Air comprimé

 

Selon la pression d’air et le débit recherchés, on utilise pour la production de l'air comprimé différents types de compresseurs d'air. Deux systèmes sont principalement utilisés, les compresseurs à vis et ceux à piston (généralement à deux, trois ou quatre étages). Les compresseurs à pistons à trois étages permettent d’atteindre des pressions jusqu’à 300 bar. On emploie aussi des compresseurs rotatifs (compresseur à turbine et à palettes) et des compresseurs à membrane. Le débit d'un compresseur est exprimé en litres par minute (symbole : l/min) ou en mètres cubes par heure (symbole : m³/h).

La compression de l’air, outre les pertes d'énergie dans le compresseur, s’accompagne d’une transformation d'une partie de l'énergie mécanique transférée au gaz comprimé en énergie thermique (chaleur) qui reste le plus souvent inexploitée : l'énergie correspondante est perdue par transfert de chaleur hors du système. Et en sens inverse, il y aura également des pertes lors de l'utilisation de l'énergie mécanique (sous forme de différence de pression) que le gaz comprimé contient. Utiliser l'air comprimé comme vecteur d'énergie implique donc d'accepter une perte d'énergie importante, environ la moitié. Elle se justifie par la simplicité des dispositifs (Moteur à air comprimé, vérins) fonctionnant à l'énergie pneumatique, ce qui leur donne de nombreux avantages : fiabilité, faible coût, rapport poids/puissance très favorable (eg : marteau-piqueur³, turbine dite "roulette" de dentiste), ainsi que par le fait que de nombreuses applications utilisent une énergie tellement réduite qu'il n'est pas très important d'en perdre (eg : petits outils de toute sorte -- sécateur, agrafeuse, visseuse, etc. --, actionneurs de porte automatique ou de nombreux engins industriel).

Exemples d'utilisation

En tant que « matériau »

• Gonflage de structures pneumatiques : (canot pneumatique, pneus, piscines gonflables…)
• Air comprimé respiratoire (plongée sous-marine, caisson hyperbare)
• Production de bulles dans les procédés industriels, éventuellement alimentaires (mélange, allégement d’un produit, par exemple les sorbets et les crèmes glacées qui sont vendus au litre et non au kilogramme)
• Matière première pour la production d'oxygène, d'azote ou d'argon.

Utilisation des systèmes pneumatiques dans l'industrie

Alimentation d’outils en énergie

• Fraise de dentiste : vitesses de rotation de 50 000 à plus de 200 000 tours par minute ;
• Marteaux burineurs de petite ou grande taille : puissance élevée, poids réduit ;
• Clés à choc - boulonneuses : serrage des boulons avec réglage de la pression (serrage au couple pneumatique) ;
• Agrafeuses et marteaux pneumatiques : rafales de plusieurs dizaines de pièces par minute ;
• Visseuses pneumatiques (avec chargeur) ;
• Tournevis pneumatiques (notamment dans les chaînes d’assemblage) ;
• Nettoyage et décolmatage pneumatique de filtres ;
• Sablage ;
• Foreuses et meuleuses pneumatiques : grosse puissance, vitesse élevée, faible poids ;
• Pose de rivets ;
• Cloueur pneumatique ;
• Pompes à graisse ;
• Scies ;
• Pinces coupantes, pince à sertir ;
• Polissage, meulage, etc.

Avantages

Dans l'industrie, les circuits d'air comprimé permettent d'alimenter des outils et des automatismes et présentent certains avantages :

• transport facile dans des conduites bon marché ;
• propreté ;
• faible coût des composants ;
• grande robustesse, pas de risque de détérioration pour cause de surcharge (moteurs pneumatiques de visseuses) ;
• pas de pollution pour les échappements d’air et les fuites ;
• utilisation idéale en milieu explosif ;
• capacité de refroidissement ;
• peu sensible à une atmosphère insalubre (cas des forges et fonderies) ;
• peu sensible aux grands écarts de température (cas des forges et fonderies) ;
• peu sensible aux champs électromagnétiques (soudeuses, fours) ;
• peu sensible aux vibrations ;
• peu sensible aux poussières du fait que les armoires sont en légère surpression (due au fonctionnement et à l'échappement des gaz) ;
• plus sécurisant que l'emploi de l'électricité ;
• dépannage possible par le technicien responsable du chantier.

