Une voiture à air comprimé est un véhicule à air comprimé qui utilise un moteur alimenté par air comprimé. La voiture peut uniquement être alimentée par voie aérienne ou combinée (comme dans un véhicule électrique hybride) à de l’essence, du diesel, de l’éthanol ou à une installation électrique avec freinage par récupération.

Vue d’ensemble
Les moteurs pneumatiques fixes peuvent être trouvés dans une variété de machines et d’outils.

Diverses applications de niche avec entraînement à air comprimé, telles que les tramways à Berne et les locomotives pneumatiques, par exemple. B. dans la construction du tunnel du Gothard ou des locomotives minières, ont été réalisés dans le passé. Un grand nombre de ces applications spéciales ont maintenant été remplacées par des systèmes d’entraînement électriques plus simples et sans émissions.

Les locomotives à vapeur de stockage industriel ont un concept et une technologie similaires.

L’histoire
Dès 1838, Adraud et Tessié du Motay construisirent un véhicule pneumatique à Paris et le présentèrent en 1840. Dans le transport ferroviaire, ce type de conduite était utilisé pour la première fois en 1879 dans le tramway de Nantes (France). Les systèmes ont été développés par l’ingénieur français d’origine polonaise, Louis Mékarski.
Le fabricant américain MacKenzie & McArthur à New Haven (Connecticut) et la société Autocrat Manufacturing à Hartford (Connecticut) se sont occupés de la voiture à air comprimé. Le nom American Pneumatic devrait comporter une voiture à air comprimé, dont la planification avait été annoncée en février 1900 par la société américaine des véhicules. Des avions des marques Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir et Pneumatic n’étaient pas non plus commercialisés. Selon le magazine américain The Hub, publié en 1899 dans le Delaware, la United States Vehicle Company détenait un capital énorme de 25 millions de dollars US. aux fins du « développement des inventions de Stackpole et Francesco et de la production de voitures de taille moyenne à entraînement à air comprimé ». La société est mentionnée en 1900 à l’adresse 1129 Broadway dans le livre Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles of Hiscox et figure encore en 1911 au registre de la ville de New York, au 52 Broadway. Ce qui a finalement été réalisé avec cet énorme investissement en capital n’est pas clair.

Propriétés
L’entraînement à air comprimé fonctionne sans processus de combustion et sans risque d’étincelles, comme il en existe sur les systèmes électriques. Il est donc très bien utilisé dans des environnements explosifs, tels. B. dans les mines souterraines.

D’un autre côté, certaines restrictions interdisent de l’utiliser comme moyen de transport en commun. Pour transporter une quantité suffisante d’énergie d’entraînement, de grands réservoirs d’air comprimé (lourds) sont nécessaires. La densité d’énergie du système d’entraînement est déjà défavorable par rapport aux simples batteries plomb-acide.

L’air comprimé est l’une des sources d’énergie les plus chères. Leur production est énergiquement affectée par des pertes très importantes. Si la chaleur générée lors de la compression ne peut pas être utilisée, elle est perdue dans le bilan énergétique. Un moteur à air comprimé efficace nécessite une expansion à plusieurs étages avec chauffage intermédiaire et est donc coûteux (concept moteur). En relâchant l’air comprimé, le moteur se refroidit. Il doit être alimenté par la chaleur de l’environnement. Si cela n’est pas suffisamment assuré, les performances du moteur à détente diminueront. Cet effet est renforcé aux basses températures ambiantes.

Technologie

Moteurs
Les voitures à air comprimé sont alimentées par des moteurs alimentés par de l’air comprimé, qui est stocké dans un réservoir sous haute pression, tel que 31 MPa (4500 psi ou 310 bars). Plutôt que d’entraîner des pistons de moteur avec un mélange air-combustible enflammé, les voitures à air comprimé utilisent l’expansion de l’air comprimé, de la même manière que l’expansion de la vapeur dans un moteur à vapeur.

Il existe des prototypes de voitures depuis les années 1920, l’air comprimé servant à la propulsion des torpilles.

Réservoirs de stockage
Contrairement aux problèmes de dommages et de danger liés à l’hydrogène dans les collisions à impact important, l’air étant ininflammable en soi, il a été rapporté dans Beyond Tomorrow de Seven Network que, par lui-même, la fibre de carbone est fragile et peut se fendre sous un stress suffisant. , mais ne crée aucun éclat quand il le fait. Les réservoirs en fibre de carbone retiennent l’air à une pression d’environ 4500 psi, ce qui les rend comparables aux réservoirs en acier. Les voitures sont conçues pour être remplies à l’aide d’une pompe haute pression.

