Volant d’inertie et air comprimé

Le volant d’inertie

Une masse qui tourne contient de l’énergie : il faut en fournir pour la lancer, elle la rend en ralentissant. C’est le principe du volant d’inertie, déjà présent sur les moteurs thermiques pour lisser leurs à-coups.Un disque d’acier de 100 kg et 30 cm de rayon a un moment d’inertie de ½ × 100 × 0,3² = 4,5 kg·m². À 10 000 tr/min, soit environ 1 050 rad/s, il stocke ½ × 4,5 × 1 050² ≈ 2,5 MJ, soit à peine 0,7 kWh.

Tout est dans la vitesse :

l’énergie croît comme le carré de la vitesse : doubler la vitesse, c’est quadrupler l’énergie. Les volants modernes tournent donc à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute, dans une enceinte sous vide pour supprimer le frottement de l’air, sur des paliers magnétiques. Leur rotor est souvent en fibre de carbone : plus léger que l’acier, il résiste mieux à la force centrifuge qui tente de le faire éclater.

Ce que sait faire un volant

Comme le supercondensateur, le volant d’inertie est un spécialiste de la puissance brève : il rend son énergie en quelques secondes, supporte des centaines de milliers de cycles et affiche un rendement de 85 à 95 %.

• Onduleurs dynamiques : dans les centres de données et les hôpitaux, un volant maintient l’alimentation pendant les quelques secondes nécessaires au démarrage du groupe électrogène.
• Réseaux : il compense en une fraction de seconde les variations brutales de production ou de consommation.
• Transports : récupération d’énergie au freinage sur certains véhicules.

Sa limite : il se vide tout seul. Même sous vide et sur paliers magnétiques, il perd quelques pourcents de son énergie par heure. On ne stocke pas une nuit dans un volant.

L’inertie du réseau :

tous les alternateurs des centrales classiques sont, eux aussi, d’énormes volants. Leur rotation encaisse les à-coups et ralentit les variations de fréquence. Moins il y a de machines tournantes sur un réseau, moins il a d’inertie : c’est l’un des grands défis des réseaux insulaires riches en solaire, raccordé par des onduleurs.

L’air comprimé

Troisième piste mécanique : comprimer de l’air dans une cavité souterraine, par exemple une ancienne cavité saline creusée dans une couche de sel, puis le détendre dans une turbine pour produire de l’électricité.
Deux grandes installations fonctionnent depuis des décennies : Huntorf en Allemagne, depuis 1978, et McIntosh aux États-Unis, depuis 1991.

Le problème de la chaleur :

Comprimer de l’air le chauffe, comme le sait quiconque a gonflé un pneu à la pompe à main. Si cette chaleur est perdue, il faut en redonner à la détente, souvent en brûlant du gaz, et le rendement aller-retour plafonne vers 40 à 50 %. Les projets dits adiabatiques stockent cette chaleur de compression pour la restituer à la détente, et visent 60 à 70 %.
On retrouve ici la leçon du cours sur le rendement : une énergie dégradée en chaleur tiède est difficile à récupérer.

Quel stockage pour quel usage ?

Chaque technique a son terrain. La question n’est jamais « laquelle est la meilleure ? », mais « combien de temps faut-il tenir, et à quelle puissance ? » :

Stockage	Durée typique	Rendement aller-retour	Durée de vie
Supercondensateur	secondes	90 à 95 %	≃ 1 000 000 de cycles
Volant d’inertie	secondes à minutes	85 à 95 %	≃ 20 ans
Batterie lithium	minutes à heures	85 à 95 %	10 à 15 ans
Air comprimé	heures	40 à 70 %	plusieurs décennies
STEP	heures à jours	70 à 80 %	50 ans et plus

Les réseaux modernes les combinent : les stockages rapides tiennent la fréquence pendant les premières secondes, les batteries lissent la journée, les STEP déplacent l’énergie d’une période à l’autre.