Brevet FR3060235A1 — publié le 20180615

La présente invention concerne le stockage de l'énergie par une nouvelle conception de volant d'inertie. Le stockage de l'énergie, électrique en particulier, est un problème qui n'a reçu à ce jour que des solutions très insuffisantes. Une des solutions connues est de convertir l'énergie électrique en énergie cinétique. Dans les transports, des applications ont été réalisées en Suisse (à Zurich) et en Belgique pour des autobus, de type Gyrobus. De même que pour le métro de la ville de Rennes où la récupération de l'énergie de freinage représente environ 11 jours de consommation d'énergie électrique du métro. On peut citer aussi les trams Alstom Citadis. Dans ces exemples, l'énergie électrique est stockée dans des volants d'inertie de relativement faible capacité. Mais le stockage de grandes quantités d'énergie, permettant un réel lissage de l'énergie d'un grand réseau électrique, n'a encore reçu aucune solution d'importance. La station de Stephenson dans l'État de New York comporte un ensemble de 200 volants d'inertie, mais la puissance totale qui peut être restituée n'est que de 20 MW. Le réseau électrique français par exemple, distribue une puissance moyenne, en journée, de 63 000 MW ; mais la puissance de pointe demandée, vers 20h, en hiver particulièrement, est de 100 000 MW. Alors que la France, pendant la journée, exporte de la puissance électrique vers l'Allemagne, lors de ces heures de pointe, elle est obligée, paradoxalement, d'en importer..... d'Allemagne! Sur un autre plan, la production d'énergie solaire pourrait être restituée la nuit. Les volants d'inertie utilisés à ce jour sont de technique classique. Ils comportent un anneau massif, solidaire, par des liaisons radiales, d'un axe central reposant sur des paliers. Si, en première approximation, on considère que l'épaisseur de l'anneau est très petite au regard du rayon de giration R , w étant la vitesse angulaire de rotation et M la masse de l'anneau tournant, l'énergie cinétique stockée W dans le ,/2 m.R 2 . 032. volant est donnée par W = L'accélération centrifuge F est égale à R.co2. Par ailleurs, a étant la contrainte permanente admise dans le matériau de l'anneau et p la masse spécifique de ce matériau, on démontre facilement que, dans le cas d'un anneau très mince par rapport au rayon de giration, R2. co2= a / p. On peut ainsi dire également W =1/2M . a / p. L'énergie stockée est donc entièrement déterminée par la masse du volant d'inertie, la contrainte admissible dans le matériau et la masse spécifique de ce matériau. La grandeur du rayon du volant 3060235 -2- d'inertie et la vitesse de rotation sont corrélées entre elles mais peuvent être choisies. Par contre, l'accélération centrifuge R.co2 qui peut s'écrire R2. (02 /R, soit (a / p)/ R, est d'autant plus grande que le rayon de giration et petit et donc la vitesse de rotation élevée. Cette considération entraîne le fait qu'un mauvais équilibrage du 5. volant provoque un balourd qui conduit à des efforts parasites sur l'axe du volant d'inertie d'autant plus grands que le rayon de giration est petit. Pour une même masse et une même énergie stockée il y a donc intérêt à avoir le rayon le plus grand possible. Mais les contingences de fabrication, dans la technique classique décrite plus haut, limitent la masse des volants d'inertie à quelques dizaines de tonnes. Pour 10 des volants de très grande masse, comme l'exemple non limitatif suivant, utilisant de l'acier de masse spécifique 7800 Kg/m3 pouvant supporter une contrainte permanente de 60 kg par millimètre carré (600 méga-Pascals), pour obtenir une puissance restituée voisine de 100 MW pendant une heure, il est nécessaire d'installer un volant d'inertie d'environ 10 000 tonnes, ce qui n'est raisonnablement 15 pas envisageable s'il est tenu par un axe central reposant sur des paliers ; en effet, ces paliers supports, tant en disposition verticale qu'horizontale, avec les techniques, mécaniques ou magnétiques usuelles auraient des dimensions gigantesques. En outre, avec un écart entre l'axe de rotation et le centre de gravité de seulement quelques millimètres, les efforts du balourd ainsi créé s'exprimeraient 20 en centaines de tonnes. L'originalité et la nouveauté de la présente invention résident dans le fait que le volant d'inertie selon l'invention est constitué d'un anneau de très grande masse et de très grand rayon, disposé horizontalement, n'étant relié à aucun axe tenu par des paliers supports. Ce volant est flottant sur un plancher fait d'un plateau horizontal. 