Stockage d'énergie par volant d'inertie est une technologie de stockage d'énergie à haute densité de puissance, haute fiabilité, longue durée de vie et respectueuse de l'environnement. Elle se caractérise par une lévitation magnétique totale, une faible consommation d'énergie, une réponse rapide, une longue durée de vie et un grand nombre de cycles de charge et de décharge.
1. Qu'est-ce que le stockage d'énergie par volant d'inertie ?
Selon les différentes méthodes de stockage de l'énergie, les technologies de stockage de l'énergie sont principalement divisées en trois catégories : le stockage de l'énergie mécanique (comme le stockage de l'eau pompée, le stockage de l'air comprimé, le stockage par volant d'inertie, etc.), le stockage de l'énergie électromagnétique (comme le stockage de l'énergie électromagnétique supraconductrice, le stockage de l'énergie par supercondensateur, etc.), le stockage de l'énergie électrochimique (comme les accumulateurs au plomb, les accumulateurs à flux redox, les accumulateurs au sodium-soufre, etc, stockage de l'énergie dans les batteries lithium-ionetc).
La technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie est une sorte de technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie. technologies de stockage de l'énergie qui utilise des moteurs bidirectionnels réciproques (moteurs/générateurs) pour réaliser la conversion mutuelle entre l'énergie électrique et l'énergie mécanique de volants d'inertie tournant à grande vitesse. Il utilise un volant d'inertie tournant à grande vitesse pour stocker l'énergie sous forme d'énergie cinétique. En cas de manque ou de besoin urgent d'énergie, le volant d'inertie ralentit et libère l'énergie stockée.
2. Le principe technique du stockage d'énergie par volant d'inertie
Le stockage d'énergie par volant d'inertie est un dispositif de stockage mécanique qui réalise la conversion et le stockage mutuels de l'énergie électrique et de l'énergie cinétique mécanique d'un volant d'inertie tournant à grande vitesse par l'intermédiaire d'un moteur bidirectionnel réciproque électrique/générateur. L'énergie stockée dans le volant d'inertie est basée sur le principe de la masse en rotation. L'énergie d'entrée d'un système de stockage d'énergie par volant d'inertie provient généralement du réseau ou de toute autre source d'énergie électrique. Le volant d'inertie est connecté de manière coaxiale au moteur, ce qui montre qu'en contrôlant le moteur, on peut contrôler le volant d'inertie.
Le volant d'inertie en rotation est entraîné par un moteur électrique, échangeant l'énergie électrique avec l'énergie mécanique et vice versa. Lorsque le volant stocke de l'énergie, le moteur entraîne le volant pour qu'il accélère, et l'énergie électrique est convertie en énergie cinétique ; lorsque l'énergie est libérée, le volant entraîne le moteur pour produire de l'électricité, le volant décélère, et l'énergie cinétique est convertie en énergie électrique.
3. Caractéristiques du stockage d'énergie par volant d'inertie
En tant que nouvelle technologie dans le domaine de l stockage mondial de l'énergie Dans le secteur de l'énergie, le stockage de l'énergie par volant d'inertie présente des avantages uniques dans de nombreux domaines. Il s'agit actuellement de l'une des technologies de stockage d'énergie haute puissance à court terme les plus prometteuses, comme le montrent les documents suivants :
- Le volant d'inertie a une forte densité de stockage d'énergie et une puissance instantanée élevée. Il peut fournir plus d'énergie en peu de temps, ce qui favorise le lancement du canon électromagnétique et le démarrage rapide du véhicule.
- Long cycle de vie. Pendant tout le cycle de vie, la densité de stockage de l'énergie et la durée de vie ne seront pas affectées par une surcharge ou une décharge excessive, et le volant d'inertie ne sera pas endommagé. Sa durée de vie dépend principalement de la durée de vie des composants électroniques de la batterie du volant d'inertie, généralement jusqu'à environ 20 ans.
- Il est facile de mesurer la profondeur de la décharge et la "puissance" restante.
- Le temps de charge est court. En général, la batterie peut être complètement chargée en quelques minutes.
- Rendement élevé de conversion de l'énergie. Généralement, il peut atteindre environ 90%, ce qui signifie qu'il y a plus d'énergie disponible et moins de dissipation de chaleur, ce qui est plus élevé que le rendement de conversion des batteries chimiques.
