Les volants d’inertie du stockage des énergies renouvelables

Les volants d’inertie peuvent jouer 2 rôles clés pour les énergies renouvelables aux productions les plus intermittentes : stockage, et lissage. Pour en parler à nos lecteurs : André Gennesseaux, directeur général et directeur technique d’Energiestro, une entreprise qui développe sa technologie VOSS (volant de stockage solaire).

Préambule

Dans un précédent article, nous présentions les différentes possibilités afin de « Stocker l’énergie dans des roues d’inertie pour la mobilité » . Nous souhaitions le compléter avec un volet traitant de l’application du même principe pour le stockage de l’électricité. Nous avons immédiatement pensé au programme VOSS d’Energiestro, sans savoir au départ que le concepteur de cette technologie nous amènerait d’importantes précisions assurant la transition entre les 2 domaines d’exploitation si éloignés.

3 âges pour les volants d’inertie

« Un volant, c’est un cylindre ou un disque qui tourne à très grande vitesse pour stocker l’énergie sous une forme qu’on appelle ‘énergie cinétique’. On peut considérer qu’il y a 3 âges pour les volants d’inertie. Comme vous l’avez indiqué dans votre précédent article, le premier remonte très loin en arrière avec une exploitation par les potiers de Mésopotamie. Avec l’âge industriel, les volants d’inertie ont été montés sur des machines à vapeur pour lisser le mouvement discontinu et transmettre au final un mouvement continu. Le troisième âge, – qui n’a pas vraiment eu lieu -, a pour cadre la fin du XXe siècle. Il s’agissait d’adapter aux volants d’inertie les technologies high-tech venue de l’aéronautique. On abandonne l’acier et la fonte pour la fibre de carbone ou le kevlar », expose André Gennesseaux.

Pour les voitures électriques

Quand notre interlocuteur s’intéresse aux volants d’inertie, dans les années 1990, il travaille sur les moteurs pour Total, l’entreprise étant alors déjà très attentive au développement des nouvelles énergies. Dans ce cadre, il se rend au salon automobile de Détroit, aux Etats-Unis. Là, il découvre une startup qui propose de remplacer les batteries des véhicules électriques par des volants d’inertie. « Le gros avantage des volants sur les batteries, c’est qu’ils ont une durée de vie illimitée. Au bout de 100.000 cycles, pas de trace d’usure ! », commente André Gennesseaux.

« Mais pour les voitures particulières, le principe a peu de chance d’aboutir, pour 2 raisons. Produire un disque efficace ultraléger, c’est cher ; et sécuriser un tel équipement dans un véhicule, c’est difficile. Il faudrait l’incorporer dans une enveloppe qui serait très lourde, et on perdrait le bénéfice de l’allègement du disque lui-même », poursuit-il.

Pour la compétition

« Si les volants d’inertie ont été écartés dans les voitures particulières, ils ont en revanche été utilisés de façon réussie dans la compétition, dès que les règlements ont imposé l’adoption de systèmes Kers. Ce n’est pas dans la Formule 1 qu’on a réussi à faire des choses intéressantes, mais dans les courses d’endurance. Finalement, peu de gens savent que l’Audi R18 e-tron quattro qui a permis à plusieurs pilotes de monter sur le podium est équipée d’un tel système. Mais ce qu’on a pu faire en compétition, où les règles de sécurité sont différentes, on n’a pas pu l’appliquer au grand public. Un volant d’inertie aurait pourtant permis de résoudre différents problèmes pour la mobilité individuelle », rapporte André Gennesseaux.

En interfaçage de groupes électrogènes…

« Pour réduire la pollution des groupes électrogènes, il est possible d’employer de l’huile végétale pure. Mais ces appareils fonctionnent à différents régimes, selon la demande en électricité qui leur est faite. Quand il n’est pas sollicité, le moteur tourne à petite vitesse. Dans ce cas, avec de l’huile végétale pure, il s’encrasse et finit par casser », explique le directeur général et technique d’Energiestro.

« Nous avons pensé à un volant d’inertie en fonte à graphite sphéroïdal pour résoudre le problème. Le groupe électrogène hybride tournait à pleine puissance le temps d’amener le disque à une certaine vitesse de rotation, puis le moteur alimenté à l’huile végétale était coupé. L’autonomie du volant pouvait être de 1 ou 2 heures. Non seulement on a obtenu une durée de vie très bonne sur l’ensemble du groupe, mais, en plus, avec bien moins de pollution au final », détaille-t-il.