25 Pour le supporter, avec un minimum de friction, plusieurs techniques sont possibles et, sans que cela soit limitatif; on peut citer : des rouleaux ou des billes roulant sur un plancher parfaitement plan, des roues roulant sur des rails en anneau, ou bien une sustentation par répulsion magnétique; comme certains trains ou tramways ou une sustentation sur un fluide liquide ou gazeux, par coussin de gaz comprimé par 30 exemple préférentiel. Sans que cela soit limitatif également, le gaz utilisé peut-être de l'hydrogène, dont le coefficient de frottement est bien moindre que l'air. Par contre l'air a pour avantage la simplicité de mise en oeuvre. Pour augmenter la 3060235 -3- surface portante on peut rendre l'anneau massif solidaire d'un disque. En prenant l'exemple, non limitatif, d'un anneau de 10,5 m2 de section (1,5 m x 7 ni, par exemple non limitatif), avec un rayon R= 20 ni, constituée d'acier de masse spécifique 7800 Kg/m3, ce volant présente une masse d'environ 10 000 tonnes 5 (soit un poids de 108Newtons. S'il est solidaire d'un disque de 40m de diamètre, la surface portante est alors de 1257 m2 (1,257. 10 7cm 2). Il faut donc une pression de gaz de 108/ 1257 = 80000 Pascals (0,8 bars) pour le tenir en lévitation. Comme vu ci-dessus, avec un acier pouvant supporter une contrainte permanente de 600 méga-Pascals (60 kg par millimètre carré), un tel volant est capable de restituer une 10 puissance de 100 MW pendant une heure. L'utilisation de l'acier n'est pas limitative et d'autres matériaux sont possibles. Par exemple, un composite verre- époxy, pouvant supporter une contrainte permanente de 500 méga-Pascals et de masse spécifique 2000 kg/m3, pour la même performance de 100 MW pendant une heure, ne nécessiterait qu'une masse de 3000 tonnes environ. Mais le coût au kilogramme 15 des résines composites est environ 10 fois supérieur à celui de l'acier et la mise en oeuvre est beaucoup plus complexe. Il serait très difficile de couler un seul bloc d'acier de 10 000 tonnes, possédant une limite élastique de 600 méga- Pascals. Une bonne solution, non limitative, consiste en un empilage de feuilles d'acier, collées les unes sur les autres préférentiellement. 20 Des systèmes de joints souples, de préférence en élastomère, tels que joints à lèvre, ou de segments en métal fritté, en plastique ou en carbone sans que cela soit limitatif, disposés de préférence en plusieurs lignes de contact et glissant sur la paroi latérale de l'anneau massif tournant, assurent l'étanchéité du volume de gaz sous pression mettant en lévitation cette masse. Selon l'invention, un lubrifiant 25 très visqueux est injecté entre deux lignes d'étanchéité à une pression légèrement supérieure à la pression du gaz de sustentation, de telle sorte que celui-ci ne peut s'échapper ; c'est au contraire le lubrifiant qui pénètre dans le volume de gaz où il est repris par pompage. Une telle énergie cinétique, par prudence, doit préférentiellement être enfermée 30 dans une cavité creusée dans le sol, pour éviter les dégâts considérables qui seraient causés par un accident, éclatement du volant par exemple. Un tel volant d'inertie flottent, une fois mis en rotation, considéré par rapport à un 3060235 -4- repère galiléen, est un gyroscope qui conserve toujours la même position. Par contre la planète Terre effectue ses rotations. Un observateur sur terre voit donc le volant, flottant dans l'espace, présenter un mouvement relatif de basculement sur lui-même. Il est évidemment impossible de garder flottant dans les airs un volant de 5 10 000 tonnes faisant de telles évolutions. Il est donc impératif, par des procédés qui seront vus plus loin dans cette description, de maintenir le volant d'inertie parallèle au sol et de le contenir dans le logement qui lui est alloué, en particulier pour avoir la possibilité de conserver les systèmes d'étanchéité au contact de la masse tournante. Mais cette obligation imposée au volant de rester parallèle au sol 10 fait qu'il se trouve alors soumis aux accélérations de Coriolis. Suivant les lois de la mécanique des solides, il se trouve soumis à un couple de basculement (mouvement de précession) représenté par un vecteur eproduit vectoriel du vecteur co porteur de la vitesse de rotation du volant par le vecteur £1 porteur de la rotation de la terre, le tout