STOCKAGE D’ENERGIE SOUS FORME D’AIR COMPRIME ET VEHICULES A AIR COMPRIME EN MILIEU RURAL

Par François BOUTEILLE
Ingénieur CNAM en Thermique
Gérant de la SARL Etudes Air Comprimé

L’air comprimé est un fluide un peu méconnu du grand public, qui joue depuis plus de 100 ans un rôle essentiel dans l’automatisation de divers Process industriels. Il pourrait jouer un rôle dans la vie quotidienne des gens en tant que réserve d’énergie.

Historiquement, l’air comprimé a été beaucoup utilisé dans les mines. Ceci explique que les principaux fabricants de compresseurs, comme Atlas Copco ou Ingersoll Rand, aient été, à l’origine, des fabricants de matériels pour l’exploitation des mines. L’histoire de l’air comprimé n’est, toutefois, pas considérée comme un chapitre essentiel de l’histoire humaine. C’est ainsi que le groupe de mots « air comprimé » est tout simplement absent de l’index de l’encyclopédie de la Pléiade sur l’histoire des techniques, qui traite par contre de manière approfondie, sans doute à juste titre, de la fabrication du fer dans des fours préhistoriques à Madagascar !

L’air comprimé pourrait, à notre avis, devenir important en tant que mode de stockage de l’énergie. Une de ses applications pourrait être le transport, soit la « voiture à air comprimé », voire « la motocyclette à air comprimé ». Dans ce domaine, il existe deux types de motorisation à air comprimé : celles qui utilisent un moteur thermique modifié, embarqué dans le véhicule, pour fabriquer de l’air comprimé, et celles qui utilisent un simple réservoir d’air comprimé haute pression, que l’on recharge en le connectant à un réseau d’air comprimé quand il est vide. Les deux systèmes existent depuis longtemps :

Un tramway à air comprimé utilisant un réservoir d’air à 200 bars a fonctionné au début du 20^ième siècle.
Le démarrage des moteurs de navires est traditionnellement réalisé par détente d’air comprimé. L’auteur de cet article a travaillé sur un navire équipé d’un moteur PERKINS dont un des cylindre avait été modifié afin de servir de compresseur d’air et de gonfler le réservoir nécessaire au démarrage suivant (dimensionné pour seulement trois essais de démarrage : après, il fallait démarrer le petit compresseur de secours et attendre un long moment que la pression remonte!).

Au premier abord, des Energéticiens sont tentés de se méfier fortement du principe même de l’utilisation d’air comprimé comme source d’énergie. En effet, il faut dépenser de l’énergie mécanique pour comprimer de l’air, et ceci ne se fait pas sans une certaine dégradation d’énergie mécanique « noble » en énergie thermique à basse température « dégradée ». De même, la transformation de l’énergie potentielle de pression en air comprimé ne se fait pas sans une certaine dégradation d’énergie mécanique en chaleur. En première approximation, si on perd 50% de l’énergie lors de la compression et 50% lors de la détente avec fourniture de travail, on a un rendement de seulement 25% qui semble devoir faire de l’air comprimé une solution plutôt coûteuse en énergie.

On doit toutefois noter que l’air comprimé présente certains avantages à l’utilisation, notamment sa capacité à stocker l’énergie et à produire du froid par détente avec fourniture de travail, ce qui nous amène à vous proposer d’examiner :

les possibilités de motorisations pneumatiques et les bases théoriques des « transformations énergétiques » mises en œuvre.
les utilisations possibles dans la vie courante rurale des prochaines années, marquées par la nécessité croissante de la « sobriété » énergétique.

1. Les possibilités de motorisation par air comprimé et les transformations énergétique en jeu

Il existe d’innombrables applications de motorisation par air comprimé :

