Brevet FR3066572A1 — publié le 20181123

VOLANT DE STOCKAGE D'ÉNERGIE PRÉCONTRAINT PAR LIQUIDE SOUS PRESSION ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION 5L'invention concerne un volant d'inertie destiné à stocker de l'énergie cinétique, et son procédé de fabrication. Les volants de stockage d'énergie présentent un grand avantage sur les batteries : leur durée de vie est illimitée. En revanche leur prix reste élevé lOcar ils sont faits dans des matériaux chers, car très résistants à la traction comme l'acier allié au nickel, au chrome et au molybdène, ou encore la fibre de carbone. Le cout-matière d'un volant est donné par l'équation : CM = P.F.rho/sigma 15où : - CM est le cout-matière pour stocker une unité d'énergie ; - rho est la masse volumique du matériau ; - sigma est la contrainte maximale admissible du matériau ; - P est le prix massique du matériau ; 20 - F est un facteur sans dimension qui dépend de la forme du volant. Le cout-matière de l'acier ou du carbone est de l'ordre de 200 euros par kilowattheure, soit le cout de production des batteries au lithium aujourd'hui. Comme il faut ajouter au cout-matière le cout de la mise en 25oeuvre des matériaux et celui de tous les systèmes périphériques, les volants en acier ou en carbone sont beaucoup plus chers que les batteries. Energiestro a proposé, dans le brevet FR3027644 et dans la demande de 30brevet FR1657649, de faire des volants en béton précontraint, car le cout- 3066572 2 matière du béton est de seulement 13 euros par kilowattheure. La présente invention propose un volant d'inertie précontraint encore moins cher, dont l'essentiel de la masse est constituée d'un liquide sous 5pression. Selon l'invention, le volant d'inertie comportant un arbre et un réservoir de forme cylindrique à bouts arrondis, concentrique à l'arbre, est caractérisé en ce que le réservoir est essentiellement rempli d'un liquide sous très 10forte pression. De manière avantageuse, le liquide est essentiellement constitué d'eau. L'eau est de préférence additionnée d'antigel. 15 Le réservoir est réalisé par enroulement de fibres imprégnées de résine, de préférence choisies parmi les matériaux suivants : verre, basalte, carbone. 20Les fibres sont enroulées sur une forme en mousse poreuse. La pression dans le liquide est supérieure à 300 bar, de préférence supérieure à 700 bar. 25La contrainte dans le réservoir est supérieure à 500 MPa, de préférence supérieure à 1.500 MPa. L'invention est également relative à un procédé de fabrication d'un volant d'inertie, dans lequel : 3066572 3 - on réalise le réservoir en enroulant la fibre imprégnée de résine sur une forme ; - on remplit le réservoir avec le liquide ; - on injecte encore du liquide dans le réservoir plein, pour augmenter la pression jusqu'à la valeur voulue. Selon une variante, le liquide est entrainé en rotation avec le réservoir par des moyens mécaniques. 10Selon une autre variante, le liquide est gélifié, de préférence avec un polymère superabsorbant. La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et 15à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : - La figure 1 illustre une vue en coupe axiale d'une moitié du volant selon l'invention. En référence à la figure 1, le volant 1 comprend : 20 - un axe 2 vertical, en un matériau rigide, par exemple en acier ; - un réservoir 3, en fibre de verre imprégnée de résine, de forme cylindrique avec des bouts arrondis ; - un liquide 4, tel que de l'eau, à l'intérieur du réservoir 3. 