multiplié par le moment d'inertie I du volant (I= M.R2); f = I.co A51. La 15 valeur numérique du vecteur I' est égale à Lco.asin 45° en France puisque la France se trouve en gros à 45° de latitude et que l'axe de rotation du volant, qui est perpendiculaire à la surface du sol, fait donc un angle de 45° avec l'axe de rotation de la terre. Pour l'exemple cité plus haut d'un volant en acier de 10 000 tonnes, d'un diamètre de 40 m, I = 4.109 kgm2, = 13 radians /s et S-2 = 7.10-5radians/s. 20 D'où f' = 4.13.7.0,7.104 = 25,5.105N m (en prenant sin45°=0 ,7). Plusieurs procédés sont possibles pour exercer le couple contraire destiné à maintenir le volant d'inertie horizontal : jets de gaz sous pression, efforts électromagnétiques, efforts mécaniques sur le volant lui-même, sans que cette liste soit limitative. Une solution, non limitative, consiste à fixer sur l'anneau constituant la masse tournante 25 du volant d'inertie un disque annulaire débordant vers l'intérieur de l'anneau, formant une collerette, sur laquelle par dessus et par-dessous, selon l'invention, viennent appuyer des galets, au moins quatre couples, disposés Nord-Sud, Est-Ouest préférentiellement, sans que cela soit limitatif. La collerette se trouve ainsi pincée et maintenue horizontale. De façon non limitative, pour éviter les chocs de 30 mise en contact brutale, ces galets sont maintenus en permanence en appui léger sur la collerette par des ressorts, mais au bout de quelques millimètres de basculement ils sont en appui complet. . Dans l'exemple du volant d'inertie de 10 000 t étudié ci- 3060235 -5- dessus, les efforts de poussée demandés aux galets, à une distance 20 m du centre de rotation seraient de : 1/2x 25,5.105/20 = 0,638.105N (6,38 tonnes), vers le bas pour un galet contrant le soulèvement d'un bord de l'anneau tournant, et 6,38 tonnes vers le haut pour le galet inférieur situé à l'opposé par rapport au centre de rotation. 5 Pour être complet, il faudrait ajouter quelques centaines de Newtons dus à la rotation de la terre autour du Soleil. L'altitude de l'anneau massif tournant est fonction de la pression de gaz sous le disque solidaire de cet anneau. Un capteur de position informe un calculateur de la mesure de cette altitude. Ce calculateur donne alors des ordres à un contrôleur de pression à fin de maintenir cette altitude à la 10 valeur désirée. Un tel système ne peut garantir cette valeur qu'avec plusieurs millimètres d'imprécision. Le système de galets destinés à maintenir l'anneau massif tournant horizontal doit donc pouvoir suivre les légers mouvements ascendants ou descendants de cet anneau. Pour ce faire, ils sont portés, selon l'invention, par un bâti coulissant sur un cylindre central vertical fixe. Ce bâti coulissant, toujours 15 selon l'invention, porte également des rouleaux, mis en appui contre la tranche intérieure de la collerette par des vérins, dont l'action est contrôlée par un calculateur. Ces rouleaux sont avantageusement, selon l'invention, recouverts d'élastomère, pour assurer un bon coefficient de frottement afm de fournir les nécessaires efforts d'entraînement de ces rouleaux qui sont solidaires de moteurs 20 générateurs destinés à la mise en rotation de l'anneau massif tournant et du soutirage de l'énergie. Bien qu'aucune force ne tende à déplacer horizontalement tout l'ensemble de ce volant d'inertie, il est possible que du fait des vibrations inhérentes au système ou générées par son environnement, une accumulation de micro déplacements ait lieu. Des capteurs de position informent alors le calculateur 25 contrôlant la pression des vérins associés aux rouleaux décrits ci-dessus, donnant une poussée horizontale, pour que cette poussée des vérins puisse rectifier la position de l'anneau massif tournant. Il est donc nécessaire que plusieurs ensembles avec de tels rouleaux soient disposés suivant plusieurs directions, telles que Nord-Sud, Est-Ouest. Cependant, des phénomènes sismiques peuvent provoquer des 30 déplacements instantanés du sol très importants, pouvant aller jusqu'à un mètre dans certains cas exceptionnels. Les vérins des rouleaux susnommés sont alors incapables de faire face à de tels événements qui entraîneraient l'écrasement de la 3060235 -6- masse tournante contre les parois latérales et la destruction de l'ouvrage. Selon l'invention, pour éviter ce scénario, de façon non limitative, tout l'ensemble de ce système de volant d'inertie avec son enceinte, repose