Volant d’inertie

Un volant d’inertie (« flywheel » en anglais) est un système de stockage d’énergie sous forme d’énergie cinétique de rotation qui peut être restituée en électricité, et inversement. 

Il est constitué d’une masse, la plupart du temps un cylindre creux ou plein (mais d’autres formes sont possibles). Cette masse est mise en rotation autour d’un axe, fixe en général, et enfermée dans une enceinte de protection. Elle est reliée à un moteur/générateur électrique qui permet de convertir l’énergie cinétique en électricité et inversement.

Ce mécanisme permet le stockage d’énergie :

• en phase de stockage, le moteur convertit l’énergie électrique entrante en énergie cinétique, ce qui augmente la vitesse de rotation de la masse ;
• en phase stationnaire, c’est-à-dire de conservation de l’énergie, la vitesse de rotation de la masse doit être maintenue constante. L’apport d’énergie est alors minime et ne fait que compenser les pertes liées au frottement ;
• en phase de déstockage ou de restitution, le générateur convertit l’énergie mécanique en électricité, freinant ainsi la masse.

Les applications pour les volants d’inertie sont nombreuses : régulation de fréquence et soutien en tension sur les réseaux électriques, lissage de la production électrique des installations renouvelables variables, applications décentralisées, etc.

L’énergie stockée augmente avec la masse et est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation. Dès lors deux « stratégies » de stockage sont possibles. Elles correspondent aux deux typologies de volants d’inertie, dont l’une joue sur la masse, l’autre sur la vitesse :

• les volants d’inertie basse vitesse : ce sont les systèmes les plus matures, ils mettent en jeu des masses importantes dans des matériaux lourds (type acier). Leur vitesse de rotation est inférieure à 10 000 tr/min (tours par minute) ;
• les volants d’inertie haute vitesse : ils utilisent des matériaux plus légers (type fibre de carbone ou de verre) et ont des vitesses de rotation pouvant aller jusqu’à 50 000 tr/min.

Un critère capital pour le fonctionnement d’un volant d'inertie est la capacité à minimiser les pertes d’énergie lors de la phase stationnaire. Pour ce faire, il est nécessaire de limiter les frottements subis par la masse en rotation. Parmi les solutions utilisées, on peut citer : l’utilisation de roulements à bille haute performance, l’enfermement de la masse dans une enceinte sous vide, la suspension magnétique de la masse, etc.

Un autre élément primordial du choix du matériau de la masse est sa résistance à la rupture. En effet, les vitesses de rotation élevées entraînent des contraintes importantes sur les masses qui, si elles sont mal dimensionnées, peuvent se rompre, provoquant alors la destruction immédiate du volant.

Schéma de volant d'inertie à rotation lente de l'ancienne société AER (©Connaissance des Énergies)

Les applications possibles pour les volants d’inertie sont nombreuses.

Parmi elles figurent :

• la régulation de fréquence et le soutien en tension sur les réseaux électriques : maintenir la fréquence et la tension autour de valeurs moyennes et dans des limites définies par l’opérateur du réseau ;
• le lissage de la production des énergies renouvelables : compenser les fluctuations de la production électrique liées à l’intermittence de la source d’énergie (passage d’un nuage, fin d’une rafale de vent, etc.) ;
• le suivi de charge : accompagner de façon temporaire les variations journalières d’appel de puissance sur le réseau électrique, par exemple en début ou fin d’heure de pointe, le temps que des modes de production à grande échelle démarrent ou s’arrêtent ;
• les applications décentralisées : optimiser l’utilisation de l’énergie par récupération de l’énergie de freinage de métros ou de l’énergie potentielle de pesanteurs de grues ou garantir l’alimentation sans coupure (UPS – Uninterruptible Power Supply) qui consiste à assurer le relai entre l’instant de l’incident et le démarrage du générateur de secours.

Exemples de volants d'inertie dans le monde

Les deux plus grandes installations (20 MW chacune) se sont longtemps trouvé aux États-Unis à Stephenson (État de New York) et Hazle Township (Pennsylvanie). 

En septembre 2024, la Chine a connecté au réseau une centrale de stockage par volant d'inertie de 30 MW, présentée comme la plus puissante au monde⁽¹⁾.