- Écologique et protection de l'environnement, pas de pollution.
4. Composition du stockage d'énergie par volant d'inertie
Le système de stockage d'énergie par volant d'inertie est composé d'un rotor, d'un moteur, d'un roulement, d'une interface électronique et d'un boîtier.
- rotor de volant
L'énergie stockée dans un volant d'inertie est déterminée par la forme et le matériau du rotor. L'énergie est linéairement proportionnelle au moment d'inertie et au carré de la vitesse angulaire, de sorte que l'énergie stockée dans un volant d'inertie peut être optimisée soit en augmentant la vitesse de rotation, soit en augmentant le moment d'inertie. Il existe donc deux options pour les systèmes de stockage par volant d'inertie : les systèmes de stockage par volant d'inertie à faible vitesse (généralement jusqu'à 10 000 tr/min) et les systèmes de stockage par volant d'inertie à grande vitesse (jusqu'à 100 000 tr/min).
Les volants d'inertie à basse vitesse sont généralement fabriqués à partir de matériaux métalliques plus lourds et sont soutenus par des roulements mécaniques ou magnétiques. Les volants d'inertie à grande vitesse utilisent généralement des matériaux composites plus légers mais plus résistants et requièrent généralement des paliers magnétiques. Les volants d'inertie à grande vitesse peuvent souvent coûter jusqu'à cinq fois plus cher que les volants d'inertie à faible vitesse.
- moteur
Le moteur électrique/de production réciproque bidirectionnel est couplé au volant d'inertie afin de réaliser la conversion d'énergie et de réduire la consommation d'énergie. charge de la batterie du volant d'inertie. Cette machine agit comme un moteur, stockant l'énergie cinétique pour le volant d'inertie en l'accélérant et en tirant de l'électricité de la source d'énergie.
L'énergie stockée sur le volant d'inertie est extraite par le même moteur électrique que celui qui sert de générateur, de sorte que le volant d'inertie ralentit le processus de conversion de l'énergie cinétique en électricité. Les moteurs couramment utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie par volant sont les moteurs à induction (IM), les moteurs à aimant permanent (PM) et les moteurs à réluctance variable (VRM). Les moteurs à induction sont utilisés dans les applications à forte puissance en raison de leur robustesse, de leur couple élevé et de leur faible coût. Les principaux problèmes des moteurs à induction sont les limitations de vitesse, la complexité des commandes et les exigences de maintenance élevées.
- Les moteurs à induction à double alimentation (DFIM) sont actuellement utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie en raison de la souplesse de leur commande et de leur capacité de conversion de puissance inférieure, ce qui permet de réduire la taille de l'électronique de puissance.
- Le moteur à réluctance variable se caractérise par des performances stables, une faible perte à vide et une large plage de vitesse. Pour un fonctionnement à grande vitesse, les moteurs à réluctance variable ont un mécanisme de contrôle plus simple que les moteurs à induction. Ses inconvénients sont un faible facteur de puissance, une faible densité de puissance et une grande fluctuation du couple. Les moteurs à réluctance commutée et à réluctance synchrone conviennent tous deux aux systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie à grande vitesse.
- Le moteur à aimant permanent présente un rendement élevé, une forte densité de puissance et de faibles pertes au niveau du rotor. Il s'agit du moteur le plus couramment utilisé pour les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie. Il est largement utilisé dans les applications à grande vitesse. Les principaux problèmes des moteurs à aimants permanents sont la perte au ralenti due à la perte par courant de Foucault du stator, le prix élevé et la faible résistance à la traction.
- Les moteurs à courant continu sans balais (BLDCM), les moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) et les machines à réseau Halbach (HAM) sont les principaux types de moteurs à aimant permanent utilisés dans les applications des systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie.
- palier
Le stockage d'énergie par volant d'inertie nécessite des roulements pour maintenir le rotor en place avec un très faible frottement tout en fournissant le mécanisme de support du volant d'inertie. Les systèmes de roulements peuvent être mécaniques ou magnétiques, en fonction du poids, de la durée de vie et de la réduction des pertes.
