El almacenamiento de energía mediante volante de inercia ( FES ) funciona acelerando un rotor ( volante de inercia ) a una velocidad muy alta y manteniendo la energía en el sistema como energía rotacional . Cuando se extrae energía del sistema, la velocidad rotacional del volante de inercia se reduce como consecuencia del principio de conservación de la energía ; agregar energía al sistema da como resultado correspondientemente un aumento en la velocidad del volante de inercia.
La mayoría de los sistemas FES utilizan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero se están desarrollando dispositivos que utilizan directamente energía mecánica . [1]
Los sistemas FES avanzados tienen rotores hechos de compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, suspendidos por cojinetes magnéticos y que giran a velocidades de 20.000 a más de 50.000 rpm en un recinto de vacío. [2] Estos volantes de inercia pueden alcanzar su velocidad en cuestión de minutos, alcanzando su capacidad energética mucho más rápidamente que otras formas de almacenamiento. [2]
Un sistema típico consiste en un volante de inercia sostenido por un cojinete de elementos rodantes conectado a un motor-generador . El volante de inercia y, a veces, el motor-generador pueden estar encerrados en una cámara de vacío para reducir la fricción y la pérdida de energía.
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia de primera generación utilizan un gran volante de acero que gira sobre cojinetes mecánicos. Los sistemas más nuevos utilizan rotores compuestos de fibra de carbono que tienen una mayor resistencia a la tracción que el acero y pueden almacenar mucha más energía para la misma masa . [3]
Para reducir la fricción , a veces se utilizan cojinetes magnéticos en lugar de cojinetes mecánicos .
El costo de la refrigeración llevó al descarte temprano de los superconductores de baja temperatura para su uso en cojinetes magnéticos. Sin embargo, los cojinetes superconductores de alta temperatura (HTSC) pueden ser económicos y posiblemente podrían extender el tiempo en que la energía podría almacenarse económicamente. [4] Los sistemas de cojinetes híbridos son los que probablemente se utilizarán primero. Los cojinetes superconductores de alta temperatura históricamente han tenido problemas para proporcionar las fuerzas de elevación necesarias para los diseños más grandes, pero pueden proporcionar fácilmente una fuerza estabilizadora. Por lo tanto, en los cojinetes híbridos, los imanes permanentes sostienen la carga y se utilizan superconductores de alta temperatura para estabilizarla. La razón por la que los superconductores pueden funcionar bien estabilizando la carga es porque son diaimanes perfectos . Si el rotor intenta desviarse del centro, una fuerza de restauración debido al anclaje de flujo lo restaura. Esto se conoce como la rigidez magnética del cojinete. La vibración del eje rotacional puede ocurrir debido a la baja rigidez y amortiguación, que son problemas inherentes a los imanes superconductores, lo que impide el uso de cojinetes magnéticos completamente superconductores para aplicaciones de volante de inercia.
Dado que la fijación del flujo es un factor importante para proporcionar la fuerza de estabilización y sustentación, el HTSC se puede fabricar mucho más fácilmente para FES que para otros usos. Los polvos de HTSC se pueden moldear en formas arbitrarias siempre que la fijación del flujo sea fuerte. Un desafío constante que se debe superar antes de que los superconductores puedan proporcionar la fuerza de sustentación completa para un sistema FES es encontrar una manera de suprimir la disminución de la fuerza de levitación y la caída gradual del rotor durante el funcionamiento causada por el deslizamiento del flujo del material superconductor.