…un projet abandonné

Le groupe électrogène hybride à volant d’inertie a-t-il été commercialisé ? « Non, et pourtant nous étions très proche de la production en série. Deux raisons à l’abandon du projet. Tout d’abord de plus en plus de monde a misé sur les biocarburants, ce qui a fait grimper sévèrement leurs prix. Ils étaient donc moins intéressants à utiliser. Ensuite, il y a eu des contestations écologistes sur ces produits. Certaines fondées, notamment quand il s’agit de s’inquiéter de la déforestation. Le phénomène a bien été constaté, par exemple en Indonésie et en Malaisie. D’autres contestations l’étaient moins. Ainsi quand il a été évoqué une concurrence avec les surfaces agricoles pour les produits alimentaires », résume André Gennesseaux. « Avec la fabrication des panneaux photovoltaïques en Chine, c’est le solaire qui est devenu la moins chère des énergies », justifie-t-il.

Béton

« Réaliser un système domestique de stockage de l’énergie à volant d’inertie en acier ou carbone aurait été dissuasif pour le consommateur. Rien que le coût de la matière égalait le prix d’une batterie. Le dispositif aurait coûté au final 10 fois le prix de cette dernière. J’ai alors pensé au béton. Un ingénieur aurait écarté de suite cette hypothèse, car, si le béton est bon en compression, il est nul en traction et éclaterait dès qu’il prendrait de la vitesse en rotation. Mais si on fait le calcul au niveau économique, on s’aperçoit que son usage a le potentiel de diviser par 10 le coût de stockage de l’énergie. Pour le rendre exploitable, la solution que j’ai trouvée est de le comprimer », révèle notre interlocuteur.

20% de perte en 24 heures

Puisqu’il s’agit d’exploiter un volant d’inertie pour stocker l’énergie solaire, il faut que le dispositif puisse restituer le flux pendant plusieurs heures.

« Au départ, la faiblesse d’un volant en béton est son taux de décharge dû aux frottements, même s’il est emprisonné sous vide avec sustentation magnétique. Notre objectif est de contenir dans les 20% les pertes sur 24 heures. Pour cela, nous faisons la chasse au gaspi à tous les niveaux : roulements, onduleur, moteur, etc. Ca prend du temps ! C’est un long travail, mais on en voit le bout ! Nos prototypes, de relatives petites dimensions, – 1 et 10 kWh -, confirment que c’est faisable. Et l’on sait que plus un volant est gros, moins il a de pertes. Un petit volant se décharge complètement en quelques heures, quand il faut plusieurs jours à un gros modèle. Et l’on peut envisager des volants de plusieurs centaines de tonnes », indique André Gennesseaux.

Eolien ?

Vous associez le principe du volant d’inertie pour le stockage de l’énergie solaire. Et pour l’éolien ? « Non, ce n’est pas intéressant ! Ce n’est pas une difficulté technique, mais une raison financière. On parle de LCOS (levelized cost of storage) pour le coût de stockage. Il s’obtient en divisant le coût d’achat du dispositif par le nombre de cycles d’exploitation. Avec l’éolien, le nombre de cycle, aléatoire, sera peu élevé. Avec le solaire, on a un fonctionnement quotidien, au moins 10 fois supérieur en nombre », répond André Gennesseaux.

« Il y a toutefois une exploitation envisagée avec l’éolien. Pas pour le stockage de l’énergie, mais pour le lissage. Aujourd’hui, le réseau doit compenser les variations rapides de productions et de demandes. Pour la production, le vent peut souffler par rafales et s’arrêter d’un coup. Dans ce cas, un volant d’inertie est intéressant à exploiter », précise-t-il.

Petit réseau en Guyane

« Notre première application réelle de notre VOSS est prévue cette année sur un petit réseau en Guyane. Là-bas, le mix est composé de 30% d’énergie renouvelable. Mais pour la stabilité des réseaux, EDF ne souhaite pas que cette part augmente, sauf s’il y a, associé aux nouveaux projets, un lissage par stockage de l’énergie. Pour un poids de 4-5 tonnes incluant l’équipement autour, le volant aura une capacité de 10 kWh, et le moteur/générateur une puissance nominale de 10 kW. Ainsi, le système disposera d’une autonomie d’une heure en utilisation maximum, conformément aux exigences de la CRE (commission de régulation de l’énergie) pour les zones non interconnectées (ZNI) », indique André Gennesseaux.

