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accumuler l'énergie des courants lents (suite)

Vincent de Blois, le 21 février 2025

Dans un précédent article (accumuler l'énergie des courants lents), je montrais que si l'on veut accumuler l'énergie cinétique du vent dans un volant d'inertie, on doit d'abord la transformer en une sorte de "rafale standard", faute de quoi on en gaspillerait au moins la moitié en ne profitant pas de l'énergie des phases de vent descendantes. Partant de là, j'imaginais qu'une éolienne classique à axe horizontal pourrait mettre en mouvement un villebrequin actionnant des souflets intercalés entre des réservoirs, et que l'eau, parvenant de temps à autre à remplir le réservoir du haut, on pourrait la chasser violemment sur toute la hauteur de la machine, en la poussant sous pression vers une turbine déversant son eau dans le réservoir du bas. Et qu'enfin cette turbine lancerait à son tour un volant d'inertie.

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la disposition originale : un villebrequin actionnant des soufflets, provoquant des décalages de pression.

A bien y réfléchir cette machine n'était pas idéale : trop de parties mobiles, sujettes à usure et pannes, risques de points durs dans le cycle pénalisant l'aérodynamique du rotor, montée d'eau limitée par le volume d'air pouvant être déprimé, qui est le volume d'air présent dans seulement la moitié des réservoirs. Ce dernier inconvénient aurait constitué un très grand gaspillage par vent établi, en posant une limite au poids d'eau monté par jour, empêchant même le rotor de tourner à pleine puissance.

J'ai donc cherché, pour me débarrasser de ces problèmes, à dissocier la production de vide de la vitesse de la machine, afin de pouvoir fixer la vitesse de montée d'eau, indépendamment de la force et de la durée du vent. Et comme c'est la quantité d'air déprimé, et le degré de dépression de cet air, qui déterminent le poids d'eau que la machine peut élever, l'éolienne travaille maintenant uniquement à extraire l'air d'un grand volume fermé entourant les réservoirs. L'air y est pompé par deux moyens se cumulant : premièrement une pompe à air entraînée par l'axe du rotor, et deuxièmement un tube de Bernouilli en matériau léger, pivotant librement en haut sur cet axe. Par vent établi, son rôle sera de faciliter le travail de la pompe : en effet, si l'axe de l'éolienne est lui-même un tube, on peut alors mettre en communication l'air déprimé au centre du tube de Bernouilli avec la sortie d'air de la pompe, et alors la pompe aura moins de mal à rejeter l'air dans l'air déprimé du tube de Bernouilli que dans de l'air à la pression atmosphérique.

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Cette disposition, évite d'avoir recours à une action mécanique sur une grande hauteur, susceptible de produire des accoups perturbant l'aérodynamique de l'éolienne. La machine doit aussi mieux profiter de plages de vent de plusieurs jours, grâce au grand volume d'air à déprimer qui joue un role de tampon, permettant d'utiliser l'air déprimé de façon différée. Enfin le volant d'inertie n'est plus limité en taille par les tringles verticales de l'ancienne machine, ce qui ouvre la perspective d'un stockage à peu près illimité de l'énergie du vent.

Le principe général reste le même : élever de l'eau dans des réservoirs deux à deux en distribuant de l'air déprimé. Les soufflets sont maintenant remplacés par deux arbres à cames, qui distribuent l'air atmosphérique ou l'air raréfié à des réservoirs superposés(1). La vitesse maximale de montée de l'eau entre deux réservoirs - que l'on aura observée expérimentalement - déterminera la réduction mécanique à appliquer à la vitesse maximale du rotor, de sorte à ce que le rythme de la distribution d'air ou d'air déprimé ne dépasse pas la vitesse maximale de montée de l'eau. Et ainsi, pour toutes les vitesses de rotor plus modérées ou intermitentes, la machine élèvera l'eau très lentement. Cette lenteur n'a cependant aucune importance car du moment que l'extraction de l'air aura eu lieu, elle travaillera tôt ou tard à la montée de l'eau, et toute eau qui sera montée produira tôt ou tard la rafale "standard" recherchée, pour mettre en mouvement le volant d'inertie.

On peut encore améliorer cette disposition : les deux arbres à cames peuvent être fusionnés en un seul et la position de tous les tuyaux verticaux (tuyau de montée d'eau, tuyaux d'équilibrages des pression 2 à 2) peut être décalée à l'extérieur du périmètre des réservoirs dans une alcove. On peut même prévoir des réservoirs de différentes formes (bien qu'ils doivent être de même volume), et ainsi donner au volant d'inertie la taille que l'on souhaite.

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Pour récupérer d'avantage de l'énergie cinétique du vent, les éoliennes à axe horizontal sont paraît-il incontournables. Il faudrait donc utiliser plusieurs éoliennes de ce type pour déprimer d'air d'un grand volume commun, et ainsi, elles travailleraient toutes à la mise en mouvement d'un seul volant d'inertie, ce qui limiterait le coût d'un tel acumulateur.