Outils pneumatiques portatifs : l’air comprimé se détend à travers un moteur « volumétrique » qui ressemble tout à fait à un petit compresseur d’air à palettes et en fait tourner l’arbre. En général, on récupère moins de 10% de l’énergie potentielle de pression afin de limiter les dimensions du moteur – il faut qu’il reste léger pour être portable. Des outils électriques sur batterie sont de plus en plus utilisés, principalement parce qu’ils évitent le raccordement à un flexible ou à un fil électrique. Le gain principal est sur l’ergonomie – on travaille mieux et plus vite avec un outil sur batterie qu’avec un outil pneumatique.
Multiplicateurs de pression : il s’agit de petits surpresseurs qui reçoivent de l’air comprimé à une pression donnée, par exemple à 7 bars, et en utilise une partie pour monter de quelques bars la pression de la partie non consommée.
Moteurs pneumatiques pour palans ou ascenseurs : application très fréquente, notamment dans les zones explosibles. Dans ce domaine, les moteurs ATEX tendent à remplacer les motorisations pneumatiques, à notre avis parce que l’électricité est distribuée plus facilement que l’air comprimé.
Moteurs pneumatiques pour vider des fours ouverts : en cas de coupure de courant, certaines machine industrielles ont besoin de continuer à fonctionner le temps de vider leur charge : ceci permet d’éviter l’incendie de celle-ci, par exemple des pièces en cours de polymérisation.
Coussin d’air : le coussin d’air n’est pas à proprement parler une motorisation, mais permet de transporter de lourdes charges – par exemple un navire – sur des surfaces planes, horizontales et lisses. Le coussin d’air supprime les frottements. L’utilisation du coussin d’air était à la base du projet de « turbo train ».
Jets d’air et transports pneumatiques : des jets d’airs sont fréquemment utilisés dans l’industrie pour transporter divers produits pulvérulents ou légers (boîtes ou bouteilles). Dans le passé, on utilisait fréquemment l’air comprimé pour envoyer des messages « pneumatiques » d’un bureau de poste à l’autre, à Paris. On utilise aussi le vide (pas trop poussé, sinon il n’y a plus de force aérodynamique !) pour transporter des pulvérulents. Une règles simple est qu’on utilisera l’air comprimé pour transporter des pulvérulent depuis un point unique vers plusieurs points, et le vide pour transporter depuis plusieurs points vers un point unique.
Démarreurs pneumatiques : pour le démarrage de moteurs de navire, d’avion ou de groupes électrogènes, l’air comprimé reste principalement utilisé.
Production d’électricité aux heures de pointe : un stockage d’air comprimé réalisé – comme on le fait pour le gaz naturel – dans une mine de sel ou de calcaire, permet de fournir de l’électricité en appoint aux heures de pointe. Les heures de pointe correspondent au démarrage des climatisations. Le principe est de comprimer lentement de l’air à environ 7 bars, et de le stocker dans le sol. Aux heures de forte consommation, le prix du kWh devient très élevé et on a pu trouver une rentabilité au fait de « turbiner » l’air comprimé stocké.
Moteurs à air comprimé pour véhicules automobiles : des moteurs de véhicules automobiles (taxis, notamment) sont utilisés pour réduire la pollution dans les villes. On notera que l’air comprimé est particulièrement bien adapté pour fonctionner dans des embouteillages : quand on n’avance pas, on ne consomme pas d’air comprimé. Mais c’est aussi le cas des motorisations électriques sur batterie, et même de moteurs thermiques conçus, aujourd’hui, pour s’arrêter dès que le véhicule s’arrête et redémarrer automatiquement.

Plutôt que de reprendre des informations aujourd’hui largement diffusées sur le moteur à air comprimé, nous croyons utile de rappeler ici les principes de base de la compression et de la détente de l’air comprimé, et de montrer, intuitivement et sans formules mathématiques, comment l’air comprimé pourrait être utilisé.

Essentiellement, la compression peut être :

« Adiabatique » : sans refroidissement de l’air comprimé pendant la compression. Dans ce cas, il n’y a pas de récupération de chaleur du tout, dans le cas d’une compression idéale.
« Isotherme » : l’air comprimé est refoulé à la même température que celle à laquelle il a été aspiré. Dans ce cas, dans le cas d’une compression isotherme idéale, on évacue sous forme de chaleur récupérable (pour du chauffage, par exemple), exactement la puissance mécanique consommée par le compresseur. S’il faut condenser de la vapeur d’eau présente à l’aspiration, il faut évacuer la chaleur latente de condensation de cette vapeur d’eau, ce qui a pour effet, même avec une compression isotherme idéale, d’augmenter le besoin de refroidissement.
En dehors de ces deux cas d’écoles, on parlera de compression « polytropique ». La différence essentielle entre les divers types de compression c’est que plus on extrait de chaleur, plus on abaisse la température de refoulement. Ceci est important d’une part pour la tenue mécanique des compresseurs, d’autre part pour prévoir une puissance motrice et une capacité d’évacuation de la chaleur suffisante.

