Volant d'inertie

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La taille et la masse de cette roue lui confèrent un pouvoir inertiel important
Animation d'une roue de meule.

Un volant d'inertie est un système rotatif permettant le stockage et la restitution d'énergie cinétique. Une masse (disque, anneau, cylindre, éventuellement couplés en un système contrarotatif...) fixée sur un axe est mise en rotation par l'application d'un couple, augmentant sa vitesse de rotation et donc l'énergie emmagasinée. La quantité d'énergie est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation.

Sa caractéristique physique est le moment d'inertie qui exprime la répartition des masses autour de l'axe.

Emploi de volants d'inertie[modifier | modifier le code]

Volant d'inertie d'une machinerie dans une ancienne forge (Witten, en Allemagne) .

Perturbations liées au moteur[modifier | modifier le code]

Par exemple, dans les moteurs thermiques, le volant d'inertie — souvent associé à la couronne de démarreur et à l'embrayage — absorbe l'irrégularité du couple moteur entraîné par à-coups par les pistons. L'ajout du volant d'inertie permet alors de diminuer les vibrations.

De plus, le volant d'inertie peut emmagasiner un excédent d'énergie sur la phase motrice (explosion), pour l'utiliser dans le franchissement du point mort (compression). Le phénomène est d'autant plus perceptible que le nombre de pistons est faible et que le régime de fonctionnement est bas.

La centrale électrique d'une usine, au début du XXe siècle : au fond, la machine à vapeur entraîne, par l'intermédiaire du volant d'inertie (à l'angle), une dynamo (à droite du cliché).
Le volant permet d'amortir le fonctionnement par nature irrégulier de la machine à vapeur.

Perturbations liées au récepteur[modifier | modifier le code]

Les concasseurs, pour fabriquer du gravier, sont entraînés par des moteurs électriques dont le fonctionnement est très régulier. Cependant, les rochers broyés imposent en fonction de leur taille ou de leur forme des contraintes soudaines et violentes qui pourraient faire caler le moteur. L'énergie cinétique stockée dans le volant permet le passage des points durs rencontrés par le concasseur.

Stockage d'énergie[modifier | modifier le code]

Schéma de principe d'un volant associé à un système électrique pour stocker et rendre de l'énergie électrique. Dans cet exemple la roue tourne dans une chambre sous vide pour limiter les frottements. Récemment la sustentation magnétique a encore amélioré les rendements

En donnant de la vitesse au cylindre en rotation, on lui fournit de l'énergie qui peut être récupérée en convertissant cette énergie cinétique en une autre énergie (électrique par exemple) ce qui a pour effet de ralentir progressivement la vitesse du volant.

La capacité des volants d'inertie se trouve typiquement entre 3 et 133 kW[1]. Le temps de charge est typiquement de l'ordre de quelques minutes, et l'autonomie généralement comprise entre 15 et 30 minutes.

Le temps de réponse très faible permet une grande réactivité du système pour la charge et décharge, ce qui permet d'utiliser les volants d'inertie dans le réseau électrique comme stockage de courte durée pour réguler la production électrique, ou pour lisser la production d'énergie intermittente.

Des systèmes de 2 à 6 kWh sont utilisés dans les relais télécoms.

Les deux plus grandes installations de "fermes" de volants d'inertie, réalisées par Beacon Power (en) , se trouvent aux États-Unis, et sont capables de fournir une énergie maximale de 20 MW pendant 5 minutes.

Le procédé peut poser, pour les installations mobiles, un problème du fait du comportement gyroscopique du volant qui lorsqu'il tourne à grande vitesse, impose des efforts énormes sur les paliers à cause de la force de Coriolis (parce que l'axe n'est pas aligné avec l'axe de rotation terrestre). Pour cette raison, lors de la fabrication d'un volant d'inertie, il faut faire en sorte que le volant tourne au maximum à 70/80 % de sa vitesse maximale[réf. nécessaire]. De plus, le choix du matériau est déterminé par sa résistance et sa vitesse périphérique maximale[2].

Tableau de données pour différents matériaux utilisés, volant d'inertie en forme de couronne mince avec rayon intérieur ri = 20 cm, rayon externe r0 = 25 cm, épaisseur du volant h = 40 cm.

