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Almacenamiento de energía mediante volante de inercia

Volante de inercia G2 de la NASA El almacenamiento de energía mediante volante de inercia ( FES ) funciona haciendo girar un rotor ( volante ) y manteniendo la energía en el sis...

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Volante de inercia G2 de la NASA

El almacenamiento de energía mediante volante de inercia ( FES ) funciona haciendo girar un rotor ( volante ) y manteniendo la energía en el sistema como energía rotacional . Cuando se extrae energía del sistema, la velocidad de rotación del volante se reduce como consecuencia del principio de conservación de la energía ; añadir energía al sistema produce un aumento correspondiente en la velocidad del volante. Si bien algunos sistemas utilizan rotores de baja masa y alta velocidad, otros utilizan rotores muy masivos (por ejemplo, 200 toneladas) [ 1 ] [ 2 ] y, por consiguiente, velocidades de rotación mucho menores, denominados almacenamiento de energía mediante volante de inercia a escala de red . [ 3 ] Otros diseños emplean rotores de alta velocidad que operan a decenas de miles de revoluciones por minuto. [ 4 ]

La mayoría de los sistemas FES utilizan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero se están desarrollando dispositivos que utilizan directamente energía mecánica . [ 5 ]

Los sistemas FES avanzados cuentan con rotores fabricados con compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, suspendidos por cojinetes magnéticos , que giran a velocidades de entre 20 000 y más de 50 000 rpm en una cámara de vacío. [ 6 ] Estos volantes de inercia pueden alcanzar su velocidad máxima en cuestión de minutos  , llegando a su capacidad energética mucho más rápidamente que otras formas de almacenamiento. [ 6 ]

Componentes principales

Los componentes principales de un volante de inercia típico

Un sistema típico consta de un volante de inercia soportado por cojinetes de elementos rodantes conectado a un motor-generador . El volante de inercia, y en ocasiones 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 de primera generación basados ​​en volantes de inercia utilizan un gran volante de acero que gira sobre cojinetes mecánicos. Los sistemas más recientes utilizan rotores de material compuesto 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 . [ 7 ]

Para reducir la fricción , a veces se utilizan cojinetes magnéticos en lugar de cojinetes mecánicos .

Posibles usos futuros de cojinetes superconductores

El elevado coste de la refrigeración llevó al descarte inicial de los superconductores de baja temperatura para su uso en cojinetes magnéticos. Sin embargo, los cojinetes de superconductores de alta temperatura (HTSC) podrían ser económicos y posiblemente prolongar el tiempo durante el cual se podría almacenar energía de forma rentable. [ 8 ] Es muy probable que los sistemas de cojinetes híbridos se utilicen primero. Históricamente, los cojinetes de superconductores de alta temperatura 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 soportan 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 diamagnetos perfectos . Si el rotor intenta desviarse del centro, una fuerza restauradora debida al anclaje del flujo lo restaura. Esto se conoce como la rigidez magnética del cojinete. La vibración del eje de rotación 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 volantes de inercia.

Dado que el anclaje de flujo es un factor importante para proporcionar la fuerza estabilizadora y de elevación, el HTSC se puede fabricar con mucha más facilidad para el almacenamiento de energía en volantes de inercia que para otros usos. Los polvos de HTSC se pueden moldear en formas arbitrarias siempre que el anclaje de flujo sea fuerte. Un desafío constante que debe superarse antes de que los superconductores puedan proporcionar la fuerza de elevación 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 la fluencia de flujo del material superconductor.

Características físicas

General

En comparación con otras formas de almacenar electricidad, los sistemas FES tienen vidas útiles largas (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; [ 6 ] [ 9 ] las vidas útiles de ciclo completo citadas para volantes de inercia van desde más de 10 5 , hasta 10 7 , ciclos de uso), [ 10 ] alta energía específica (100–130  W·h/kg, o 360–500 kJ/kg), [ 10 ] [ 11 ] y gran salida de potencia máxima. La eficiencia energética ( relación de energía de salida por energía de entrada ) de los volantes de inercia, también conocida como eficiencia de viaje completo , puede ser tan alta como 90%. Las capacidades típicas van desde 3 kWh hasta 133 kWh. [ 6 ] La carga rápida de un sistema se produce en menos de 15 minutos. [ 12 ] 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 energías específicas mucho más bajas, por ejemplo, 11 W·h/kg o 40 kJ/kg. [ 13 ]  

Forma de almacenamiento de energía

Aquímetro{\displaystyle m}es la integral de la masa del volante, ynortemetro{\displaystyle n_{m}}es la velocidad de rotación (número de revoluciones por segundo).

energía específica

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 isotrópicos de un solo material, esta relación se puede expresar como [ 14 ].

mimetro=K(σρ),{\displaystyle {\frac {E}{m}}=K\left({\frac {\sigma }{\rho }}\right),}

dónde

mi{\displaystyle E}es la energía cinética del rotor [J],
metro{\displaystyle m}es la masa del rotor [kg],
K{\displaystyle K}es el factor de forma geométrica del rotor [adimensional],
σ{\displaystyle \sigma }es la resistencia a la tracción del material [Pa],
ρ{\displaystyle \rho }es la densidad del material [kg/m 3 ].

Geometría (factor de forma)

El valor máximo posible para el factor de forma [ 15 ] de un rotor de volante esK=1{\displaystyle K=1}, que solo se puede lograr mediante la geometría teórica de disco de tensión constante . [ 16 ] Una geometría de disco de espesor constante tiene un factor de forma deK=0,606{\displaystyle K=0.606}, mientras que para una varilla de espesor constante el valor esK=0,333{\displaystyle K=0.333}. Un cilindro delgado tiene un factor de forma deK=0,5{\displaystyle K=0.5}Para la mayoría de los volantes con eje, el factor de forma es inferior o aproximadamenteK=0,333{\textstyle K=0.333}. Un diseño sin eje [ 17 ] tiene un factor de forma similar al de un disco de espesor constante (K=0,6{\textstyle K=0.6}), lo que permite duplicar la densidad de energía.

