Véhicule à air comprimé

Tramway Mékarski à air comprimé - La Rochelle vers 1905

Un véhicule à air comprimé est un véhicule mû par un moteur à air comprimé, l'air étant généralement stocké dans un réservoir. Cette technologie a principalement été utilisée à la fin du XIX^e siècle et au début du XX^e siècle dans des locomotives minières et dans des tramways urbains ; pour ce type d’usage, l’absence de production de fumées donnait un avantage important à ces véhicules à air comprimé par rapport aux locomotives à vapeur plus polluantes. Plus récemment (début du XXI^e siècle) divers projets et prototypes de véhicules utilisant l’air comprimé sont apparus (vélos, voitures), mais sans réelle commercialisation à ce jour.

Historique

Locomotive à air comprimé - Tunnel du Saint-Gothard vers 1875

Tramway Mékarski à la gare de l'Est (Paris).

L'utilisation de la détente de l'air comprimé comme force motrice d'un véhicule remonte à l'époque du développement des chemins de fer et des tramways à traction mécanique où, dans certaines situations, comme les réseaux miniers et urbains, il était nécessaire d'éviter les risques et pollutions inhérents à la locomotive à vapeur ordinaire.

Les premiers systèmes de Tomlinson (1820) aux États-Unis ou d'Andraud (1830) en France furent des échecs, car l'air comprimé circulait dans une conduite le long de la voie et la locomotive devait être équipée pour le prélever en continu (par un dispositif analogue aux catapultes des porte-avions) ce qui occasionnait des fuites et un mauvais rendement.

Un nouveau système conçu par Andraud et Tessier de Motay, à Paris, en 1840, où la locomotive était équipée d'un réservoir que l'on remplissait en certains points du réseau, prouva la faisabilité du système.

Les premières applications pratiques de véhicules à moteur à air comprimé sur rail, datent du percement de tunnels ferroviaires (1872) notamment celui du Saint-Gothard en Suisse et de quelques expérimentations de tramways. Malheureusement, le refroidissement du cylindre moteur par la détente de l'air comprimé transformait l'humidité de l'air moteur en cristaux de glace qui occasionnaient des blocages.

C'est l'ingénieur Louis Mékarski qui perfectionna le système, en associant l'air comprimé et l'eau surchauffée sous pression, et le rendit tout à fait opérationnel en vue d'équiper des réseaux de tramways. Il fut d'abord testé dans les tramways parisiens de 1876 à 1879 sur le réseau des Tramways-Nord.

Puis il fut utilisé sur plusieurs lignes du réseau d’Île-de-France : Chemins de fer nogentais, Tramway de Sèvres à Versailles, Compagnie des tramways de Saint-Maur-des-Fossés et sur le réseau parisien de la Compagnie Générale des Omnibus de 1894 à 1914.

À partir de 1879, l'ensemble du réseau des tramways nantais fut équipé progressivement de plus de 90 véhicules à air comprimé qui donnèrent satisfaction jusqu'en 1917. À partir de 1890, d'autres villes s'équipaient en tramways Mékarski comme Berne (1890), Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), Saint-Quentin (1899) et La Rochelle (1901). Des locomotives Mékarski étaient également en service sur la partie parisienne de l'Arpajonnais pour la desserte « silencieuse » des Halles de Paris de 1895 jusqu'en 1901.

Locomotive à air comprimé Porter, construite en 1923, utilisée par la mine d'or Homestake, South Dakota, États-Unis

Un des projets de métro aérien de New York devait utiliser des locomotives à air comprimé et eau surchauffée. Le moteur fonctionnait au freinage en récupération d'énergie, pour recharger le réservoir d'air comprimé et réchauffer le réservoir d'eau.

