Aller au contenu

Véhicule à air comprimé

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Si ce bandeau n'est plus pertinent, retirez-le. Cliquez ici pour en savoir plus.
Si ce bandeau n'est plus pertinent, retirez-le. Cliquez ici pour en savoir plus.

Cet article ne cite pas suffisamment ses sources ().

Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références ».

En pratique : Quelles sources sont attendues ? Comment ajouter mes sources ?
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 comprimé est généralement stocké dans un réservoir embarqué sur le véhicule. Cette technologie est principalement utilisée à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle dans des locomotives minières et dans des tramways urbains. Pour ce type d’usage, l’absence de production de fumées donne un avantage important à ces véhicules à air comprimé par rapport aux locomotives à vapeur plus polluantes. Plus récemment (début du XXIe siècle) divers projets et prototypes de véhicules utilisant l’air comprimé sont apparus (vélos, voitures), mais sans réelle commercialisation à ce jour.

Locomotive à air comprimé de M.Antoine Andraud. L'illustration, journal universel, du 02 11 1844[1]

Historique

[modifier | modifier le code]
Locomotive à air comprimé - Tunnel du Saint-Gothard vers 1875.
Tramway Mékarski à la gare de l'Est (Paris).

L'utilisation de l'énergie produite par 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[2]. Dans certaines situations comme les réseaux miniers et urbains, il est nécessaire d'éviter les risques d'incendie et les pollutions inhérents à la locomotive à vapeur[3].

Les premiers systèmes de Tomlinson (1820) aux États-Unis ou d'Andraud (1830) en France sont des échecs, car l'air comprimé circule dans une conduite le long de la voie et la locomotive doit être équipée pour le prélever en continu (par un dispositif analogue aux catapultes des porte-avions) ce qui occasionne des fuites et un mauvais rendement[4].

Un nouveau système conçu par Antoine Andraud et Cyprien Tessié du Motay, à Paris en 1840, où la locomotive est équipée d'un réservoir que l'on remplit en certains points du réseau, prouve la faisabilité du système[5],[6].

Les premières applications pratiques de véhicules à moteur[7] 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[8]. Le refroidissement du cylindre moteur par la détente de l'air comprimé transforme l'humidité de l'air comprimé en cristaux de glace[3] qui occasionnent des blocages.

C'est l'ingénieur Louis Mékarski qui perfectionne le système, en associant l'air comprimé et l'eau surchauffée sous pression, et le rend opérationnel pour équiper des tramways. Il est d'abord testé de 1876 à 1879 sur le réseau des Tramways-Nord des tramways parisiens[9]. À partir de 1879, l'ensemble du réseau des tramways nantais est équipé progressivement de plus de 90 véhicules à air comprimé qui donnent satisfaction jusqu'en 1917. Plusieurs lignes du réseau d’Île-de-France suivent : 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[10]. D'autres villes s'équipent en tramways Mékarski comme Berne (1890)[11], Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), Saint-Quentin (1899) et La Rochelle (1901)[12]. Des locomotives Mékarski sont 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.

Le métro aérien de New York reçoit en 1897 sur sa ligne régulière, habituellement desservie par des locomotives à vapeur, une locomotive à air comprimé et eau surchauffée construite par The american air power Co, inventé par Robert Hardie[13].

À partir de 1896, la H K Porter Company de Pittsburgh met sur le marché les locomotives à air comprimé inventées par Charles B. Hodges[14]. Le moteur à double puis triple expansion (cylindres à haute et basse pression) est complété par un échangeur de chaleur atmosphérique. L'air comprimé refroidi par la première détente est réchauffé par l'air ambiant, ce qui rend inutile le dispositif à eau surchauffée et améliore grandement le rendement global. Des milliers de locomotives Porter équipent les mines de charbon de l'est des États-Unis jusqu'aux années 1930. D'autres constructeurs dans le monde entier produisent en grande quantité des machines similaires pour les mines et les usines d'industries qui ne tolèrent ni fumée, ni poussières. L'autonomie augmente avec la possibilité de construire des réservoirs d'air à très haute pression (jusqu'à 250 bars). Ces machines sont en service jusqu'aux années 1950, avant d'être dépassées par le développement de moteurs à gaz peu polluants et d’accumulateurs électriques améliorés.