Propiedades del material

Para el almacenamiento de energía, se buscan materiales con alta resistencia y baja densidad. Por ello, los materiales compuestos se utilizan con frecuencia en volantes de inercia avanzados. La relación resistencia-densidad de un material se expresa en Wh/kg (o Nm/kg); ciertos materiales compuestos pueden alcanzar valores superiores a 400 Wh/kg.

Materiales del rotor

Varios rotores de volantes de inercia modernos están fabricados con materiales compuestos. Algunos ejemplos son el volante de inercia de fibra de carbono de Beacon Power Corporation [ 18 ] y el volante de inercia PowerThru de Phillips Service Industries [ 19 ] . Por otra parte, Calnetix utiliza acero de alto rendimiento de grado aeroespacial en la construcción de sus volantes de inercia [ 20 ] .

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. [ 21 ]

Resistencia a la tracción y modos de fallo

Una de las principales limitaciones en el diseño de volantes de inercia es la resistencia a la tracción del rotor. En general, cuanto más resistente sea el disco, mayor será su velocidad de giro y mayor la energía que el sistema podrá almacenar. (Aumentar el peso del volante sin un incremento correspondiente en su resistencia disminuirá la velocidad máxima a la que puede girar sin romperse, por lo que no aumentará la cantidad total de energía que puede almacenar).

Cuando se supera la resistencia a la tracción de la cubierta exterior de un volante de inercia compuesto, esta se fractura y el volante se rompe al perderse la compresión exterior en toda su circunferencia, liberando toda su energía almacenada de golpe. Esto se conoce comúnmente como "explosión del volante", ya que los fragmentos 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 pequeño diámetro que se enredan y se ralentizan entre sí, y luego en polvo al rojo vivo; un volante de inercia de metal fundido expulsa grandes trozos de metralla a alta velocidad.

En el caso de un volante de inercia de metal fundido , el límite de fallo está determinado por la resistencia de unión de los límites de grano del metal policristalino moldeado. El aluminio, en particular, sufre fatiga y puede desarrollar microfracturas debido a estiramientos repetidos de baja energía. Las fuerzas angulares pueden provocar que partes del volante se doblen hacia afuera y comiencen a rozar con el recipiente exterior, o que se separen por completo y reboten aleatoriamente en el interior. El resto del volante queda entonces gravemente desequilibrado, lo que puede provocar un fallo rápido de los cojinetes por vibración y la fractura repentina por impacto de grandes segmentos del volante.

Los sistemas de volante de inercia tradicionales requieren recipientes de contención robustos como medida de seguridad, lo que aumenta la masa total del dispositivo. La liberación de energía en caso de fallo puede amortiguarse con un revestimiento interior líquido, gelatinoso o encapsulado, que hervirá y absorberá la energía de la destrucción. Aun así, muchos clientes de sistemas de almacenamiento de energía mediante volante de inercia a gran escala prefieren instalarlos bajo tierra para contener cualquier material que pudiera escapar del recipiente.

eficiencia del almacenamiento de energía

Los sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia con cojinetes mecánicos pueden perder entre el 20 % y el 50 % de su energía en dos horas. [ 22 ] Gran parte de la fricción responsable de esta pérdida de energía se debe al cambio de orientación del volante de inercia provocado por la rotación de la Tierra (un efecto similar al del péndulo de Foucault ). Este cambio de orientación se ve contrarrestado por las fuerzas giroscópicas ejercidas por el momento angular del volante, lo que genera una fuerza contra los cojinetes mecánicos. Esta fuerza aumenta la fricción. Esto se puede evitar alineando el eje de rotación del volante de inercia paralelamente al eje de rotación de la Tierra.

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 %. [ 23 ]

Efectos del momento angular en los vehículos

Cuando se utilizan en vehículos, los volantes de inercia también actúan como giroscopios , ya que su momento angular suele ser de un orden de magnitud similar al de las fuerzas que actúan sobre el vehículo en movimiento. Esta propiedad puede ser perjudicial para la maniobrabilidad del vehículo al girar o conducir sobre terreno irregular; al subir por el lateral de un terraplén inclinado, las ruedas pueden levantarse parcialmente del suelo, ya que el volante de inercia se opone a las fuerzas de inclinación lateral. Por otro lado, esta propiedad podría utilizarse para mantener el equilibrio del coche y evitar que vuelque en curvas cerradas. [ 24 ]

Cuando un volante de inercia se utiliza exclusivamente por sus efectos en la actitud de un vehículo, en lugar de para el almacenamiento de energía, se le denomina rueda de reacción o giroscopio de momento de control .

La resistencia a la inclinación angular puede eliminarse casi por completo montando el volante dentro de un conjunto de cardanes adecuadamente instalados , lo que permite que el volante conserve su orientación original sin afectar al vehículo (véase Propiedades de un giroscopio ). Esto no evita la complicación del bloqueo de cardán , por lo que es necesario un compromiso entre el número de cardanes y la libertad angular.

El eje central del volante actúa como un cardán único y, si se alinea verticalmente, permite un giro de 360 ​​grados en un plano horizontal. Sin embargo, por ejemplo, para subir una pendiente se requiere un segundo cardán de cabeceo, y para circular por la ladera de un terraplén se necesita un tercer cardán de balanceo.