sur un lit de billes posées sur le sol ; de la sorte le volant d'inertie est déconnecté des mouvements du sol. 5 La figure n° 1 de la planche unique est une coupe de l'ensemble du système de volant d'inertie flottant selon l'invention. La figure n° 2 est une coupe d'une variante possible des dispositifs d'étanchéité maintenant le gaz sous pression assurant la lévitation de la masse tournante. En référence à la figure 1, la masse tournante (1), solidaire du disque (2) est en 10 contact avec les dispositifs d'étanchéité (3) (sur la figure des segments sont représentés). Tout l'ensemble est contenu dans une enceinte (4). Un fluide sous pression (5) maintient l'ensemble tournant, disque (2) avec masse (1) en lévitation, étant contenu entre ce disque (2), le plancher (6), l'enceinte (4) et les dispositifs d'étanchéité(3). Une collerette annulaire (7) est solidaire de l'anneau massif tournant 15 (1). Des galets supérieurs (8) poussés par des ressorts (9) sont au contact de la surface supérieure de la collerette (7). Des galets inférieurs(10) poussés par des ressorts (11) sont au contact de la surface inférieure de la collerette (7). Ces galets (8) et (10), avec les ressorts (9) et (11) respectivement, sont portés par un bâti (12) coulissant sur un cylindre (13) solidaire de l'enceinte (4). Ce bâti (12) porte 20 également le support (14) de systèmes moteurs générateurs (15) et leurs rouleaux d'entraînement (16) mis au contact de la tranche intérieure de la collerette (7) par des vérins (17). Ces moteurs générateurs sont en charge de la mise en rotation de la masse tournante et du soutirage de l'énergie. Pour un meilleur coefficient de frottement les rouleaux d'entraînement (16) sont avantageusement recouverts 25 d'élastomère. Ces vérins (17) permettent également de recentrer l'anneau massif tournant (1) en cas de légères dérives horizontales. Mais, en cas de fortes secousses sismiques, de grands déplacements du sol auraient lieu que les vérins (17) seraient incapables de compenser. Un lit de billes (18), interposé entre le sol et la base (6) de l'enceinte (4) contenant le volant d'inertie, permet à celui-ci de ne pas subir de 30 déplacement quand le sol bouge. En référence à la figure 2 trois segments d'étanchéité (3) sont représentés, sans _que ce nombre soit limitatif. Entre une ligne de segments (3) et une ligne au-dessus, un 3060235 -7- lubrifiant, huile visqueuse ou graisse, sous pression, est injecté, selon l'invention, à une pression légèrement supérieure à la pression du fluide de sustentation (5), par un conduit (19).. De la sorte, le fluide de sustentation ne peut s'échapper, c'est au contraire le lubrifiant qui fuit dans l'espace où règne la pression du fluide de sustentation (5). Cette fuite de lubrifiant est reprise et pompée dans un conduit (20). Le lubrifiant injecté par le conduit (19) fuit également par les segments (3) situés au-dessus de l'arrivée de ce conduit (19). Cette fuite est d'autant plus faible que sa viscosité est grande. La fuite est reprise et pompée dans un conduit (22). ' L'alimentation en gaz sous pression (5) se fait pas le conduit (21). Le conduit (19) est, selon l'invention, mis en communication avec l'arrière des joints ou segments d'étanchéité (3) afin qu'ils soient maintenus plaqués contre l'anneau massif tournant (1) par la pression du lubrifiant. Le volant d'inertie flottant selon la présente invention permet de stocker de l'énergie pendant la période de la journée où la consommation est plus faible. Grâce aux 15 moteurs générateurs (17) entraînés par les rouleaux (16) une puissance adaptée aux besoins peut être délivrée instantanément lorsqu'une forte demande d'énergie apparaît. Pour la France, quelques centaines de ces installations, placées à proximité immédiate des grands centres de consommation, délivrant chacune, par exemple, 100 Mégawatts pendant une heure, permettraient de faire face aux pics de demande, 20 particulièrement en fin de journée de périodes hivernales. On pourrait ainsi ne plus avoir besoin de recourir à l'importation ou aux énergies fossiles de complément. Par ailleurs, pour les installations fournissant de l'énergie intermittente, comme l'énergie solaire, par exemple, le volant d'inertie selon l'invention, permettrait d'assurer la continuité de fourniture d'énergie de jour comme de nuit. REVENDICATIONS1) Système de stockage d'énergie sous forme cinétique comportant un volant d'inertie composé d'un anneau massif (1) qui, en n'étant relié rigidement à aucune pièce fixe, tourne librement au dessus d'un plancher fixe qui est le fond (6) de l'enceinte(4) contenant le volant d'inertie, comprenant également un dispositif interface présentant une faible friction disposé, pour le supporter, entre lui et le fond (6), caractérisé par le fait que lors de sa rotation à grande vitesse aucun balourd, générant des efforts considérables, ne peut apparaître et caractérisé encore par le fait qu'une grande quantité d'énergie cinétique est disponible. 