À partir de 1896, la H K Porter Company de Pittsburgh mit sur le marché les locomotives à air comprimé inventées par Charles B. Hodges. Le moteur à double puis triple expansion (cylindres à haute et basse pression) était complété par un échangeur de chaleur atmosphérique. L'air comprimé refroidi par la première détente était réchauffé par l'air ambiant, ce qui rendait inutile le dispositif à eau surchauffée et améliorait grandement le rendement global. Des milliers de locomotives Porter équipèrent les mines de charbon de l'est des États-Unis jusqu'aux années 1930. D'autres constructeurs dans le monde entier ont produit en grande quantité des machines similaires pour les mines et les usines d'industries qui ne tolèrent ni fumée, ni poussières. L'autonomie augmenta avec la possibilité de construire des réservoirs d'air à très haute pression (jusqu'à 250 bars). Ces machines ont servi jusqu'aux années 1950, avant d'être dépassées par le développement de moteurs à gaz peu polluants et d’accumulateurs électriques améliorés.

La mise en œuvre pour l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Efficace et moins polluant que le véhicule électrique (qui pollue par les composants de ses batteries), mais souffrant aussi d'une autonomie limitée, le concept semble oublié du monde « écologique » et ne bénéficie pour l'instant d'aucun lobby industriel pour sa promotion et son développement. Plusieurs sociétés travaillent cependant sur l'application du moteur à air comprimé pour l'automobile.

Le 7 mai 2012, la société indienne Tata Motors construisant des véhicules très compacts à bas couts annonce avoir passé avec succès en coopération avec la société MDI, des tests d'utilisation sur des prototypes et commencer une phase de mise en place du process industriel de fabrication de ce véhicule.

La technologie

Le moteur à air comprimé et les réservoirs d'air comprimé sont des cas particuliers de systèmes pneumatiques, qui utilisent les principes de thermodynamique des gaz compressibles présentés dans les articles correspondants.

Pneumatique versus électrique

Pour un usage automobile (ou transport en commun), le moteur pneumatique pourrait être préféré aux moteurs électriques pour des raisons liées au stockage de l'énergie et au moteur lui-même :

Concernant le stockage de l'énergie 

• le coût de fabrication du réservoir d'air est plus faible que celui d'une batterie,
• un réservoir d'air en matériaux composites pèse beaucoup moins lourd qu'une batterie,
• sa fabrication peut être coûteuse en énergie (Fibre de carbone) mais n'inclut pas de métaux fortement polluants,
• le réservoir offre une possibilité de recharge de plus de 10 000 cycles, en théorie infinie : il ne s'use pas,
• le recyclage du réservoir est plus facile que celui d'une batterie,
• le faible prix^{[réf. nécessaire]} permet d'avoir chez soi des réservoirs tampons de grande capacité, qui seront remplis par des sources d'énergie renouvelable au fil de leur disponibilité, permettant en outre de récupérer la chaleur du processus de compression pour faire de l'eau chaude sanitaire,
• pour un usage mobile, la masse d'air emporté diminue lors de l'utilisation du véhicule, contrairement aux batteries.

Concernant le moteur 

• Il permet un mouvement cyclique lent (100 à 2 000 cycles par minute selon la cylindrée),
• Il offre une puissance importante pour un volume et un poids minimum, car il "pousse" à chaque tour, alors qu'un moteur à combustion interne "compresse" un tour sur deux,
• Il offre un couple important, et quasiment constant sur la plage de vitesse de rotation,
• La conception mécanique séquentielle du moteur est simple et robuste,
• son fonctionnement à température ambiante ou plus fraiche le rend moins fragile,
• il fournit du froid pour le véhicule.

Par contre 

• la recharge électrique est silencieuse alors que la compression d’air ne l'est pas, si elle est mal isolée phoniquement,
• En l'absence des pertes thermiques d'un moteur à combustion interne, il faut un autre apport de chaleur pour chauffer le véhicule.

Cependant les deux systèmes présentent l'inconvénient d'une faible autonomie par rapport aux moteurs thermiques, qui était acceptable pour des véhicules type tramway, avec arrêts fréquents et trajets fixes permettant un rechargement rapide en air, mais qui est contraignante pour un véhicule individuel.

