Les énergies renouvelables pourraient être la principale source d’énergie dans le monde si seulement quelqu’un pouvait résoudre le problème du stockage – comment stocker beaucoup d’électricité à bon marché à grande échelle ? Les batteries sont trop chères et ne durent pas assez longtemps. L’hydroélectricité par pompage est bon marché mais n’est pas réalisable dans la plupart des endroits. Le stockage thermique est prometteur, mais encore trop cher ou difficile à mettre en œuvre. L’air comprimé est bon marché et évolutif, mais pas encore assez efficace (bien que LightSail, une nouvelle société soutenue par Peter Thiel, Vinold Khosla et Bill Gates, espère changer cela). Et qu’en est-il des volants d’inertie ? Le plus grand acteur, Beacon Power, a fait faillite en 2011.
Les volants d’inertie pourraient toutefois connaître une seconde vie. Bill Gray, inventeur de la Silicon Valley, a conçu un nouveau volant d’inertie qui permettrait un stockage distribué et hautement évolutif pour environ 1 333 dollars le kilowatt, ce qui le rendrait compétitif par rapport à l’hydroélectricité par pompage et à l’air comprimé. Avec un rendement de plus de 80 %, il rivaliserait avec les meilleures solutions de stockage et serait assorti d’une garantie de 10 ans. Et il constituerait un complément parfait à une maison hors réseau équipée d’un système solaire photovoltaïque (PV), capable de se charger complètement en cinq heures – soit le temps de charge de la plupart des systèmes solaires PV – et de stocker 15 kilowattheures d’énergie, soit suffisamment pour faire fonctionner une maison modeste du coucher au lever du soleil.
Gray appelle son invention le Velkess (pour VEry Large Kinetic Energy Storage System). Il collecte actuellement des fonds pour le prototype dans le cadre d’une campagne Kickstarter.
Le Velkess améliore les volants d’inertie traditionnels en gérant mieux la « vacillation » naturelle d’une masse en rotation. Les volants d’inertie traditionnels ont été très coûteux parce que les ingénieurs alignent l’axe naturel de rotation de la roue avec la rotation souhaitée du générateur. Ainsi, ils s’efforcent toujours de minimiser l’oscillation naturelle de la roue en utilisant des aimants et des roulements très coûteux, une ingénierie de haute précision et des matériaux comme la fibre de carbone de haute qualité ou l’acier rigide. Le volant d’inertie de Beacon pour le stockage sur le réseau a coûté la somme énorme de 3 millions de dollars par mégawattheure.
Au lieu d’essayer de lutter contre l’oscillation, Gray l’a redirigée en suspendant la roue dans un cardan – le même concept qui fait fonctionner un gyroscope.
Le cardan du Velkess est asymétrique, de sorte que les deux axes de rotation – l’axe du volant d’inertie ainsi que celui du rotor, qui entraîne le moteur à courant continu sans balai et à induction – ne sont pas sur le même plan, et ont des périodes de fréquence différentes. Cela atténue les effets de résonance qui rendent les volants d’inertie traditionnels difficiles à contrôler (une perturbation résonante dans l’un des plans peut s’intensifier jusqu’à faire éclater le dispositif). Avec le cardan, la résonance dans un plan se traduit dans l’autre, qui est non résonant à la même fréquence. Par conséquent, seules des tolérances techniques très faibles – environ un seizième de pouce – sont nécessaires pour construire le dispositif.
Gray s’est appuyé sur les travaux pionniers de l’ingénieur mécanique John Vance, professeur retraité de l’Université Texas A&M, qui a mené des recherches approfondies sur les volants d’inertie, les vibrations des machines et la dynamique des rotors. Gray a également réduit le coût des matériaux. Au lieu de fabriquer le volant en acier ou en fibre de carbone, un matériau coûteux, il l’a fabriqué en fibre de verre bon marché de qualité « E-glass », le même matériau que celui utilisé pour les portes de douche et les cannes à pêche. Parce que c’est un matériau beaucoup plus souple, la roue en fibre de verre a tendance à se déformer et à osciller beaucoup plus que l’acier ou la fibre de carbone lorsque sa vitesse de rotation change.
