voiture grand public qui exploite un moteur à inertie pour la mobilité, dans le sport automobile, les systèmes Kers et SREC peuvent être rencontrés. Ainsi, par exemple, les Audi R18 e-tron quattro et Porsche 911 GT3 hybride.

Transports en commun

Une cinquantaine d’années après les Gyrobus, les volants d’inertie ont retrouvé une place dans l’alimentation en énergie de véhicules de transport en commun où leur usage est parfaitement adapté pour la relance des engins qui s’immobilisent fréquemment. Pas la peine d’aller pour cela au Japon ou en Chine : juste de prendre le métro en France ! En 2010, Keolis et Rennes Métropole (35) ont mis en place un système à inertie afin d’aider les rames à repartir. Il n’est pas embarqué dans les voitures, mais installé dans un local spécifique, au cœur du réseau. Et heureusement, car sa structure complète pèse 9 tonnes ! L’énergie récupérée lors du freinage des rames lui est transmise, activant une masse de 2,5 tonnes, prête à retransmettre sa force. Grâce à l’accumulateur, pour une seule ligne de métro, Rennes Métropole économise environ 250.000 kWh par an, soit une dizaine de jours de fonctionnement.

Stockage de l’énergie

Tout comme les batteries lithium des voitures électriques sont de plus en plus exploitées pour le stockage d’une partie de la production d’électricité de sources renouvelables, les volants d’inertie peuvent assurer un rôle tampon pour ces dernières. C’est en tout cas le crédo de André Gennesseaux qui milite pour un développement des énergies renouvelables dont la production excédentaire serait récupérée et en grande partie restituée grâce à de gros accumulateurs en béton quand elle fait défaut. Lauréat du concours mondial de l’innovation en mars 2014, et primé dans sa catégorie au challenge EDF Pulse 2015, son volant de stockage solaire (VOSS) pourrait doper le développement de l’énergie photovoltaïque qu’il certifie être la plus rentable à exploiter aujourd’hui (2 centimes d’euro le kWh, selon son intervention à TEDx Paris 2015 ). Si le stockage dans des batteries coûterait 10 centimes le kWh sans subvention, confier ce rôle à des volants d’inertie d’une durée de vie quasi illimitée, réalisés en béton dans une structure qui le comprime pour éviter son éclatement à très haute vitesse de rotation, diviserait le prix par 5, soit 2 centimes du kWh. L’ambition à court terme de l’ingénieur est d’équiper de son système de petits territoires qui n’ont souvent pas d’autres choix que de recourir à une solution très polluante de production d’énergie électrique. Ensuite, il espère pouvoir créer « de grandes centrales photovoltaïques dans les déserts pour alimenter les réseaux mondiales avec une énergie propre et bon marché ».


Mots clés : Volant d’inertie | roue d’inertie | moteur à inertie | machine à inertie | accumulateur cinétique à inertie | SREC | Kers | flywheel | VOSS | André Gennesseaux | Gyrobus | véhicule électrique
Catégories : Voiture électrique |

Commentaires

Posté le 21-02-2017 à 07:15:41 par Christophe

Bonjour Philippe,
Article intéressant.
Le Moniteur du BTP avait fait un article en 2015 sur le procédé VOSS : http://www.lemoniteur.fr/article/stockage-d-electricite-un-volant-d-inertie-enfin-abordable-29071490

Posté le 21-02-2017 à 08:16:09 par Arnaud L

Pas mal Christophe votre lien.
Un de plus qui confirme la durabilité réduite des accumulateurs Lithium-ion (ils notent 1000 cycles de charge-décharge).
Il me semble n’avoir jamais eu cette information sur les sites qui se disent spécialistes, sauf en commentaire éclairé comme les votres.

Posté le 21-02-2017 à 12:35:56 par trololo

@Arnaud: on trouve régulièrement des informations concernant le nombre de cycles de charge/décharge des batteries sur des sites comme "electrek.co", "insideevs.com" ou encore "www.aveq.ca".
La presse étrangère spécialisée dans le VE est beaucoup plus pointue que les sites français.
Le nombre de cycles ne veut pas dire grand chose en soit.
Pour une voiture, il est plus intéressant de voir la perte de capacité en fonction du kilométrage (https://electrek.co/2016/06/06/tesla-model-s-battery-pack-data-degradation).
Pour le stockage, il faudrait connaître la durée de vie dans le temps.