Depuis le début des années 2000, plusieurs études pour l'automobile font l'objet de prototypes, souffrant d'autonomie et de vitesse limitées, le concept semble oublié du monde « écologique » et ne bénéficie en 2025 d'aucun gros industriel pour sa promotion et son développement.

La technologie

[modifier | modifier le code]

Les véhicules à air comprimé utilisent l'énergie pneumatique contenue dans l'air comprimé pour alimenter un moteur à air comprimé qui transforme cette énergie en mouvement de rotation. L'air comprimé est stocké dans un réservoir d'air comprimé embarqué sur le véhicule. Les principes de la thermodynamique s'appliquent à cette technologie.

Comparatif pneumatique, électrique et thermique

[modifier | modifier le code]

Comparé au moteur électrique ou au moteur à combustion interne, le moteur pneumatique a certains atouts mais aussi des faiblesses d'importance pour son adaptation au transport automobile :

Concernant le stockage d'énergie

[modifier | modifier le code]
  • la technologie des réservoirs sous pression est déjà connue et utilisée en production, par exemple pour tous les véhicules à gaz naturel (GNV) qui fonctionnent avec une pression de l'ordre de 200 bar.
  • le coût de fabrication d'un réservoir d'air comprimé est plus faible que celui d'un accumulateur électrique, mais plus élevé que celui d'un réservoir de carburant ;
  • un réservoir d'air en matériaux composites est bien moins lourd qu'un accumulateur électrique, mais plus qu'un réservoir de carburant ;
  • la fabrication d'un réservoir d'air peut être coûteuse en énergie (fibre de carbone) mais n'inclut pas de métaux fortement polluants (contrairement à de nombreux types d'accumulateurs électriques) ;
  • le réservoir d'air comprimé s'use peu et peut subir plus de 10 000 cycles de charge et décharge, ce qui lui donne une durée de vie pratiquement illimitée ;
  • le recyclage du réservoir d'air comprimé est plus facile que celui d'un accumulateur électrique ;
  • pour un usage mobile, la masse d'air emporté diminue lors de l'utilisation du véhicule, tout comme pour du carburant, contrairement à la masse de l'accumulateur électrique ;
  • cependant, la teneur énergétique de l'air comprimé est faible ; par exemple, un volume de 300 litres à 300 bars ne peut fournir qu'un maximum théorique de 14,3 kW h et, en pratique, ce chiffre est réduit à environ 7 kW h pour une détente adiabatique, ce qui est proche du comportement de moteurs pneumatiques réels ;
  • le chargement et le déchargement d'un accumulateur électrique peuvent se faire avec une efficacité énergétique avoisinant les 65-83 % (selon les données disponibles[réf. nécessaire] dans Accumulateur électrique#Tableau comparatif des différentes techniques) sans compter les pertes de réseau électrique [réf. souhaitée], associée à une efficacité d'un moteur électrique entre 90 et 96 %[réf. souhaitée], ce qui donne un taux d'efficacité global inférieur à la plage de 58 à 80 % [réf. souhaitée];
  • la pression baisse lorsque le réservoir d'air se vide, ce qui entraîne soit une baisse de la puissance disponible, soit une baisse du rendement si un détendeur est utilisé pour réguler la pression ;
  • l'humidité de l'air comprimé doit être complètement retirée pour éviter la formation de glace lors de la détente dans le moteur : soit on retire l'eau avant la compression, soit on chauffe l'air comprimé lors de l'expansion, créant des pertes d'énergie supplémentaires non négligeables ;
  • la recharge électrique est silencieuse alors que la compression d’air ne l'est pas.

Concernant le moteur

[modifier | modifier le code]

Le moteur pneumatique peut fonctionner à bas régime (100 à 2 000 tours par minute selon la cylindrée[réf. souhaitée] , il offre un couple important et quasiment constant sur la plage de régimes du moteur[réf. souhaitée] , il peut fournir du froid pour le véhicule mais par contre, en l'absence des pertes thermiques d'un moteur à combustion interne, il faut un autre apport de chaleur pour chauffer le véhicule. Un moteur thermique classique de même puissance qu'un moteur à air comprimé est de taille et poids comparables, voire moindres[réf. souhaitée]

Concernant la viabilité commerciale

[modifier | modifier le code]

Les véhicules à air comprimé n’ont pas réussi à atteindre le stade de la commercialisation, malgré plusieurs décennies de développement. En 2025, les performances annoncées par les créateurs de véhicules à air comprimé n'ont jamais été vérifiées de façon indépendante et peuvent donc être mises en doute[15].

