Energie volumique (Wh/litre)

Stockage électromécanique d’énergie Stockage électromécanique d’énergie

(cinétique ou inertiel) (cinétique ou inertiel) Flywheel

Flywheel energy energy storage storage

Introduction - Principe

Caractérisation énergétique du volant

Moteur-Générateur : interface électromécanique Applications et exemples

Bilan

B. Multon, N. Bernard, C. Kerzrého,

H. Ben Ahmed, J.Y. Cognard, J. Delamare*, F. Faure*

Antenne de Bretagne – Ecole Normale Supérieure de Cachan - LESiR-SATIE – LMT

* LEG – INPG Grenoble

Principe, constitution Principe, constitution

Énergie cinétique accumulée dans une masse en rotation

Courants à

fréquence variable Tension continue

Convertisseur AC/DC

Enceinte : vide, confinement

Paliers faibles pertes Moteur-générateur

Commande

position - vitesse Consigne puissance

Eléments de dimensionnement Eléments de dimensionnement

Énergie : - volant

masse – encombrement selon forme et matériaux - paliers-suspension (masse sustentée)

- enceinte de confinement

Cycles : - dimensionnement en fatigue Puissance : - moteur-générateur

(en général plutôt dimensionné en couple)

min Max Max

C P

= Ω

Ω

Energie massique et volumique du volant : Energie massique et volumique du volant :

cas du cylindre creux cas du cylindre creux

∫∫∫

= Ω

= V dm

2 .J 1

2

E

1

σ

e

V k1

max =

avec :

ρ σ_e Km

M E^max =

K e

E σ

ϑ ^{= ϑ}

max

0 0.2 0.4 0.6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Rapport Rint/Rext Km

Kv

Compromis Km-Kv

0 20 40 60 80 100

1 2 3 4 5 6

Rapport vitesses : Vmax/Vmin

Prof. Décharge (%)

Profondeur de décharge, énergie récupérable Profondeur de décharge, énergie récupérable

89%

E

E

λ =

Kevlar Carbone-epoxy

Fibre verre Fibre bore

Volant Volant

Massifs : acier, titane, aluminium

Composites : kevlar, carbone, verre, bore Matériau, forme…

W

V ∝ σ

+ dimensionnement en fatigue selon nombre de cycles…

W

M ∝ σ ρ

max

Forme cylindre plein cylindre creux géométrie de type isocontrainte

Forme convertisseur Cylindrique Cylindrique Plan

Champ magnétique Radial Radial Axial

Matériau de prédilection

Métaux Composites Métaux

Énergie massique + - ++

Énergie volumique + - -

Vitesse de rotation^* + - ++

Exemples d’associations volant/moteur

Exemples d’associations volant/moteur--générateurgénérateur

Thèse C. KERZREHO - ENS Cachan - Bretagne

- 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00

- 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00

Energie massique (Wh/kg)

Energie volumique (Wh/litre)

Composite Titanium Aluminium Steel

1 Wh/€

Cylindre creux Disque iso.

Cylindre plein

Thèse C. KERZREHO - ENS Cachan - Bretagne

Choix forme

Choix forme – – matériau du volant matériau du volant

Coût matière, volant seul

Composite bobiné Cylindre acier

massif

Les types de moteurs

Les types de moteurs- -générateurs générateurs

Aimants permanents : Av. : rendement en charge Inc. : prix, pertes à vide Réluctance variable :

Av. : rendement à vide, robustesse parties tournantes massives Inc. : pertes en charges

Asynchrone :

Av. : simplicité et robustesse parties tournantes Inc. : rendement

Tous plus ou moins bien capables de fonctionner à puissance constante Sans balais et à rotor robuste

Architectures cylindriques ou discoïdes

Les paliers Les paliers

À billes : Av. : prix

Inc. : difficultés de centrage et limites à haute vitesse, pertes mécaniques,

fiabilité, fonctionnement dans le vide (sans lubrifiant) Magnétiques actifs :

Av. : hautes vitesses, raideur élevée

Inc. : consommation, complexité (réalisation), prix Magnétiques passifs ou semi-passifs

Av. : consommation réduite, plus simple, prix

Inc. : raideur plus faible, fréquences de résonance Magnétiques Supra-conducteur (HTC)

Av. : consommation très réduite, simples, stables Inc. : cryostat

Convertisseur statique Convertisseur statique

Les moteurs-générateurs sont tous à courant alternatif Onduleur généralement triphasé à IGBT