Estabilizadores de movimiento completo

Aunque el volante de inercia en sí mismo tenga forma de anillo plano, un soporte de cardán de libre movimiento dentro de un vehículo requiere un volumen esférico para que el volante pueda girar libremente. Si se dejara a su libre albedrío, un volante de inercia girando dentro de 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 presenta problemas adicionales en cuanto a cómo transmitir energía hacia y desde el volante, ya que este podría girar completamente una vez al día, precesando a medida que la Tierra rota. La rotación libre total requeriría anillos colectores alrededor de cada eje del cardán para los conductores de energía, lo que aumenta aún más la complejidad del diseño.

Cardanes de movimiento limitado

Para reducir el espacio ocupado, el sistema de cardán puede tener un diseño de movimiento limitado, utilizando amortiguadores para suavizar los movimientos bruscos y rápidos dentro de un cierto número de grados de rotación angular fuera del plano, y luego forzando gradualmente al volante de inercia a adoptar la orientación actual del vehículo. Esto reduce el espacio de movimiento del cardán alrededor de un volante de inercia en forma de anillo, desde una esfera completa hasta un cilindro corto y engrosado, que abarca, por ejemplo, ± 30 grados de cabeceo y ± 30 grados de balanceo en todas las direcciones alrededor del volante.

Contrarrestación del momento angular

Una solución alternativa al problema consiste en utilizar dos volantes de inercia unidos que giren sincrónicamente en direcciones opuestas. Su momento angular total sería cero y no presentarían efecto giroscópico. El problema de esta solución radica en que, si la diferencia entre el momento de cada volante es distinta de cero, la carcasa de ambos volantes experimentaría torsión. Para mantener la velocidad angular en cero, ambos volantes deben girar a la misma velocidad. Estrictamente hablando, los dos volantes ejercerían un enorme momento de torsión en el punto central, intentando doblar el eje. Sin embargo, si el eje fuera suficientemente resistente, ninguna fuerza giroscópica tendría un efecto neto sobre el contenedor sellado, por lo que no se observaría torsión alguna.

Para equilibrar aún más las fuerzas y distribuir la tensión, un volante de inercia grande puede equilibrarse con dos volantes de inercia de tamaño reducido a cada lado, o bien, los volantes pueden reducirse de tamaño formando una serie de capas alternas que giran en direcciones opuestas. Sin embargo, esto aumenta la complejidad de la carcasa y los cojinetes.

Aplicaciones

Transporte

Automotor

En la década de 1950, se utilizaron autobuses propulsados ​​por volante de inercia, conocidos como girobuses , en Yverdon ( Suiza ) y Gante ( Bélgica ), y actualmente se investiga para desarrollar sistemas de volante de inercia más pequeños, ligeros, económicos y con mayor capacidad. Se espera que estos sistemas puedan reemplazar las baterías químicas convencionales en aplicaciones móviles, como los vehículos eléctricos. Los sistemas de volante de inercia propuestos eliminarían muchas de las desventajas de los sistemas de baterías actuales, como la baja capacidad, los largos tiempos de carga, el peso elevado y la corta vida útil. Es posible que se hayan utilizado volantes de inercia en el prototipo Chrysler Patriot , aunque esto ha sido objeto de controversia. [ 25 ]

Uno de los autogiros más antiguos estacionado en un museo en Amberes.

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. [ 26 ]

Durante la década de 1990, Rosen Motors desarrolló un sistema de propulsión híbrido en serie para automóviles, impulsado por una turbina de gas, que utilizaba un volante de inercia de 55 000 rpm para proporcionar aceleraciones repentinas que el pequeño motor de turbina de gas no podía ofrecer. El volante de inercia también almacenaba energía mediante frenado regenerativo . Estaba compuesto por un cubo de titanio con un cilindro de fibra de carbono y montado sobre un cardán para minimizar los efectos giroscópicos adversos en la maniobrabilidad del vehículo. El prototipo se probó con éxito en carretera en 1997, pero nunca se produjo en serie. [ 27 ]

En 2013, Volvo presentó un prototipo de un sistema de volante de inercia instalado en el eje trasero de un sedán S60 de prueba. La frenada hace girar el volante a hasta 60 000 rpm y detiene el motor delantero. La energía del volante se aplica mediante una transmisión especial para impulsar el vehículo parcial o totalmente. El volante de fibra de carbono de 20 centímetros (7,9 pulgadas) y 6 kilogramos (13 libras) gira en el vacío para eliminar la fricción. En combinación con un motor de cuatro cilindros, ofrece una reducción de hasta un 25 % en el consumo de combustible en comparación con un motor de seis cilindros turboalimentado de rendimiento similar, proporcionando un aumento de 80 caballos de fuerza (60 kW) y permitiéndole alcanzar los 100 kilómetros por hora (62 mph) en 5,5 segundos. La compañía no anunció planes específicos para incluir esta tecnología en su línea de productos. [ 28 ]    

En julio de 2014, GKN adquirió la división Williams Hybrid Power (WHP) y tiene previsto suministrar 500 sistemas de volante de inercia eléctrico Gyrodrive de fibra de carbono a operadores de autobuses urbanos durante los dos años siguientes. [ 29 ] Como sugiere el nombre del antiguo desarrollador, estos sistemas fueron diseñados originalmente para aplicaciones de carreras de Fórmula 1. En septiembre de 2014, Oxford Bus Company anunció la introducción de 14 autobuses híbridos Gyrodrive fabricados por Alexander Dennis en su operación de Brookes Bus. [ 30 ] [ 31 ]