En comparación con otras formas de almacenar electricidad, los sistemas FES tienen una larga vida útil (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; [2] las vidas útiles de ciclo completo citadas para los volantes de inercia varían desde más de 10 5 , hasta 10 7 , ciclos de uso), [5] alta energía específica (100–130 W·h/kg, o 360–500 kJ/kg), [5] [6] y gran potencia máxima de salida. La eficiencia energética ( relación de energía de salida por energía de entrada ) de los volantes de inercia, también conocida como eficiencia de ida y vuelta, puede ser tan alta como el 90%. Las capacidades típicas varían de 3 kWh a 133 kWh. [2] La carga rápida de un sistema ocurre en menos de 15 minutos. [7] Las altas energías específicas que a menudo se citan con los volantes de inercia pueden ser un poco engañosas, ya que los sistemas comerciales construidos tienen una energía específica mucho menor, por ejemplo 11 W·h/kg, o 40 kJ/kg. [8]
Aquí está la integral de la masa del volante, y es la velocidad de rotación (número de revoluciones por segundo).
La energía específica máxima de un rotor de volante depende principalmente de dos factores: el primero es la geometría del rotor y el segundo son las propiedades del material utilizado. Para rotores isótropos de un solo material, esta relación se puede expresar como [9]
dónde
El valor más alto posible para el factor de forma [10] de un rotor de volante es , que solo se puede lograr mediante la geometría teórica de disco de tensión constante . [11] Una geometría de disco de espesor constante tiene un factor de forma de , mientras que para una varilla de espesor constante el valor es . Un cilindro delgado tiene un factor de forma de . Para la mayoría de los volantes con un eje, el factor de forma es inferior o cercano a . Un diseño sin eje [12] tiene un factor de forma similar a un disco de espesor constante ( ), lo que permite una densidad de energía duplicada.
Para el almacenamiento de energía, son deseables los materiales con alta resistencia y baja densidad. Por este motivo, los materiales compuestos se utilizan con frecuencia en volantes de inercia avanzados. La relación resistencia-densidad de un material se puede expresar en Wh/kg (o Nm/kg); con ciertos materiales compuestos se pueden lograr valores superiores a 400 Wh/kg.
Varios rotores de volante modernos están hechos de materiales compuestos. Algunos ejemplos incluyen el volante de inercia compuesto de fibra de carbono de Beacon Power Corporation [13] y el volante de inercia PowerThru de Phillips Service Industries. [14] Alternativamente, Calnetix utiliza acero de alto rendimiento de grado aeroespacial en la construcción de su volante de inercia. [15]
Para estos rotores, la relación entre las propiedades del material, la geometría y la densidad de energía se puede expresar utilizando un enfoque de promedio ponderado. [16]
Una de las principales limitaciones del diseño de volantes de inercia es la resistencia a la tracción del rotor. En términos generales, cuanto más fuerte sea el disco, más rápido podrá girar y más energía podrá almacenar el sistema. (Si se aumenta el peso del volante sin aumentar la resistencia correspondientemente, se reducirá la velocidad máxima a la que puede girar sin romperse, por lo que no aumentará la cantidad total de energía que puede almacenar el volante).
Cuando se excede la resistencia a la tracción de la cubierta exterior de unión de un volante de inercia compuesto, la cubierta de unión se fractura y la rueda se hace añicos, ya que la compresión de la rueda exterior se pierde alrededor de toda la circunferencia, liberando toda su energía almacenada de una vez; esto se conoce comúnmente como "explosión del volante de inercia", ya que los fragmentos de la rueda pueden alcanzar una energía cinética comparable a la de una bala. Los materiales compuestos que se enrollan y pegan en capas tienden a desintegrarse rápidamente, primero en filamentos de diámetro pequeño que se enredan y frenan entre sí, y luego en polvo al rojo vivo; un volante de inercia de metal fundido arroja grandes trozos de metralla a alta velocidad.
En el caso de un volante de metal fundido , el límite de falla es la fuerza de unión de los límites de grano del metal moldeado policristalino . El aluminio, en particular, sufre fatiga y puede desarrollar microfracturas debido a estiramientos repetidos de baja energía. Las fuerzas angulares pueden hacer que partes de un volante de metal se doblen hacia afuera y comiencen a arrastrarse en el recipiente de contención externo, o que se separen por completo y reboten aleatoriamente en el interior. El resto del volante ahora está severamente desequilibrado, lo que puede provocar una falla rápida del cojinete debido a la vibración y una fractura repentina por impacto de grandes segmentos del volante.