Posté le 21-02-2017 à 14:17:58 par Christophe

@trololo
"Le nombre de cycles ne veut pas dire grand chose en soit.
Pour une voiture, il est plus intéressant de voir la perte de capacité en fonction du kilométrage"
Mais les deux sont intimement liés par la consommation kilométrique.
Je m’explique quand on parle d’un nombre de cycles de charge-décharge, cela correspond au nombre de cycles à partir duquel la dégradation de la batterie est telle que son utilisation n’est plus possible pour l’usage initial. Un cycle correspondant à une décharge et une charge complètes d’une batterie. Il est communément admis que la profondeur d’usure acceptable est de l’ordre de 75 %.
Considérons une batterie de 41 kWh qui est garantie pour 1000 cycles. Elle pourra délivrer 41 × 1000 = 41 000 kWh tout en restant sous une capacité de plus de 75 % de sa capacité initiale.
Si avec cette voiture je consomme 14,15 kWh/100 km je pourrai faire 289 753 km. Si je consomme 17 kWh/100 km je pourrai faire 241 176 km.
Regardons maintenant ce que cela donne en autonomie :
- 41 à 14,15 = 290 km mais à 75 % on n’est plus qu’à 217,
- 41 à 17 = 241 km mais à 75 % on n’est plus qu’à 180.

Posté le 21-02-2017 à 14:32:47 par Christophe

Comparons maintenant 2 voitures en considérant qu’elles ont le même nombre de cycles :
- Zoé initiale : batterie 26,6 kWh et conso. selon sprimonitor 17,05 soit 156 000 km potentiels,
- TMS 85 : batterie 85 kWh et cons. 20,96 soit 405 534 km potentiels (252 041 miles).
Augmenter la capacité de la batterie permet d’aller plus loin mais aussi de faire croire qu’elle est plus fiable.
Les profondeurs de charge et décharge admises (rapport capacité utile / capacité brute) vont jouer uniquement sur la durée pour voir apparaître une perte de capacité.

Posté le 21-02-2017 à 18:24:43 par Philippe Schwoerer

Ne pas oublier que les batteries lithium s’altèrent aussi dans le temps, indépendamment du nombre de cycles. Un VE qui parcourt par exemple 100 kilomètres tous les jours accumulera bien plus de km avec le même pack que son jumeau qui ne totalisera que 5.000 km par an.

De fait, le nombre de cycles est avant tout un repère indicateur.

Posté le 22-02-2017 à 09:08:09 par Arnaud L

L’usure due au temps va être moins prépondérante en cas d’usage intensif.
Un site intéressant : https://survey.pluginamerica.org/leaf/charts.php
Notamment le 2ème graphisme.
On y parle d’une voiture sortie en 2010.
La plus kilométrée de cette étude a 101 400 miles au compteur (163 187 km). Elle présente une capacité de 58 % de la capacité initiale.
24 × 1000 / (16,75 (sprimonitor)/100) = 143 283 km (89 032 miles). Il y en a un certain nombre à moins de 89 032 miles et à moins de 75 % de capacité initiale. Même la ligne "moyenne" est en dessous de cette valeur.
C’est un doux euphémisme de qualifier le nombre de cycle de "repère indicateur".
J’ai la désagréable impression que le nombre de 1000 cycles est pour le moins très au-dessus de la réalité pour l’exemple indiqué.
Reste à savoir ce que cela donne pour les autres véhicules.

Posté le 22-02-2017 à 15:08:49 par Rickobotics

Les premières batteries de Leaf sont le plus mauvais exemple possible de longévité, de part la chimie utilisée, fortement affectée par la chaleur et surtout par la conception même du VE sans système de contrôle de température (TMS). Il ne faut pas généraliser, la techno panasonic, que l’on retrouve chez Tesla, mais aussi celle de Mitshubishi ou LG sont bien meilleures et dépassent les 1000 cycles. Le meilleur du domaine semble être Samsung, avec par exemple 3200 cycles donné pour un décharge de 80% avec au final 20% de perte de capa initiale pour leur dernière techno que l’on retrouve ds la i3 par exemple. Pour le résidenciel, la techno est encore différente et par ex Tesla vise plus de 10000 cycles à court terme et déjà plus de 5000 sur plus de 10ans sur les PowerWall2 déjà en production. Ne pas oublier qu’une perte de 20% pour un système stationnaire ne pose aucun pb et que de tels systèmes peuvent être conservé plus de 20ans.