De la même manière, la détente de l’air comprimé peut être adiabatique, isotherme ou polytropique :

Dans le cas d’une détente adiabatique avec fourniture de travail, il n’y a pas d’échanges de chaleur – on ne réchauffe pas l’air comprimé pendant sa détente – et il s’échappe à une température très basse. L’air comprimé aurait été le premier fluide frigorigène utilisé dans l’histoire, dans le but de refroidir la bière pendant sa fermentation !
Dans le cas d’une détente isotherme, on doit rendre à l’air comprimé la chaleur qu’il a fourni pendant sa compression isotherme.
Comme dans le cas de la compression, le caractère plutôt adiabatique ou plutôt isotherme de la détente de l’air comprimé a des conséquences sur la température de fin de détente et la quantité de chaleur à fournir pour éviter que cette température s’abaisse trop.
Outre les problème de tenue mécanique des moteurs, la détente de l’air comprimé impose une contrainte importante : ne pas descendre en dessous de la température de condensation sous forme de rosée ou de givre de la vapeur d’eau contenue dans l’air. En effet, quand un bouchon de glace se forme à l’échappement de votre moteur pneumatique, celui-ci s’arrête jusqu’à ce que la glace fonde !
On peut éviter en partie ces phénomènes de condensation en asséchant l’air comprimé, mais ceci est une opération coûteuse en énergie, qui peut majorer sensiblement l’énergie spécifique «en kWh/m3 » de votre air comprimé.
On notera que la compression adiabatique assèche l’air comprimé – tant qu’il reste à température élevée, tandis que la compression isotherme fourni toujours de l’air comprimé à 100% d’humidité relative, sauf peut-être à des pression très basses. En effet, la compression isotherme réduit la pression partielle de vapeur d’eau, ce qui, à température constante, a pour effet de provoquer la condensation de cette vapeur d’eau.

Pour qu’un stockage d’énergie devienne opérationnel, il faut choisir un mode de compression, s’est à dire une technologie de compresseur et de refroidisseur – éventuellement de sécheur d’air comprimé – et choisir aussi un mode de détente avec ou sans réchauffage préalable.

Si on prend l’exemple de l’air comprimé utilisé pour le démarrage des navires ou des groupes électrogènes, il s’agit d’une compression quasiment isotherme, sans séchage. En effet, les petits compresseurs à pistons utilisés pour monter la pression d’un réservoir entre 10 et 40 bars refoulent à une température de fin de compression de plus de 100°C, mais l’air comprimé se refroidit naturellement dans le réservoir, et de la vapeur d’eau s’y condense, qu’il convient de purger.

Lors de la détente avec fourniture de travail mécanique, la vapeur d’eau se condense. S’agissant d’un démarrage unique sur quelques secondes, il n’y a pas de risques de voir se former un bouchon de glace.

A l’échappement d’un multiplicateur de pression ou d’un outil pneumatique fonctionnant en continu sur des durées un peu longues, on voit se former des bouchons de glace, sauf si l’air comprimé est suffisamment séché.

Dans le cas d’un stockage d’air comprimé de type domestique, susceptible de fournir de l’énergie motrice au domicile (production d’électricité) ou sur un véhicule, on comprend immédiatement que l’air comprimé sera utilisable de manière énergétiquement efficace seulement pour produire une puissance plutôt élevée sur un temps plutôt court : dans ce cas, la détente sera plutôt adiabatique et la température de fin de détente sera très inférieure à 0°C.

2. L’air comprimé : une réponse partielle aux besoins énergétiques futurs en milieu rural ?

Quand on dit que l’air comprimé pourrait constituer une réponse à des besoins futurs, il est important de préciser : les besoins futurs de qui ?

La détente de l’air comprimé présente la caractéristique de pouvoir fournir une puissance importante pendant un temps court. A la limite, s’il fallait battre un record de vitesse – en particulier avec départ moteur arrêté – l’air comprimé aurait toutes ses chances, du moins si on exclut les combustibles de fusée et les explosifs ! Notre réflexion n’a toutefois pas pour but de fournir aux gens des sensations fortes et les risques associés à la vitesse ou à l’accélération.