Comparés aux moteurs thermiques, les deux systèmes pneumatique et électrique présentent l'inconvénient d'une faible autonomie qui était acceptable pour des véhicules comme les tramways du début du XXe siècle, avec leurs arrêts fréquents et leurs trajets fixes permettant un rechargement rapide en air, mais qui se révèle moins compatible avec l'usage actuel d'un véhicule particulier. Toutefois, l'emploi de techniques de pointe (réservoirs d'air en fibre de carbone) pourrait permettre de réduire cet inconvénient par l'allègement des véhicules (voir le chapitre « autonomie » et les méthodes d'estimation d’énergie dans l’article énergie pneumatique)[16].

Intérêt potentiel de l'air comprimé pour les moteurs

[modifier | modifier le code]

L'énergie contenue dans un réservoir d’air comprimé est relativement faible : pour stocker une dizaine de kWh (l'équivalent d'un litre de carburant) sous forme d'air comprimé à 250 bar, il faut un réservoir de 300 litres, environ dix fois plus volumineux qu'un accumulateur lithium correspondant. Une partie de l'énergie mécanique de compression sera transformée en énergie thermique du gaz comprimée, et perdue pendant le stockage avec le retour à température ambiante du réservoir. Dans certains cas, on peut envisager de ré-augmenter cette énergie potentielle en chauffant l’air, avec de l'éthanol par exemple ; l’avantage par rapport au moteur à combustion interne serait que cette combustion serait produit à pression ambiante. D'autres projets cherchent à récupérer l'énergie thermique en interposant un réservoir de chaleur isolé, qui capterait la chaleur du gaz comprimé et la restituerait au moment de l'utilisation.

Recherches et prototypes

[modifier | modifier le code]
voiture à air comprimé de Roy J Meyers en 1932.

Au début des années 2000, de nombreuses sociétés lancent des programmes de R&D (Recherche et Développement) pour la conception de véhicules à air comprimé, dans l'objectif de décarbonation du secteur des transports. Basés sur des moteurs à air comprimé à piston, quelques prototypes de petites voitures allégées au maximum voient le jour mais tous se heurtent au problème de l'autonomie requise pour l'usage habituel d'une automobile.

MDI

[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Motor Development International.

Cette société française, en liquidation judiciaire depuis 2023, annonce une gamme de véhicules à air comprimé développés sur un moteur à piston monocylindre de 230cm3. Mais ses différents projets restent à l'état de prototypes et n'aboutissent pas à une commercialisation.

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

Energine

[modifier | modifier le code]

Cette société coréenne réalise, 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 à entraîner un alternateur qui prolonge l'autonomie de la voiture. La voiture fonctionne et est essayée par des journalistes, mais le projet est abandonné (le site web de la société n'existe plus).

K’Airmobiles

[modifier | modifier le code]

« 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 est abandonné en 2009 par manque d'autonomie du véhicule ( inférieure à 10 km dans le meilleur des cas avec un réservoir d'air comprimé de 300 L à 240 bars). En 2010, un groupe d'investisseurs nord-américains enregistre au Canada les brevets pour le moteur-turbine K'Air pour une tout autre application de production d'électricité par stockage d'air comprimé (CAES).

Peugeot

[modifier | modifier le code]

Peugeot (PSA) présente, en , le prototype d’un moteur essence hybride appelé « Hybrid Air »[17]. Ce prototype utilise l'énergie générée lors du freinage pour comprimer de l'azote et l’énergie stockée est restituée pour entraîner les roues lors de l’accélération suivante (via un train épicycloïdal qui remplace la boîte de vitesses classique). l’économie d’énergie résultante est notable surtout en ville et prévoit de réduire la consommation de carburant de 40 %[18]. Ce système, prévu sur les futures Peugeot 308 et Citroën C4, mais la commercialisation n'a pas eu lieu (abandon du projet).

Autres

[modifier | modifier le code]
Un véhicule équipé d'une quasiturbine.