25Le réservoir 3 est fixé de façon concentrique sur l'axe 2. Le volant 1, et notamment l'axe 2, est associé, de manière connue, à un moteur/générateur électrique non représenté, de manière que, dans un premier temps, ce dernier puisse entrainer en rotation l'axe 2 (et donc le 30réservoir 3 et le liquide 4), puis dans un second temps, une fois la vitesse 3066572 4 maximale atteinte, le volant puisse entrainer le moteur/générateur qui engendrera alors de l'électricité. De même, l'axe 2 est associé de manière connue à des roulements 5, 5respectivement supérieur 5A et inférieur 5B, connus en eux-mêmes, permettant le maintien sécurisé du volant et sa rotation, par rapport à un bâti fixe non représenté. La forme générale du volant est telle qu'il présente trois parties, vu selon 10I'axe longitudinal X-X, à savoir une partie supérieure sensiblement elliptique 1A, une partie centrale ou médiane cylindrique 1B et une partie inférieure 1C sensiblement elliptique, symétrique à la partie supérieure 1A. A chaque extrémité du volant 1, à l'aplomb de l'axe 2, les fibres sont 15enroulées sur un flasque, respectivement supérieur 6 et inférieur 7. Les deux flasques 6 et 7 sont centrés sur l'axe 2 et peuvent glisser le long de ce dernier. Ils comportent une partie extérieure, respectivement 6A et 7A, destinée à recevoir l'enroulement 5, et une partie intérieure en saillie radiale, respectivement 6B et 7B, qui sert à ancrer les flasques 6 et 7 dans 201'enroulement 5 sous l'action de la pression dans le liquide 4. A chaque extrémité du volant 1, un disque, respectivement 8A et 8B, est emmanché sur l'axe 2. Les deux disques 8A et 8B sont utilisés pour équilibrer le volant. Ils peuvent de plus être associés à un palier 25magnétique de sustentation (connu et non représenté). Une extrémité de l'axe 2 comporte un conduit 9, de direction axiale puis radiale, permettant l'injection du liquide 4 dans le réservoir 3, comme expliqué ultérieurement. 30 3066572 5 A chaque extrémité de l'axe 2, un joint torique, respectivement 10A, 10B assure l'étanchéité entre l'axe 2 et les flasques 6 et 7. Le liquide 4 est de préférence de l'eau, car c'est de loin le moins cher des 5matériaux disponibles : son prix massique P est inférieur à 10 euros par tonne, soit dix fois moins que le béton à hautes performances. Ensuite, l'eau peut être facilement comprimée à de très hautes pressions : une pression sigma de 1.000 bar est atteinte avec une simple pompe manuelle. Enfin, sa masse volumique rho de 1 kg/L est bien plus faible loque celle du béton. Finalement, le cout massique CM de stockage de l'eau est inférieur à 1 E/kWh, plus de dix fois inférieur à celui du béton. L'eau pure a cependant des inconvénients : elle gèle à 0°C en augmentant de volume, et elle est corrosive, c'est pourquoi il est 15préférable d'y ajouter de « l'antigel ». Ce nom désigne en fait un mélange de produits chimiques ayant deux fonctions principales : la première est d'abaisser le point de congélation, la seconde est d'empêcher la corrosion. 20Le réservoir 3 peut être fait dans de nombreux matériaux, en particulier métalliques, mais comme il doit tourner à grande vitesse et donc être soumis à une force centrifuge importante, il est préférable de le faire par enroulement d'une fibre sur une forme. Les matériaux pour fibres les plus courants sont le verre, le carbone et le basalte. On préférera le verre, dont 251e cout-matière CM est le plus faible. Il est important de noter que quand un volant précontraint comme celui de l'invention tourne à sa vitesse maximale, la contrainte dans la fibre varie très peu, ce qui permet d'utiliser une contrainte maximale beaucoup plus 3066572 6 élevée que dans le cas des réservoirs classiques soumis à des cycles de pression. En général, les fibres enroulées sont imprégnées de résine afin de les 5maintenir en place, et d'assurer l'étanchéité au liquide 4. Les résines les plus courantes sont : polyester, époxy et polyuréthanne. Le procédé de fabrication du volant de l'invention est le suivant : on réalise le réservoir 3 en enroulant la fibre imprégnée de résine sur une forme ; cette forme est de préférence réalisée par moulage ou usinage d'une mousse poreuse ; elle peut également être réalisée en plastique, par soufflage ou bien par rotomoulage ; - on monte le réservoir 3 sur l'axe 2, s'il n'y est pas déjà ; - on remplit le réservoir 3 avec le liquide 4, par le conduit 9 ; comme il n'y a qu'un conduit, le plus