Los sistemas tradicionales de volante de inercia requieren fuertes recipientes de contención como medida de seguridad, lo que aumenta la masa total del dispositivo. La liberación de energía en caso de falla se puede amortiguar con un revestimiento interno de líquido gelatinoso o encapsulado, que hervirá y absorberá la energía de la destrucción. Aun así, muchos clientes de sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia a gran escala prefieren tenerlos incrustados en el suelo para detener cualquier material que pueda escapar del recipiente de contención.
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia que utilizan cojinetes mecánicos pueden perder entre el 20% y el 50% de su energía en dos horas. [17] Gran parte de la fricción responsable de esta pérdida de energía resulta del cambio de orientación del volante de inercia debido a la rotación de la Tierra (un efecto similar al que muestra un péndulo de Foucault ). Este cambio de orientación se ve resistido por las fuerzas giroscópicas ejercidas por el momento angular del volante de inercia, que ejercen una fuerza contra los cojinetes mecánicos. Esta fuerza aumenta la fricción. Esto se puede evitar alineando el eje de rotación del volante de inercia en paralelo al eje de rotación de la Tierra. [ cita requerida ]
Por el contrario, los volantes con cojinetes magnéticos y alto vacío pueden mantener una eficiencia mecánica del 97% y una eficiencia de ida y vuelta del 85%. [18]
Cuando se utilizan en vehículos, los volantes de inercia también actúan como giroscopios , ya que su momento angular es típicamente de un orden de magnitud similar al de las fuerzas que actúan sobre el vehículo en movimiento. Esta propiedad puede ser perjudicial para las características de manejo del vehículo al girar o conducir sobre terreno irregular; conducir sobre el costado de un terraplén inclinado puede hacer que las ruedas se levanten parcialmente del suelo ya que el volante de inercia se opone a las fuerzas de inclinación laterales. Por otro lado, esta propiedad podría utilizarse para mantener el automóvil equilibrado y evitar que se vuelque durante las curvas cerradas. [19]
Cuando un volante se utiliza únicamente por sus efectos sobre la actitud de un vehículo, en lugar de para almacenar energía, se denomina rueda de reacción o giroscopio de momento de control .
La resistencia de la inclinación angular se puede eliminar casi por completo montando el volante dentro de un conjunto de cardanes aplicados adecuadamente , lo que permite que el volante conserve su orientación original sin afectar al vehículo (consulte Propiedades de un giroscopio ). Esto no evita la complicación del bloqueo del cardán , por lo que se necesita un compromiso entre la cantidad de cardanes y la libertad angular.
El eje central del volante actúa como un único cardán y, si se alinea verticalmente, permite un giro de 360 grados en un plano horizontal. Sin embargo, por ejemplo, para conducir cuesta arriba se necesita un segundo cardán de cabeceo y para conducir por el costado de un terraplén en pendiente se necesita un tercer cardán de balanceo.
Aunque el propio volante puede tener forma de anillo plano, un montaje de cardán de movimiento libre en el interior de un vehículo requiere un volumen esférico para que el volante gire libremente en su interior. Si se deja que funcione por sí solo, un volante giratorio en un vehículo precesaría lentamente siguiendo la rotación de la Tierra, y precesaría aún más en vehículos que recorren largas distancias sobre la superficie esférica curva de la Tierra.
Un cardán de movimiento completo tiene problemas adicionales en cuanto a cómo comunicar la energía hacia dentro y hacia fuera del volante, ya que este podría potencialmente girar completamente una vez al día, en precesión a medida que la Tierra gira. La rotación libre completa requeriría anillos colectores alrededor de cada eje del cardán para los conductores de energía, lo que aumentaría aún más la complejidad del diseño.