Vehículos ferroviarios

Los sistemas de volante de inercia se han utilizado experimentalmente en pequeñas locomotoras eléctricas para maniobras o cambios de vía , por ejemplo, la locomotora giroscópica Sentinel-Oerlikon . Las locomotoras eléctricas más grandes, como la British Rail Clase 70 , a veces se han equipado con impulsores de volante de inercia para superar 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 la parada hasta la velocidad de crucero. [ 6 ]

El Parry People Mover es un automotor impulsado por un volante de inercia. Se probó los domingos durante 12 meses en la línea Stourbridge Town Branch Line en West Midlands , Inglaterra, entre 2006 y 2007, y se preveía que el operador ferroviario London Midland lo incorporara a su servicio completo en diciembre de 2008, una vez que se hubieran encargado dos unidades. En enero de 2010, ambas unidades estaban en funcionamiento. [ 32 ]

electrificación ferroviaria

El FES se puede utilizar en la línea de ferrocarriles electrificados 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 a la línea durante el frenado regenerativo , reduciendo así las facturas de energía. [ 33 ] Se han realizado pruebas en Londres, Nueva York, Lyon y Tokio, [ 34 ] 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 del LIRR . [ 35 ] Estas pruebas y sistemas almacenan energía cinética en rotores que consisten en un cilindro compuesto de carbono-vidrio relleno de polvo de neodimio-hierro-boro que forma un imán permanente. Estos giran a 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) . [ 34 ]     

Fuentes de alimentación ininterrumpida

Sistemas de almacenamiento de energía mediante volante de inercia en producción a partir de 2001Tenían capacidades de almacenamiento comparables a las de las baterías y tasas de descarga más rápidas. Se utilizan principalmente para proporcionar nivelación de carga en grandes sistemas de baterías, 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. [ 36 ]

Según Active Power, proveedor de sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia, en una entrevista de 2016, el mantenimiento de estos sistemas suele costar aproximadamente la mitad que el de los sistemas UPS tradicionales con baterías. El único mantenimiento necesario consiste en una rutina básica de mantenimiento preventivo anual y la sustitución de los rodamientos cada cinco o diez años, lo que lleva unas cuatro horas. [ 12 ] Los sistemas de volantes de inercia más recientes levitan completamente la masa giratoria mediante rodamientos magnéticos libres de mantenimiento , lo que reduce el mantenimiento y las averías de los rodamientos. [ 12 ]

Los costos de un UPS con volante de inercia completamente instalado (incluido el acondicionamiento de energía) eran de aproximadamente $330 por kilovatio (para 15 segundos de capacidad de carga completa) en 2009. [ 37 ]

Laboratorios de ensayo

Un nicho de mercado de larga data para los sistemas de energía de volante de inercia son las instalaciones donde se prueban interruptores automáticos y dispositivos similares: incluso un pequeño interruptor automático doméstico puede estar clasificado para interrumpir una corriente de10.000 amperios o más, y las unidades más grandes pueden tener clasificaciones de interrupción de100.000 o1.000.000 de amperios. Las enormes cargas transitorias que se producirían al someter deliberadamente estos dispositivos a pruebas para demostrar su capacidad de interrumpir cortocircuitos simulados tendrían efectos inaceptables en la red eléctrica local si estas pruebas se realizaran directamente con la alimentación del edificio. Normalmente, un laboratorio de este tipo dispone de varios grupos electrógenos de gran tamaño, que pueden alcanzar su velocidad máxima en varios minutos; a continuación, se desconecta el motor antes de probar el interruptor automático.

Laboratorios de física

Los experimentos de fusión en tokamaks necesitan corrientes muy altas durante intervalos breves (principalmente para alimentar grandes electroimanes durante unos pocos segundos).

Asimismo, el sincrotrón Nimrod , que no era un tokamak, ubicado en el Laboratorio Rutherford Appleton, contaba con dos volantes de inercia de 30 toneladas.

Sistemas de lanzamiento de aeronaves

El portaaviones de la clase Gerald R. Ford utilizará volantes de inercia para acumular energía del suministro eléctrico del buque y liberarla rápidamente en el sistema electromagnético de lanzamiento de aeronaves . El sistema eléctrico del buque 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. [ 40 ] Las densidades de energía de los volantes de inercia son de 28 kJ/kg (8 W·h/kg); incluyendo los estatores y las carcasas, esto se reduce a 18,1 kJ/kg (5 W·h/kg), excluyendo el bastidor de torsión. [ 40 ]

Volante de inercia G2 de la NASA para el almacenamiento de energía en naves espaciales.

Este diseño fue financiado por el Centro de Investigación Glenn de la NASA y estaba 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 resultaba en una energía específica de 5,32 W⋅h/kg y una densidad de potencia de 10,11 W/kg. [ 41 ] El modelo funcional que se muestra en la fotografía en la parte superior de la página funcionó a 41 000 rpm el 2 de septiembre de 2004. [ 42 ]    

atracciones de feria

La montaña rusa Montezooma's Revenge en Knott's Berry Farm fue la primera montaña rusa del mundo impulsada por un volante de inercia y es la última de su tipo que aún funciona en Estados Unidos. La atracción utiliza un volante de inercia de 7,6 toneladas para acelerar el tren a 89  km/h (55 millas por hora) en 4,5 segundos.

La montaña rusa Incredible Hulk en Universal's Islands of Adventure cuenta con un lanzamiento cuesta arriba de rápida aceleración, a diferencia de la típica caída por gravedad. Esto se logra mediante potentes motores de tracción que impulsan el vagón hacia arriba. Para alcanzar la breve y elevada corriente necesaria para acelerar un tren completo a máxima velocidad cuesta arriba, el parque utiliza varios grupos electrógenos con grandes volantes de inercia. Sin estas unidades de almacenamiento de energía, 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 activa la atracción.

