TransportEdit
AutomobileEdit
Dans les années 1950, des autobus à volant d’inertie, appelés gyrobus, ont été utilisés à Yverdon (Suisse) et à Gand (Belgique) et des recherches sont en cours pour fabriquer des systèmes à volant d’inertie plus petits, plus légers, moins chers et ayant une plus grande capacité. On espère que les systèmes à volant d’inertie pourront remplacer les batteries chimiques classiques pour les applications mobiles, comme les véhicules électriques. Les systèmes à volant d’inertie proposés élimineraient bon nombre des inconvénients des systèmes d’alimentation par batterie existants, tels que la faible capacité, les longs temps de charge, le poids élevé et la courte durée de vie utile. Des volants d’inertie pourraient avoir été utilisés dans le Chrysler Patriot expérimental, bien que cela ait été contesté.
Des volants d’inertie ont également été proposés pour être utilisés dans les transmissions à variation continue. Punch Powertrain travaille actuellement sur un tel dispositif.
Dans les années 1990, Rosen Motors a développé un groupe motopropulseur automobile hybride de série alimenté par une turbine à gaz, utilisant un volant d’inertie de 55 000 tr/min pour fournir des rafales d’accélération que le petit moteur à turbine à gaz ne pouvait pas fournir. Le volant d’inertie stocke également de l’énergie grâce au freinage par récupération. Le volant d’inertie est composé d’un moyeu en titane et d’un cylindre en fibre de carbone. Il est monté sur cardan afin de minimiser les effets gyroscopiques négatifs sur la tenue de route du véhicule. Le véhicule prototype a été testé avec succès sur route en 1997 mais n’a jamais été produit en série.
En 2013, Volvo a annoncé un système de volant d’inertie monté sur l’essieu arrière de sa berline S60. L’action de freinage fait tourner le volant d’inertie jusqu’à 60 000 tr/min et arrête le moteur monté à l’avant. L’énergie du volant d’inertie est appliquée via une transmission spéciale pour alimenter partiellement ou totalement le véhicule. Le volant d’inertie en fibre de carbone de 20 centimètres (7,9 pouces) et de 6 kilogrammes (13 livres) tourne dans le vide pour éliminer toute friction. Associé à un moteur à quatre cylindres, il permet de réduire la consommation de carburant de 25 % par rapport à un moteur turbo à six cylindres de performances comparables. Il fournit une puissance supplémentaire de 80 chevaux (60 kW) et permet d’atteindre 100 kilomètres par heure (62 mph) en 5,5 secondes. L’entreprise n’a pas annoncé de plans spécifiques pour inclure cette technologie dans sa gamme de produits.
En juillet 2014, GKN a acquis la division Williams Hybrid Power (WHP) et a l’intention de fournir 500 systèmes de volant d’inertie électrique Gyrodrive en fibre de carbone aux opérateurs de bus urbains au cours des deux prochaines années.Comme l’ancien nom du développeur l’indique, ceux-ci ont été conçus à l’origine pour des applications de course automobile de Formule 1. En septembre 2014, Oxford Bus Company a annoncé qu’elle introduisait 14 autobus hybrides Gyrodrive d’Alexander Dennis sur son exploitation Brookes Bus.
Véhicules ferroviairesEdit
Les systèmes à volant d’inertie ont été utilisés expérimentalement dans de petites locomotives électriques pour les manœuvres ou les aiguillages, par exemple la locomotive Gyro Sentinel-Oerlikon. Les locomotives électriques de plus grande taille, par exemple la British Rail Class 70, ont parfois été équipées de volants d’inertie pour leur permettre de franchir les lacunes du troisième rail. Les volants d’inertie avancés, tels que le pack de 133 kWh de l’Université du Texas à Austin, peuvent faire passer un train d’un démarrage à l’arrêt à une vitesse de croisière.