Toutefois, l’allégement des véhicules permis par les techniques actuelles (réservoirs d'air en fibre de carbone) pourrait permettre de réduire cet inconvénient (voir le chapitre « autonomie » et les méthodes d'estimation d’énergie dans l’article énergie pneumatique).

Les véhicules

Les voitures

Au début des années 2000, deux entreprises, Motor Development International (MDI) et Energine, ont basé le développement de leurs projets sur le principe de petites voitures, allégées au maximum.

MDI

Article détaillé : Motor Development International.

Cette société annonce une gamme de véhicules à air comprimé développés sur un concept identique. Mais ses différents projets restent à l'état de prototypes et n’ont en 2012 pas encore abouti à une commercialisation.

Un prototype MDI exposé au Salon international de l'automobile de Genève 2009.

Pour diffuser ses produits, MDI a imaginé un concept original consistant à commercialiser des usines clef en main pour fabriquer et vendre ses voitures localement.

En février 2007, un accord de cession de licences pour l'application exclusive de cette technologie en Inde a été signé avec le géant de l'automobile indien TATA motors. La société TATA s'engageait à soutenir les recherches sur les moteurs à air comprimé et a obtenu le droit de commercialiser des modèles utilisant la technologie MDI ; en mai 2012 Tata Motors a publié un nouveau communiqué de presse indiquant qu'il avait achevé avec succès dans deux de ses véhicules, les tests du moteur à air de MDI.

La première mise en production industrielle concrète d'un véhicule MDI devait voir le jour en Suisse : La société Catecar SA avait signé en octobre 2010 un contrat de licence pour produire des véhicules à air comprimé à Reconvilier (Canton du Jura). La sortie du premier véhicule entièrement construit en Suisse était prévue pour mars 2011, mais ce projet est abandonné (juin 2011), comme d'ailleurs la plupart des coopérations industrielles antérieures de MDI (sauf celle avec « Tata motors »).

Energine

Les ingénieurs de cette société coréenne ont pu réaliser, à partir d'une Daewoo Matiz, un prototype hybride moteur électrique/moteur à air comprimé (PHEV, Pneumatic Hybrid Electric Vehicle). Le moteur à air comprimé sert en fait à entraîner un alternateur, celui-ci prolongeant l'autonomie de la voiture. La voiture fonctionne et a été essayée par des journalistes, mais le projet semble abandonné (le site web de la société n'existe plus).

Les VAP et VPP

« K’Airmobiles » est le nom donné à un ensemble de projets de véhicule à assistance pneumatique (VAP) et véhicule à propulsion pneumatique (VPP), visant à échapper aux contraintes thermodynamiques de l'air comprimé, ou plutôt à en tirer bénéfice.

Développé en France dès 2006-2007, le projet a été abandonné en 2009, faute d'avoir pu trouver les supports financiers nécessaires. En 2010, grâce à un groupe d'investisseurs nord-américains, les brevets pour le moteur-turbine K'Air ayant finalement pu être enregistrés au Canada, le projet a été réinitialisé mais cette fois en vue de la construction préalable d'une unité de production d'énergie verte (éolien + solaire) qui permettra une démonstration pratique du concept moteur.

Peugeot

Peugeot (PSA) a présenté à la presse, en janvier 2013, le prototype d’un nouveau moteur essence hybride appelé « Hybrid Air » et fonctionnant grâce au stockage d'air comprimé. Cet air (en réalité de l’azote) est comprimé pendant les phases de freinage et l’énergie stockée est ensuite restituée pour entraîner les roues lors de l’accélération suivante ; l’économie d’énergie résultante sera donc notable surtout en ville. Le couple sera transmis aux roues via un train épicycloïdal qui remplacera la boite de vitesse classique (technologie voisine de celle des systèmes HSD de Toyota).

Ce système développé en collaboration avec Bosch et Faurecia devrait être commercialisé à l'horizon 2016, sur les futures Peugeot 308 et Citroën C4.

Autres

Un véhicule équipé d'une quasiturbine.