Para reducir el uso del espacio, el sistema de cardán puede tener un diseño de movimiento limitado, utilizando amortiguadores para amortiguar los movimientos rápidos repentinos dentro de un cierto número de grados de rotación angular fuera del plano, y luego forzando gradualmente al volante a adoptar la orientación actual del vehículo. Esto reduce el espacio de movimiento del cardán alrededor de un volante en forma de anillo desde una esfera completa a un cilindro corto y engrosado, que abarca, por ejemplo, ± 30 grados de inclinación y ± 30 grados de balanceo en todas las direcciones alrededor del volante.
Una solución alternativa al problema es tener dos volantes unidos que giren sincrónicamente en direcciones opuestas. Tendrían un momento angular total de cero y ningún efecto giroscópico. Un problema con esta solución es que cuando la diferencia entre el momento de cada volante es distinta de cero, la carcasa de los dos volantes exhibiría un par motor. Ambos volantes deben mantenerse a la misma velocidad para mantener la velocidad angular en cero. Estrictamente hablando, los dos volantes ejercerían un enorme momento de torsión en el punto central, tratando de doblar el eje. Sin embargo, si el eje fuera lo suficientemente fuerte, ninguna fuerza giroscópica tendría un efecto neto sobre el contenedor sellado, por lo que no se notaría ningún par motor.
Para equilibrar aún más las fuerzas y distribuir la tensión, un único volante de inercia grande se puede equilibrar con dos volantes de inercia de la mitad del tamaño en cada lado, o se pueden reducir los volantes de inercia para que sean una serie de capas alternadas que giran en direcciones opuestas. Sin embargo, esto aumenta la complejidad de la carcasa y los cojinetes.
En la década de 1950, se utilizaron autobuses propulsados por volante de inercia, conocidos como autobuses , en Yverdon ( Suiza ) y Gante ( Bélgica ) y hay investigaciones en curso para fabricar sistemas de volante de inercia que sean más pequeños, más ligeros, más baratos y tengan una mayor capacidad. Se espera que los sistemas de volante de inercia puedan reemplazar las baterías químicas convencionales para aplicaciones móviles, como los vehículos eléctricos. Los sistemas de volante de inercia propuestos eliminarían muchas de las desventajas de los sistemas de energía de batería existentes, como la baja capacidad, los largos tiempos de carga, el peso elevado y las cortas vidas útiles. Es posible que se hayan utilizado volantes de inercia en el Chrysler Patriot experimental , aunque eso ha sido discutido. [20]
También se han propuesto volantes de inercia para su uso en transmisiones continuamente variables . Punch Powertrain está trabajando actualmente en un dispositivo de este tipo. [21]
Durante la década de 1990, Rosen Motors desarrolló un sistema de propulsión híbrido en serie impulsado por una turbina de gas que utilizaba un volante de inercia de 55.000 rpm para proporcionar ráfagas de aceleración que el pequeño motor de turbina de gas no podía proporcionar. El volante de inercia también almacenaba energía a través del frenado regenerativo . El volante de inercia estaba compuesto por un cubo de titanio con un cilindro de fibra de carbono y estaba montado sobre un cardán para minimizar los efectos giroscópicos adversos en el manejo del vehículo. El vehículo prototipo se probó con éxito en la carretera en 1997, pero nunca se produjo en masa. [22]
En 2013, Volvo anunció un sistema de volante de inercia instalado en el eje trasero de su sedán S60. La acción de frenado hace girar el volante de inercia a hasta 60.000 rpm y detiene el motor montado en la parte delantera. La energía del volante de inercia se aplica a través de una transmisión especial para impulsar parcial o totalmente el vehículo. El volante de inercia de fibra de carbono de 20 centímetros (7,9 pulgadas) y 6 kilogramos (13 libras) gira en el vacío para eliminar la fricción. Cuando se combina con un motor de cuatro cilindros, ofrece hasta un 25 por ciento de reducción en el consumo de combustible en comparación con un seis cilindros turbo de rendimiento comparable, proporcionando un impulso de 80 caballos de fuerza (60 kW) y permitiéndole alcanzar los 100 kilómetros por hora (62 mph) en 5,5 segundos. La empresa no anunció planes específicos para incluir la tecnología en su línea de productos. [23]
