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Qu’est-ce que le Volant de stockage solaire (VOSS) ?

Le principe du volant de stockage à inertie existe depuis plusieurs décennies. Néanmoins, il s’est toujours destiné à des usages industriels très limités. En remplaçant notamment la fibre de carbone ou l’acier habituellement utilisé pour sa conception par du béton, l’entreprise française Energiestro a remis au goût du jour cette technologie avec l’ambition de faire de son volant de stockage solaire une alternative moins coûteuse et plus durable aux batteries lithium-ion qui dominent actuellement le marché du stockage de l’électricité.

Volant de stockage solaire

Comment fonctionne un volant de stockage solaire ?

Un des obstacles majeurs au développement du photovoltaïque est le problème du stockage de l’électricité produite quand elle n’est pas directement injectée dans le réseau de distribution.

La meilleure des solutions disponibles pour pouvoir différer la consommation de l’électricité produite par des panneaux solaires consiste à la stocker dans des batteries lithium-ion, mais ces dernières sont chères, affichent un très mauvais bilan environnemental et sanitaire et bénéficient d’une espérance de vie limitée. À ce jour, aucune technologie ne permet de rentabiliser le stockage de l’énergie solaire.

Le Volant de stockage solaire, ou VOSS, un dispositif développé par la société Energiestro et récompensé en 2015 par le prix EDF Pulse, ambitionne d’apporter enfin une alternative rentable et durable à la question du stockage de l’énergie solaire. Comment ? En transformant l’énergie électrique produite pendant la journée en énergie mécanique pour pouvoir la restituer plus tard.

Principe de fonctionnement du volant de stockage solaire

Un volant de stockage solaire, aussi appelé volant d’inertie, est constitué d’un cylindre tournant sur lui-même et placé dans un caisson sous vide afin de supprimer les frottements de l’air. Le cylindre est posé sur des paliers magnétiques qui lui permettent de « flotter » au-dessus du sol pour que rien n’entrave son mouvement. Plus le cylindre est lourd, plus sa capacité de stockage est importante.

Le fonctionnement d’un volant de stockage se scinde en deux phases bien distinctes, l’une pendant laquelle il emmagasine de l’énergie et l’autre pendant laquelle il la restitue.

  1. Pendant la journée, un moteur électrique alimenté par l’installation photovoltaïque à laquelle est relié le volant de stockage met en mouvement le cylindre qui accélère progressivement pour atteindre une vitesse très importante, jusqu’à plusieurs milliers de tours/minutes. Plus la masse du cylindre est élevée, plus la quantité d’énergie accumulée est importante.
  2. Lorsque les panneaux solaires ne fonctionnent plus, la nuit par exemple, le volant de stockage restitue sous forme d’électricité l’énergie cinétique qu’il a accumulée tout au long de la journée en activant par son mouvement un alternateur qui freine peu à peu le cylindre pour produire de l’électricité. La production d’électricité se poursuit jusqu’à l’arrêt total du cylindre.

Couplé à une centrale ou à une petite installation photovoltaïque, le volant de stockage solaire offre donc en théorie une réponse au problème de la production électrique fluctuante des panneaux photovoltaïques qui produisent beaucoup d’électricité en milieu de journée, dont on ne sait d’ailleurs pas toujours quoi faire, beaucoup moins quand la luminosité baisse et plus rien du tout dès que le soleil disparaît derrière l’horizon.

En théorie seulement, car le coût de fabrication d’un tel dispositif de stockage, utilisant de l’acier ou du carbone, a longtemps représenté un obstacle infranchissable à un développement industriel à grande échelle. Cette technologie a d’abord essentiellement trouvé des applications dans des secteurs très confidentiels. Le secteur des transports, par exemple, a notamment expérimenté des systèmes de récupération de l’énergie issue du freinage d’un métro grâce à des volants à inertie.

En réduisant les coûts de fabrication, avec notamment l‘utilisation du béton, le VOSS d’Energiestro ambitionne toutefois de donner une nouvelle chance à cette technologie en l’appliquant au stockage de l’électricité d’origine photovoltaïque.