Inconvénients

Malgré de nombreux avantages, l’automatisation par l’air comprimé présente des inconvénients :

• nécessité d'assurer la propreté de l'air (filtration). Aucune impureté (poussière, etc.) ne doit pénétrer dans le système. L'eau (venant en particulier de la condensation de l'humidité de l'air ambiant) et l'huile (venant du compresseur) doivent être retirées à l'aide de filtres ou de sécheurs ; toutefois, il peut être nécessaire de réintroduire de l'huile pour lubrifier certains outils : cette huile se retrouve alors à l'échappement ;
• difficulté d’obtenir des vitesses régulières et des puissances constantes, du fait de la compressibilité de l’air et des variations de pression lors de sa détente ;
• relatives faiblesses des forces développées : pour des efforts importants, il est préférable voire impératif de faire appel à un système hydraulique ;
• bruit des échappements : ce phénomène désagréable se trouve en partie résolu grâce à l’utilisation de silencieux ;
• rendement plutôt faible : les lois de la thermodynamique et le peu d'attention parfois accordée à l'efficacité énergétique (thermodynamique) (fuites) peuvent entraîner des gaspillages et un rendement plus faible (20 à 40 %) que celui de systèmes électriques ;
• il n'existe pas ou peu de gaz pré-comprimé exploitable à l'état naturel. Il est donc nécessaire de comprimer l'air artificiellement (consommation d'une autre énergie), ce qui n'en fait qu'un moyen de transport ou de stockage d'énergie, mais pas une source d'énergie primaire.

Domaine de la force

Les marteaux-piqueurs utilisés dans les travaux publics.

Les compresseurs, moteurs et vérins pneumatiques peuvent servir à transmettre une force à distance et à composer les machines-outils les plus diverses : d’un simple piston éjecteur à une chaîne de montage complète, capables de forer, fraiser, déplacer, centrer la pièce à usiner, en jouant sur les mouvements rotatifs ou linéaires – lents ou ultra rapides – avec une souplesse et un prix de revient beaucoup plus intéressants que ceux permis par l’électricité ou l’hydraulique.

Autres exemples d'utilisation : Les catapultes des porte-avions du début du XX^e siècle⁴, le freinage des véhicules poids-lourds⁵ et des locomotives et wagons des chemins de fer⁶ (freins pneumatiques et électropneumatiques)⁷, le lancement des moteurs Diesel, le démarrage des moteurs de F1, de camions, de certains avions (via l'APU) et des groupes électrogènes.

Automatisme

Des circuits logiques complètement pneumatiques (cellules pneumatiques) peuvent équiper les machines dont nous venons de parler, en combinaison éventuellement avec des commandes ou des contrôles électroniques.

Armes à air comprimé

Les armes dites à « air comprimé » regroupent toutes les armes à canon court (pistolet) ou long (carabines) utilisant la détente d'un gaz afin de propulser un projectile, les armes à ressort actionnant un piston qui comprime l’air pour expulser un projectile, ainsi que les lanceurs de billes de peinture utilisés pour le paintball.

Plongée sous-marine

En plongée sous-marine, l'air comprimé est utilisé pour la respiration sub-aquatique, à l'aide de bouteilles contenant généralement entre 12 et 18 litres d'air comprimé à 200 bars.

Énergie motrice

La détente de l'air comprimé a été utilisée très tôt comme énergie de propulsion pour divers véhicules à air comprimé. Le moteur du véhicule n'émet en effet aucun gaz polluant et est silencieux.

On peut citer les locomotives utilisées dans les mines et les tunnels (percement du tunnel ferroviaire du Saint-Gothard), les tramways comme ceux du système Mékarski mis en service à Nantes en 1879⁸ et utilisés jusqu'en 1917 et les locomotives de l'Arpajonnais sur la partie parisienne du trajet.