Posté le 23-02-2017 à 10:38:25 par Christophe

La voiture de l’exemple d’Arnaud L, n’est-elle pas le VE le plus vendu au monde ?
Donc manifestement pour qu’il aille à 150 000 km, il lui faudra au moins 2 batteries pour l’usage que j’ai d’un VP.
Déjà qu’à 160 km d’autonomie neuf, je ne peux pas faire tous les trajets que je fais en VP alors avec moins de 100 km !
J’ai donc bien peur que pour mon usage le VE ne soit pas moins émetteur de GES.
Dommage de ne pas avoir les mêmes données pour les autres VE.

Posté le 24-02-2017 à 04:23:57 par Rickobotics

Il suffit de prendre le pire exemple pour pouvoir généraliser ? Comme d’habitude tu ne change pas de technique. Ces 1000 cycles ne sont valable que sur les LEAF vendue entre 2010 et 1012, soit moins de 40k. Dès 2013, une nouvelle configuration du pack est apparu limitant la dégradation, puis encore en 2015 avec une chimie plus résistante aux température et encore un nombre de cycles plus élevés depuis les batteries 30kWh. Donc oui, 1000 cycles est bien un minimum et tous les VE dépassent allègrement ce nb. C’est un faux pb, personne n’a jamais changé de batterie sur une Zoé, une Ion, une Tesla ou autre hormis pb de départ.

Posté le 24-02-2017 à 06:56:30 par Christophe

@Rickobotics
Je te renvoie vers la définition de généralité. Tu verras que prendre le cas courant (le plus grand nombre) entre bien dans cette définition.
Je ne demande qu’à te croire mais malheureusement tu n’amènes aucune preuve. Vu l’investissement pour acheter une voiture, je ne prends pas la décision à la légère.
Par contre, là où tu fais erreur, c’est que manifestement on est un peu loin des 1000 cycles pour la première génération (à 1000 cycles on est bien en deçà de 75 % de la capacité initiale).

Posté le 24-02-2017 à 10:44:03 par Arnaud L

En faisant des recherches sur l’usure de la batterie de mon PC portable (2ème batterie à 4 ans, elle a perdu 15 % de sa capacité en 2 ans), j’ai trouvé cela : https://support.apple.com/fr-fr/HT201585
On peut lire :
"Avant d’être considérées comme usagées, les batteries disposent d’un nombre de charges limité. Une fois usagées, il est recommandé de les remplacer. Vous pouvez utiliser votre batterie au-delà de son nombre de cycles maximal. Cependant, il est possible que vous remarquiez alors une réduction de son autonomie."
Donc selon ce fabricant ce n’est qu’au delà du nombre de cycles (entre 300 et 1000 en passant par 500 pour ses productions) que la capacité baisse.
Tout le monde ne semble pas avoir la même définition du nombre de cycles pour une batterie.
Ce serait bien déjà de parler le même language pour se comprendre.

Posté le 24-02-2017 à 10:56:44 par mdb92

Pour le stockage stationnaire je trouve que le volant d’inertie est une très bonne idée, par contre pour un VE c plus compliqué vu son encombrement et ses contraintes d’inertie, les super condensateurs ne seraient ils pas plus simples à utiliser?
D’après Maxwell les super condos utilisés en tampon double la durée de vie des batteries, car les fortes charges/décharges (densité de puissance) sont encaissés par les super condos qui ont 1 000 000 de cycles.
Étonnant qu’ils ne soient pas plus utilisé par les constructeurs de VE.

Posté le 24-02-2017 à 15:36:19 par electronlibre

@mdb92
Je suis d’accord, mais toutefois je pense que la roue d’inertie peut convenir aux véhicules lourds aussi, le surpoids devenant anecdotique dans ce cas et la place pour installer ce système plus facile à trouver.

Posté le 24-02-2017 à 10:56:44 par mdb92

Pour le stockage stationnaire je trouve que le volant d’inertie est une très bonne idée, par contre pour un VE c plus compliqué vu son encombrement et ses contraintes d’inertie, les super condensateurs ne seraient ils pas plus simples à utiliser?
D’après Maxwell les super condos utilisés en tampon double la durée de vie des batteries, car les fortes charges/décharges (densité de puissance) sont encaissés par les super condos qui ont 1 000 000 de cycles.
Étonnant qu’ils ne soient pas plus utilisé par les constructeurs de VE.

Posté le 28-02-2019 à 10:59:48 par type

Pouvez vous m’éclairai sur le prix d’un volant d’inertie.



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