Sur le rotor d'une éolienne classique actuelle, on sait que la partie des pales proche de l'axe ne récupère que très peu d'énergie. On ne perdrait donc pas grand chose en remplaçant cette partie centrale par une bague, roulant sur un tube de Bernouilli. Celle-ci entraînerait un extracteur d'air, dont l'échappement se ferait comme précédemment au centre du tube. Et ainsi l'air s'évacuant par les effets combinés du tube de Bernouilli et de la pompe doit favoriser la baisse de pression dans ce grand volume, jusqu'au stade où le décalage de pression devient suffisant pour faire monter l'eau. Par vent établi plusieurs jours durant, le surplus de dépression ne sera pas gaspillé comme dans l'ancienne machine, car il viendra y accentuer la baisse de pression. Ci-dessous le shéma d'un groupe d'éoliennes de 100m de diamètre, mettant en mouvement un seul volant d'inertie en forme de tore.

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Ce volant d'inertie serait une toupie massive, maintenue à l'horizontale par des aimants puissants (en rose). Il serait constitusé d'un tore creux en métal que l'on remplirait d'eau, car l'eau qu'elle soit en mouvement ou immobile est d'une masse homogène, ce qui limiterait les problèmes d'équilibrage à la structure de cette toupie, ne représentant une fois remplie, qu'une faible partie de sa masse. On pourrait ainsi laisser circuler une partie de l'eau à l'intérieur du tore (en fait, sur la partie extérieure de l'intérieur du tore où le mouvement l'entraînera naturellement) en y plaçant des valves, ce qui introduirait de la souplesse dans les accélérations du volant : car si l'eau projetée peine trop à mettre en mouvement le volant d'inertie, alors il vaut mieux qu'une partie de l'eau s'échappe par ces valves, car cela diminue la masse à mettre en mouvement, jusqu'au moment où le ralentissement relatif fait se refermer ces valves, et où c'est au tour de la masse de l'eau en mouvement d'entraîner cette partie de l'eau qui a circulé. Peu de pertes d'énergie en faisant celà, l'eau glissant très facilement sur elle-même. Cela permettrait de profiter au mieux du couple de forces généré par les lâchers d'eau.

éléments intermédiaires : un peu d'eau dans les jointures suffirait pour en assurer l'étancheïté
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Pour ces lâcher d'eau (= la rafale standard uniquement montante recherchée), il y a deux problèmes. Le frottement de l'eau sur le tuyau sur une hauteur de 100m lui ferait perdre de la vitesse. Et ensuite, il ne faudrait pas qu'il reste un peu d'air dans ce tuyau, car il pourrait alors se comprimer, et éparpiller l'eau en s'opposant à la chute. Si on veut que le cylindre d'eau tombe du réservoir supérieur (sous pression) à pleine vitesse dans la turbine, il faudrait premièrement faire le tout début de ce tuyau en forme d'entonnoir, et souder autour de la partie étroite de cet entonnoir un tuyau plus large que l'on viderait complètement d'air. Et ainsi l'eau tomberait sans résistance et sans frottements, en donnant toute sa force aux ailettes de la turbine.

Jusqu'à quelle vitesse pourrait-on faire tourner un tel volant ? pourrait-il atteindre la vitesse de la chute d'eau (environ 140 km/h, soit env. 15 tours/mn), seule l'expérience pourrait le dire. Mais si jamais on y parvenait, cela constituerait une limite à l'accumulation qu'il serait facile de dépasser, en déchargeant la moitié de l'inertie de ce premier volant sur un second sous vide total, pour lequel on privélégierait cette fois la prise vitesse plutôt que la masse, qui est plus rentable pour le stockage de l'énergie. Et ainsi, on pourrait organiser la "faim" d'inertie de ce premier volant, et récupérer à la demande son énergie dans ce second volant, qui servirait à produire de l'électricité.

(1) une action mécanique moins sujette aux accoups. Cependant, si l'expérience montre que c'est encore le cas, on peut alors déléguer l'action de ces arbres-à-cames à un moteur électrique séparé, et piloter informatiquement la distribution. Ce pilotage serait peut-être un avantage, car la vitesse de rotation du rotor n'est peut-être pas proportionnelle à la meilleure vitesse de distribution.

(2)A noter que ce type d'éolienne supporte le grand vent, et comme elles peuvent être raprochées les unes des autres, elles pourraient chacune contribuer au vide d'un seul grand réservoir de vide.

(3) La forme et la proportion des réservoirs n'a que peu d'importance du moment qu'ils ont le même volume. Si on a besoin de formes différentes, on peut sacrifier du volume en haut ou en bas (en gris sur le shéma du bas)

(4) Un tore en acier rempli d'eau, d'une largeur de 50m et d'une épaisseur de 3m aurait une masse de 650 tonnes. Et il faudrait qu'à l'intérieur de ce tore, on installe des valves pour introduire de la souplesse. Ainsi lors d'un lâcher d'eau sur le volant totalement immobile, le volant se mettrait en mouvement, en laissant circuler l'eau à l'intérieur du tore, puis peu à peu les valves se refermeraient, et on éviterait ainsi de gaspiller de l'énergie par manque de couple aux différentes vitesses. Ces valves par contre, ne doivent pas pouvoir circuler librement dans l'autre sens.

Vincent de Blois, 23 février 2025

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