Matériau Kevlar Fibre de carbone & résine Fibre de verre & résine Alliage de Titane Aciers de grande résistance Alliage d'aluminium
Masse volumique ρ (kg/m3) 1 800 1 500 2 000 4 500 7 800 2 700
Résistance à la rupture σ (MN/m2) 4 800 2 400 1 600 1 215 de 1 300 à 2 100 594
vitesse périphérique maximale vmax (m/s) 1 632,99 1 264,91 894,42 519,61 400 à 519,61 469
Densité d'énergie (Wh/kg) 148,7 89,3 44,6 15,1 8,9 à 15,1 12,2

Exemples d'installations mobiles[modifier | modifier le code]

Ce principe est depuis longtemps mis à profit dans de petits jouets dits à friction. Il est aussi utilisé sur différents véhicules :

  • Autobus : L'idée est de récupérer l'énergie pendant la phase de ralentissement du bus pour la restituer au démarrage ;
  • Formule 1 : Pour la saison 2009, l'écurie Williams avait commencé à travailler sur un système de stockage à volant d'inertie pour être utilisé dans leur système SREC, mais a abandonné l'idée au profit de batteries électrochimiques pour des raisons d'intégration dans le véhicule. Williams continue de développer des systèmes de stockage à volant d'inertie pour d'autres applications (transports en commun par exemple) avec la filiale « Williams Advanced Engineering (en) ».
  • Certaines voitures de sport : Pour récupérer l'énergie lors du freinage et la réutiliser lors des accélérations, permettant ainsi une économie de carburant. Par exemple, dans la Porsche 911 GT3 hybrid 2010, l'énergie est récupérée pendant les phases de freinage puis transformée en électricité pour alimenter deux moteurs électriques de 60 kW pendant les phases d'accélération. Ainsi la puissance disponible est plus importante pendant quelques secondes.

Transports en commun[modifier | modifier le code]

Dans les années 50, une variante de Trolleybus, les Gyrobus, a fonctionné avec un volant d'inertie disposé à plat sous le plancher. Ils furent utilisés dans plusieurs villes belges et suisses. Ce système permettait de faire plusieurs kilomètres sans pollution avant une recharge, qui s'effectuait lors des arrêts.

Plus récemment, des constructeurs de tramways travaillent à nouveau sur l'application du volant d’inertie aux transports en commun, notamment les tramways Alstom Citadis[3] actuellement en test à Rotterdam qui utilisent 2 volants contra-rotatifs pour limiter l’effet gyroscopique.

Dispositions constructives[modifier | modifier le code]

Volant d'inertie rigide[modifier | modifier le code]

Volant d'inertie d'un moteur de véhicule de tourisme. On distingue les dents de la couronne en périphérie. L'embrayage se trouve du côté visible mais n'est pas présent ici, on peut remarquer la piste de celui-ci.

La plupart du temps, le volant d'inertie est une pièce rigide. Du fait du poids et des régimes de fonctionnement élevés, il s'agit presque toujours d'une pièce à symétrie de révolution.

L'inertie sera d'autant plus grande que la masse est répartie loin de l'axe. Dans le cas d'un moteur thermique, le volant d'inertie compte pour beaucoup dans l'encombrement ; son grand diamètre est alors mis à profit pour y loger le mécanisme d'embrayage et pour accueillir à sa périphérie la couronne de démarreur.

Régulateurs à inertie[modifier | modifier le code]

Régulateur à inertie construit à partir de dessins de Léonard de Vinci

Ces dispositifs mécaniques ont longtemps été retenus pour la régulation des machines à vapeur. L'inertie du régulateur varie par excentration de masselottes. Son effet de régulation est alors plus immédiat que celui du simple volant d'inertie rigide.

En réalité, cette inertie n'est pas régulatrice directe du mouvement de la machine, mais est utilisée pour agir sur la source d'énergie pour en contrôler le flux. C'est un processus d'asservissement.

Volant bi-masse[modifier | modifier le code]

Principe du volant moteur bi-masse.