Les innovations apportées par la technologie VOOS

Depuis une dizaine d’années, la société française Energiestro s’est penchée sur la question de la rentabilité du volant de stockage à inertie en cherchant à améliorer son rendement et à diminuer son coût pour parvenir à offrir une alternative économiquement viable aux batteries lithium-ion. Pour y parvenir, elle a développé une série d’innovations prometteuses, à savoir :

  • le choix du béton : en remplaçant l’acier ou la fibre carbone habituellement utilisé pour la fabrication du cylindre par du béton précontraint habillé de fibre de verre, elle obtient un résultat équivalent en termes de poids et de performance pour un coût bien inférieur ;
  • le recours à un alternateur spécial : les alternateurs classiques sont très performants à pleine puissance, mais leur rendement décroît rapidement à mesure que le cylindre ralenti. Pour allonger le cycle de décharge, Energiestro a opté pour un alternateur à faibles pertes ;
  • l’utilisation de roulement à billes : pour faire baisser encore les coûts, Energiestro n’utilise pas de paliers magnétiques pour soutenir le cylindre mais des roulements à billes assistés par une butée magnétique passive, un dispositif breveté qui s’avère beaucoup moins coûteux.

Ces différentes innovations ont permis à Energiestro de mettre au point en 2015 un nouveau prototype de volant de stockage solaire en béton, le système VOSS, qui permettrait notamment d’allonger la durée de stockage jusqu’à une dizaine d’heures, le temps nécessaire pour « passer la nuit » jusqu’au redémarrage des panneaux solaires, et ce, pour un coût de fabrication très attractif.

Energiestro : du groupe électrogène au volant solaire

Fondée en 2001 par Anne et André Gennesseaux, Energiestro s’est d’abord consacrée à l’invention d’un groupe électrogène fonctionnant avec des carburants renouvelables couplés à un volant de stockage à inertie. Si cette première invention n’a pas rencontré le succès commercial espéré, elle a néanmoins permis à Energiestro de développer les technologies qui lui ont servi quelques années plus tard à mettre au point son prototype de volant de stockage solaire.

Les performances du volant solaire VOSS

Le prototype mis au point par Energiestro a permis de faire des expérimentations et d’apporter une première série de données exploitables pour évaluer les performances de cette technologie. Il faut néanmoins préciser qu’elles n’ont jamais pu être confirmées par des études indépendantes.

Espérance de vie

Le volant de stockage solaire VOSS a la même fonction qu’une batterie solaire classique mais permet en théorie un nombre de cycles charge/décharge quasiment infini sans perte de performance. À titre de comparaison, même les meilleures batteries lithium-ion du marché ne parviennent pas à dépasser 6 000 cycles et doivent être remplacées, au mieux, tous les 10 ans.

Capacité de stockage et dimension

Energiestro prévoit de commercialiser une gamme de volants solaires avec des capacités de stockage allant de 10 kWh à 1 MWh. Pour le moment, seul le premier modèle de la gamme a été fabriqué. Ce prototype mesure 1 mètre de diamètre pour une hauteur de 1,5 mètre, pèse 3 tonnes et affiche une capacité de stockage de 10 kWh.

Retrouvez dans le tableau ci-dessous les caractéristiques techniques et les performances des différents modèles de volants solaires VOSS qu’Energiestro envisage de commercialiser :

CapacitéDiamètreHauteurMassePuissance
10 kWh1 mètre1,5 mètre3 tonnes10 kWh
20 kWh1,3 mètre1,9 mètre6 tonnes20 kWh
50 kWh1,7 mètre2,6 mètres15 tonnes50 kWh
100 kWh2,2 mètres3,2 mètres30 tonnes20 kWh
1 MWh4,6 mètres7 mètres300 tonnes200 kWh
Source : Energiestro.fr

La capacité de stockage affichée correspond à la puissance nominale du volant solaire, c’est-à-dire à la quantité d’électricité maximale qu’il est capable de restituer en une heure à partir du moment où il a atteint sa vitesse de rotation maximale, environ 4 000 tours/minutes, soit près de 1 000 km/h à la surface du cylindre, pour le volant de stockage d’une puissance de 10 kW.