En julio de 2014, GKN adquirió la división Williams Hybrid Power (WHP) y tiene la intención de suministrar 500 sistemas de volante eléctrico Gyrodrive de fibra de carbono a operadores de autobuses urbanos durante los próximos dos años [24]. Como lo indica el nombre del desarrollador anterior, estos fueron diseñados originalmente para aplicaciones de carreras de Fórmula 1. En septiembre de 2014, Oxford Bus Company anunció que está introduciendo 14 autobuses híbridos Gyrodrive de Alexander Dennis en su operación Brookes Bus. [25] [26]
Los sistemas de volante de inercia se han utilizado experimentalmente en locomotoras eléctricas pequeñas para maniobras o cambios de vía , por ejemplo, la Sentinel-Oerlikon Gyro Locomotive . Las locomotoras eléctricas más grandes, por ejemplo, la British Rail Class 70 , a veces se han equipado con propulsores de volante de inercia para llevarlas por encima de los huecos en el tercer carril . Los volantes de inercia avanzados, como el paquete de 133 kWh de la Universidad de Texas en Austin , pueden llevar un tren desde un arranque parado hasta la velocidad de crucero. [2]
El Parry People Mover es un vagón de ferrocarril propulsado por un volante de inercia. Se puso a prueba los domingos durante 12 meses en la línea Stourbridge Town Branch en West Midlands , Inglaterra, durante 2006 y 2007 y estaba previsto que el operador ferroviario London Midland lo pusiera en servicio completo en diciembre de 2008, una vez que se hubieran pedido dos unidades. En enero de 2010, ambas unidades están en funcionamiento. [27]
El FES se puede utilizar en las líneas de ferrocarril electrificado para ayudar a regular el voltaje de la línea, mejorando así la aceleración de los trenes eléctricos no modificados y la cantidad de energía recuperada en la línea durante el frenado regenerativo , reduciendo así las facturas de energía. [28] Se han realizado pruebas en Londres, Nueva York, Lyon y Tokio, [29] y el Long Island Rail Road de la MTA de Nueva York está invirtiendo ahora 5,2 millones de dólares en un proyecto piloto en la línea West Hempstead Branch de LIRR . [30] Estas pruebas y sistemas almacenan energía cinética en rotores que consisten en un cilindro compuesto de carbono y vidrio lleno de polvo de neodimio-hierro-boro que forma un imán permanente. Estos giran a una velocidad de hasta 37.800 rpm, y cada unidad de 100 kW (130 hp) puede almacenar 11 megajulios (3,1 kWh) de energía reutilizable, aproximadamente suficiente para acelerar un peso de 200 toneladas métricas (220 toneladas cortas; 197 toneladas largas) de cero a 38 km/h (24 mph). [29]
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia que se fabricaban a partir de 2001 [update]tenían capacidades de almacenamiento comparables a las baterías y velocidades de descarga más rápidas. Se utilizan principalmente para proporcionar nivelación de carga para sistemas de baterías de gran tamaño, como un sistema de alimentación ininterrumpida para centros de datos, ya que ahorran una cantidad considerable de espacio en comparación con los sistemas de baterías. [31]
El mantenimiento del volante de inercia en general cuesta aproximadamente la mitad del costo de los sistemas UPS de batería tradicionales. El único mantenimiento es una rutina básica de mantenimiento preventivo anual y el reemplazo de los cojinetes cada cinco a diez años, lo que lleva aproximadamente cuatro horas. [7] Los sistemas de volante de inercia más nuevos levitan completamente la masa giratoria utilizando cojinetes magnéticos que no requieren mantenimiento , lo que elimina el mantenimiento y las fallas de los cojinetes mecánicos. [7]