Dans les véhicules à air comprimé, les conceptions de réservoirs ont tendance à être isothermes; un échangeur de chaleur est utilisé pour maintenir la température (et la pression) du réservoir pendant l’extraction de l’air.

Densité d’énergie
L’air comprimé a une densité d’énergie relativement faible. L’air à 30 MPa (4500 psi) contient environ 50 Wh d’énergie par litre (et pèse normalement 372 g par litre). À titre de comparaison, une batterie plomb-acide contient 60 à 75 Wh / l. Une batterie lithium-ion contient environ 250 à 620 Wh / l. L’EPA estime la densité énergétique de l’essence à 8 890 Wh / l; Cependant, un moteur à essence typique avec 18% d’efficacité ne peut récupérer que l’équivalent de 1694 Wh / l. La densité d’énergie d’un système à air comprimé peut être plus que doublée si l’air est chauffé avant la détente.

Pour augmenter la densité énergétique, certains systèmes peuvent utiliser des gaz pouvant être liquéfiés ou solidifiés. « Le CO2 offre une compressibilité bien supérieure à celle de l’air lorsqu’il passe de la forme gazeuse à la forme supercritique. »

Les émissions
Les voitures à air comprimé pourraient ne générer aucune émission à l’échappement. Étant donné que la source d’énergie d’une voiture à air comprimé est généralement l’électricité, son impact environnemental total dépend de la propreté de la source de cette électricité. Cependant, la plupart des voitures aériennes ont des moteurs à essence pour différentes tâches. L’émission peut être comparée à la moitié de la quantité de dioxyde de carbone produite par une Toyota Prius (environ 0,34 livre par kilomètre). Certains moteurs peuvent être alimentés autrement, étant donné que différentes régions peuvent avoir des sources d’énergie très différentes, allant de sources d’énergie à émissions élevées telles que le charbon à des sources d’énergie à émission nulle. Une région donnée peut également changer ses sources d’énergie électrique au fil du temps, améliorant ou aggravant les émissions totales.

Cependant, une étude de 2009 a montré que même avec des hypothèses très optimistes, le stockage d’énergie par l’air est moins efficace que le stockage chimique (par batterie).

Les avantages
Les principaux avantages d’un moteur pneumatique sont

Il n’utilise ni essence ni autre carburant à base de biocarbone.
Le ravitaillement en carburant peut être effectué à domicile, mais pour remplir les réservoirs à pleine pression, il faudrait des compresseurs de 250 à 300 bars, qui ne sont normalement pas disponibles pour une utilisation domestique standard, compte tenu du danger inhérent à ces niveaux de pression. Comme dans le cas de l’essence, les stations-service devraient installer les installations aériennes nécessaires si ces voitures devenaient suffisamment populaires pour le justifier.
Les moteurs à air comprimé réduisent les coûts de production des véhicules, car il n’est pas nécessaire de construire un système de refroidissement, des bougies d’allumage, un moteur de démarrage ou des silencieux.
Le taux d’autodécharge est très faible, contrairement aux batteries qui déchargent lentement leur charge au fil du temps. Par conséquent, le véhicule peut rester inutilisé plus longtemps que les voitures électriques.
La dilatation de l’air comprimé diminue sa température; cela peut être exploité pour une utilisation en tant que climatisation.
Réduction ou élimination de produits chimiques dangereux tels que l’essence ou les acides / métaux de batterie
Certaines configurations mécaniques peuvent permettre une récupération d’énergie pendant le freinage en comprimant et en stockant de l’air.
L’université suédoise de Lund indique que l’utilisation d’un système hybride air-air pourrait améliorer de 60% l’efficacité énergétique des bus. Mais cela ne concerne que les concepts d’air hybride (en raison de la récupération d’énergie lors du freinage), pas de véhicules à air comprimé uniquement.

Désavantages
Les principaux inconvénients sont les étapes de la conversion et de la transmission de l’énergie, car chacune a sa propre perte. Pour les voitures à moteur à combustion, l’énergie est perdue lorsque l’énergie chimique contenue dans les combustibles fossiles est convertie en énergie mécanique par le moteur. Pour les voitures électriques, l’électricité d’une centrale électrique (de n’importe quelle source) est transmise aux batteries de la voiture, qui la transmettent ensuite au moteur de la voiture, qui la convertit en énergie mécanique. Pour les voitures à air comprimé, l’électricité de la centrale est transmise à un compresseur, qui comprime mécaniquement l’air dans le réservoir de la voiture. Le moteur de la voiture convertit ensuite l’air comprimé en énergie mécanique.