Contrôle : position (autopilotage), courant Difficultés :

- hautes fréquences fondamentales

(machines rapides et à nombre de paires de pôles élevés) filtrage du découpage souvent nécessaire

- cyclage,

durée de vie du convertisseur pour des volants 20 ans

Pertes énergétiques Pertes énergétiques

Dans le moteur-générateur et son convertisseur : - à vide : pertes magnétiques et mécaniques

- en charge et décharge : pertes Joule bobinages et semi-conducteurs - pertes éventuelles d’excitation

Dans les paliers : frottements, pertes par courants induits et hystérésis ou pertes bobinage et commande (susp. magn.)

Frottements sur les parties mobiles => vide 10^-5 à 10^-6 torr

soit : 1 mPa à 0,1 mPa Rendement : selon puissance et contraintes 80 à 98%

Il faut impérativement considérer des rendements sur cycle : Energie dissipée sur Energie transitée

Applications existantes et envisagées Applications existantes et envisagées

-- SatellitesSatellites

Assurer le positionnement : stockage d

Assurer le positionnement : stockage d ’un moment cinétique’un moment cinétique

-- Alimentation UPSAlimentation UPS

Fonctionnement plutôt

Fonctionnement plutôt impulsionnelimpulsionnel : quelques minutes: quelques minutes

-- Véhicules hybridesVéhicules hybrides

Pointes de puissance : association batterie/volant Pointes de puissance : association batterie/volant

quelques minutes quelques minutes

application embarquée application embarquée

-- Lissage de chargeLissage de charge

Applications réseau au niveau du consommateur ou de la distribut

Applications réseau au niveau du consommateur ou de la distribution : ion : quelques minutes à quelques heures quelques minutes à quelques heures

-- Volant pour alimentation UPSVolant pour alimentation UPS

Alimentation de secours, fonctionnement

Alimentation de secours, fonctionnement impulsionnelimpulsionnel (minute)(minute)

ACTIVE POWER (USA) ACTIVE POWER (USA) : :

Volant Acier, gamme 160 à 800 kW (masse 1400 à 2250 kg) Volant Acier, gamme 160 à 800 kW (masse 1400 à 2250 kg) vitesse : 7000 tr/mn, tps ch. 20 mn, tps

vitesse : 7000 tr/mn, tps ch. 20 mn, tps déchdéch. 15 à 5 sec (. 15 à 5 sec (≈≈≈≈≈≈≈≈1 kWh1 kWh))

Moteur

Moteur--génégéné : réluctance variable: réluctance variable vide partiel, paliers hybrides (

vide partiel, paliers hybrides (mécaméca. + magn.). + magn.)

MITSUBISHI (JP) MITSUBISHI (JP) : :

Volant Acier de 27 kg, d280 mm, 1500 tr/mn, Volant Acier de 27 kg, d280 mm, 1500 tr/mn, masse totale 130 kg,

masse totale 130 kg, EmaxEmax= 90 = 90 WhWh, , S=5 kVAS=5 kVA pendant 1 min.pendant 1 min.

Moteur

Moteur--génégéné : asynchrone: asynchrone

métalliques « faibles » vitesses Volume du moteurVolume du moteur--générateur importantgénérateur important

AFS TrinityAFS Trinity Power Power CorpCorp..

(fusion de Trinity et American Flywheel Systems Produits commerciaux entre 50 et 250 kW Produits commerciaux entre 50 et 250 kW Volant composite fibre carbone :

Volant composite fibre carbone : 40 000 tr/

40 000 tr/mnmn ––500 m/s500 m/s 100 000 cycles

100 000 cycles Moteur

Moteur--générateur : aimants inducteur générateur : aimants inducteur HalbachHalbach bobinage fils de

bobinage fils de LitzLitz Paliers magnétiques passifs

Paliers magnétiques passifs

-- Volants pour alimentation UPSVolants pour alimentation UPS composites « hautes » vitesses

Plus grandes vitesses donc couple électromagnétique plus faible Plus grandes vitesses donc couple électromagnétique plus faible

Exemple : M4 DC 2 kWh

Exemple : M4 DC 2 kWh ––200 kW200 kW Pertes

Pertes standbystandby : 500 W: 500 W

masse totale armoire onduleur comprise 600 kg masse totale armoire onduleur comprise 600 kg