En ce qui concerne la Quasiturbine, il s’agit d’un projet canadien (non d’un véhicule) qui, selon ses concepteurs, pourrait aussi bien fonctionner avec un carburant explosif qu'avec de l'air comprimé.

Lors du salon du design de Los Angeles (en novembre 2010), les constructeurs automobiles Honda, Volvo et Cadillac ont présenté des « concept car » équipés de moteurs à air comprimé.

Autonomie d'un véhicule à air comprimé

Les seuls véhicules à air comprimé ayant été largement déployés (en plusieurs centaines d’exemplaires) sont les locomotives minières et les tramways de la fin du 19^e siècle et du début du 20^e, principalement les automotrices Mékarski.

Le tramway Mékarski de 1900 était capable de parcourir sur le plat environ 16 km sans recharge avec un poids d’environ 14 tonnes et des réservoirs contenant 3 m³ d’air comprimé à une pression variant de 60 à 80 bars selon les modèles. Il développait une puissance d’environ 33 kW. Si on compare ce tramway avec ce que pourrait être un véhicule urbain moderne à air comprimé de 700 kg équipé d’un réservoir en fibre de carbone de 300 litres à 300 bars (même technologie que ceux utilisés pour les véhicules fonctionnant au GNV), ce véhicule disposerait d’une réserve d’air (produit volume x pression) environ trois fois plus faible et pèserait vingt fois moins que le tramway Mékarski, il aurait donc un rapport énergie/poids six fois supérieur et pourrait ainsi avoir en usage urbain une autonomie raisonnable (plusieurs dizaines de kilomètres).

Une estimation théorique est aussi possible : selon les calculs présentés dans l'article Énergie pneumatique, l'air comprimé à 300 bars stocké dans un réservoir de 300 litres représente, réservoir plein, 126 kg d'air (pris comme un gaz parfait).

Avec une détente sans échange avec l'extérieur (détente adiabatique), il pourra produire idéalement une énergie de 27 MJ= 7,5 kWh : c'est l'énergie contenue dans le réservoir.

Si on laisse l'air refroidi par la détente être réchauffé par le milieu ambiant (détente isotherme), alors l'énergie mécanique produite pourrait atteindre au maximum (cas idéal) 51 MJ= 14,2 kWh.

Ces valeurs sont celles du cas idéal, en fait le rendement du moteur est probablement de l'ordre de 0,5 (voire moins). L’énergie réellement disponible est donc proche de 3,7 kWh (détente adiabatique) et 7 kWh (détente isotherme), ce qui laisse encore une efficacité énergétique de 94 %^{[réf. nécessaire]}, semblable aux meilleures propulsions électriques, et laisse une grande marge d'amélioration pour les futurs fabricants^{[réf. nécessaire]}.

Si le moteur offre une puissance de 20 kW soit l'équivalent de 27 ch, la durée de fonctionnement à pleine puissance serait de 11 minutes (détente adiabatique) et 21 minutes (détente isotherme). En pratique pour mouvoir un véhicule urbain léger (700 kg) roulant à une vitesse moyenne de 50 km/h, l’énergie moyenne consommée est plus proche de 5 kWh (18 MJ) aux 100 km ce qui autoriserait une autonomie comprise entre 70 et 140 km.

Compte tenu de ces diverses incertitudes, il faudra attendre la disponibilité réelle de ces nouveaux véhicules à air comprimé pour en mesurer l’autonomie effective.

Annexes

Articles connexes

• Tramway
• Louis Mékarski
• Énergie pneumatique
• Véhicule propre
• Guy Nègre
• Moteur à air comprimé

Liens externes

• La voiture à air comprimé débarque en Inde, sur le site futura-sciences.com
• La voiture a azote liquide, sur le site motorair.info
• (en) Bref historique des véhicules à air comprimé, sur le site aircaraccess.com
• (en) MDI's air engine technology tested on Tata Motors vehicles, sur le site mdi.lu du 8 mai 2012