La Quasiturbine est un projet canadien d'un moteur qui pourrait aussi bien fonctionner avec un carburant explosif qu'avec de l'air comprimé. Les constructeurs automobiles Honda, Volvo et Cadillac présentent au salon du design de Los Angeles de novembre 2010 des « concept cars » équipés de moteurs à air comprimé[19],[20]. En , le tricar Ku:Rin (Toyota) propulsé par air comprimé atteint la vitesse record de 129,2 km/h[21].

Entre et , la société française Anthos Air Power Normandie (crée par Air Power Technologie France) développe un moteur à air comprimé conçu en Italie. Proposé en kit, il permet la modification et la transformation de véhicules existants tels que des camionnettes ou des véhicules utilitaires en véhicules fonctionnant à l’air comprimé et défend la viabilité du système pour l'automobile[22]. En 2025, les dernières informations relatives à ce concept datent de 2019 sur le site de cette société.

L’« Air-Bike » est un autre projet d’étude mené par l’Université de Reims[23]. Bien qu’opérationnel, le véhicule présente un sérieux handicap du fait de l'énorme dimension du réservoir et de son autonomie réduite.

Régis Munoz, revendique l'invention d'un moteur rotatif qui fonctionne avec de l'air comprimé[réf. souhaitée]. Ce moteur rotatif peut fonctionner en moteur roue comme un moteur électrique.

Autonomie d'un véhicule à air comprimé

[modifier | modifier le code]

Historique

[modifier | modifier le code]

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 XIXe siècle et du début du XXe, 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[10]. Il développait une puissance d’environ 33 kW[24],[25].

Estimation de l'autonomie des véhicules modernes

[modifier | modifier le code]

Si on compare le tramway Mékarski 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 × 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)[15].

Le calcul d’autonomie pour un véhicule automobile doit prendre en compte le fait que la résistance au roulement des pneumatiques est nettement plus élevée que celle de véhicules sur rails métalliques comme les tramways, ce qui contribue à diminuer l'autonomie. Le calcul de l'autonomie doit aussi prendre en compte la variation de vitesse (accélération, freinage) fréquente des véhicules en milieu urbain, source d'une grande perte énergétique s'il n'y a pas de système de récupération de l'énergie au freinage.

Une estimation théorique est possible : selon les calculs présentés dans l'article Énergie pneumatique, de 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 « adiabatique » contenue dans le réservoir.

Idéalement, l'énergie mécanique produite pourrait atteindre au maximum 51 MJ = 14,2 kWh avec une détente isotherme ; pour cela, il faudrait laisser l'air refroidi par la détente être réchauffé par le milieu. L'énergie supplémentaire par rapport à la détente adiabatique est dans ce cas de 24 MJ = 6,7 kWh, soit 89 % de plus, et elle correspond à l'énergie calorifique, ou chaleur qui serait apportée par le milieu lors d'une détente très lente, comme expliqué dans la définition d'une détente isotherme.

Ces valeurs sont celles du cas idéal ; en fait, les pertes du moteur sont probablement de l'ordre de 50 % (voire plus), car les meilleurs moteurs à pistons atteignent 50 % d'efficacité énergétique[26]. L’énergie réellement disponible est donc comprise entre 3,7 kWh (détente adiabatique) et 7 kWh (détente isotherme).

Entrées et sorties d'énergie dans un véhicule à air comprimé (exemple à 300 bars, gaz parfait).

Par rapport à un moteur à combustion interne[27], un moteur à air comprimé a seulement 3 causes de pertes d'énergie :

  1. les pertes liées au cycle thermodynamique pour la plus grande part : des détentes parasites qui ne produisent pas de travail ;
  2. des pertes par frottement ;
  3. une isothermie non parfaite, provoquée par un manque d'entrée de chaleur venant du milieu.

Un moteur à air comprimé ne chauffe pas, il refroidit : il ne perd donc pas de chaleur.

Un moteur à air comprimé n'a pas besoin des accessoires nécessaires aux moteurs à combustion interne : nul besoin de démarreur, de circuit de refroidissement, de circuit d'allumage électrique ou de réchauffement, etc. L'énergie pour alimenter tous ces accessoires n'est pas perdue.

Les pertes par frottement se transforment en chaleur (cf Rendement d'un moteur à explosion#À quoi sont dues les pertes dans un moteur ?) et sont en fait réabsorbées par le moteur car il est plus froid que le milieu ambiant.