À partir d’un certain poids, la puissance nominale plafonne et ne correspond plus à la capacité de stockage. Cela s’explique par le fait que pour les plus gros modèles, le volant solaire a besoin de plus d’une heure pour restituer toute l’énergie accumulée, ce qui explique la différence observée entre la capacité de stockage et la puissance nominale pour les modèles d’une capacité supérieure à 100 kWh.

Pour un usage domestique, le premier modèle d’une capacité de 10 kWh pourrait permettre en théorie de stocker au moins en partie l’électricité produite en surplus par une petite installation photovoltaïque, bien que son constructeur ne l’ait pas envisagé pour cette application précise.

Durée de stockage

La durée du stockage du VOSS pourrait atteindre une dizaine d’heures. Concrètement, pour le premier modèle, cela signifie que les 10 kW stockés peuvent être restitué progressivement à un rythme d’un 1 kW par heure, ce qui équivaut à peu près à la consommation d’un four électrique domestique. Toutefois, cette durée de stockage demeure une estimation optimiste.

Rentabilité

En prenant en considération le coût total de fabrication et avec comme base de calcul une espérance de vie de 30 ans, Energiestro espère réduire le coût du stockage dans son volant de stockage solaire à 200 euros le kWh stockable, soit deux fois moins que pour les batteries lithium-ion qui affichent quant à elles un coût minimum de 400 euros par kWh stockable.

Le volant de stockage VOSS demeure toujours plus coûteux à produire qu’une batterie lithium-ion. Il est aussi beaucoup plus lourd et beaucoup plus volumineux. Mais son espérance de vie, bien plus longue que celle d’une batterie lithium-ion, lui permet en théorie d’être plus rentable à long terme et plus écologique que ces dernières, en n’utilisant notamment aucun métal rare pour sa fabrication.

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Les avantages du volant de stockage solaire VOSS

Grâce aux ruptures technologiques apportées par Energiestro, le système VOOS semble offrir de nombreux avantages qui pourraient bien changer la donne dans les années à venir et faire de l’ombre aux batteries lithium-ion qui règnent sans partage sur le marché juteux du stockage de l’électricité.

Un coût financier et écologique attractif

Le choix du béton, beaucoup moins cher que l’acier utilisé pour les premiers prototypes, associé au remplacement des paliers magnétiques qui soutiennent le cylindre par de simples roulements à billes permettrait au volant solaire d’Energiestro d’afficher un coût de fabrication 10 fois inférieur à celui de son équivalent en acier. Bien qu’elle soit toujours conséquente, la différence de prix avec celui d’une batterie lithium-ion s’en trouve ainsi considérablement réduite.

Du béton oui, mais du béton comprimé et bien ficelé !

Le béton a naturellement une très mauvaise résistance à la traction et à la force centrifuge, ce qui le rend a priori incompatible avec la technologie du volant à inertie. Pour éviter que son cylindre en béton n’explose dès qu’il entre en mouvement, Energiestro a eu l’idée ingénieuse d’utiliser pour son volant solaire un béton comprimé avec un enroulement sous tension.

Autre motif de satisfaction pour ses inventeurs, l’impact écologique de la fabrication du VOSS serait beaucoup plus faible que pour celle d’une batterie lithium-ion : 13 grammes de CO2 par kW stockable pour le volant solaire contre 40 grammes pour une batterie au lithium, selon une étude réalisée par Energiestro. La technologie VOSS ne nécessite pas non plus l’utilisation de matériaux toxiques, rares ou stratégiques comme le plomb, le cadmium, le lithium ou le cobalt.

Une durée de vie quasi illimitée

C’est l’un des immenses avantages du volant de stockage solaire à inertie développé par Energiestro. Fabriqué avec des matériaux très résistants, il permet un nombre de cycles charge/décharge bien supérieur à celui des autres systèmes de stockages. Par ailleurs, il ne subit aucune perte de performance avec le temps, contrairement aux batteries lithium-ion dont les capacités de stockage ont tendance à chuter rapidement passé un millier de cycles.