Potencia pulsada

El alternador pulsado compensado ( compulsador ) es una de las opciones más populares de fuentes de alimentación pulsada 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. [ 43 ] En lugar de tener un volante y un generador separados, solo el rotor grande del alternador de baja inductancia almacena energía. (Véase también Generador homopolar ). [ 44 ]

Deportes de motor

Un sistema de recuperación de energía cinética de Flybrid Systems diseñado para su uso en la Fórmula Uno.

Mediante una transmisión continuamente variable (CVT), se recupera energía del sistema de transmisión durante el frenado y se almacena en un volante de inercia. Esta energía almacenada se utiliza posteriormente durante la aceleración modificando la relación de la CVT. [ 45 ] 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 puede aplicarse a los automóviles de carretera para mejorar la eficiencia del combustible . [ 46 ] 

El Automobile Club de l'Ouest , organizador del evento anual de las 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". [ 47 ]

Williams Hybrid Power , una subsidiaria del equipo Williams F1 Racing, [ 48 ] ha suministrado a Porsche y Audi un sistema híbrido basado en volante de inercia para el Porsche 911 GT3 R Hybrid en 2010 [ 49 ] y el Audi R18 e-Tron Quattro de 2012 a 2015. [ 50 ] La victoria de Audi en las 24 Horas de Le Mans de 2012 es la primera de la historia para un vehículo híbrido (diésel-eléctrico). [ 51 ]

Almacenamiento de energía en la red

Planta de almacenamiento de energía mediante volante de inercia de 20 MW de Beacon Power en Nueva York.

Los volantes de inercia se utilizan a veces como reserva giratoria a corto plazo para la regulación momentánea de la frecuencia de la red y el equilibrio de cambios repentinos entre la oferta y la demanda. La ausencia de emisiones de carbono, tiempos de respuesta más rápidos y la posibilidad de comprar energía en horas valle son algunas de las ventajas de utilizar volantes de inercia en lugar de fuentes de energía tradicionales como las turbinas de gas natural. [ 52 ] Su 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) [ 23 ] en Stephentown, Nueva York en 2011 [ 53 ] utilizando 200 volantes de inercia [ 54 ] y un sistema similar de 20 MW en Hazle Township, Pensilvania en 2014. [ 55 ]

Una instalación de almacenamiento de volante de inercia de 0,5 MWh (2 MW durante 15 min) [ 56 ] en Minto , Ontario, Canadá, abrió sus puertas en 2014. [ 57 ] El sistema de volante de inercia (desarrollado por NRStor ) utiliza 10 volantes de acero giratorios sobre cojinetes magnéticos. [ 57 ]

Amber Kinetics, Inc. tiene un acuerdo con Pacific Gas and Electric (PG&E) para una instalación de almacenamiento de energía con volante de inercia de 20 MW / 80 MWh ubicada en Fresno, CA con una duración de descarga de cuatro horas. [ 58 ]

En China comenzó a operar en 2024 un sistema de red de volante de inercia de 30 MW. [ 59 ]

turbinas eólicas

Los volantes de inercia pueden utilizarse para almacenar la energía generada por las turbinas eólicas durante los períodos de baja demanda o durante vientos fuertes.

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 formaba parte de un proyecto de demostración de energía eólica y volante de inercia que se estaba llevando a cabo para la Comisión de Energía de California. [ 60 ]

Juguetes

Los motores de fricción que se utilizan para impulsar muchos coches de juguete , camiones, trenes, juguetes de acción y similares, son motores de volante de inercia sencillos.

Pulsaciones de acción de alternancia

En la industria, las prensas de palanca siguen siendo populares. Su configuración habitual incluye un cigüeñal muy robusto y una biela reforzada que acciona la prensa. Los grandes y pesados ​​volantes son accionados por motores eléctricos, pero estos solo hacen girar el cigüeñal cuando se activan los embragues.

Comparación con baterías eléctricas

Los volantes de inercia no se ven tan afectados por los cambios de temperatura, pueden operar en un rango de temperatura mucho más amplio y no están sujetos a muchas de las fallas comunes de las baterías recargables químicas . [ 61 ] También son menos dañinos para el medio ambiente, ya que están fabricados en gran parte con materiales inertes o benignos. Otra ventaja de los volantes de inercia es que, mediante una simple medición de la velocidad de rotación, es posible conocer la cantidad exacta de energía almacenada.

A diferencia de la mayoría de las baterías, que funcionan solo durante un período finito (por ejemplo, aproximadamente 10 [ 62 ] 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. [ 63 ] Se pueden encontrar ejemplos en funcionamiento de volantes de inercia antiguos, utilizados principalmente en la molienda y la alfarería, en muchos lugares de África, Asia y Europa. [ 64 ] [ 65 ]

La mayoría de los volantes de inercia modernos son dispositivos sellados que requieren un mantenimiento mínimo durante su vida útil. Los volantes de inercia con cojinetes magnéticos en recintos al vacío, como el modelo de la NASA que se muestra arriba, no necesitan mantenimiento de 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 volantes de inercia con cojinetes mecánicos tendrán una vida útil limitada debido al desgaste.

Los volantes de inercia de alto rendimiento pueden explotar, hiriendo a los transeúntes con fragmentos a alta velocidad. [ 66 ] Los volantes de inercia pueden instalarse 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 lesiones.

La disposición física de las baterías puede diseñarse para adaptarse a una amplia variedad de configuraciones, mientras que un volante de inercia debe ocupar, como mínimo, un área y un volumen determinados, ya que la energía que almacena es proporcional a su inercia rotacional y al cuadrado de su velocidad de rotación. A medida que un volante de inercia se reduce de tamaño, su masa también disminuye, por lo que la velocidad debe aumentar y, en consecuencia, la tensión sobre los materiales también. Cuando las dimensiones son una limitación (por ejemplo, bajo el chasis de un tren), un volante de inercia puede no ser una solución viable.

