Véhicule à air comprimé

Le véhicule à air comprimé est un type de véhicule mû par un moteur à air comprimé.

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 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 de porte-avions).

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) 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 utilisé dans les tramways parisiens de 1876 à 1879 sur le réseau des Tramways-Nord. Dès 1878, l'ensemble du réseau des tramways nantais était équipé de véhicules à air comprimé qui donnèrent satisfaction jusqu'en 1917.

À partir de 1890, d'autres villes s'équipent en tramways Mékarski comme Berne (1890), Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), La Rochelle (1899) et Saint-Quentin (1901).

Des locomotives Mékarski étaient également en service sur l'Arpajonnais pour la desserte nocturne « silencieuse » des Halles de Paris jusqu'en 1933.

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 la fumée, ni la poussière. 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 de meilleurs accumulateurs électriques.

La mise en œuvre sur l'automobile a fait aussi l'objet de quelques réalisations. Efficace et beaucoup moins polluant (par les composants de ses batteries) que le véhicule électrique, 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 sur l'application du moteur à air comprimé pour l'automobile.

Le moteur à air comprimé et les réservoirs d'air comprimé sont un cas particulier de système pneumatique, qui utilisent des principes de thermodynamique des gaz compressibles présentés dans les articles correspondants.

Pneumatique contre électrique

Le moteur pneumatique pourrait être préféré aux moteurs électriques car :

• Il permet un mouvement cyclique lent (10 à 60 cycles/minute),
• Il offre un couple important pour un volume minimum,
• La conception mécanique séquentielle du moteur est simple et robuste,
• Le milieu environnant (température, humidité, etc.) importe peu,
• Son coût d’entretien et de fabrication est faible,
• Il suffit d’une qualification simple pour la maintenance, donc aucun réseau de service après-vente n’est véritablement nécessaire,
• Le stockage de l’air comprimé en bonbonnes est à priori exempt de toute forme de pollution,
• Le réservoir offre une possibilité de recharge de plus de 10 000 cycles, en théorie infinie : il ne s'use pas.
• Le recyclage est possible facilement et totalement.
• Les deux systèmes présentent le même inconvénient quant à la faible autonomie.
• La recharge électrique est silencieuse alors que la compression de gaz ne l'est pas (en attendant le compresseur à pistons liquides).

Les voitures

Actuellement deux entreprises, MDI et Energine, basent le développement de leurs projets sur le principe de petites voitures, allégées au maximum.

MDI

Cette société propose une gamme de véhicules développés sur un concept identique. Mais ses différents projets restent à l'état de prototypes et n’ont encore abouti à ce jour à aucune forme de commercialisation.

Depuis le mois de février 2007, un accord de cession et de licence pour l'application exclusive de cette technologie en Inde avec le géant de l'automobile indien TATA a été signé. La société TATA s'engage à soutenir les recherches sur les moteurs à air comprimé et à commercialiser ensuite les modèles proposés par MDI

Energine

Les ingénieurs de cette société 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.

Autres

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

Autonomie d'une voiture à air comprimé

Selon le calcul présenté dans l'article système pneumatique, l'air sec comprimé à 300 bar stocké dans un réservoir de 300 l à 27°C représentera environ 126 kg d'air (pris comme un gaz parfait) réservoir plein.

Il pourra produire idéalement une énergie comprise entre 27 MJ=7,5 kWh (détente adiabatique) et 51 MJ=14,16 kWh (détente isotherme).

Si le moteur fait 20 kW (puissance moyenne appelée par un petit moteur de voiture hors pointes, la Nano de Tata fournit 25 kW, il est difficile de faire plus léger et moins performant en vitesse, et dans notre cas, il faut transporter un réservoir supportant 100 à 300 bars de pression, soit quelques centaines de kg...) La durée de fonctionnement sera alors entre 22 mn (détente adiabatique) et 42mn (détente isotherme).

Ces valeurs sont très majorantes de ce qui se passe réellement : le rendement du moteur est pris égal à 1 (il est peut-être de 0.7 ou 0.8 voire moins ?), pas de chute de la pression (alors que la pression passe de 300 bar ou 100 bars à 1 bar au fur et à mesure de la consommation de l'air, avec une chute sérieuse du rendement)... et stockage de 300 litres d'air à 300 bars ou 100 bars ce qui n'est pas très réaliste sur un véhicule de particulier (on imagine le poids du réservoir qui doit supporter cette pression pour un tel volume)...

Autrement dit l'autonomie d'un tel véhicule serait de l'ordre d'une poignée de minutes.

Les VAP et VPP

K’Airmobiles est le nom donné à un ensemble de projets de véhicules à assistance pneumatique (VAP) et véhicules à propulsion pneumatique (VPP), visant à échapper aux contraintes thermodynamiques de l'air comprimé, voir 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.