Los costos de un UPS con volante de inercia completamente instalado (incluido el acondicionamiento de energía) fueron (en 2009) de aproximadamente $330 por kilovatio (para una capacidad de carga completa de 15 segundos). [32]
Un nicho de mercado de larga data para los sistemas de energía de volante de inercia son las instalaciones donde se prueban disyuntores y dispositivos similares: incluso un pequeño disyuntor doméstico puede estar clasificado para interrumpir una corriente de10,000 o más amperios, y las unidades más grandes pueden tener clasificaciones de interrupción de100.000 o1.000.000 de amperios. Las enormes cargas transitorias que se producen al forzar deliberadamente a estos dispositivos a demostrar su capacidad para interrumpir cortocircuitos simulados tendrían efectos inaceptables en la red local si estas pruebas se hicieran directamente desde la fuente de alimentación del edificio. Normalmente, un laboratorio de este tipo tendrá varios grupos electrógenos de gran tamaño, que pueden acelerarse a lo largo de varios minutos; luego, se desconecta el motor antes de probar un disyuntor.
Los experimentos de fusión Tokamak necesitan corrientes muy altas durante intervalos breves (principalmente para alimentar grandes electroimanes durante unos segundos).
También el sincrotrón no tokamak, el Nimrod, del Laboratorio Rutherford Appleton, tenía dos volantes de inercia de 30 toneladas.
El portaaviones de la clase Gerald R. Ford utilizará volantes de inercia para acumular energía de la fuente de alimentación del barco, para liberarla rápidamente en el sistema electromagnético de lanzamiento de aeronaves . El sistema de energía de a bordo no puede por sí solo suministrar los transitorios de alta potencia necesarios para lanzar aeronaves. Cada uno de los cuatro rotores almacenará 121 MJ (34 kWh) a 6400 rpm. Pueden almacenar 122 MJ (34 kWh) en 45 segundos y liberarlos en 2-3 segundos. [35] Las densidades de energía del volante de inercia son 28 kJ/kg (8 W·h/kg); incluyendo los estatores y las cajas, esto se reduce a 18,1 kJ/kg (5 W·h/kg), excluyendo el bastidor de torsión. [35]
Este fue un diseño financiado por el Centro de Investigación Glenn de la NASA y destinado a pruebas de componentes en un entorno de laboratorio. Utilizaba una llanta de fibra de carbono con un buje de titanio diseñado para girar a 60.000 rpm, montado sobre cojinetes magnéticos. El peso estaba limitado a 250 libras (110 kilogramos). El almacenamiento era de 525 Wh (1,89 MJ) y podía cargarse o descargarse a 1 kW (1,3 hp), lo que daba como resultado una energía específica de 5,31 W⋅h/kg y una densidad de potencia de 10,11 W/kg. [36] El modelo de trabajo que se muestra en la fotografía de la parte superior de la página funcionó a 41.000 rpm el 2 de septiembre de 2004. [37]
La montaña rusa Montezooma's Revenge en Knott's Berry Farm fue la primera montaña rusa impulsada por un volante de inercia del mundo y es la última atracción de este tipo que todavía funciona en los Estados Unidos. La atracción utiliza un volante de inercia de 7,6 toneladas para acelerar el tren a 55 millas por hora (89 km/h) en 4,5 segundos.
La montaña rusa Incredible Hulk en Universal's Islands of Adventure cuenta con un lanzamiento cuesta arriba con aceleración rápida, en lugar de la típica caída por gravedad. Esto se logra mediante potentes motores de tracción que lanzan el vehículo por la pista. Para lograr la corriente muy alta y breve necesaria para acelerar un tren de montaña rusa a toda velocidad cuesta arriba, el parque utiliza varios grupos electrógenos con grandes volantes de inercia. Sin estas unidades de energía almacenada, el parque tendría que invertir en una nueva subestación o correr el riesgo de provocar un apagón en la red eléctrica local cada vez que se inicie la atracción.