0 2) Système selon la revendication 1 où le dispositif interface est composé de billes ou de rouleaux, roulant sur le plancher (6). 3) Système selon la revendication 1 où le dispositif interface est composé de rails disposés en anneaux solidaires du fond (6) coopérant avec des roues. 4) Système selon la revendication (1) où la sustentation de l'anneau massif 15 tournant (1) est obtenue par répulsion magnétique. 5) Système selon la revendication 1 où la sustentation de l'anneau massif (1) est obtenue par un coussin d'un fluide sous pression, préférentiellement un coussin de gaz (5) tel que l'hydrogène ou l'air, l'anneau (1) étant, préférentiellement dans ce cas, solidaire d'un disque (2), caractérisé par le fait que la déperdition 20 d'énergie par frottement est minimale 6) Système selon la revendication 5 comprenant un ensemble de joints ou de segments (3), glissant de façon étanche sur la paroi latérale de l'anneau (1), caractérisé par le fait que le gaz (5) est contenu entre le fonds (6), le disque (2) et l'ensemble d'étanchéité glissant (3). 25 7) Système selon la revendication 6 comprenant un conduit (19), débouchant entre deux lignes d'étanchéité (3), pour l'amenée de lubrifiant sous une pression légèrement supérieure à la pression du gaz (5) et étant également en communication avec Iapartie arrière des joints ou segments d'étanchéité (3), caractérisé par le faite que le gaz (5) ne peut s'échapper car c'est au contraire le 3060235 -9- lubrifiant qui peut fuir dans le volume réservé au gaz (5), caractérisé également par le fait que la pression du lubrifiant sur l'arrière des joints ou segments d'étanchéité(3) permet de plaquer ceux-ci contre la paroi latérale de l'anneau massif tournant (1), favorisant ainsi l'étanchéité. 5 8) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un ensemble de galets (8) en appui, grâce à des ressorts (9), sur la face supérieure d'une collerette (7) solidaire de l'anneau (1), comprenant également un ensemble de galets (10) poussé par des ressorts (11) contre la face inférieure de la collerette (7) et comprenant, portant les galets (8) et (9) avec leur ressorts (10) et (11), un bâti (12) coulissant sur un cylindre fixe (13), caractérisé par le fait que les galets (8) et (9), préférentiellement disposés Nord-Sud et Est-Ouest, maintiennent horizontal l'ensemble formé par l'anneau massif (1) et la collerette (7), en s'opposant aux couples de basculement créés par les accélérations de Coriolis et caractérisé encore par le fait que lorsque l'anneau massif (1) effectue de légers mouvements ascendants ou descendants, le bâti (12) est capable de suivre ces mouvements en coulissant sur le cylindre fixe (13). 9) Système selon la revendication 6 comprenant un support (14) portant des ensembles moteurs-générateurs (15) entraînés par des rouleaux (16) mis en appui, à l'aide de vérins (17), contre la tranche interne de la collerette (7) solidaire de l'anneau massif tournant (1) qui peut leur transmettre ainsi son énergie, caractérisé par le fait que de l'énergie, puisée dans l'énergie cinétique de l'anneau massif tournant (1), peut être alors soutirée immédiatement par l'intermédiaire des moteurs-générateurs (15), caractérisé également par le fait que ces mêmes moteurs-générateurs (15) assurent aussi la mise en rotation de l'anneau massif tournant (1) et caractérisé encore par le fait que les vérins (17), sur ordre d'un calculateur informé par des capteurs de position, permettent de recentrer l'anneau massif tournant (1) en cas de légères dérives horizontales. 10) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un lit de billes (18), disposé entre le fond (6) de l'enceintes (4) et le sol, caractérisée par le fait que l'ensemble du volant d'inertie et de son enceintes (4) ne subit pas de déplacements dommageables lorsque le sol fait des mouvements de grande ampleur à l'occasion d'une secousse sismique importante..