Malgré un coût de fabrication supérieur à celui des batteries lithium-ion, sa durée de vie, estimée par son fabricant à plus de 30 ans, lui permet ainsi de compenser largement ce handicap initial en affichant au bout du compte un coût de stockage plus attractif. Autre avantage, le volant de stockage solaire résiste très bien aux températures extrêmes, ce qui n’est pas le cas des batteries lithium-ion qui ne se rechargent plus en deçà de 5 °C et se détériorent au-delà de 45 °C.

Des applications multiples

En permettant de stocker de l’électricité pendant quelques minutes ou quelques heures, le volant de stockage à inertie en béton peut trouver de nombreux débouchés et répondre à de nombreuses problématiques liées au développement des énergies renouvelables, à savoir :

  • le lissage des énergies renouvelables intermittentes : la plupart des sources d’énergie renouvelables ne produisent pas d’électricité de manière régulière ou bien avec des variations de puissance importante. Cette intermittence, parfois de l’ordre de la minute, peut poser des problèmes de gestion du réseau électrique et d’alimentation auxquels le volant de stockage solaire à inertie peut apporter une réponse idéale lorsqu’aucune autre source d’électricité n’est disponible pour prendre le relais ;
  • le stockage de l’énergie solaire : le pic de production d’une centrale photovoltaïque se situe en milieu de journée, lorsque le soleil est au plus haut dans le ciel. Or, le pic de consommation se situe généralement plutôt en fin de journée et en début de soirée, et ce partout dans le monde. Il y a donc un décalage entre le moment où l’électricité est produite et le moment où elle est consommée. En stockant quelques heures l’électricité produite en milieu de journée pour la restituer en fin de journée, le volant solaire à inertie peut résoudre ce problème ;
  • l’alimentation en électricité des sites isolés pendant la nuit : dans des zones isolées et non couvertes par le réseau de distribution de l’électricité, il est indispensable de disposer d’un dispositif de stockage de l’électricité pour prendre le relais des panneaux photovoltaïques au coucher du soleil. Dans ce cas de figure, un volant de stockage solaire, avec une durée de stockage d’une dizaine d’heures, peut représenter une alternative plus durable et moins coûteuse qu’une batterie lithium-ion qui reste à ce jour la seule solution disponible.

Le VOSS : star des podiums !

Avec son prototype de volant de stockage solaire innovant, Energiestro est soutenue financièrement par la BPI France, par la Région Centre et par le programme de recherche et d‘innovation « Horizon 2020 » de l’Union européenne. Elle accumule également depuis plusieurs années les récompenses et les distinctions, à savoir :

  • lauréate du Concours mondial d’innovation en 2014 ;
  • prix EDF-Pulse en 2015 ;
  • obtention en 2016 du label « Seal Of Excellence » de la Commission européenne ;
  • prix Shell LiveWIRE en 2018.

Les inconvénients du volant de stockage solaire

Malgré l’enthousiasme de ses inventeurs et le soutien solide de nombreux acteurs privés et publics, le volant de stockage solaire d’Energiestro, dont la commercialisation devait officiellement débuter en 2018, puis en 2020, demeure encore aujourd’hui en 2021 au stade du prototype. Comment expliquer ce retard à l’allumage alors que cette innovation semble, sur le papier, avoir tout pour elle ?

Un manque de données exploitables

En dépit des annonces de son constructeur, nous manquons de données objectives, d’études indépendantes et du recul nécessaire pour mesurer le coût réel de fabrication et d’installation du VOSS. Le calcul de sa rentabilité et donc de sa compétitivité face, par exemple, aux batteries lithium-ion, ne peut donc faire l’économie d’une certaine prudence. Quand Energiestro annonce un coût de revient séduisant de 200 euros par kWh stockable, il est difficile de le prendre pour argent comptant.

La question des capacités du VOSS est également sujette à controverse. La durée du stockage, par exemple, estimée à une dizaine d’heures par Energiestro, est souvent remise en cause et jugée, au mieux, comme exagérément optimiste. Si, en effet, le VOSS ne permet pas de « passer la nuit » en restituant de l’électricité jusqu’au redémarrage des panneaux pour le cas d’une installation en complément d’une centrale photovoltaïque, il perd alors beaucoup de son attractivité.