Préoccupations supplémentaires:

Lorsque l’air se dilate dans le moteur, il refroidit considérablement et doit être chauffé à la température ambiante à l’aide d’un échangeur de chaleur. Le chauffage est nécessaire pour obtenir une fraction significative de l’énergie théorique. L’échangeur de chaleur peut être problématique: s’il effectue la même tâche qu’un refroidisseur intermédiaire pour un moteur à combustion interne, la différence de température entre l’air entrant et le gaz de travail est plus petite. En chauffant l’air stocké, l’appareil devient très froid et peut geler dans les climats froids et humides.

Cela entraîne également la nécessité de déshydrater complètement l’air comprimé. S’il reste de l’humidité dans l’air comprimé, le moteur s’arrêtera en raison du givrage intérieur. L’élimination complète de l’humidité nécessite une énergie supplémentaire qui ne peut pas être réutilisée et qui est perdue. (À 10 g d’eau par m3 d’air – valeur typique en été -, vous devez extraire 900 g d’eau par 90 m3; avec une enthalpie de vaporisation de 2,26 MJ / kg, vous aurez théoriquement besoin de moins de 0,6 kWh; techniquement, avec séchage à froid ce chiffre doit être multiplié par 3 – 4. De plus, la déshydratation ne peut être effectuée qu’avec des compresseurs professionnels, de sorte qu’une recharge à domicile sera totalement impossible, ou du moins pas à un coût raisonnable.)
Inversement, lorsque l’air est comprimé pour remplir le réservoir, sa température augmente. Si l’air stocké n’est pas refroidi pendant le remplissage du réservoir, sa pression diminue alors que l’air se refroidit, ce qui diminue l’énergie disponible.

Pour pallier ce problème, le réservoir peut être équipé d’un échangeur de chaleur interne afin de refroidir l’air rapidement et efficacement lors du chargement.
Alternativement, un ressort peut être utilisé pour stocker le travail de l’air lors de son insertion dans le réservoir, maintenant ainsi une faible différence de pression entre le réservoir et le chargeur, ce qui entraîne une élévation de température inférieure pour l’air transféré.

Le remplissage du réservoir d’air comprimé à l’aide d’un compresseur domestique ou d’un compresseur conventionnel peut prendre jusqu’à 4 heures, bien que des équipements spécialisés installés dans des stations-service ne remplissent les réservoirs qu’en 3 minutes. Pour stocker 2,5 kWh à 300 bars dans des réservoirs de 300 litres (90 m3 d’air à 1 bar), il faut environ 30 kWh d’énergie du compresseur (avec un compresseur adiabatique à un étage), ou env. 21 kWh avec une unité à plusieurs étages conforme aux normes industrielles. Cela signifie qu’une puissance de compresseur de 360 ​​kW est nécessaire pour remplir les réservoirs en 5 minutes à partir d’une unité à une seule étape, ou de 250 kW pour une unité à plusieurs étages. Cependant, la compression intermédiaire et isotherme est beaucoup plus efficace et pratique que la compression adiabatique si des échangeurs de chaleur suffisamment grands sont installés. Des rendements allant jusqu’à 65% pourraient peut-être être atteints (alors que le rendement actuel pour les gros compresseurs industriels est de 50% maximum), mais il est inférieur au rendement de Coulomb avec les batteries au plomb.

L’efficacité globale d’un véhicule utilisant le stockage d’énergie à air comprimé, en utilisant les chiffres de ravitaillement en carburant ci-dessus, est d’environ 5 à 7%. À titre de comparaison, le rendement roue-roue d’une transmission conventionnelle à combustion interne est d’environ 14%.

Les premiers tests ont démontré la capacité de stockage limitée des réservoirs; le seul essai publié d’un véhicule fonctionnant uniquement à l’air comprimé était limité à une autonomie de 7,22 km.

Une étude réalisée en 2005 a montré que les véhicules fonctionnant avec des batteries lithium-ion surpassent les véhicules à air comprimé et à pile à combustible plus de trois fois à la même vitesse. MDI a affirmé en 2007 qu’une voiture aérienne serait capable de parcourir 140 km en conduite urbaine et aurait une autonomie de 80 km avec une vitesse de pointe de 110 km / h (68 mi / h) sur les autoroutes, lorsqu’elle fonctionnait à l’air comprimé mais août 2017 n’ont pas encore produit de véhicule correspondant à cette performance.