Le Parry People Mover est un autorail qui est alimenté par un volant d’inertie. Il a été testé le dimanche pendant 12 mois sur la Stourbridge Town Branch Line dans les West Midlands, en Angleterre, en 2006 et 2007 et devait être introduit comme un service complet par l’opérateur ferroviaire London Midland en décembre 2008, une fois que deux unités avaient été commandées. En janvier 2010, les deux unités sont en service.
Électrification ferroviaireEdit
Les FES peuvent être utilisés au bord des voies ferrées électrifiées pour aider à réguler la tension de la ligne, améliorant ainsi l’accélération des trains électriques non modifiés et la quantité d’énergie récupérée sur la ligne pendant le freinage par récupération, ce qui réduit les factures d’énergie. Des essais ont eu lieu à Londres, New York, Lyon et Tokyo, et la Long Island Rail Road de la MTA de New York investit actuellement 5,2 millions de dollars dans un projet pilote sur la ligne West Hempstead Branch du LIRR. Ces essais et systèmes stockent l’énergie cinétique dans des rotors constitués d’un cylindre composite carbone-verre rempli de poudre de néodyme-fer-bore qui forme un aimant permanent. Ceux-ci tournent à une vitesse allant jusqu’à 37800rev/min, et chaque unité de 100 kW peut stocker 11 mégajoules (3,1 kWh) d’énergie réutilisable, ce qui est approximativement suffisant pour accélérer un poids de 200 tonnes métriques de zéro à 38 km/h.
Alimentation sans interruptionEdit
Les systèmes de stockage d’énergie à volants en production à partir de 2001 ont des capacités de stockage comparables aux batteries et des taux de décharge plus rapides. Ils sont principalement utilisés pour fournir un nivellement de la charge pour les grands systèmes de batteries, comme une alimentation sans coupure pour les centres de données, car ils économisent une quantité considérable d’espace par rapport aux systèmes de batteries.
L’entretien des volants en général fonctionne environ la moitié du coût des systèmes d’alimentation sans coupure à batterie traditionnels. Le seul entretien est une routine annuelle de base de maintenance préventive et le remplacement des roulements tous les cinq à dix ans, ce qui prend environ quatre heures. Les systèmes à volant d’inertie plus récents font complètement léviter la masse tournante en utilisant des paliers magnétiques sans entretien, éliminant ainsi l’entretien et les pannes des paliers mécaniques.
Les coûts d’un ASI à volant d’inertie entièrement installé (y compris le conditionnement de l’énergie) sont (en 2009) d’environ 330 $ par kilowatt (pour une capacité de 15 secondes à pleine charge).
Laboratoires d’essaiModifié
Un marché de niche de longue date pour les systèmes d’alimentation par volant d’inertie sont les installations où les disjoncteurs et les dispositifs similaires sont testés : même un petit disjoncteur domestique peut être évalué pour interrompre un courant de 10000 ampères ou plus, et les unités plus grandes peuvent avoir des valeurs d’interruption de 100000 ou 1000000 ampères. Les énormes charges transitoires produites en forçant délibérément de tels dispositifs à démontrer leur capacité à interrompre des courts-circuits simulés auraient des effets inacceptables sur le réseau local si ces tests étaient effectués directement à partir de l’alimentation du bâtiment. Typiquement, un tel laboratoire dispose de plusieurs grands ensembles moteur-générateur, qui peuvent être mis en rotation pendant plusieurs minutes ; le moteur est ensuite déconnecté avant qu’un disjoncteur ne soit testé.
Laboratoires de physiqueModification
Les expériences de fusion Tokamak ont besoin de courants très élevés pendant de brefs intervalles (principalement pour alimenter de grands électroaimants pendant quelques secondes).
- JET (le Joint European Torus) possède deux volants d’inertie de 775 tonnes (installés en 1981) qui tournent jusqu’à 225 tours par minute. Chaque volant d’inertie stocke 3,75 GJ et peut fournir jusqu’à 400MW.
- L’Helically Symmetric Experiment de l’Université du Wisconsin-Madison possède 18 volants d’inertie d’une tonne, qui tournent à 10 000 tr/min en utilisant des moteurs de train électrique reconvertis.