Nous préférons nous placer dans la perspective décrite par M Yves COCHET dans son remarquable ouvrage publié en 2005 « Pétrole Apocalypse » (Fayard). Dans la situation envisagée par M COCHET, et qui pourrait concerner les toutes prochaines années, une diminution de la capacité de production mondiale de pétrole, coïncidant avec une augmentation de la demande mondiale, aurait pour conséquence une augmentation importante du prix du pétrole – et sans doute aussi des autres sources d’énergie.

M COCHET montre son objectivité, et un certain pessimisme, en admettant que le recours aux énergies renouvelables, pas plus que l’énergie nucléaire, ne sauraient satisfaire les besoins énergétiques qui ne pourraient plus être couverts par le pétrole. La « sobriété énergétique » est présentée dans son ouvrage plutôt comme une nécessité subie, et même potentiellement catastrophique, que comme un choix idéologique.

Dans cette situation, le recours à l’air comprimé en tant que mode de stockage de l’énergie semble susceptible de concerner deux types d’acteurs : les producteurs d’électricité et les habitants des zones rurales. En ce qui concerne les fabricants d’électricité, le stockage d’air comprimé apparaît comme un moyen de « lisser » les pics de consommation. En France, on pompe la nuit de l’eau au pied des barrages et on la turbine aux heures de pointe en journée. En Allemagne ou en Floride, on met sous pression d’air comprimé une mine de calcaire ou de sel et on la turbine pour lisser les pics de consommation. De tels procédés sont intéressants parce qu’ils sont économiquement rentables. Ils permettent essentiellement de réduire la capacité de production d’électricité installée, pas du tout d’économiser de l’énergie.

Si on laisse de côté ces applications du stockage d’air comprimé servant à lisser les pics de consommation, on peut penser que le stockage d’énergie sous toutes ses formes, et donc notamment sous forme d’air comprimé sera utile en premier lieu dans les régions de la planète où l’électricité deviendrait moins fiable, ou tout à fait indisponible. Il s’agirait donc de fournir tout ou partie de l’énergie dans des zones rurales – non seulement dans des pays actuellement sous développés ou émergents, mais aussi dans diverses campagnes d’Europe, et notamment en France :

Ce type de stockage d’air comprimé peut être associé à une production locale d’énergie. En effet, un compresseur d’air peut être entraîné par une petit chute d’eau, voire par une éolienne de faible puissance, comme celles qu’on utilise pour pomper de l’eau. On peut aussi utiliser de l’électricité produite localement par tout moyen, y compris par exemple une pompe centrifuge fonctionnant en générateur sur une chute d’eau.
La maintenance d’un compresseur d’air peut être assurée par les mêmes mécaniciens qui assurent l’entretien des machines agricoles ou des véhicules automobiles. Un compresseur consomme un peu d’huile pour sa lubrification – certains compresseurs de faibles puissances ne sont pas lubrifiés mais équipés de roulement graissés à vie. Il y a donc quelques polluants susceptibles de poser problème, mais rien de comparable aux polluants que peuvent occasionner les batteries et les piles utilisées en l’absence de raccordement électrique.
Contrairement à ce qui se fait aujourd’hui dans l’industrie, il paraît difficile de contribuer au chauffage des habitations, ou même de l’eau chaude sanitaire. Il s’agit en effet de très faibles puissances de compression, peut-être 200 à 2000 W. En général, ces compresseurs seront refroidis par air par convection naturelle (tube à ailettes) et installés en dehors de la zone habitée pour éviter le bruit, même si certains compresseurs émettent moins de 65 décibels acoustiques à 1 mètre.
Le principe d’utilisation d’un tel compresseur est que l’on rechargera le réservoir à sa pression maximale pendant une durée pouvant aller jusqu’à 24 heures par journée, et qu’on produira de l’énergie électrique, par exemple pour l’éclairage , pendant la soirée et le matin – disons pendant 4 heures par journée. Ceci permet de disposer d’une puissance jusqu’à 24 h /4 h = 6 fois plus importante sur les 4 heures de vie sociale ou familiale que la puissance consommée par le compresseur. On a donc un régime d’utilisation très similaire à celui des panneaux solaires photovoltaïques fournissant de l’électricité à une batterie, et le compresseur d’air pourrait tout à fait être alimenté par des panneaux solaires photovoltaïque.
L’intérêt du recours à l’air comprimé en tant que stockage d’énergie dans l’habitat rural, plutôt qu’a des batteries électriques, tient, à notre avis au fait que pendant les 4 heures où l’air comprimé sera détendu, en détente proche de l’adiabatique, on pourra l’utiliser pour rafraîchir une chambre froide ou un cellier.
Une autre application de l’air comprimé en milieu rural pourrait être sa force motrice, non pas pour atteindre des vitesses ou des accélérations élevées mais simplement pour déplacer des charges lourdes. Une grande partie de l’utilisation d’un tracteur dans un centre équestre, par exemple, consiste à le démarrer pour transporter une botte de foin ou de paille sur 100 m. Dans ce cas, la durée d’utilisation étant très faible, peut 10 minutes sur 1440 minutes que comporte une journée, le facteur de « multiplication de puissance » est très supérieur : 1440 min / 10 min = 144. Un compresseur de 500 watts pourrait alimenter un tracteur de 50 kW.