L’utilisation des volants d’inertie est mondiale. Citons entre autres les réalisations suivantes :

• une centrale de 5 MW dédiée au lissage de la production électrique d’éoliennes construite au Canada, en Ontario ;
• l’aéroport de Mexico City, équipé d’un système d’alimentation sans coupure utilisant des volants d’inertie ;
• l’île de Kodiak Island, en Alaska, également équipée afin de stabiliser ce réseau isolé ;
• le métro de Rennes utilise un volant d'inertie d’une masse de 2,5 tonnes. Il permet, en récupérant l’énergie pendant les phases de freinage (alors qu’elle était précédemment dissipée sous forme de chaleur) de la restituer pendant les phases d’accélération, et ainsi d’économiser environ 230 MWh par an ;
• en 2009, les écuries Ferrari et McLaren ont intégré à leurs véhicules de Formule 1 un volant d’inertie ou SREC (Système de Récupération d’Energie Cinétique). L’objectif était de récupérer l’énergie pendant le freinage et de la restituer pendant certaines phases d’accélération. L’intérêt du SREC est une accélération plus intense que celles des voitures non équipées. L’inconvénient est, outre les coûts de développement, le poids du système qui pénalise la performance de la voiture. Ce système a notamment permis à Kimi Räikkönen de gagner le grand prix de Belgique en 2009 au volant de sa Ferrari.

La société américaine Beacon Power a été le leader du marché des volants d’inertie au début des années 2010. La société a notamment construit deux centrales de 20 MW aux États-Unis dédiées à la régulation de fréquence.

Le marché mondial reste aujourd'hui assez segmenté, les différents acteurs se concentrant sur des régions et/ou des applications spécifiques⁽²⁾.

En 2017, l'Irena (Agence mondiale pour les énergies renouvelables) estimait les coûts d’investissement d’un volant d’inertie entre 1 500 et 6 000 $/kWh⁽³⁾, en estimant que ce coût initial - élevé par rapport à d’autres technologies - pourrait chuter entre 1 000 et 3 900 $/kWh à l'horizon 2030. Cet investissement important est néanmoins compensé par des coûts de maintenance très faibles et par une durée de vie très importante.

Notons par ailleurs que la rentabilité d’un volant d’inertie dépend essentiellement de l’application visée et de ses particularités. Ainsi, il est courant dans la régulation de fréquence de valoriser la puissance disponible plutôt que le kWh délivré. De même, pour certaines applications, l’énergie entrante peut être considérée comme « gratuite » car perdue autrement (par exemple la récupération de l’énergie de freinage d’un train) alors qu’elle représentera un coût dans d’autres cas.

Le concept du volant d’inertie remonte au néolithique (d’environ - 10 000 à - 5 000 ans avant JC), notamment avec l’usage des tours de potier (une fois le tour mis en rotation, il continue de tourner via l’inertie du système).

Néanmoins, le premier véritable essor du volant d’inertie en tant que système de stockage d’énergie date de la Révolution industrielle. Des volants d’inertie massifs et de grande taille, généralement en métal, étaient utilisés pour lisser la production des machines à vapeur, notamment dans les usines. Certains de ces volants sont d’ailleurs toujours en opération aujourd’hui. 

Le XX^e siècle a vu le déclin des volants, en lien avec les progrès de l’ingénierie électrique et l’usage des moteurs à combustion.

Le second essor des volants d’inertie date de la seconde moitié du XX^e siècle où des problématiques d’économies d’énergie, de lissage de la production des énergies renouvelables et de stabilité des réseaux ont remis au goût du jour cette technologie.

En 2024, l'AIE a estimé⁽⁴⁾, dans le cadre de son scénario « NZE » (zéro émission nette, scénario compatible avec l'atteinte des objectifs de l'Accord de Paris), que les besoins de stockages d'énergie devraient être multipliés par 6 d'ici 2030 si les capacités électriques renouvelables triplent à cet horizon. Autrement dit, les capacités de stockage d'électricité devraient atteint 1 500 GW au niveau mondial d'ici à 2030 selon l'Agence.

Le stockage par batteries est censé compter pour « 90% de cette croissance, soit une multiplication par 14 pour atteindre 1 200 GW d'ici 2030, complété par le stockage par pompage, l'air comprimé et les volants d'inertie », précise l'AIE. Les volants à inertie devraient apporter une contribution mineure à ce total, en comparaison avec les batteries, comme l'illustre le graphique ci-après de l'AIE.

En 2023, les STEP (Stations de Transfert d’Énergie par Pompage) constituaient encore le principal moyen de stockage d'électricité au niveau mondial mais le stockage par batteries devrait les dépasser « dès le milieu des années 2020 » selon l'AIE. Il est à noter que cette prédominance des STEP n’est pas forcément représentative de l’attractivité des technologies. Les STEP ont par essence des puissances importantes et tendent donc à être surreprésentées dans les comparaisons globales de puissance installée par rapport aux technologies de faible et moyenne puissance.