- ASDEX possède 3 générateurs à volant d’inertie.
- DIII-D (tokamak) chez General Atomics
- le Princeton Large Torus (PLT) au Princeton Plasma Physics Laboratory
Aussi le non-tokamak : le synchrotron Nimrod au Rutherford Appleton Laboratory avait deux volants d’inertie de 30 tonnes.
Systèmes de lancement d’avionsModifié
Le porte-avions de classe Gerald R. Ford utilisera des volants d’inertie pour accumuler l’énergie provenant de l’alimentation électrique du navire, afin de la libérer rapidement dans le système électromagnétique de lancement des avions. Le système d’alimentation du navire ne peut pas à lui seul fournir les transitoires de haute puissance nécessaires au lancement des avions. Chacun des quatre rotors stockera 121 MJ (34 kWh) à 6400 tours/minute. Ils peuvent stocker 122 MJ (34 kWh) en 45 secondes et les restituer en 2 ou 3 secondes. Les densités d’énergie du volant d’inertie sont de 28 kJ/kg (8 W-h/kg) ; en incluant les stators et les boîtiers, cela revient à 18,1 kJ/kg (5 W-h/kg), sans compter le cadre de couple.
Volant d’inertie G2 de la NASA pour le stockage d’énergie des engins spatiauxModifié
Il s’agissait d’une conception financée par le Glenn Research Center de la NASA et destinée à tester les composants dans un environnement de laboratoire. Il utilisait une jante en fibre de carbone avec un moyeu en titane conçu pour tourner à 60 000 tr/min, monté sur des roulements magnétiques. Le poids était limité à 250 livres. Le stockage était de 525 W-hr (1,89 MJ) et pouvait être chargé ou déchargé à 1 kW. Le modèle fonctionnel présenté sur la photographie en haut de la page a fonctionné à 41 000 tr/min le 2 septembre 2004.
Rides d’attractionsEdit
Les montagnes russes Montezooma’s Revenge à Knott’s Berry Farm ont été les premières montagnes russes lancées par volant d’inertie au monde et sont les dernières de ce type encore en service aux États-Unis. Le manège utilise un volant d’inertie de 7,6 tonnes pour accélérer le train jusqu’à 89 km/h (55 miles par heure) en 4,5 secondes.
Les montagnes russes de l’Incroyable Hulk à Universal’s Islands of Adventure présentent un lancement en montée à accélération rapide par opposition à la chute typique par gravité. Ceci est réalisé grâce à de puissants moteurs de traction qui projettent la voiture vers le haut de la piste. Pour atteindre le courant très élevé requis pour accélérer un train complet de montagnes russes à pleine vitesse en montée, le parc utilise plusieurs groupes moteurs-générateurs avec de grands volants d’inertie. Sans ces unités d’énergie stockée, le parc devrait investir dans une nouvelle sous-station ou risquer d’éteindre le réseau énergétique local à chaque lancement du manège.
Energie pulséeEdit
Les systèmes de stockage d’énergie à volant d’inertie (FESS) se retrouvent dans une variété d’applications allant de la gestion de l’énergie connectée au réseau à l’alimentation sans coupure. Avec le progrès de la technologie, il y a une rénovation rapide impliquée dans l’application FESS. Les exemples incluent les armes de haute puissance, les groupes motopropulseurs des avions et les systèmes d’alimentation des navires, où le système nécessite une très haute puissance pendant une courte période de l’ordre de quelques secondes et même de quelques millisecondes.L’alternateur pulsé compensé (compulsateur) est l’un des choix les plus populaires d’alimentation pulsée pour les réacteurs à fusion, les lasers pulsés de haute puissance et les lanceurs électromagnétiques hypervitesse en raison de sa haute densité d’énergie et de puissance, qui est généralement conçue pour le FESS.Les compulseurs (alternateurs à faible inductance) agissent comme des condensateurs, ils peuvent être mis en rotation pour fournir une puissance pulsée pour les canons et les lasers. Au lieu d’avoir un volant d’inertie et un générateur séparés, seul le grand rotor de l’alternateur stocke de l’énergie. Voir aussi Générateur homopolaire.