Avec les hypothèses précédentes, si le moteur offre une puissance de 20 kW, soit l'équivalent de 27 ch, la durée de fonctionnement à pleine puissance serait d'environ 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[28] ce qui pourrait autoriser 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.

Freinage régénératif

[modifier | modifier le code]

Le freinage régénératif permet de convertir l'énergie, habituellement dissipée en chaleur lors de ralentissement, et d'utiliser la compressibilité de l'air pour recharger les réservoirs. Ceci améliore largement l'autonomie, surtout sur des trajets avec des arrêts fréquents mais ne remplace pas les freins pour l’arrêt rapide et complet du véhicule.

Notes et références

[modifier | modifier le code]
  1. ↑ « L'illustration, journal universel », sur Gallica, (consulté le )
  2. ↑ A. L. Crelle, Mémoire...l'élasticité de l'air atmosphérique comme force motrice sur les chemins de fer., Berlin, G.Reimer, , 198 p. (lire en ligne)
  3. ↑ a et b Thierry Veyron : Houillères françaises et belges - locomotives à air comprimé.
  4. ↑ Paul Smith, « Les chemins de fer atmosphériques. Deuxième partie », sur OpenEdition journals, (consulté le )
  5. ↑ Nantes - Tramway - Automotrice Mékarski à air comprimé no 22 (1879), sur le site amtuir.org.
  6. ↑ Paul Smith, « Les chemins de fer atmosphériques. Première partie », sur OpenEdition Journals, (consulté le )
  7. ↑ (en) « Pneumatic traction », Compressed air magazine, vol. 2, no 1,‎ , p. 188 (lire en ligne)
  8. ↑ A.Pernolet, « L'air comprimé et ses applications », sur BNF / Gallica, .
  9. ↑ Histoire générale des transports, sur le site amtuir.org.
  10. ↑ a et b (en) Compressed Air Trams, sur le site tramwayinfo.com.
  11. ↑ (de) Site des tramways historiques de Berne, sur le site dampftram.ch.
  12. ↑ Nicolarochelle, « Le tramway de La Rochelle (1901-1929) : Une merveilleuse entrée dans la modernité du XXème siècle », sur blog (consulté le )
  13. ↑ (en) « The air motor », compressed air magazine, vol. 2, no 7,‎ , p. 293 (lire en ligne)
  14. ↑ (en) Histoire des véhicules ferroviaires à air comprimé, sur le site aqpl43.dsl.pipex.com.
  15. ↑ a et b École des Mines de Paris, « Évaluation de l'autonomie d'un véhicule CAT utilisant la technologie MDI » Accès libre [PDF], sur econologie.com,
  16. ↑ « Progrès de la technologie des moteurs à air comprimé et de l'intégration des réseaux électriques: un examen complet », sur ScienceDirect (consulté le )
  17. ↑ Peugeot invente l'hybride à air comprimé, lepoint.fr, 22 janvier 2013.
  18. ↑ L’automobile devient sobre au volant, Libération, 28 septembre 2014.
  19. ↑ Salon de Los Angeles – concept-cars à air comprimé, sur le site world-of-design.info.
  20. ↑ (en) Volvo air concept, newcarupdate.com, 1er mars 2012.
  21. ↑ Toyota three-wheeler does 80.3 mph on compressed air sur www.phys.org, consulté le 31 juillet 2013.
  22. ↑ (fr) Le moteur à air comprimé AIR POWER, site officiel du Groupe Anthos Air Power Normandie.
  23. ↑ Air-Bike
  24. ↑ Jean Robert, op. cit. en bibliographie, pages 228-230.
  25. ↑ Pierre Guédon, « Nouvelles voitures automotrices à air comprimé », Portefeuille économique des machines, no 545,‎ , p. 67, 68 (lire en ligne [PDF])
  26. ↑ cf. Les moteurs ayant l'efficacité maximale sont des moteurs Diesel deux temps utilisés sur les gros navires.
  27. ↑ cf. À quoi sont dues les pertes dans un moteur à explosion ?
  28. ↑ HKW-Aero Énergie utile voiture - page 31[PDF], sur le site hkw-aero.fr.

Annexes

[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Bibliographie

[modifier | modifier le code]

Articles connexes

[modifier | modifier le code]

Liens externes

[modifier | modifier le code]
Ce document provient de « https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Véhicule_à_air_comprimé&oldid=233673047 ».