Véase también

Referencias

  1. ↑ " Servicios de red: Soluciones innovadoras para estabilizar nuestro sistema eléctrico" . www.statkraft.co.uk
  2. ↑ Ambrose, Jillian (6 de julio de 2020). "Un proyecto de volante de inercia gigante en Escocia podría evitar apagones en el Reino Unido" . The Guardian .
  3. ↑ "La red energética británica apuesta por los volantes de inercia para mantener el suministro eléctrico" . France 24. 31 de agosto de 2025. Consultado el 13 de octubre de 2025 .
  4. ↑ "Diferencias en los sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia (alta vs. baja velocidad)" (PDF) . Departamento de Energía de EE . UU. Consultado el 23 de febrero de 2026 .
  5. ↑ Transmisión variable toroidal Torotrak CVT Archivado el 16 de mayo de 2011 en Wayback Machine , recuperado el 7 de junio de 2007.
  6. 1 2 3 4 5 Castelvecchi, Davide (19 de mayo de 2007). "Girando hacia el control: reencarnaciones de alta tecnología de una antigua forma de almacenar energía" . Science News . 17 (20): 312–313 . doi : 10.1002/scin.2007.5591712010 . Archivado del original el 6 de junio de 2014. Recuperado el 2 de agosto de 2012 .
  7. ↑ Flybrid Automotive Limited. "Sistema original de F1 - Flybrid Automotive" . Archivado del original el 3 de marzo de 2016. Consultado el 28 de enero de 2010 .
  8. ↑ "Cojinetes superconductores para aplicaciones de volantes de inercia" . Archivado del original el 13 de mayo de 2019. Consultado el 4 de febrero de 2017 .
  9. ↑ Rendell, D; Shaw, SR; Pool, PJ; Oberlin-Harris, C (2015). "Treinta años de experiencia operativa de los generadores de volante de inercia JET" (PDF) . Fusion Engineering and Design . 98 (99): 1140–3 . Bibcode : 2015FusED..98.1140R . doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.06.049 . Recuperado el 13 de octubre de 2025 .
  10. 1 2 "Inicio" . ITPEnergizado .
  11. ↑ "Almacenamiento de energía mediante volante de inercia de próxima generación" . Diseño y desarrollo de productos. Archivado del original el 10 de julio de 2010. Consultado el 21 de mayo de 2009 .
  12. 1 2 3 Vere, Henry. "Introducción a la tecnología de volantes de inercia" . Energía distribuida. Archivado del original el 22 de mayo de 2018. Recuperado el 6 de octubre de 2008 .
  13. ↑ rosseta Technik GmbH, Modelo T4 de almacenamiento de energía mediante volante de inercia , consultado el 4 de febrero de 2010.
  14. ↑ Genta, Giancarlo (1985). Almacenamiento de energía cinética . Londres: Butterworth & Co. Ltd.
  15. ↑ "Energía cinética del volante" . La caja de herramientas de ingeniería .
  16. ↑ Genta, Giancarlo (1989). "Algunas consideraciones sobre el perfil del disco de tensión constante". Meccanica . 24 (4): 235– 248. doi : 10.1007/BF01556455 . S2CID 122502834 . 
  17. ↑ Li, Xiaojun; Anvari, Bahareh; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (agosto de 2018). "Un sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia a escala industrial con un rotor de acero de alta resistencia sin eje ni cubo". IEEE Transactions on Industrial Electronics . 65 (8): 6667– 6675. doi : 10.1109/TIE.2017.2772205 . ISSN 0278-0046 . S2CID 4557504 .  
  18. ↑ "Volantes de fibra de carbono" . Consultado el 7 de octubre de 2016 .
  19. ↑ "Volante PowerThru" . Archivado del original el 3 de mayo de 2012. Consultado el 29 de abril de 2012 .
  20. ↑ "Sistemas de almacenamiento de energía cinética" . Consultado el 27 de octubre de 2016 .
  21. ^ Janse van Rensburg, PJ (diciembre de 2011). Almacenamiento de energía en rotores de volante compuestos (Tesis). Universidad de Stellenbosch. hdl : 10019.1/17864 .
  22. ↑ rosseta Technik GmbH, Almacenamiento de energía mediante volante de inercia, alemán , consultado el 4 de febrero de 2010.
  23. 1 2 Beacon Power Corp, Hoja informativa sobre regulación de frecuencia y volantes de inercia , consultada el 11 de julio de 2011. Archivada el 31 de marzo de 2010 en Wayback Machine .
  24. ↑ Estudio sobre la prevención de vuelcos en vehículos pesados ​​mediante sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia , Suda Yoshihiro, Huh Junhoi, Aki Masahiko, Shihpin Lin, Ryoichi Takahata, Naomasa Mukaide, Actas del Congreso Mundial de Automoción FISITA 2012, Lecture Notes in Electrical Engineering Volumen 197, 2013, pp 693-701, doi:10.1007/978-3-642-33805-2 57
  25. ↑ "Chrysler Patriot, un coche de carreras híbrido-eléctrico: ¿20 años adelantado a la Fórmula 1?" . 16 de noviembre de 2020.
  26. ^ "Agoria>¡Buenas noticias!>Archieven 2012>Punch Powertrain werkt aan revolutionaire vliegwiel-hybride transmissie" . Archivado desde el original el 22 de mayo de 2013 . Consultado el 13 de septiembre de 2012 .
  27. ↑ Wakefield, Ernest (1998). Historia del automóvil eléctrico: vehículos eléctricos híbridos . SAE. pág. 332. ISBN  978-0-7680-0125-9.
  28. ↑ "Volvo confirma un ahorro de combustible del 25 por ciento con el sistema KERS de volante de inercia" . Gizmag.com. 26 de abril de 2013. Consultado el 26 de abril de 2013 .
  29. ↑ "GKN y el Grupo Go-Ahead utilizan tecnología de la F1 para mejorar la eficiencia del combustible de los autobuses de Londres" . 29 de julio de 2014.
  30. ↑ "¡Es el nuevo BROOKESbus!" . Oxford Bus Company . 5 de septiembre de 2014.
  31. ↑ "BBC News - La tecnología de la Fórmula Uno impulsará los autobuses en Oxford" . BBC News . 2 de septiembre de 2014.
  32. ↑ "Transporte de pasajeros Parry para la línea ramal de Stourbridge" . London Midland . 3 de enero de 2008. Archivado del original el 17 de mayo de 2008. Consultado el 19 de marzo de 2008 .