Dans certaines industries, l’usage de l’électricité est à proscrire, notamment en raison du risque d’explosions, c’est ainsi qu’on retrouvait des locomotives à air comprimé dans les charbonnages et qu’il existe des appareils d’éclairage équipés d’une micro-turbine qui entraîne un alternateur.

Un sous-marin propulsé par de l'air comprimé a été développé vers 1860 à Rochefort par l'ingénieur Charles Brun : le Plongeur⁹. L'air comprimé est aussi actuellement utilisé pour vider les ballasts des sous-marins.
Au XIX^e siècle, les premières torpilles étaient propulsées par de l’air comprimé.

Aéronautique : L’ingénieur et pionnier de l’aéronautique Victor Tatin construisit en 1879 un modèle réduit opérationnel d’avion mu par un moteur à air comprimé¹⁰.

La Ville de Paris, cas unique au monde, aura disposé jusqu'en 1994 d'un réseau urbain plus que centenaire de distribution d'air comprimé à six bars étendu à tous les arrondissements et à la proche banlieue (Compagnie Parisienne d'Air Comprimé qui deviendra la Société urbaine d'air comprimé - SUDAC). Le but poursuivi par Victor Popp, le promoteur de ce réseau, était la distribution de la force motrice alors que les réseaux électriques n'existaient pas encore. L'air actionnait des petits moteurs dans quantité d'ateliers. Il servait aussi à faire du froid (par détente) chez les cafetiers-limonadiers de la capitale et au fonctionnement d'innombrables ascenseurs hydropneumatiques dans les beaux immeubles. Un réseau indépendant piloté par une horloge centrale commandait le mécanisme d'horloges¹¹ publiques et privées unifiant ainsi l'heure dans la ville.

De nouveaux développements dans le domaine des véhicules non polluants sont aussi apparus récemment¹².

Intérêt potentiel de l'air comprimé pour les moteurs

Dans le domaine du stockage d'énergie et des moteurs, un avantage de l'air comprimé tient au fait que les réservoirs utilisés pour emmagasiner cette énergie peuvent être fabriqués très simplement à peu de frais à partir de nombreux matériaux banals, durables, peu couteux et souvent facile à recycler ou à détruire proprement, tels que l'aluminium, l'acier, des composites de toutes sortes (fibre de carbone etc.) etc. Il n'y a donc pas de limitation de disponibilité en ressources rares et chères (ex : Lithium) comme il peut y en avoir pour les batteries.

Il en est de même pour les dispositifs de remplissage, qui sont également banals ; et des dispositifs d'utilisation (moteur à air comprimé, vérins). C'est d'ailleurs dans les avantages de ces dispositifs (poids/puissance favorable, simplicité, fiabilité, faible coût, etc.) que réside le principal avantage de l'air comprimé.

Cependant, 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. Et le cycle complet ne restituera que moins de la moitié de l'énergie fournie au départ du stockage, avec des limites théoriques incontournables : 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, dans des conditions où il n’y a pas formation de monoxyde d’azote ; mais cela implique un dispositif plus complexe, et ne change rien à la perte initiale. 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.

Énergie pneumatique - calculs de modélisation pour l'air

L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.

Une estimation de l'énergie disponible dans un volume donné d’air est fournie dans l’article en référence. Les calculs liés à un système pneumatique utilisent la masse volumique de l’air, qui est de 1,293 kg/Nm³ (1 Nm³ = 1 normo mètre cube qui est une une unité de mesure établie à la pression atmosphérique normale de 1,013 × 10⁵ Pa = 1 atm à 0 °C de température).

Stockage d'énergie

Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES) est un moyen de stocker l’énergie excédentaire produite en heures creuses (par exemple par des éoliennes ou des panneaux solaires) pour ensuite l’utiliser en heures de pointe ou lorsqu’il n’y a plus de production (exemple : les panneaux solaires la nuit). L’air comprimé produit peut être stocké dans des bonbonnes ou dans des cavernes souterraines¹³. Une installation de stockage d'énergie à air comprimé en caverne (0,3 GWh) a été mise en service en Chine an 2022¹⁴. Une autre, plus importante (4 GWh) est en cours d'installation en Californie¹⁵.