Un problème de taille : son poids

Energiestro présente son invention sur la page d’accueil de son site Internet comme étant la solution de stockage idéale pour les grandes centrales solaires. En théorie, cette annonce est alléchante. Résiste-t-elle pourtant à une simple étude de faisabilité ?

Prenons l’exemple de la centrale photovoltaïque de Toul-Rosières en Lorraine qui affiche une puissance installée de 115 MW et dont la production équivaut aux besoins d’environ 55 000 habitants. En s’appuyant sur les chiffres d’Energiestro, pour pouvoir stocker dans un ou plusieurs volants solaires ne serait-ce que l’équivalent de la moitié de la production de cette centrale afin de pouvoir la restituer dans la nuit, la masse totale du dispositif de stockage devrait atteindre 17 250 tonnes, soit l’équivalent de 345 avions de ligne ou plus d’une fois et demi le poids de la Tour Eiffel.

Sans même parler de l’exploit technologique, des moyens à mettre à œuvre ou du coût que représenterait l’installation d’un tel volant solaire aux dimensions hors norme, ou même d’une série de volants solaires montés à la chaîne, l’espace nécessaire à la réalisation d’un projet de cette ampleur semble tout à fait disproportionné et laisse planer un sérieux doute sur sa faisabilité.

Même à une échelle plus réduite, la question du poids demeure cruciale dans le face-à-face qui oppose le volant solaire et à la batterie lithium-ion. Retrouvez dans le tableau ci-dessous un comparatif des dimensions et des poids des deux dispositifs de stockage concurrents pour une capacité de stockage identique :

Puissance nominaleHauteurLargeurPoids total
Volant solaire VOSS10 kWh1 mètre1,5 mètre3 000 kg
Batterie lithium-ion0,90 mètre0,60 mètre180 kg

À performance égale, le volant solaire à inertie d’Energiestro est donc à peu près 2 fois plus encombrant et surtout 16 fois plus lourd qu’une batterie au lithium-ion.

Une application « massive » qui relève du fantasme

Les questions relatives au poids, à l’encombrement et à la durée du stockage évoquées plus haut rendent inenvisageable en l’état un recours systématique au volant de stockage solaire pour de grandes installations de production, même lorsqu’elles ne sont pas raccordées au réseau de distribution public d’électricité et pourraient nécessiter un dispositif de stockage important.

Tout au plus peut-on imaginer le VOSS dans sa version la plus réduite comme une solution de stockage temporaire, pour une durée allant de quelques secondes à quelques minutes, qui permettrait de pallier les variations de puissance d’une source d’énergie renouvelable afin de maintenir un flux constant et continu d’électricité.

À plus petite échelle, un usage domestique pour de petites installations photovoltaïques alimentant un logement non raccordé à l’électricité pourrait lui aussi éventuellement s’envisager.

Néanmoins, même dans ces configurations a priori plus propices à l’installation d’un volant de stockage solaire, les systèmes existants équivalents sont déjà nombreux (batteries au plomb, batteries lithium-ion, groupe électrogène, etc.), éprouvés et souvent bien plus simples à mettre en œuvre qu’un système de stockage à inertie bien que plus polluants.

Le volant solaire à inertie : utopie ou révolution technologique ?

Résolument innovant, le volant solaire à inertie d’Energiestro, malgré un succès d’estime incontestable, ne semble pas prendre la direction d’un décollage industriel imminent.

Sa commercialisation, qui devait enfin débuter en 2020, n’est toujours pas à l’ordre du jour. De toute évidence, il est peu probable que le VOSS devienne à court terme une réelle alternative aux batteries lithium-ion dont les prix ne cessent de chuter. Les impératifs écologiques finiront peut-être par prendre le dessus sur les considérations économiques et logistiques et remettront en question le recours massif aux batteries lithium-ion. Le volant solaire aura alors sa carte à jouer.

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