Système de stockage d’énergie par volant d’inertie (SSEVI)

Il existe plusieurs SSEs ayant leurs propres avantages et inconvénients. Certains sont utilisés pour leur volume d’énergie à emmagasiner. Par exemple, les SSEs hydrauliques peuvent emmagasiner une quantité d’énergie phénoménale, le tout en fonction du volume du bassin d’eau. Un autre critère peut être la mobilité. Par exemple, un banc de batterie est un SSE qui peut être transporté d’un endroit à un autre, tel une génératrice. De plus, la durée de vie d’un SSE est aussi une caractéristique importante. Des batteries lithium-ion auront un effet de vieillissement avant même d’atteindre 2000 cycles de charge et décharge [11]. Ensuite, un critère important est la densité d’énergie volumique. En effet, si l’espace est restreint, il est primordial d’avoir un SSE compact. De plus, le coût est toujours un critère de sélection. Les

recherchée. Par exemple, le stockage sous forme d’hydrogène, effectué par le biais d’hydrolyse et de sa reconversion en électricité avec des piles à combustible, a une efficacité avoisinant 26% [12]. Il est possible avec d’autres SSEs d’obtenir un meilleur rendement.

2.2.1

Les avantages des volants d’inertie sont les suivants : les SSEVIs sont des modules compacts. Ils peuvent être installés pratiquement n’importe où. La seule spécification requise au niveau de l’emplacement est une enceinte de sécurité. De plus, les SSEVIs ont un haut rendement énergétique. L’énergie est sous forme cinétique et est emmagasinée dans un disque en rotation. Afin de générer de l’électricité, le volant d’inertie sera couplé à un moteur électrique, aussi utilisé en génératrice. L’efficacité lors du transfert d’énergie sera déterminée par le rendement du moteur électrique et de l’électronique de puissance associée. Les moteurs électriques ont un rendement de 80% et plus selon leur configuration, ce qui rend les SSEVIs efficaces. Comme mentionné dans l’introduction du présent mémoire, les SSEVIs peuvent avoir un roulement à billes ou un palier magnétique. Lorsqu’un palier magnétique est utilisé, il est possible d’opérer le SSEVI à haute révolution avec des pertes par friction beaucoup plus faibles, ce qui ajoute au SSEVI avec palier magnétique une caractéristique de maintien de son énergie pour une période de temps plus élevée. Finalement, contrairement aux batteries qui subissent un effet de vieillissement, les SSEVI avec palier magnétique ont une durée de vie élevée. En effet, l’entretien le plus fréquent sur un SSEVI concerne ses roulements à billes. Étant donné que les roulements à billes sont remplacés, les SSEVIs avec palier magnétique ont une durée de vie évaluée à 50 000 cycles de charge et décharge sans dégradation des performances [13]. La Figure 2-4 représente les principaux composants d’un SSEVI.

2.2.2

Aujourd’hui, les SSEVIs sont même utilisés dans la course automobile. Il n’y a pas de moteur- générateur, mais dans les applications de courses, l’énergie au freinage est utilisée afin d’entrainer le volant d’inertie. Lorsque le véhicule accélère l’énergie cinétique accumulée dans le volant d’inertie est utilisée pour propulser le véhicule. Comme il a été dit précédemment, un SSEVI avec palier magnétique permet une haute efficacité due aux faibles pertes.

Axe de rotation Palier magnétique Palier magnétique Pompe à vide Rotor Moteur- générateur Enceinte de sécurité (sous-vide) Convertisseur électronique

Figure 2-4 : Système de stockage d'énergie par volant d'inertie [14]

Par exemple, les satellites dans l’espace utilisent les volants d’inerties avec palier magnétique. Il est très onéreux d’envoyer un satellite dans l’espace. Donc, il faut assurer la plus longue durée de vie possible lors de l’envoi de satellite. Afin de minimiser la consommation énergétique du satellite, les volants d’inertie permettant au satellite de tourner autour de son axe utilisent des paliers magnétiques.

Une autre application pour les SSEVIs est aussi de régulariser la production électrique des éoliennes. Dans cette optique, une caractéristique visée serait un temps de charge/décharge à vide entre 12 et 24h. On quantifiera cette caractéristique par ce qu’il est convenu d’appeler le « temps d’autodécharge » du SSEVI. Donc le SSEVI serait chargé lors de vents forts et contribuerait à la demande lors de vents faibles. Des temps d’autodécharge des volants d’inertie qui seraient supérieurs à 24 heures ne sont pas envisageables avec des roulements à bille. Dans ce contexte, l’utilisation de SSEVI à paliers magnétiques est une voie d’étude très pertinente.

2.2.3

(1) Le volant d’inertie

Le principe du volant d’inertie est d’accumuler de l’énergie sous forme cinétique à l’aide d’un disque en rotation. Les performances du volant d’inertie sont directement reliées au choix des matériaux en rotation et à la forme du volant. L’équation de l’énergie cinétique d’un corps en

rotation comprend la masse du volant et la vitesse circonférentielle comme variable. Afin d’augmenter l’énergie emmagasinée, il faut augmenter une des 2 variables. Typiquement, la forme du volant est un anneau ou un disque plein.

(2) Le moteur-générateur

Le moteur électrique permet d’entrainer le volant d’inertie. Lorsque le SSEVI doit générer de l’électricité pour compenser une demande, le moteur électrique devient un générateur. Ce composant est étroitement lié au rendement lors du transfert de l’énergie mécanique vers l’énergie électrique, et vice-versa. En plus de l’efficacité lors de la conversion d’énergie, le moteur-générateur doit minimiser les pertes à vide. Lorsque le disque est en rotation mais qu’aucun transfert énergétique n’est enclenché, les pertes dues à la rotation doivent être aussi faibles que possibles.

(3) L’enceinte de sécurité

Étant donné la vitesse à laquelle le disque tourne, il est nécessaire d’avoir une enceinte de sécurité au cas où un incident arriverait. L’enceinte de sécurité doit être conçue pour qu’elle puisse absorber l’énergie cinétique maximale emmagasinée dans le volant d’inertie. Ce critère assure la sécurité des personnes à proximité du SSEVI et pour protéger les équipements avoisinants. De plus, selon la vitesse de rotation, la friction de l’air peut devenir non- négligeable. Donc, en plus d’avoir une structure pour la protection, mettre cette enceinte sous vide diminue ou élimine les pertes par friction aérodynamique.

(4) Les paliers et les butées

Le sujet du présent mémoire est principalement au niveau des paliers et des butées. Ces derniers pourraient tous être des roulements à billes. Comme il a été discuté plus tôt, des roulements à billes génèrent beaucoup de pertes de friction et nécessitent de l’entretien. Ils sont principalement utilisés lors d’applications à basses vitesses. En changeant ces roulements à billes pour des paliers magnétiques, les SSEVIs permettent de maintenir leur énergie sur une longue période de temps, donc améliorer leur temps d’autodécharge.

2.3