Les roulements à billes mécaniques sont traditionnellement utilisés, mais comparés aux roulements magnétiques, ils présentent un frottement plus important et nécessitent des coûts de maintenance plus élevés en raison de la dégradation du lubrifiant. Ces inconvénients peuvent être atténués par l'utilisation d'un système hybride de roulements magnétiques et mécaniques. Les paliers magnétiques n'ont pas de pertes par frottement et ne nécessitent pas de lubrification.
Les paliers magnétiques permanents (passifs), les paliers magnétiques actifs (AMB) et les paliers magnétiques supraconducteurs (SMB) sont les principaux types de systèmes de paliers magnétiques.
- Les PMB ont une grande rigidité, un faible coût et de faibles pertes. Cependant, les PMB ont des limites en termes de stabilité et sont généralement considérés comme des systèmes de roulements auxiliaires.
- L'AMB est entraîné par un champ magnétique généré par une bobine porteuse de courant qui contrôle la position du rotor. Le coût de l'AMB est élevé, le système de contrôle est complexe et l'énergie est consommée pendant le fonctionnement, ce qui augmente les pertes du système. Pour assurer une bonne efficacité de l'ensemble du système, il faut trouver un compromis entre la vitesse et les pertes.
- Le SMB offre une vitesse élevée, une absence de frottement, une longue durée de vie, un fonctionnement compact et stable. C'est le meilleur palier magnétique pour les opérations à grande vitesse, car il stabilise le volant d'inertie sans alimentation électrique ni système de positionnement. Cependant, le SMB nécessite un système de refroidissement cryogénique car il fonctionne à très basse température ; mais ces dernières années, il a été amélioré grâce à l'utilisation de supraconducteurs à haute température (HTS). Le principal inconvénient du système SMB est qu'il est très coûteux.
5. Paramètres de performance de la technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie
| Projet | Stockage d'énergie par volant d'inertie à grande vitesse |
|---|---|
| Maturité technologique | Commercial |
| Densité énergétique (W.h/kg) | 32 |
| Densité de puissance (W/kg) | 4500 |
| Rendement de conversion énergétique, % | ＞85 |
| Niveau de puissance/MW | 0～20 |
| Durée de décharge continue | 1ms～1min |
| Taux d'autodécharge (%/mois) | 2~20 |
| Années de service | 20 |
| Nombre de cycles | Plus d'un million de fois |
| Temps de démarrage/ms | ＜2 |
| Vitesse correspondante/ms | ＜2 |
| Coût de l'électricité (yuan/kW) | 1700～2000 |
| Coût de l'énergie (yuan/kW.h) | 100000～400000 |
| Coût d'exploitation et de maintenance/(yuan/kW) | 50～100 |
6. Avantages techniques du stockage d'énergie par volant d'inertie
La comparaison technique des différentes méthodes de stockage de l'énergie montre que le volant d'inertie a un rendement élevé (jusqu'à 90%), une grande puissance instantanée (un seul mégawatt), une vitesse de réaction rapide (plusieurs millisecondes) et une longue durée de vie (10).
7. Scénarios d'application du stockage d'énergie par volant d'inertie
- Transport ferroviaire
Les avantages de la densité de puissance élevée et du rendement élevé du stockage d'énergie par volant d'inertie s'adaptent parfaitement au système de transport ferroviaire, et son effet d'économie d'énergie dépasse de loin celui d'autres équipements d'économie d'énergie.
Dans les coûts d'exploitation des transports ferroviaires urbains tels que les métros, les coûts d'électricité représentent environ 40%, et l'énergie de traction des trains représente 45%-60% du coût total de l'électricité des opérations du métro, dont 17% sont de l'énergie de freinage régénératrice recyclable. L'énergie de freinage récupérée est généralement consommée par la dissipation de la chaleur de la résistance, ce qui pose des problèmes de gaspillage des ressources et d'impact sur le réseau électrique. L'utilisation d'un dispositif de stockage d'énergie par volant d'inertie permet d'économiser 15% d'énergie de traction.
- Réseau électrique
Le stockage d'énergie par volant d'inertie a une puissance élevée, une réponse rapide et une longue durée de vie, et convient à la régulation des pics et de la fréquence du réseau électrique.