simple est de commencer par aspirer l'air avec une pompe à vide ; le liquide 4 sera ensuite aspiré dans le réservoir 3 par le vide ; on pourra à ce moment placer dans le conduit 9 un clapet antiretour (non représenté) ; - on utilise alors une pompe à haute pression pour injecter du liquide 4 dans le réservoir 3 plein, ce qui a pour effet d'augmenter la pression dans le liquide 4, et la contrainte dans le matériau du réservoir 3 ; on mesure la pression avec un manomètre de précision, jusqu'à ce qu'on atteigne la valeur voulue ; on peut alors débrancher la pompe, la pression étant maintenue par le clapet antiretour, et sceller le conduit 9 avec un bouchon. La pression à atteindre dans le liquide 4 dépend de la vitesse maximale en périphérie du volant 1 : plus on tourne vite, plus la pression doit être élevée, afin de garder près de l'axe 2 une pression suffisante pour que le 30liquide 4 ne se vaporise pas. Une pression de 300 bar est un minimum, 3066572 7 mais pour atteindre des performances élevées et un faible cout de stockage, une pression de 700 bar est préférable. La contrainte dans le matériau du réservoir 3 peut facilement être ajustée : 5plus l'épaisseur du réservoir 3 est grande, plus la contrainte est faible, mais en contrepartie plus le prix est élevé. Avec la fibre de verre, une contrainte de 500 MPa est un minimum, mais pour atteindre des performances élevées et un faible cout de stockage, une contrainte de 1.500 MPa est préférable. L'enroulement filamentaire permet de faire lOvarier l'épaisseur afin d'obtenir une contrainte constante dans les différentes parties 1A, 1B et 1C. Le liquide 4 doit être entrainé en rotation avec le réservoir 3, sans quoi l'énergie stockée sera inférieure à celle attendue, et de l'énergie sera 15perdue dans le liquide 4. Cela peut être fait avec des moyens mécaniques, comme des palettes (non représentées) fixées sur l'arbre 2 ou le réservoir 3, ou par le bloc de mousse poreuse qui a servi de forme lors de l'enroulement. Cela peut être fait aussi en gélifiant le liquide 4. Si c'est de l'eau, on peut la gélifier avec une petite quantité d'un polymère 20superabsorbant comme le polyacrylate de sodium. Finalement, le volant précontraint par de l'eau selon l'invention est plus facile à fabriquer que les volants précédents en béton et nécessite un plus faible investissement. REVENDICATIONS1) Volant d'inertie comportant un arbre et un réservoir de forme cylindrique à bouts arrondis, concentrique à l'arbre, caractérisé en ce que le réservoir est essentiellement rempli d'un liquide sous très forte pression. 2) Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est essentiellement constitué d'eau. 3) Volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'eau est additionnée d'antigel. 4) Volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir est réalisé par enroulement de fibres imprégnées de résine, de préférence choisies parmi les matériaux suivants : verre, basalte, carbone. 5) Volant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fibres sont enroulées sur une forme en mousse poreuse. 6) Volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression dans le liquide est supérieure à 300 bar, de préférence supérieure à 700 bar. 7) Volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la contrainte dans le réservoir est supérieure à 500 MPa, de préférence supérieure à 1.500 MPa. 8) Volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est entrainé en rotation avec le réservoir par des moyens mécaniques. 9) Volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est gélifié, de préférence avec un polymère superabsorbant. 10)Procédé de fabrication d'un volant selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 3066572 9 - on réalise le réservoir en enroulant la fibre imprégnée de résine sur une forme ; - on remplit le réservoir avec le liquide ; - on injecte encore du liquide dans le réservoir plein, pour augmenter 5 la pression jusqu'à la valeur voulue.