L’accent mis par Gray sur la réduction des coûts d’investissement du stockage alors que d’autres fabricants de volants d’inertie se sont concentrés sur l’augmentation de la densité et de la capacité de production semble avoir porté ses fruits. Le Velkess pourrait stocker de l’électricité pour 300 000 dollars par mégawattheure, soit environ un dixième du coût de l’unité Beacon, affirme Gray. « Je suis heureux de voir que ce concept reçoit de la publicité, car je pense qu’il est promis à un certain succès », déclare Vance à propos du Velkess.
La conception de Gray permet également de contrôler plus facilement la défaillance éventuelle de ses pièces les plus critiques : la roue elle-même et les roulements. Le volant d’inertie étant un faisceau de milliers de fibres, si l’une d’entre elles se rompt, elle s’échappera simplement du faisceau plutôt que de solliciter directement le reste de la roue et de provoquer sa rupture. Le volant d’inertie se » délesterait » simplement de matériau léger.
Pour les roulements, le Velkess utilise des roulements à billes en » céramique hybride à contact angulaire » (nitrure de silicium) fonctionnant dans un rail en acier inoxydable, où les roulements et la charge de poussée flottent tous deux sur des aimants. Si les roulements commençaient à défaillir, la chaleur qu’ils génèrent serait détectée très tôt par un simple capteur de température.
L’un ou l’autre type de défaillance pourrait être facilement détecté bien avant un événement catastrophique, permettant au dispositif de lancer un avertissement et de déclencher un arrêt. Dans un arrêt hors réseau, l’appareil déchargerait de l’air chaud jusqu’à ce qu’il tourne jusqu’à l’arrêt – ce qui équivaut à peu près à un sèche-cheveux de 1 500 watts fonctionnant pendant 10 heures. Dans une application sur réseau, il pourrait simplement déverser l’énergie sur le réseau.
L’ensemble du dispositif est contenu dans une boîte en acier scellée sous vide avec à peu près le même encombrement qu’un réfrigérateur domestique, seulement un peu plus court. Le volant d’inertie lui-même mesure environ 66 par 66 centimètres de hauteur et de diamètre, et pèse environ 340 kilogrammes.
Il sera optimisé pour fournir jusqu’à trois kilovolt-ampères de puissance continue à 27 ampères, mais peut gérer des charges de puissance plus élevées « en rafale » qui se produisent lorsque des appareils à forte consommation comme les pompes à eau et les scies circulaires démarrent. L’unité pourrait se décharger à n’importe quel taux jusqu’à trois kilowatts jusqu’à ce que le volant d’inertie tourne jusqu’à sa vitesse de » décharge complète » de 9 000 tours par minute.
Gray a l’intention de cibler le marché résidentiel hors réseau de 48 volts dans un premier temps, où le Velkess serait un remplacement drop-in pour les systèmes de batterie de 48 volts typiques. Viendront ensuite les marchés résidentiels et commerciaux de 240 volts, où le Velkess pourrait servir d’appoint aux systèmes photovoltaïques raccordés au réseau en cas de panne de celui-ci. Finalement, il espère pénétrer le marché des systèmes solaires de 600 volts à l’échelle industrielle.
Velkess pourrait réussir là où Beacon a échoué sur plusieurs points. Ce dernier appareil, comme la plupart de ses concurrents, ne pouvait décharger de grandes quantités d’énergie que pendant de très courtes durées, alors que celui de Gray ferait l’inverse : Il pouvait se décharger aussi lentement que nécessaire pendant des heures. Et là où le système de Beacon était si cher qu’il n’avait vraiment de sens que pour les applications industrielles, celui de Gray serait suffisamment bon marché pour avoir un bon sens économique sur les marchés résidentiels et des petits commerces.
De plus, le Velkess satisfait au dernier facteur crucial pour le stockage électrique – la mise à l’échelle. Plusieurs unités peuvent être reliées en parallèle.
Selon un analyste de Lux Research, basé à Boston, les services de stockage d’énergie pourraient représenter un marché mondial de 31,5 milliards de dollars d’ici 2017. Si le prototype de Velkess peut être construit au prix et aux performances annoncés, il pourrait prendre une grande partie de ce marché, et résoudre une fois pour toutes le problème d’intermittence des énergies renouvelables.