Sports mécaniquesEdit
Utilisant une transmission à variation continue (CVT), l’énergie est récupérée de la chaîne cinématique pendant le freinage et stockée dans un volant d’inertie. Cette énergie stockée est ensuite utilisée lors de l’accélération en modifiant le rapport de la CVT. Dans les applications de sport automobile, cette énergie est utilisée pour améliorer l’accélération plutôt que pour réduire les émissions de dioxyde de carbone – bien que la même technologie puisse être appliquée aux voitures routières pour améliorer le rendement énergétique.
Automobile Club de l’Ouest, l’organisateur à l’origine de l’événement annuel des 24 heures du Mans et des Le Mans Series, est actuellement en train « d’étudier des règles spécifiques pour le LMP1 qui sera équipé d’un système de récupération d’énergie cinétique. »
Williams Hybrid Power, une filiale de l’équipe Williams F1 Racing, a fourni à Porsche et Audi un système hybride basé sur un volant d’inertie pour la 911 GT3 R Hybrid de Porsche et la R18 e-Tron Quattro d’Audi. La victoire d’Audi aux 24 heures du Mans 2012 est la première pour un véhicule hybride (diesel-électrique).
Système de stockage d’énergie sur le réseauÉditer
Les volants d’inertie sont parfois utilisés comme réserve tournante à court terme pour la régulation momentanée de la fréquence du réseau et l’équilibrage des changements soudains entre l’offre et la consommation. L’absence d’émissions de carbone, des temps de réponse plus rapides et la possibilité d’acheter de l’énergie aux heures creuses sont parmi les avantages de l’utilisation de volants d’inertie au lieu de sources d’énergie traditionnelles comme les turbines à gaz naturel. Le fonctionnement est très similaire à celui des batteries dans la même application, leurs différences sont principalement économiques.
Beacon Power a ouvert une centrale de stockage d’énergie à volant d’inertie de 5 MWh (20 MW sur 15 min) à Stephentown, New York, en 2011 en utilisant 200 volants d’inertie et un système similaire de 20 MW à Hazle Township, Pennsylvanie, en 2014.
Une installation de stockage à volant d’inertie de 2 MW (pour 15 min) à Minto, Ontario, Canada, a ouvert en 2014. Le système de volant d’inertie (développé par NRStor) utilise 10 volants d’acier tournants sur des paliers magnétiques.
Amber Kinetics, Inc. a un accord avec Pacific Gas and Electric (PG&E) pour une installation de stockage d’énergie par volant d’inertie de 20 MW / 80 MWh située à Fresno, CA, avec une durée de décharge de quatre heures.
ÉoliennesModifié
Les volants d’inertie peuvent être utilisés pour stocker l’énergie produite par les éoliennes pendant les périodes creuses ou lorsque la vitesse du vent est élevée.
En 2010, Beacon Power a commencé à tester son système de stockage d’énergie par volant d’inertie Smart Energy 25 (Gen 4) dans un parc éolien à Tehachapi, en Californie. Le système faisait partie d’un projet de démonstration d’énergie éolienne/volant d’inertie réalisé pour la Commission californienne de l’énergie.
JouetsEdit
Les moteurs à friction utilisés pour alimenter de nombreux jouets (voitures, camions, trains, jouets d’action, etc.) sont de simples moteurs à volant d’inertie.
Presses à basculeEdit
Dans l’industrie, les presses à bascule sont encore populaires. La disposition habituelle implique un vilebrequin très solide et une bielle très résistante qui entraîne la presse. De grands et lourds volants d’inertie sont entraînés par des moteurs électriques mais les volants d’inertie ne font tourner le vilebrequin que lorsque les embrayages sont activés.