  33. ↑ "Los volantes de inercia de alta velocidad reducen la factura energética" . Railway Gazette International . 1 de abril de 2001. Archivado del original el 15 de junio de 2011. Consultado el 2 de diciembre de 2010 .
  34. 1 2 "El almacenamiento de energía cinética gana aceptación" . Railway Gazette International . 1 de abril de 2004. Archivado del original el 28 de mayo de 2011. Consultado el 2 de diciembre de 2010 .
  35. ↑ "Nueva York encarga almacenamiento de energía mediante volante de inercia" . Railway Gazette International . 14 de agosto de 2009. Archivado del original el 28 de mayo de 2011. Consultado el 9 de febrero de 2011 .
  36. ↑ "Los volantes de inercia ganan como alternativa a las baterías" . www.datacenterknowledge.com . 26 de junio de 2007. Consultado el 17 de septiembre de 2024 .
  37. ↑ "Artículo sobre energía activa: almacenamiento de energía mediante volante de inercia - Grupo Claverton" . www.claverton-energy.com . 21 de junio de 2009. Consultado el 17 de septiembre de 2024 .
  38. ↑ "Semana 20: Experimentos JET: sensibles a los horarios de televisión" . Archivado del original el 31 de julio de 2020. Consultado el 3 de mayo de 2018 .
  39. ↑ "Fuente de alimentación" . EUROfusion . Archivado del original el 5 de enero de 2016. Consultado el 7 de diciembre de 2015 .
  40. 1 2 Michael R. Doyle; Douglas J. Samuel; Thomas Conway y Robert R. Klimowski (15 de abril de 1994). Sistema electromagnético de lanzamiento de aeronaves - EMALS (PDF) (Informe). Archivado del original (PDF) el 8 de julio de 2003.
  41. ↑ Diseño del módulo de volante G2
  42. ↑ Jansen, Ralph H.; McLallin, Kerry L. (junio de 2005). "Servidor de informes técnicos de la NASA (NTRS)" . Investigación y tecnología 2004 .
  43. ↑ Wang, H.; Liu, K.; Zhu, B.; Feng, J.; Ao, P.; Zhang, Z. (1 de agosto de 2015). "Investigación analítica y pruebas de prototipos a escala de un nuevo compresor de imán permanente". IEEE Transactions on Magnetics . 51 (8) 2415466. Bibcode : 2015ITM....5115466W . doi : 10.1109/TMAG.2015.2415466 . S2CID 24547533 . 
  44. ↑ "COMPULSADORES" . orbitalvector.com . Consultado el 31 de marzo de 2018 .
  45. ↑ Flybrid Automotive Limited. "Tecnología - Flybrid Automotive" . Archivado del original el 13 de julio de 2010. Consultado el 9 de noviembre de 2007 .
  46. ↑ Flybrid Automotive Limited. "Sistemas para vehículos de carretera - Flybrid Automotive" .
  47. ↑ "Reglamento Técnico ACO 2008 para las clases de prototipos "LM"P1 y "LM"P2" (PDF) . Automobile Club de l'Ouest (ACO). 2007-12-20. p. 3. Archivado del original (PDF) el 17 de mayo de 2008. Consultado el 10 de abril de 2008 . 
  48. ↑ "Aplicaciones de Williams Hybrid Power para deportes de motor" . Archivado del original el 9 de febrero de 2014. Consultado el 5 de marzo de 2014 .
  49. ↑ "El 911 GT3 R Hybrid celebra su debut mundial en Ginebra" . www.porsche.com . 11 de febrero de 2010. Consultado el 17 de septiembre de 2024 .
  50. ↑ "Audi R18 e-Tron quattro" . www.ultimatecarpage.com . Consultado el 17 de septiembre de 2024 .
  51. ↑ Beer, Matt. "El equipo Audi #1 logra la primera victoria híbrida en las 24 Horas de Le Mans" . Autosport .
  52. ↑ Soluciones basadas en volantes de inercia para la fiabilidad de la red eléctrica. Archivado el 12 de julio de 2007 en Wayback Machine .
  53. ↑ "Planta de almacenamiento de energía con volante de inercia de 20 MW" (PDF) . www.sandia.gov . Archivado del original (PDF) el 23/11/2015 . Consultado el 04/06/2026 .
  54. ↑ "Stephentown, Nueva York - Beacon Power" . beaconpower.com . Consultado el 31 de marzo de 2018 .
  55. ↑ "Municipio de Hazle, Pensilvania - Beacon Power" . beaconpower.com . Consultado el 31 de marzo de 2018 .
  56. ↑ "Evaluación acelerada del impacto del sistema de IESO - Instalación de volante de inercia de Minto" (PDF) . ieso.ca. Archivado del original (PDF) el 29 de enero de 2016. Consultado el 31 de marzo de 2018 .
  57. 1 2 "Se lanza en Ontario el primer sistema de almacenamiento de energía en red de Canadá: PV-Tech Storage" . PV-Tech Storage . Archivado del original el 31 de agosto de 2014. Consultado el 30 de julio de 2014 .
  58. ↑ "PG&E presenta acuerdos innovadores de almacenamiento de energía | PG&E" . www.pge.com . Archivado del original el 12 de marzo de 2017. Consultado el 10 de marzo de 2017 .
  59. ↑ "China conecta a la red su primer proyecto de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia a gran escala" . Almacenamiento de energía . 13 de septiembre de 2024.
  60. ↑ "Un sistema de balizas conecta un volante de inercia con un parque eólico de California" . 26 de mayo de 2023.
  61. ↑ "Fallos en baterías de litio" . Mpoweruk.com. Archivado del original el 1 de mayo de 2021. Consultado el 26 de abril de 2013 .
  62. ↑ "Cómo optimizar la vida útil de tu batería LiFePO4" . Goal Zero . 16 de enero de 2024.
  63. ↑ Museo Powerhouse. "Máquina de vapor Boulton y Watt" . Museo Powerhouse, Australia . Consultado el 2 de agosto de 2012 .
  64. ↑ Donners, K.; Waelkens, M.; Deckers, J. (2002). "Molinos de agua en la zona de Sagalassos: una tecnología antigua en desaparición". Anatolian Studies . 52 : 1–17 . doi : 10.2307/3643076 . JSTOR 3643076. S2CID 163811541 .  
  65. ↑ Wilson, A. (2002). "Máquinas, poder y la economía antigua". The Journal of Roman Studies . 92 : 1–32 . doi : 10.2307/3184857 . JSTOR 3184857. S2CID 154629776 .  
  66. ↑ "Volante de 11.000 libras causó explosión en Poway" . ABC 10 News San Diego KGTV . 10 de diciembre de 2015. Consultado el 4 de diciembre de 2024 .