3. Vers la sobriété énergétique

On peut penser que l’habitat rural est appelé à se développer avec des habitants qui ne seront pas nécessairement des agriculteurs, au moins dans les actuels pays développés. Lors du dernier choc comparable à celui que M COCHET prévoit, le retour à la campagne à été utile à bien des citadins. C’était pendant la dernière guerre. Des sources d’énergie anciennes pourraient y être utilisées à nouveau, avec probablement des rendements améliorés par rapport aux essais du passé : chaudières à biomasse, chutes d’eau, gazogène.

L’air comprimé pourrait y jouer un rôle en tant que mode de stockage de l’énergie photovoltaïque, hydraulique ou éolienne en vue de la production d’électricité chaque fois que l’alimentation réseau serait défaillante. De manière plus inattendue, l’air comprimé pourrait jouer un petit rôle en tant que fluide frigorigène pour rafraîchir un cellier ou une chambre froide. L’application du moteur à air comprimé dans le domaine du transport en zone rurale pourrait être le transport des charges lourdes.

Une caractéristique intéressante de l’air comprimé, souvent utile dans les études que nous réalisons quotidiennement en France et en 2009 dans l’industrie, et de fournir une réserve d’énergie quand tout le reste, l’électricité notamment, est en panne ! Un moteur pneumatique peut alors prendre le relais des moteurs électriques arrêtés pour, par exemple, vider un four ouvert de recuisson avant que sa charge ne soit endommagée ou ne brûle.

Nous pensons qu’une réserve d’air comprimé 200 bars pourrait constituer, un jour prochain, le moyen de secourir des installations de tous types, y compris dans le domaine de l’habitat rural, quand la fiabilité de l’alimentation en électricité s’y sera dégradée, comme on peut s’y attendre même dans les pays les plus riches.

Qu’il s’agisse pour les fabricants d’électricité de stocker de l’air comprimé en vue de sa transformation en électricité aux heures de forte consommation, ou qu’il s’agisse pour les habitants de zones rurales de disposer d’alimentations locales en énergie en secours de réseaux défaillants, les remarques suivantes amènent à réfléchir :

Les fabricants et les consommateurs ruraux équipés de moyens de stockage de l’énergie seront probablement amenés à collaborer : les consommateurs ruraux pourraient bénéficier de contrats leur permettant de stocker la nuit et s’effacer le jour, par exemple, un peu comme les contrats EJP du passé.
Le stockage d’air comprimé pourrait jouer un rôle intéressant et rentable mais sans doute marginal pour les producteurs d’électricité.
Le stockage d’air comprimé pourrait jouer un rôle intéressant et néanmoins marginal pour les habitants des zones rurales dans les actuels pays développés.
Le stockage d’air comprimé pourrait, malgré son caractère relativement marginal, constituer un marché important et tout à fait nouveau pour les fabricants d’air comprimé, aussi bien auprès des grands producteurs d’électricité qu’auprès des habitants solvables des zones rurales.

Quel que soit l’avenir et la manière dont nos sociétés sauront s’y préparer, il nous semble important de maîtriser, au moins de manière intuitive, les transformations énergétiques de compression et de détente de l’air comprimé avant de prendre une position trop tranchée pour ou contre le stockage d’air comprimé.

Nous espérons avoir aidé un peu le lecteur dans cette direction.

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