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia (FESS) se encuentran en una variedad de aplicaciones que van desde la gestión de energía conectada a la red hasta los sistemas de alimentación ininterrumpida. Con el progreso de la tecnología, existe una rápida renovación involucrada en la aplicación de FESS. Los ejemplos incluyen armas de alta potencia, trenes de potencia de aeronaves y sistemas de energía a bordo, donde el sistema requiere una potencia muy alta durante un período corto en el orden de unos pocos segundos e incluso milisegundos. El alternador pulsado compensado (compulsador) es una de las opciones más populares de fuentes de alimentación pulsadas para reactores de fusión, láseres pulsados de alta potencia y lanzadores electromagnéticos de hipervelocidad debido a su alta densidad de energía y densidad de potencia, que generalmente está diseñada para el FESS. [38] Los compulsores (alternadores de baja inductancia) actúan como condensadores, se pueden hacer girar para proporcionar energía pulsada para cañones de riel y láseres. En lugar de tener un volante de inercia y un generador separados, solo el rotor grande del alternador almacena energía. Véase también generador homopolar . [39]
Al utilizar una transmisión variable continua (CVT), se recupera energía del tren de transmisión durante el frenado y se almacena en un volante de inercia. Esta energía almacenada se utiliza luego durante la aceleración modificando la relación de la CVT. [40] En aplicaciones de deportes de motor, esta energía se utiliza para mejorar la aceleración en lugar de reducir las emisiones de dióxido de carbono, aunque la misma tecnología se puede aplicar a los automóviles de carretera para mejorar la eficiencia del combustible . [41]
El Automobile Club de l'Ouest , organizador del evento anual 24 Horas de Le Mans y de la Le Mans Series , está actualmente "estudiando reglas específicas para LMP1 , que estará equipado con un sistema de recuperación de energía cinética". [42]
Williams Hybrid Power, una subsidiaria del equipo Williams F1 Racing, [43] ha suministrado a Porsche y Audi un sistema híbrido basado en volante de inercia para el 911 GT3 R Hybrid de Porsche [44] y el R18 e-Tron Quattro de Audi. [45] La victoria de Audi en las 24 Horas de Le Mans de 2012 es la primera de un vehículo híbrido (diésel-eléctrico). [46]
Los volantes de inercia se utilizan a veces como reserva de giro a corto plazo para la regulación momentánea de la frecuencia de la red y para equilibrar los cambios repentinos entre el suministro y el consumo. Entre las ventajas de utilizar volantes de inercia en lugar de fuentes de energía tradicionales como las turbinas de gas natural se encuentran la ausencia de emisiones de carbono, tiempos de respuesta más rápidos y la capacidad de comprar energía en horas de menor demanda. [47] El funcionamiento es muy similar al de las baterías en la misma aplicación; sus diferencias son principalmente económicas.
Beacon Power inauguró una planta de almacenamiento de energía con volante de inercia de 5 MWh (20 MW en 15 minutos) [18] en Stephentown, Nueva York en 2011 [48] utilizando 200 volantes de inercia [49] y un sistema similar de 20 MW en Hazle Township, Pensilvania en 2014. [50]
En 2014 se inauguró en Minto , Ontario, Canadá, una instalación de almacenamiento de volante de inercia de 0,5 MWh (2 MW durante 15 min) [51]. [52] El sistema de volante de inercia (desarrollado por NRStor) utiliza 10 volantes de inercia de acero giratorios sobre cojinetes magnéticos. [52]
Amber Kinetics, Inc. tiene un acuerdo con Pacific Gas and Electric (PG&E) para una instalación de almacenamiento de energía de volante de inercia de 20 MW / 80 MWh ubicada en Fresno, California, con una duración de descarga de cuatro horas. [53]
Un sistema de red de volante de inercia de 30 MW comenzó a operar en China en 2024. [54]
Los volantes de inercia se pueden utilizar para almacenar energía generada por turbinas eólicas durante períodos de baja demanda o cuando el viento alcanza altas velocidades.