Une lettre de recherche de 2009 de l’Université de Berkeley a révélé que « même dans des hypothèses très optimistes, la voiture à air comprimé est nettement moins efficace qu’un véhicule électrique à batterie et produit plus d’émissions de gaz à effet de serre qu’une voiture à essence classique avec un mix énergétique à forte intensité de charbon ». Cependant, ils ont également suggéré qu ‘ »un hybride pneumatique-combustion est technologiquement faisable, peu coûteux et pourrait éventuellement concurrencer les véhicules électriques hybrides ».

Il est souvent accompagné d’un petit moteur à essence qui l’aide à effectuer diverses tâches telles que le démarrage et le maintien de la vitesse de travail. Ce moteur émet du dioxyde de carbone.

Sécurité en cas d’accident
Les déclarations de sécurité relatives aux réservoirs d’air de véhicules légers lors de collisions graves n’ont pas été vérifiées. Les essais de collision en Amérique du Nord n’ont pas encore été menés et les sceptiques s’interrogent sur la capacité d’un véhicule ultra-léger assemblé avec des adhésifs à produire des résultats de sécurité acceptables en cas de collision. Shiva Vencat, vice-président de MDI et PDG de Zero Pollution Motors, affirme que le véhicule réussirait les tests de collision et respecterait les normes de sécurité américaines. Il insiste sur le fait que les millions de dollars investis dans AirCar ne seraient pas vains. À ce jour, aucune voiture légère de plus de 100 mpg n’a réussi les essais de choc en Amérique du Nord. Les progrès technologiques pourraient bientôt rendre cela possible, mais l’AirCar n’a pas encore fait ses preuves et les questions de sécurité en cas de collision demeurent.

La solution pour atteindre une autonomie acceptable avec une voiture aérienne consiste à réduire autant que possible la puissance nécessaire pour conduire la voiture. Cela pousse la conception vers la réduction du poids.

Selon un rapport de la National Highway Traffic Safety Administration du gouvernement des États-Unis, parmi 10 catégories différentes de voitures de tourisme, les « très petites voitures » ont le taux de mortalité par kilomètre parcouru le plus élevé. Par exemple, une personne conduisant 12 000 km par an pendant 55 ans aurait 1% de chances d’être impliquée dans un accident mortel. Il s’agit du double du taux de mortalité de la classe de véhicule la plus sûre, une « grosse voiture ». Selon les données de ce rapport, le nombre d’accidents mortels par kilomètre n’est que faiblement corrélé au poids du véhicule, avec un coefficient de corrélation de seulement (-0,45). Une corrélation plus forte est observée avec la taille du véhicule dans sa classe; par exemple, les « grosses » voitures, les camionnettes et les VUS, ont un taux de létalité inférieur à celui des « petites » voitures, les camionnettes et les VUS. C’est le cas dans 7 des 10 catégories, à l’exception des véhicules de taille moyenne, où les mini-fourgonnettes et les voitures de taille moyenne font partie des classes les plus sûres, tandis que les VUS de taille moyenne sont le deuxième plus meurtrier après les très petites voitures. Même si les véhicules lourds sont parfois statistiquement plus sûrs, ce n’est pas nécessairement le poids supplémentaire qui les rend plus sûrs. Le rapport de la NHTSA indique: « Les véhicules plus lourds ont toujours mieux amorti les chocs des occupants. Leurs capots plus longs et leur espace supplémentaire dans l’habitacle offrent une possibilité de décélération plus progressive du véhicule et de l’occupant à l’intérieur du véhicule. .. S’il est concevable que des véhicules légers puissent être construits avec des capots aussi longs et des impulsions de décélération légères, des modifications importantes des matériaux et de la conception et / ou une réduction du poids de leurs moteurs, accessoires, etc. seraient probablement nécessaires.  »

Les voitures pneumatiques peuvent utiliser des pneus à faible résistance au roulement, qui offrent généralement moins d’adhérence que les pneus normaux. En outre, le poids (et le prix) des systèmes de sécurité tels que les coussins gonflables, l’ABS et le système ESC peuvent décourager les fabricants de les inclure.

