air maintenu sous une pression supérieure à la pression atmosphérique
L'air comprimé est de l'air prélevé dans l'atmosphère, qui est comprimé à une pression supérieure à celle de l'atmosphère à l'aide de compresseurs.
centrale de production d'air comprimé dans l'industrie
Cette compression est possible grâce aux caractéristiques de compressibilité de l'air atmosphérique.
L'air comprimé est caractérisé par sa pression, sa température et sa qualité[1] (quantité de polluants présents dans l'air). Il peut facilement être stocké, dans des réservoirs, et acheminé au travers d'un réseau de distribution[2]. C'est un Vecteur énergétique, comme l'électricité.
Le débit est exprimé en litres par minute (symbole : l/min),mètres cubes heure (m3/h), ou m3/min. La pression couramment exprimée en bars relatifs (l'unité SI est le Pascal (Pa)). La qualité d'air est définie selon la norme ISO8573-1 mesurant la quantité de polluants contenus dans l'air comprimé en particules, eau et huile.
Il est utilisé pour de multiples applications et dans de nombreux secteurs d'activité; notamment comme source d'énergie pneumatique.
L'air comprimé est considéré comme le quatrième fluide utilisé dans l’industrie, après l'électricité, le gaz naturel et l'eau. En Europe, au début des années 2000, 10 % de toute l'électricité utilisée par l'industrie sert à produire de l'air comprimé, cette consommation s'élevant à 80 TWh par an[3],[4].
il y a quelques milliers d'années : le poumon humain : débit 100 l/min pour ~ 50g de pression ! souffler sur des braises, puis la sarbacane
entre 3000 et 1500 Av J.-C. : le Soufflet et l'Air Comprimé ont accompagnés l'histoire de l'homme et de la métallurgie pour souffler sur les foyers et obtenir les 1000 à 1500°C nécessaires au travail du métal, au fil de l'Antiquité, comme outil à côté des bas fourneau...
1721 : cloche de Halley, suivie en 1786 de son alimentation au moyen d'une pompe foulante[5]
1776 : 1ère soufflante construite par John Wilkinson et james Watt[6] ; considérée comme le prototype de tous les compresseurs mécaniques, pression 1 bar produite par un piston, et dont les 1ers clapets en bois étaient pilotés par des lanières de cuir (ils furent ensuite remplacés par des clapets métalliques)
jusqu'au 18ème siècle, le développement de l'air comprimé est surtout lié à des utilisations en tant que matériau , pour le soufflage des feus ou des forges, ou plus tard la ventilation de galeries souterraines. Ce n'est qu'à partir du 19éme siècle, simultanément à la révolution industrielle, que l'emploi à grande échelle de l'air comprimé comme énergie débute, avec l'alimentation de machines à forer, ancêtres des marteaux-piqueurs
1839 : Fonçage des puits de Chalonnes (Maine & Loire) Procédé Triger à 2,5 bars
1857 : Percement du tunnel ferroviaire du Fréjus - tunnel du Mont Cenis - usage de marteaux-perforateurs à 6 bars de pression
Selon la pression d’air et le débit recherchés, on utilise pour la production de l'air comprimé différents types de compresseurs; chaque technologie de compresseurs ayant des limites fonctionnelles (de débit comme de pression) qui les rendent partiellement complémentaires
centrale d'air comprimé (dessin3D)
Les pressions usuelles vont de quelques centaines de grammes (quelle est la frontière avec la ventilation, dont l'air comprimé partage nombre de caractéristiques ?) à 300 bars et plus ... Les débits possibles de quelques m3/h à + de 10 000...
Dans l'industrie, très grande utilisatrice de l'air comprimé, la pression requise est souvent de l'ordre de 7 bars (une petite carrosserie peut consommer 40 à 50 m3/h (5,5 kW), un gros site industriel 5 à 10 000 m3/h (500 à 1 000 kW) - données à titre d'ordre de grandeur - ).
Deux systèmes sont principalement utilisés, les compresseurs à vis et ceux à piston. Pour de très gros débits, les compresseurs dynamiques s'imposent; alors que pour de faibles pressions (<2 bars), les palettes et les lobes sont une évidence. Toutes les technologies ont des intérêts et des applications spécifiques.
Outre les compresseurs qui produisent l'air comprimé brut, des matériels et équipements périphériques sont nécessaires pour le stockage et le cheminement de cette énergie, son traitement en qualité, le refroidissement des fluides, le bon fonctionnement de cet ensemble... Cet assemblage de compresseurs, réservoirs, sécheurs, filtres, échangeurs, purgeurs, tuyauteries, vannes, organes de régulation, constitue un process à part entière, souvent regroupé dans des locaux techniques dédiés à cette Utilité.