En 2010, Beacon Power comenzó a probar su sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia Smart Energy 25 (Gen 4) en un parque eólico en Tehachapi, California . El sistema era parte de un proyecto de demostración de energía eólica/volante de inercia que se estaba llevando a cabo para la Comisión de Energía de California. [55]
Los motores de fricción que se utilizan para impulsar muchos coches de juguete , camiones, trenes, juguetes de acción y similares, son simples motores de volante.
En la industria, las prensas de acción de palanca siguen siendo populares. La disposición habitual implica un cigüeñal muy fuerte y una biela de alta resistencia que impulsa la prensa. Los volantes de inercia grandes y pesados son impulsados por motores eléctricos, pero los volantes de inercia hacen girar el cigüeñal solo cuando se activan los embragues.
Los volantes de inercia se pueden utilizar para el control de la actitud. También se están realizando algunas investigaciones sobre el control del movimiento, [56] principalmente para estabilizar sistemas utilizando el efecto giroscópico.
Los volantes de inercia no se ven tan afectados por los cambios de temperatura, pueden funcionar en un rango de temperaturas mucho más amplio y no están sujetos a muchos de los fallos comunes de las baterías recargables químicas . [57] También son menos potencialmente dañinos para el medio ambiente, ya que están hechos en gran parte de materiales inertes o benignos. Otra ventaja de los volantes de inercia es que con una simple medición de la velocidad de rotación es posible saber la cantidad exacta de energía almacenada.
A diferencia de la mayoría de las baterías, que funcionan solo durante un período finito [ cita requerida ] (por ejemplo, aproximadamente 10 [58] años en el caso de las baterías de fosfato de hierro y litio ), un volante de inercia tiene potencialmente una vida útil indefinida. Los volantes de inercia construidos como parte de las máquinas de vapor de James Watt han estado funcionando continuamente durante más de doscientos años. [59] Se pueden encontrar ejemplos funcionales de volantes de inercia antiguos utilizados principalmente en molienda y alfarería en muchos lugares de África, Asia y Europa. [60] [61]
La mayoría de los volantes de inercia modernos son dispositivos sellados que necesitan un mantenimiento mínimo durante su vida útil. Los volantes de inercia con cojinetes magnéticos en carcasas de vacío, como el modelo de la NASA que se muestra arriba, no necesitan ningún mantenimiento de los cojinetes y, por lo tanto, son superiores a las baterías tanto en términos de vida útil total como de capacidad de almacenamiento de energía, ya que su vida útil efectiva aún se desconoce. Los sistemas de volante de inercia con cojinetes mecánicos tendrán una vida útil limitada debido al desgaste.
Los volantes de inercia de alto rendimiento pueden explotar y matar a los transeúntes con fragmentos a alta velocidad. [ cita requerida ] Los volantes de inercia se pueden instalar bajo tierra para reducir este riesgo. Si bien las baterías pueden incendiarse y liberar toxinas, generalmente hay tiempo para que los transeúntes huyan y eviten las lesiones.
La disposición física de las baterías puede diseñarse para que se adapte a una amplia variedad de configuraciones, mientras que un volante de inercia debe ocupar como mínimo una cierta superficie y volumen, porque la energía que almacena es proporcional a su inercia rotacional y al cuadrado de su velocidad rotacional. A medida que un volante de inercia se hace más pequeño, su masa también disminuye, por lo que la velocidad debe aumentar y, por lo tanto, la tensión sobre los materiales aumenta. Cuando las dimensiones son una limitación (por ejemplo, debajo del chasis de un tren), un volante de inercia puede no ser una solución viable. [ cita requerida ]
