Understanding is the Essence of Intelligence

J'écris ce billet suite à un commentaire de mon ami de bientôt 30 ans, Frédo à propos d'un projet de voiture et infrastructure de transport électrique.

Voici une petite introduction en vidéo sur le sujet, France2 du 3 janvier dernier présentant les véhicules à air comprimé de la société MDI:
 

Et une interview de son fondateur-inventeur Guy Nègre:

Le moteur à air-comprimé a été en effet utilisé depuis environ deux cent ans et constitue une des pistes pour les véhicules zéro-émissions. Plusieurs nouveaux constructeurs dans le monde proposent ainsi une propulsion utilisant l'air-comprimé comme méthode de stockage de l'énergie.

Ils ont en commun avec la propulsion électrique une plus faible autonomie et en commun avec l'hydrogène / pile à combustible, la nécessité de stockage dans des réservoirs à très haute pression qui sont soit lourd soit coûteux (fibre de carbone par exemple).

Le site de MDI indique une autonomie de 100 km en zéro-émissions pour le petit modèle OneCATs et jusqu'à 200 km pour le modèle CityCATs.

Ce qui est peut-être intéressant dans le moteur conçu par Guy Nègre, au vu des chiffres des deux liens précédent, serait peut-être un mode de combustion en mode hybride à plus haut rendement (que les moteurs à combustion interne ), et donc moins polluant pour la circulation sur les longs parcours. Ils citent des consommations de 1,5 à 2,2 litres, sans préciser si ce sont des litres au 100 km ou sur une autre distance. Cette imprécision du constructeur mériterait une petite correction (je leur enverrais un email pour leur permettre de réagir dès que j'aurais publié cet article).

Dans le mode hybride, les gaz comprimés sont chauffés avant d'entrer dans le moteur, il s'en suit une augmentation de la pression et donc de la puissance disponible dans le moteur à air-comprimé. L'autonomie peut ainsi être augmentée d'autant plus que l'on chauffe ces gaz. De plus la combustion peut facilement s'accommoder de carburants divers car elle ne souffre pas des contraintes propres aux moteurs à explosion permettant donc une utilisation facile de biocarburants. Contrairement aux moteurs à explosion, l'élévation de température n'est pas (ou moins) perdue car elle est utilisée directement dans le moteur qui au moment de la détente refroidi l'air (voir plus loin sur ce point).

Les consommations et autonomie indiquées en mode hybride semblent cependant correspondre à l'addition de l'énergie produite par les gaz brûlés plus l'énergie de l'air comprimé. Une simplification qui ne permet pas vraiment de comparer le rendement de ces véhicules par rapport à celui des autres moteurs à combustion interne.

Des économies réelles proviennent certainement du coût de l'air comprimé à la maison qui n'est pas surtaxé comme le sont les produits pétroliers disponibles à la pompe.

Un problème des moteurs à air comprimé est que lors de la compression de l'air, un échauffement important se produit. L'énergie de cet échauffement qui ne peut pas être stockée très facilement se perd dans le compresseur et, en peu de temps, dans les bouteilles d'air comprimé. A l'utilisation, la détente du gaz produit de façon symétrique un abaissement de la température d'autant plus important que la détente est rapide, et donc la puissance utilisée est importante. Il en résulte une baisse de la pression utilisable pour la motricité. C'est d'ailleurs cette propriété de la compression et de la détente des gaz qui est utilisée dans les réfrigérateurs, pompes à chaleurs et climatiseurs pour déplacer des calories d'un fluide à un autre.

Il résulte de ces transformations thermodynamiques un rendement global réduit dans la chaîne totale de l'électricité à la production d'énergie mécanique.

Pour remédier à ce problème il faut soit rendre la compression et la détente adiabatiques (sans changement de température) impliquant des temps de compression et de détente très important et une baisse de la puissance utile; soit recourir à des échangeurs de chaleur pour stocker l'élévation de température dans des réservoirs thermiquement isolés probablement sous vide comme un dans thermos. Lors de l'utilisation, il faudrait réchauffer les gaz détendus pour diminuer la perte de puissance à l'aide d'un radiateur. Les radiateurs (qui sont des échangeurs de chaleur) seront donc toujours nécessaires avec ce type de moteur si l'on veut atteindre des rendements élevés et une autonomie plus importante.

A leur avantage, on pourrait utiliser le refroidissement de la détente des gaz pour climatiser la voiture avec un haut rendement car ne nécessitant pas de transformation thermodynamique supplémentaire. La chaleur de l'habitacle pourrait alors devenir une source d'augmentation de puissance et donc d'autonomie supplémentaire représentant une forme de captage de l'énergie solaire thermique pendant les mois d'été ou dans les pays chauds. Y-ont-il pensé? Je n'ai rien trouvé sur leur site ou ailleurs concernant ce point bien que je n'ai probablement pas assez cherché.

Par contraste, le rendement de stockage de l'énergie électrique dans des batteries au Li-ion est de plus de 90% (pas d'échauffement si on ne surcharge pas la batterie). Ensuite le rendement effectif d'un moteur électrique est de l'ordre de 90% alors qu'un moteur à air comprimé aura du mal à faire mieux que son rendement théorique maximal qui est probablement similaire à celui des éoliennes soit 59,3% ainsi que défini par la limite de Betz.

D'après les vidéos, il semblerait aussi que le niveau de bruit du moteur à air comprimé soit assez élevé (je n'ai pas trouvé les chiffres cependant). Espérons que le constructeur pourra remédier à cet inconvénient par une meilleure isolation acoustique.

La voiture électrique est loin d'avoir dit son dernier mot contrairement à ce que laisse penser la vidéo qui parle d'échec passé sans citer les projets en cours et les investissements très important comme dans Project Better Place par exemple, la Blue Car ou la voiture de sport électrique de Tesla motors. La voiture à air-comprimé rencontre les mêmes obstacles en terme d'infrastructure que la voiture électrique. Mais chose intéressante les deux pourraient cohabiter et s'entraider car la voiture à air-comprimé pourrait être rechargée sur les mêmes prises électriques, dans les parkings, que la voiture électrique ou les voitures Plug-In hybrides.

Un peu plus de clarté de la part des constructeurs de moteurs à air comprimé sur les rendements serait donc bénéfique à une meilleur comparaison avec les autres alternatives non polluantes comme par exemple la Blue Car et Project Better Place.

MDI, qui travaille sur le moteur à air comprimé depuis environ dix ans, a récemment signé un accord de partenariat avec Tata Motors filiale du géant Indien Tata. Espérons que cette reconnaissance sera suivit de développements importants.

Concernant MDI, ils proposent en même temps un nouveau business model de constructeur avec de petites unités de production à proximité des points d'achats . Il s'agit là d'une autre innovation qui n'a rien a voir avec le procédé de propulsion à air comprimé mais qui me semble intéressante, à suivre ....

Pour plus d'informations et l'historique des moteurs à air comprimé consulter:
Véhicule à air comprimé
Moteur à air comprimé
Limite de Betz
MDI
Tata Motors

Voir aussi quelques projets de voitures électriques:
Blue Car
Tesla motors: la voiture de sport électrique avec un châssis fabriqué par Lotus Cars.

Et pour nos lecteurs anglophones:
Compressed-air car
Compressed-air vehicle
Compressed-air engine
Project Better Place
Plug-In hybrides
Tesla Motors