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 ».
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