UNITED TECHNOLOGIES

UNITED TECHNOLOGIES CorpCorp.. (USA) : (USA) : EE_maxmax=800 kWh, P=800 kWh, P_maxmax=25 kW, =25 kW,

rotor d 400 mm (fibres de carbone), rotor d 400 mm (fibres de carbone), 35000 tr/mn

35000 tr/mn

-- Volant pour véhicules hybridesVolant pour véhicules hybrides

Pointes de puissance : association batterie/volant Pointes de puissance : association batterie/volant Effet gyroscopique et

Effet gyroscopique et pbpb de sécurité accrus de sécurité accrus

accroissement de l

accroissement de l ’autonomie ’autonomie et de la durée de vie

et de la durée de vie

AFS

AFS TrinityTrinity Power Power CorpCorp..

Produits commerciaux entre 50 et 250 kW Produits commerciaux entre 50 et 250 kW

-- Volant pour lissage de chargeVolant pour lissage de charge

En association avec génération éolienne et/ou photovoltaïque, En association avec génération éolienne et/ou photovoltaïque, thermomécanique

thermomécanique

BEACON POWER SYSTEMS BEACON POWER SYSTEMS Produit commercial BHE6 Produit commercial BHE6

EE_maxmax=6 kWh, P=6 kWh, P_maxmax=2 kW 3 heures=2 kW 3 heures rotor composite 22 500 tr/

rotor composite 22 500 tr/mnmn Sous vide (30 heures auto

Sous vide (30 heures auto--décharge)décharge) Paliers magnétiques aimants

Paliers magnétiques aimants

Prévu pour être enterré

-- Volant pour lissage de chargeVolant pour lissage de charge

En association avec génération éolienne et/ou photovoltaïque, En association avec génération éolienne et/ou photovoltaïque, thermomécanique

thermomécanique

ENERGISTRO

ENERGISTRO (France)(France)

Produit en développement (pré

Produit en développement (pré--série 2003)série 2003) EE_maxmax= 1 kWh, P= 1 kWh, P_maxmax=7 kW < 1 heures=7 kW < 1 heures rotor métallique

rotor métallique Sous vide

Sous vide

Paliers à billes Paliers à billes Générateur seul, Générateur seul, Rechargé mécanique Rechargé mécanique

par un moteur thermique par un moteur thermique

1kWh - 1kW

volant 30kg - 20 000tr/mn

paliers magnétiques

enceinte sous vide

moteur/générateur

Réluctance variable excitée à bobinage

sans fer

Pilotage de Pilotage de la machine la machine

Bus DC

consigne de puissance

Moteur-générateur intégré (brevet PCT)

Thèse N. BERNARD - LESiR-Bretagne-ENS Cachan

Travaux ENS Cachan : production décentralisée, lissage de charge

Travaux ENS Cachan :

quelques résultats d’optimisation du système volant + moteur-générateur

Suspension magnétique LEG

Volants impulsionnels : quelques 100 W/kg à kW/kg 150 à 250 €/kW

Bilan des performances Bilan des performances

« Ce qui se dit »

Volants lissage : quelques Wh/kg à 10 Wh/kg 30 à 80 €/kW

Pas de pb de connaissance de l’état de charge Longue durée de vie : bonne tenue au cyclage Bonne recyclabilité des matériaux en fin de vie

Non statique : pièces en mouvements, bruit acoustique (faible)

Bilan Bilan

Avantages

Inconvénients

Sensibilité aux vibrations et mouvements Coût composites performants

Automobiles hybrides ???

Dans des véhicules plus lourds : peut-être ?

Déjà quelques expériences mais avec des accumulateurs non intégrés (tramway de Bristol)

Solution intéressante pour sa durée de vie, sa capacité de cyclage, son potentiel coût-encombrement, en stockage décentralisé

Bilan, secteurs d’applications Bilan, secteurs d’applications

Pour les transports

Pour le lissage de charge

C’est actuellement le créneau commercial qui s’étend

avec des volants « lents » Pour les alimentations ininterruptibles

Pour la recharge rapide au sol : possible

Optimisation fonction de l’application

Volants composites : baisse des coûts (matériaux et process)

Sécurité, enceinte de confinement moins lourde et encombrante Paliers magnétiques faible coût, fiables, économes en énergie

association aux paliers de secours et/ou de démarrage

Points encore à travailler Points encore à travailler

Intégration système