Sur certaines automobiles, le volant d'inertie est composé de deux masses liées entre elles par un ressort[4]. Une des masses est solidaire du vilebrequin, la masse secondaire est solidaire de la transmission, les deux étant reliées par des taquets, un roulement à billes et des ressorts. Cela constitue un dispositif d’amortissement absorbant les trop fortes variations d'énergie cinétique, réduisant ainsi les sollicitations en torsion de la transmission.

Physique[modifier | modifier le code]

L'énergie cinétique d'une masse tournante est

où :

  • est la vitesse angulaire
  • est le moment d'inertie de la masse autour du centre de rotation. Le moment d'inertie mesure la résistance qui s'oppose à un couple tendant à faire tourner l'objet.

L'énergie cinétique d'un point matériel est donnée par la relation suivante:

est la vitesse angulaire,
le rayon de la trajectoire du point considéré
la masse élémentaire de ce point.

Un volant d'inertie, ou tout corps tournant autour d'un axe fixe, a pour énergie cinétique la somme des énergies cinétiques en chaque point. Le mouvement de rotation étant commun à tous les points, on peut mettre en facteur le paramètre de vitesse angulaire. Apparaît alors l'expression du moment d'inertie de l'ensemble:

Autres exemples[modifier | modifier le code]

  • les outillages comme la scie circulaire ou le touret à meuler tournent longtemps après l'arrêt du moteur ;
  • la toupie : l'énergie transmise au départ est lentement dissipée par les frottements au contact avec le support ou avec l'air. L'effet gyroscopique maintient l'équilibre de la toupie ;
  • la roue lenticulaire utilisée par les cyclistes en contre la montre confère au vélo une plus grande inertie, qui pénalise au démarrage mais garantit une meilleure régularité de régime sur le parcours.

Production de volant d'inertie pour les réseaux d'énergies renouvelables[modifier | modifier le code]

L'industrie métallurgique produit depuis plus d'un siècle des volants de grande taille. Depuis les années 1970, des matériaux nouveaux sont testés et utilisés (fibre de verre, fibre de carbone, béton).

Une production dédiée de volants spécifiquement conçus pour le stockage de l'énergie et/ou la régulation des réseaux d'énergies nouvelles émerge dans les années 2010, dont en France avec dix prototypes testés dans une zone d'activité de Toulouse, puis avec l'inauguration (mi-septembre 2016) d'une usine de 4 000 m2 sur la Technopole de l’Aube en Champagne (Troyes/Rosières)[5]. Cette usine est louée à un consortium baptisé FLYPROD qui a reçu un important soutien de l'état pour une initiative retenue comme projet stratégique via le « programme d'investissements d'avenir » mis en œuvre par l'ADEME. Le projet a reçu une aide de 3,75 M€ sur un total sur 14,58 M€ d'investissement (sur trois ans et demi). Ici, c'est un volant développé avec l'université de technologie de Troyes (UTT), en fibre de carbone, dont la rotation peut être portée en quelques minutes à 10 000 tr/min, grâce à une sustentation électromagnétique limitant les frottements.

L'objectif annoncé est de produire en 2017 une centaine de machines, c'est-à-dire l'équivalent de 4 MW en puissance de stockage. L'énergie stockée dans ces volants est restituée instantanément en entraînant un générateur électrique[6].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Davide Castelvecchi, « Spinning into control: High-tech reincarnations of an ancient way of storing energy », Science News, vol. 171, no 20,‎ , p. 312–313 (DOI 10.1002/scin.2007.5591712010, lire en ligne)
  2. Système inertiel de stockage d'énergie associé a des générateurs éoliens Thèse de Gabriel-Octavian Cimuca
  3. Alstom Citadis, Tramways à volants d’inertie, sur le site usinenouvelle.com
  4. auto-innovations : volants d’inertie bi-masses
  5. Levisys inaugure aujourd'hui son site de production de volants d'inertie, pour le stockage de l'énergie, Environnement magazine du 15 septembre 2016.
  6. FLYPROD, première usine française de production de volants d’inertie, inaugurée ce jeudi 15 septembre, sur puissance2d.fr du 19 sept 2016

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]