Développeurs et fabricants
Diverses entreprises investissent dans la recherche, le développement et le déploiement de voitures à air comprimé. Les déclarations suroptimistes concernant une production imminente remontent au moins à mai 1999. Par exemple, la MDI Air Car a fait ses débuts publics en Afrique du Sud en 2002 et devrait entrer en production « dans les six mois » en janvier 2004. À partir de janvier 2009 , la voiture aérienne n’a jamais été produite en Afrique du Sud. La plupart des voitures en cours de développement reposent également sur l’utilisation d’une technologie similaire à celle des véhicules à faible consommation d’énergie afin d’accroître l’autonomie et les performances de leurs voitures. [Clarification nécessaire]

MDI
MDI a proposé une gamme de véhicules composée de AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir et MultiFlowAir. L’une des principales innovations de cette société est la mise en œuvre de sa « chambre active », qui est un compartiment qui chauffe l’air (par l’utilisation d’un carburant) afin de doubler la production d’énergie. Cette «innovation» a été utilisée pour la première fois dans les torpilles en 1904.

Tata Motors
En janvier 2009, Tata Motors of India avait prévu de lancer une voiture équipée d’un moteur à air comprimé MDI en 2011. En décembre 2009, le vice-président des systèmes d’ingénierie de Tata a confirmé que la plage limitée et les basses températures du moteur posaient problème.

En mai 2012, Tata Motors a annoncé avoir évalué la phase 1 de la conception, « la preuve du concept technique » en vue d’une production complète pour le marché indien. Tata a entamé la phase 2, « complétant le développement détaillé du moteur à air comprimé pour des applications spécifiques dans les véhicules et à l’arrêt ».

En février 2017, le Dr Tim Leverton, président et chef de la division Advanced and Product Engineering de Tata, a révélé qu’il était sur le point de « s’industrialiser » avec les premiers véhicules disponibles d’ici 2020. D’autres rapports indiquent que Tata envisage également de relancer le version à air comprimé du Tata Nano, qui était auparavant à l’étude dans le cadre de sa collaboration avec MDI.

Engineair
Engineair est une société australienne qui a produit des prototypes d’une variété de prototypes de petits véhicules utilisant un moteur à air rotatif innovant conçu par Angelo Di Pietro. La société recherche des partenaires commerciaux pour utiliser son moteur.

Peugeot / Citroën
Peugeot et Citroën ont annoncé leur intention de construire une voiture utilisant l’air comprimé comme source d’énergie. Cependant, la voiture qu’ils conçoivent utilise un système hybride qui utilise également un moteur à essence (utilisé pour la propulser à plus de 70 km / h ou lorsque le réservoir d’air comprimé est épuisé). « Nouvelles décevantes en France: PSA Peugeot Citroën a mis un frein indéfini au développement de son groupe motopropulseur Hybrid Air prometteur, apparemment parce que la société n’a pas été en mesure de trouver un partenaire de développement prêt à partager les coûts énormes d’ingénierie du système « . Les coûts de développement du système sont estimés à 500 millions d’euros. Il faudrait apparemment équiper environ 500 000 voitures par an pour avoir du sens. Le responsable du projet a quitté Peugeot en 2014.

APUQ
L’APUQ (Association de promotion de l’utilisation de la quasiturbine) a fabriqué l’APUQ Air Car, une voiture équipée d’une Quasiturbine.

Critique
Dans une étude de l’Université de Californie à Berkeley, une comparaison a été faite entre voiture à essence, voiture électrique à batterie et voiture pneumatique en termes d’émissions de gaz à effet de serre, de coûts de carburant, de consommation d’énergie primaire et de volume de réservoir en relation avec l’état de Californie. Les objets de comparaison étaient une Smart Fortwo conventionnelle, une Smart Fortwo ED à batterie et une hypothétique voiture pneumatique. Les paramètres techniques du véhicule à air comprimé, s’ils étaient inconnus, ont été estimés de manière optimiste. En ce qui concerne les émissions de gaz à effet de serre, les coûts de carburant et le volume de réservoir, la voiture à moteur à air californien a des performances bien inférieures à celles de la voiture à essence ou à batterie. Seule la consommation d’énergie primaire présentait un avantage par rapport à la voiture à essence, mais uniquement lorsqu’elle fonctionnait avec des énergies renouvelables. La voiture à batterie a nettement mieux performé que la voiture à air comprimé.

D’autres partenaires commerciaux, anciens et actuels, critiquent actuellement le MDI, principalement en ce qui concerne les services promis et les transferts de technologie qui n’ont jamais été réalisés.