La technique des accumulateurs oléo-pneumatiques peut aussi être utilisée en alternative aux batteries des alimentations sans interruption et permettre de pallier les pannes de secteur pour l'alimentation électrique de réseaux critiques (hôpitaux, serveurs informatique…)¹⁶.

Énergie éolienne

Sont à l'étude des éoliennes équipées de compresseurs d'air pour stocker l'énergie.

Autres usages

Différents procédés utilisent l'air comprimé comme source d’énergie :

• le procédé Triger de fondation par air comprimé était largement utilisé au XIX^e siècle pour réaliser des fondations en milieu humide (ou dans le lit de fleuves) en utilisant l'air comprimé pour repousser l'eau le temps des travaux ;
• des réseaux de poste pneumatique ont existé au xx^e siècle dans quelques villes européennes et américaines (à Paris jusqu'en 1984), pour propulser dans des tubes souterrains, à l'aide d'air comprimé, des boîtes cylindriques pour transporter du courrier ou de petits objets¹⁷. Cette technique est toujours employée dans l’industrie, certaines banques et aux caisses des grands magasins. À proprement parler, le fluide moteur est de l'air surpressé (moins de un bar de pression), mais à grand débit, et non de l'air comprimé. Il est produit par des surpresseurs et non par des compresseurs¹⁸ ;
• Certains canons à neige utilisent de l'air comprimé pour projeter l'eau pulvérisée¹⁹ ; le refroidissement lié à la détente de l'air participe à la formation des cristaux de neige ;
• la réfrigération et la production d'air froid par des tubes vortex utilisant de l'air comprimé comme source d'énergie ;
• certains disjoncteurs à haute tension à courant continu utilisent un jet d'air comprimé pour souffler l'arc électrique qui se forme lors de l'ouverture du contact ;
• certains pistolets à peinture et les aérographes utilisent l'air comprimé pour pulvériser la peinture liquide et la projeter sur l'objet à peindre.

Références

• (en) Compressed air - Industry's Fourth Utility [archive]
• (en) rapport Fraunhofer ISI - ADEME, l’air Comprimé en Europe [archive]
• le compresseur donne une idée de la taille du moteur équivalent dont il serait nécessaire d'équiper l'outil auquel est relié
• Histoire aéronavale, catapultes [archive] histoire-de.com, consulté en aout 2013
• MAHLE, structure d'un frein pneumatique [archive] mahle.com, voir archive
• Le frein ferroviaire à air comprimé [archive] Voisin.ch
• Freins ferroviaires pneumatiques [archive] Faiveley
• Tramway nantais Mékarski [archive] Amtuir.org
• Qui a inspiré le Nautilus du Capitaine Némo ? [archive] traqueur-stellaire.net, 8 décembre 2009
• (en) Hargrave - Les pionniers de l’aviation : Victor Tatin [archive], sur ctie.monash.edu
• [1] [archive] Calendriers Saga mesure du temps, consulté en septembre 2015
• Catecar SA, annonce en Suisse d'une voiture avec moteur à air [archive] (voir archive).
• « ADELE : stockage adiabatique d’énergie par l’air comprimé » [archive], sur bulletins-electroniques.com (consulté en janvier 2010)
• Mise en service de la première caverne de stockage d'énergie à air comprimé de Chine [archive] french.china.org, le 28 mai 2022
• Un gigantesque projet de stockage d’électricité par air comprimé lancé en Californie [archive] revolution-energetique.com, janvier 2023
• (en) « PNU - compressed air battery » [archive]
• « Messagerie en sous-sol – La mémoire du pneu » [archive], sur franceculture.com.
• « Aerocom – Transport par tube pneumatique » [archive], sur aerocom-france.com.

Voir aussi

Articles connexes

• Énergie pneumatique
• Théorie cinétique des gaz
• Véhicule à air comprimé
• Moteur à air comprimé
• Compresseur
• Arme à air comprimé
• Frein à air

Liens externes

• (en) Histoire des véhicules ferroviaires à air comprimé [archive]
• MDI, voitures à air comprimé [archive]
• Glossaire : l'air comprimé [archive]

• Portail des technologies
• Portail de la production industrielle
• Portail de l’énergie