L'atmosphère qui nous entoure, matière première de l'air comprimé, contient en suspension : des particules solides, de l'eau, des COV (Composés Organiques Volatils), des bactéries... Tous ces éléments sont donc comprimés et concentrés dans l'air comprimé et sont, selon les applications attendues, des polluants potentiels. A ces polluants "naturels" s'ajoutent les pollutions issues des compresseurs et des réseaux de distribution (huiles, particules métalliques...)
La production d'air comprimé s'accompagne donc d'une nécessaire étape de Traitement d'air pour en retirer ces polluants.
La qualité d'air comprimé est définie par la norme ISO 8573-1 qui identifie 3 polluants principaux : Les particules solides - L'eau - Les hydrocarbures. Les particules et les hydrocarbures seront traités essentiellement par des filtres. L'eau est traitée par des sécheurs d'air comprimé. Le niveau de qualité à atteindre est défini par l'utilisation souhaitée. (souffler une forge pour attiser le feu ne requiert pas de filtration, faire respirer un(e) homme/femme sous air médical exige quelques précautions avec des normes supplémentaires..)
Un des intérêts de l'air comprimé est la facilité avec laquelle ce vecteur énergétique peut être acheminé sur plusieurs points d'utilisation, au départ d'une source de production commune (le compresseur), par des tuyaux, souples ou rigides. Cet ensemble de tuyauteries est couramment appelé «réseau d'air comprimé». Cette distribution d'énergie ne nécessite pas de circuit de retour, l'air comprimé utilisé, détendu à la pression atmosphérique, est ensuite rejeté à l'atmosphère sans contraintes particulières. Le dimensionnement des tuyaux doit prendre en compte les pertes de charge[9] inhérentes aux débits d'air et à la pression d'utilisation.
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 très importante, environ 80 à 90% de pertes[4]. 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-piqueur, 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).
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 unité de mesure établie à la pression atmosphérique normale de 1,013 × 105Pa = 1 atm à 0 °C de température).
Dans l'industrie, les réseaux de distribution d'air comprimé permettent d'alimenter des outils et des automatismes... L'air comprimé présente certains avantages :
transport facile dans des conduites bon marché.
propreté : pas de pollution par les échappements d’air ou les fuites.
faible coût des composants.
grande robustesse, pas de risque de détérioration pour cause de surcharge (moteurs pneumatiques de visseuses).
capacité de refroidissement.
peu sensible à une atmosphère insalubre et aux grands écarts de température (cas des forges et fonderies) ; aux champs électromagnétiques (soudeuses, fours); aux vibrations...
plus sécurisant que l'emploi de l'électricité ; utilisation idéale en milieu explosif.
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.
Compresseur à pistons haute pression tri-étagé (usage typique gonflage de bouteilles de plongée)
Utilisation des systèmes pneumatiques dans l'industrie
Air comprimé respirable (plongée sous-marine, caisson hyperbare, cagoules de ventilation assistée)
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)
Outils pneumatiques : Visseuses, tournevis, foreuses, meuleuses, riveteuses, cloueurs, scies, polisseuses, pinces à sertir, clés à choc, burineurs, agrafeuses, marteaux pneumatiques, Fraise de dentiste : vitesses de rotation de 50 000 à plus de 200 000 tours par minute ;
Les 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.
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.
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.
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.
Sous-marin Le Plongeur 1863, Rochefort, Longueur : 42,50 m, Poids : 381 tonnesMusée de l'Air et de l'Espace : avion de 1,90 mètre d'envergure, Victor Tatin 1879
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.
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 Plongeur[15]. L'air comprimé est aussi actuellement utilisé pour vider les ballasts des sous-marins.
Au XIXe 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 comprimé[16].
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'horloges[17] publiques et privées unifiant ainsi l'heure dans la ville.
De nouveaux développements dans le domaine des véhicules non polluants sont aussi apparus récemment[18].
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.
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 souterraines[19]. Une installation de stockage d'énergie à air comprimé en caverne (0,3 GWh) a été mise en service en Chine an 2022[20]. Une autre, plus importante (4 GWh) est en cours d'installation en Californie[21].
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…)[22].
Différents procédés utilisent l'air comprimé comme source d’énergie :
le procédé Triger de fondation par air comprimé était largement utilisé au XIXe 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 xxe 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 objets[23]. 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 compresseurs[24] ;
Certains canons à neige utilisent de l'air comprimé pour projeter l'eau pulvérisée[25] ; 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.
↑Monsieur HACHETTE, traité élémentaire des machines, Paris, Mme Ve Courcier, , 412 p. (lire en ligne), p. 153, 164
↑Installations d'air comprimé et d'électricité (procédés victor Popp), Paris, Imprimerie Chaix (imprimerie centrale des chemins de fer), , 31 p. (lire en ligne)
