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Stockage d’électricité : un volant d’inertie enfin abordable

Mots clés : Béton - Electricité

Lauréat du concours EDF-Pulse en juin dernier, la société française Energiestro travaille sur un prototype de volant d’inertie en béton fibré, le Voss. Ce produit à bas coût devrait concurrencer les batteries dans le domaine du stockage d’électricité stationnaire.

Le stockage d’énergie électrique reste toujours trop cher pour le marché français. Partant de ce constat, la société Energiestro a cherché à concevoir un système économique et malgré tout robuste. Son projet de volant d’inertie en béton fibré ressemble à un tour de potier qui continuerait de tourner bien après avoir cessé de l’actionner au pied (voir focus 1). Baptisé Volant de stockage solaire (Voss), il a remporté le concourt EDF-Pulse en juin dernier. Il devrait être commercialisé d’ici deux ans. La société espère atteindre à un prix de 200 euros par kilowattheure (kWh) stockable. Aujourd’hui, les batteries lithium-ion, le procédé le plus en vogue, affiche au minimum un coût de 400 euros/kWh.

Anne et André Gennesseaux créent Energiestro en 2001, à Châteaudun (Eure-et-Loire). Ils ont alors en tête le développement d’un groupe électrogène aux huiles végétales, qui incorporaient un volant d’inertie. « À l’époque, les biocarburants apparaissaient comme la source d’énergie renouvelable la moins onéreuse. Cependant, ils n’ont jamais atteint un niveau de développement suffisant pour pouvoir rivaliser avec les carburants fossiles. Dans le même temps, les coûts des panneaux solaires photovoltaïques se sont effondrés. Nous nous sommes donc orientés vers ce secteur », explique André Gennesseaux.

 

Le défi du prix

 

Le changement de cap se traduit par la conception d’un premier modèle avec un cylindre en acier. Par rapport aux batteries, le produit présente de nombreux avantages. Il peut effectuer un très grand nombre de cycles de charge et décharge, alors que les accumulateurs Lithium-ion sont limités à 1 000. Sa durée de vie est donc bien plus longue. Par ailleurs, il ne contient pas de substances toxiques. Enfin, les conditions climatiques n’influent pas sur les performances du volant. Son poids important le limite néanmoins à des applications stationnaires.

Pourtant, les clients ne sont pas convaincus. A environ 2 000 euros du kWh, l’investissement les rebute. « Les opérateurs de parc photovoltaïque regardent avant tout le prix à l’achat, constate André Gennesseaux. Par conséquent, nous devions concevoir un produit dont le coût serait comparable aux batteries. »

 

Etonnant béton

 

L’équipe d’Energiestro repart donc au travail. Elle aboutit à une conclusion : en termes de rapport qualité/prix, le béton fibré et fretté est le meilleur matériau pour construire un volant (voir focus 2). Le Voss est né.

Les inventeurs poussent leur recherche d’économie un peu plus loin. Dans un volant, les rotations répétées de l’arbre usent rapidement les paliers qui le supportent. Les ingénieurs ont donc recours à des paliers magnétiques. L’arbre lévite dans le trou du support, et tourne sans contact physique. Il n’engendre pas d’usure.

« Néanmoins, un système de lévitation magnétique reste extrêmement coûteux. Si vous n’avez pas de limites de budget, c’est l’idéal. Avec les contraintes de notre cahier des charges, nous avons opté pour un procédé hybride, indique André Gennesseaux. Le Voss utilise des paliers à roulements à billes standards. Toutefois, un aimant est placé sous le palier inférieur. Ce dernier supporte le poids du cylindre en béton. Les roulements subissent ainsi uniquement les contraintes liées au guidage de l’arbre. » Grâce à ces innovations, le Voss sera dix fois moins cher qu’un équivalent en acier, pour une capacité de stockage égale.

 

Objectif lissage

 

Energiestro réfléchit maintenant sur la fabrication d’un prototype. Il possèdera une durée de stockage d’une heure. Un laps de temps qui correspond à la demande actuelle de la filière photovoltaïque. Aujourd’hui, les gestionnaires cherchent à éliminer les petites oscillations de puissance caractéristiques d’une énergie intermittente. On parle de lissage de la production. Un système stockage sert de réservoir tampon. Il absorbe les surplus imprévus et les restitue en cas de chute de tension.

A plus long terme, l’entreprise vise des durées de 24 heures. Ces équipements emmagasineraient l’électricité solaire à midi, et la libéraient en fin d’après-midi, au moment du pic de consommation. « Un parc équipé d’un système de stockage pourrait distribuer une puissance constante tout au long de la journée, au lieu d’une pointe maximale en milieu de journée, note André Gennesseaux. Avec une puissance moindre à supporter, les infrastructures électriques du site nécessiteraient un budget moins important. Les économies réalisées pourraient financer en partie l’achat de volants. »

 

Focus

Le volant d’inertie

Le volant d’inertie ressemble à une toupie. Quand un enfant la lance, il lui communique une énergie initiale. Elle conserve cette énergie et se met à tourner. Les frottements du sol et de l’air la dissipent lentement la réserve jusqu’à l’épuisement. La toupie s’arrête alors. Avec un volant de stockage électrique, on va exploiter l’énergie présente dans l’objet en rotation pour générer un courant.

Le système repose sur un composant qui est capable de fonctionner à la fois comme un moteur et un alternateur. En cas de surproduction, l’électricité alimente le moteur. Il entraine alors une barre de métal, un arbre de transmission, qui traverse de part en part un lourd cylindre, le volant. Celui-ci se met à tourner à grande vitesse. Deux paliers, situés aux extrémités de l’arbre, le supportent et le guident. Pour réduire les pertes dues aux frottements, le cylindre est en général placé dans une enceinte vide de tout air.

Quand le flux d’énergie s’arrête, le moteur se coupe. Cependant, le volant continue à tourner pendant quelques heures. Pour récupérer l’énergie, le composant passe en mode alternateur. Entrainé par le cylindre, il produit alors de l’électricité. Le rendement d’un cycle de charge/décharge est compris entre 80 et 85 %.

 

Focus

Comment le béton peut-il égaler l’acier ?

A masse égale, la quantité d’énergie stockable est proportionnelle à la vitesse maximale que peut atteindre le volant. Celle-ci dépend de deux facteurs propres au matériau du volant : sa capacité à supporter des contraintes physiques fortes, et sa faible densité. En bref, plus un matériau sera à la fois léger et résistant, plus il sera adapté pour la construction d’un volant.

La densité d’un béton tourne autour de 2,8, contre 8 pour l’acier. Cependant, sur le plan de la résistance, il supporte très mal les forces de traction qui s’exercent lors de la rotation. André Gennesseaux utilise donc du béton fretté. Une armature circulaire en acier comprime le cylindre de béton. Quand il est mis en rotation, ce sont les câbles de métal, plus résistant, qui subissent les contraintes de l’accélération. Ils s’étirent progressivement, ce qui a pour effet de réduire la compression du béton. Toutefois, il ne se fissure pas. La vitesse peut ainsi augmenter jusqu’à un palier maximal de décompression, au-dessus duquel le volant pourrait exploser.

 

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