Lecturas adicionales

  • Beacon Power solicita subvenciones del Departamento de Energía para financiar hasta el 50% de dos plantas de almacenamiento de energía de 20 MW, 1 de septiembre de 2009.
  • Sheahen, Thomas P. (1994). Introducción a la superconductividad de alta temperatura . Nueva York: Plenum Press. págs. 76-78 , 425-431 . ISBN  978-0-306-44793-8.
  • El-Wakil, MM (1984). Tecnología de centrales eléctricas . McGraw-Hill. págs. 685-689 . ISBN  978-0-07-019288-1.
  • Koshizuka, N.; Ishikawa, F.; Nasu, H.; Murakami, M.; et  al. (2003). "Avances en tecnologías de cojinetes superconductores para sistemas de almacenamiento de energía con volantes de inercia". Physica C . 386 (386): 444– 450. Bibcode : 2003PhyC..386..444K . doi : 10.1016/S0921-4534(02)02206-2 .
  • Wolsky, AM (2002). "Estado y perspectivas de los volantes de inercia y los SMES que incorporan HTS". Physica C. 372 ( 372–376 ) : 1495–1499 . Bibcode : 2002PhyC..372.1495W . doi : 10.1016/S0921-4534(02)01057-2 .
  • Sung, TH; Han, SC; Han, YH; Lee, JS; et  al. (2002). "Diseños y análisis de sistemas de almacenamiento de energía con volantes de inercia que utilizan cojinetes superconductores de alta Tc". Cryogenics . 42 ( 6– 7): 357– 362. Bibcode : 2002Cryo...42..357S . doi : 10.1016/S0011-2275(02)00057-7 .
  • Akhil, Abbas; Swaminathan, Shiva; Sen, Rajat K. (febrero de 2007). "Análisis de costos de sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones de servicios eléctricos" (PDF) . Laboratorios Nacionales Sandia. Archivado del original (PDF) el 21 de junio de 2007.
  • Larbalestier, David; Blaugher, Richard D.; Schwall, Robert E.; Sokolowski, Robert S.; et  al. (septiembre de 1997). "Volantes de inercia" . Aplicaciones de la superconductividad en la generación de energía en Japón y Alemania . Centro Mundial de Evaluación de Tecnología.
  • "Una nueva perspectiva sobre una vieja idea: la batería electromecánica" (PDF) . Science & Technology Review : 12–19 . Abril de 1996. Archivado del original (PDF) el 5 de abril de 2008. Consultado el 21 de julio de 2006 .
  • Janse van Rensburg, PJ (diciembre de 2011). Almacenamiento de energía en rotores de volante de inercia compuestos (Tesis). Universidad de Stellenbosch, Sudáfrica. hdl : 10019.1/17864 .
  • Devitt, Drew (marzo de 2010). "Argumentos a favor del almacenamiento de energía mediante volantes de inercia" . Revista Renewable Energy World Norteamérica.
  • Li, X., & Palazzolo, A. (2022). Una revisión de los sistemas de almacenamiento de energía de volante de inercia: estado del arte y oportunidades. Journal of Energy Storage , 46 , 103576. Una revisión de los sistemas de almacenamiento de energía de volante de inercia .
  • Alerta tecnológica federal: Almacenamiento de energía mediante volante de inercia.
  • Libro blanco de Magnetal sobre su sistema de almacenamiento de energía verde  (GESS)
  • Análisis magnético de las fuerzas giroscópicas inducidas por el almacenamiento de energía del volante de inercia