Certains pays européens ont appliqué des systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie à la régulation des pics et de la fréquence du réseau électrique. À l'heure actuelle, de nombreux endroits en Chine ont lancé des projets de stockage d'énergie par volant d'inertie pour la régulation des pics de consommation et de la fréquence des réseaux électriques. Le rythme des applications de stockage d'énergie par volant d'inertie pour la régulation de la fréquence et de la pointe des réseaux électriques devrait continuer à s'accélérer.
- Alimentation sans interruption (ASI)
Stockage d'énergie UPS Lorsque le réseau électrique externe est interrompu ou que la qualité de l'alimentation est anormale, il existe un grand nombre d'utilisateurs qui ont des exigences élevées en matière de qualité de l'alimentation, tels que la fabrication de semi-conducteurs, les systèmes informatiques dans les banques, les systèmes de communication, l'équipement médical de précision dans les hôpitaux, etc. Lorsque le réseau électrique externe est interrompu ou que la qualité de l'alimentation électrique est anormale, afin de garantir une alimentation électrique continue et fiable à ces utilisateurs, il est possible de les équiper d'un système d'alimentation sans interruption UPS à volant d'inertie.
- Autres
Le stockage d'énergie par volant d'inertie convient également à la production d'énergie solaire et éolienne et à d'autres systèmes, et est également utilisé dans le domaine aérospatial.
8. État du marché mondial du stockage d'énergie par volant d'inertie
La technologie du stockage de l'énergie par volant d'inertie a été développée depuis le milieu du XXe siècle et compte plus de 50 ans d'histoire en matière de recherche, de développement et d'application. À l'heure actuelle, la recherche et le développement de la technologie du stockage de l'énergie par volant d'inertie sont principalement concentrés aux États-Unis, en Europe et au Japon. Ces pays ont une longueur d'avance sur les autres pays en ce qui concerne la recherche fondamentale sur les applications de la technologie des volants d'inertie, les technologies clés, les processus de fabrication, le développement de l'industrialisation des produits et les opérations commerciales. À l'heure actuelle, comme d'autres pays attachent une grande importance à la technologie du stockage de l'énergie et investissent massivement dans ce domaine, la tendance à la multipolarisation devient de plus en plus évidente.
États-Unis: À l'heure actuelle, les États-Unis occupent une position de leader dans la recherche sur la technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie, ce qui est principalement dû à l'investissement à long terme d'institutions telles que le DOE et la NASA depuis les années 1970 et au soutien continu du marché des capitaux depuis plus de 10 ans.
L'Europe: Parmi les nombreux pays européens, l'Allemagne et le Royaume-Uni sont ceux qui ont mené les recherches les plus approfondies sur la technologie du stockage de l'énergie par volant d'inertie, et la France, l'Italie et d'autres pays ont également investi massivement dans ce domaine.
Japon: Le Japon dispose d'une grande force technique dans le domaine des matériaux en fibre de carbone à haute résistance et des matériaux supraconducteurs à haute température, ce qui crée des conditions favorables au développement de la technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie.
Chine: La Chine s'intéresse à la technologie du stockage d'énergie par volant d'inertie depuis les années 1980. À l'heure actuelle, le stockage d'énergie par volant d'inertie en Chine a connu de nombreuses expériences réussies en matière d'application pratique et de démonstration dans les domaines de la production d'énergie, du forage pétrolier et de la navigation.
9. Orientation du développement de la technologie de stockage de l'énergie par volant d'inertie
- Le système de moteur et de convertisseur évoluera vers un faible coût ;
- Les rotors à haute densité énergétique évolueront vers des matériaux composites ;
- Les roulements de soutien évolueront dans le sens de la suspension magnétique et des roulements composites ;
- Amélioration de l'efficacité énergétique du stockage autonome par volant d'inertie ;
- Les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie de grande capacité se développeront sous la forme de réseaux modulaires.
En ce qui concerne les goulets d'étranglement techniques, pour les produits de stockage d'énergie à volant d'inertie de grande capacité, lorsque le moment d'inertie et la vitesse maximale du rotor du volant d'inertie dépassent une certaine valeur, des problèmes techniques et de conception se posent, tels que : le matériau du rotor du volant d'inertie à haute résistance, la conception structurelle et la technologie de fabrication, la conception et la technologie de fabrication des roulements composites, la conception et la technologie de fabrication du moteur bidirectionnel, la technologie de refroidissement du moteur et des roulements à l'état de vide, etc.
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