Une gamme autour d’un même volant

Même si à terme Energiestro prévoit des modèles allant de 10 kWh (autoconsommation des particuliers) à 1 MWh (grandes centrales solaires), l’entreprise compte déjà développer toute une gamme de sa technologie VOSS autour d’un volant de même capacité : 10 kWh. Mais avec un moteur/générateur de puissance adapté aux besoins.

« Pour la maison, 2 kW de puissance suffiront. La capacité de stockage de 10 kWh correspond bien à la consommation d’une journée. Ici, on mise sur une autonomie de 6-7 heures. Couplé avec une installation solaire, ça permettra d’être totalement en autoconsommation la moitié de l’année, comme avec le Powerwall de Tesla. Elon Musk affirme qu’on peut se passer du réseau avec son système : pas totalement en réalité quand on réside en Europe ou aux Etats-Unis », commente André Gennesseaux. « A l’inverse, avec un moteur/générateur de 40 kW, on peut avoir un dispositif de régulation de fréquence pour l’équilibrage du réseau. Son autonomie ne sera que de 15 minutes, mais ce sera suffisant pour démarrer une centrale en cas de besoins supplémentaires de consommation. Une telle exploitation de notre système est pour nous une nouveauté », rapporte-t-il.

Pour les voitures électriques : bis

Si le volant d’inertie ne sera sans doute pas embarqué dans les voitures particulières, il pourra tout de même servir, de façon moins directe, à la propulsion des voitures électriques. « Avec elles, la consommation des maisons va doubler. Nous avons déjà des demandes de particuliers pour lesquels le prix est moins un problème que le côté vertueux de leur système de stockage. Ils ne souhaitent pas, par exemple, participer davantage aux risques de pénurie de certains matériaux rares contenus dans les batteries », témoigne notre interlocuteur.

Et justement, au niveau du prix ? « Le prix n’est pas encore fixé : nous visons entre 500 et 1.000 euros par kilowattheure au démarrage. Pour les particuliers, ce ne sera de toute façon pas pour tout de suite. Les modèles que nous comptons produire dès 2020 seront montés en triphasé. Nous allons établir un business plan pour le cas des particuliers. Nous devrons choisir pour eux un moteur et un onduleur spécifiques », répond-il.

Fermes de stockage

« Il existe déjà des fermes de stockage d’énergie aux Etats-Unis et au Canada. Comme cela revient trop cher de recourir à des volants en fibre de carbone ou en acier, le choix a été fait d’exploiter des batteries. Mais avec l’équivalent d’environ 10 cycles de décharge/recharge par jour, pour une durée de vie de 4.000 cycles, les cellules ne tiendront pas beaucoup plus d’un an. Notre technologie, qui a vraiment le pouvoir de transformer la manière de stocker et restituer l’électricité, s’appliquerait très bien à leurs besoins », cite en exemple André Gennesseaux.

« En prenant le cas d’un désert dans le Sud-Ouest des Etats-Unis, des panneaux solaires associés à la technologie VOSS permettraient une disponibilité 24/24 de l’énergie, pour un coût inférieur à une solution basée sur les sources fossiles. La même application, mais avec des batteries pour le stockage demanderait un budget 3 fois plus élevé », cite en exemple notre interlocuteur.

Vidéo

Lors de l’événement TEDx Paris, en 2015, André Gennesseaux a présenté de façon très claire la solution que développe Energiestro. Il est possible de retrouver cette courte conférence sur Youtube. Elle constitue un parfait complément à notre article.

« On a parfois eu des attaques sur les réseaux sociaux, ou des commentaires disproportionnés. Certains nous ont traités d’escrocs, d’autres voyaient pour nous le prix Nobel en pensant qu’on avait inventé le mouvement perpétuel. Bien sûr, ce n’est pas le cas, puisque notre système ne produit pas à proprement parler de l’énergie, mais il restitue celle qu’il a emmagasinée. On a passé du temps au début à lire et à répondre à ces commentaires. On a arrêté de le faire, pour continuer à travailler sereinement sur notre programme », conclut notre interlocuteur, en réponse à l’une de nos questions.

Révolution Energétique et moi-même remercions vivement André Gennesseaux pour sa très grande réactivité et le temps qu’il a consacré à nous répondre avec précision et pédagogie.