- Véhicule à air comprimé
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Tramway Mékarski à air comprimé - La Rochelle vers 1905
Un véhicule à air comprimé est un véhicule mû par un moteur à air comprimé.
Sommaire
Historique
Locomotive à air comprimé - Tunnel du Saint-Gothard vers 1875
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[1].
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[2],[3].
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[4]. Puis il fut utilisé sur plusieurs lignes du réseau d’Ile-de-France : Chemins de fer nogentais, Tramway de Sèvres à Versailles, Tramways de St Maur et sur le réseau parisien de la Compagnie Générale des Omnibus[5] de 1894 à 1914.
En 1879, l'ensemble du réseau des tramways nantais[6] était équipé 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)[7], Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), Saint-Quentin (1899) et La Rochelle[8] (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, USA.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[9]. 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 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 cependant sur l'application du moteur à air comprimé pour l'automobile.
La technologie
Le moteur à air comprimé et les réservoirs d'air comprimé sont des cas particuliers de système pneumatique, qui utilisent les principes de thermodynamique des gaz compressibles présentés dans les articles correspondants.
Pneumatique vs électrique
Pour un usage automobile (ou transport en commun), le moteur pneumatique pourrait être préféré aux moteurs électriques pour les raisons suivantes :
- Il permet un mouvement cyclique lent (100 à 2 000 cycles/minute selon la cylindrée),
- Il offre un couple important pour un volume et un poids minimum,
- La conception mécanique séquentielle du moteur est simple et robuste,
- Son coût d’entretien et de fabrication est plus faible que celui d'un véhicule électrique (coût de la batterie),
- Le stockage de l’air comprimé en bonbonnes est à priori exempt de toute forme de pollution,
- Un réservoir d'air en fibres de carbone pèse moins lourd qu'une batterie,
- 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,
- Les deux systèmes présentent l'inconvénient d'une faible autonomie,
- Par contre, la recharge électrique est silencieuse alors que la compression d’air ne l'est pas.
Le principal défaut reproché aux véhicules à air comprimé est une autonomie réduite 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
Actuellement deux entreprises, Motor Development International (MDI) et Energine, basent 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 encore abouti à ce jour à aucune forme de commercialisation.
Un prototype MDI exposé au Salon international de l'automobile de Genève 2009.Pour diffuser ses produits, MDI à 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 licence pour l'application exclusive de cette technologie en Inde a été signé avec le géant de l'automobile indien TATA. 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[10], mais depuis fin 2010, aucun document ni article concernant MDI ne sont plus accessibles sur le site de Tata Motors.
La première mise en production industrielle concrète 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[11], mais ce projet est abandonné (juin 2011), comme d'ailleurs toutes les coopérations antérieures avec 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.
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.
Autres
Un véhicule équipé d'une quasiturbine.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.
Lors du salon du design de Los Angeles (novembre 2010), les constructeurs automobiles Honda, Volvo et Cadillac ont présenté des « concept car » équipés de moteurs à air comprimé[12],[13].
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 19e siècle et du début du 20e, 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[5]. 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). Il pourra produire idéalement une énergie comprise entre 27 MJ= 7,5 kWh (détente adiabatique) et 51 MJ= 14,2 kWh (détente isotherme).
Ces valeurs sont majorantes de ce qui se passe réellement : le rendement du moteur étant pris égal à 1, en réalité il est plus probablement de 0,5 (voire moins). L’énergie réellement disponible serait donc plus proche de 3,7 kWh (détente adiabatique) et 7 kWh (détente isotherme).
Si le moteur fait 20 kW, 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 5kWh (18 MJ) aux 100 km[14] 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.
Notes et références
- Thierry Veyron: Houillères françaises et belges - locomotives à air comprimé
- Les chemins de fer atmosphériques - Inventions françaises: Andraud
- AMTUIR, Andraud et Tessier de Motay
- AMTUIR, Paris - motrices Mékarski
- (en) www.tramwayinfo.com, motrices Mékarski Paris-CGO
- Musée des Transports Urbains - AMTUIR - Tramways nantais
- (de) Site des tramways historiques de Berne
- Le tramway à La Rochelle [PDF]
- (en) Histoire des véhicules ferroviaires à air comprimé
- (en) An engine which uses air as fuel Tata Motors and technology inventor, MDI of France, sign agreement - Communiqué de presse de Tata Motors, 5 février 2007 (voir archive)
- Véhicules à air comprimé produits en Suisse dès mars 2011 [PDF]
- Salon de Los Angeles – concept-cars à air comprimé
- (en) Volvo air concept
- HKW-Aero Energie utile voiture - page 31 [PDF]
Annexes
Articles connexes
Liens externes
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