L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans ungaz sous forme mécanique du fait qu'il estcomprimé. Elle est produite par descompresseurs et exploitée dans un système pneumatique.
Dans un système pneumatique, le gaz comprimé est utilisé comme moyen de transport et destockage d’énergie. De production facile, le système pneumatique présente un certain nombre d’avantages.
Comme unsystème hydraulique, un système pneumatique est fondé sur une différence depressions entre deux zones, qui crée une force, puis un mouvement. Mais un système hydraulique utilise un fluide non compressible, un liquide, alors qu'un système pneumatique s'appuie sur un fluide compressible, un gaz. Un système hydraulique comprend souvent un système pneumatique pour un stockage d'énergie, au moins temporaire, le gaz étant utilisé à la manière d'un ressort.
L'air est très majoritairement utilisé, on parle alors d'air comprimé; mais d'autres gaz peuvent être employés pour leurs caractéristiques:
Il existe plusieurs types de compresseurs classés en deux grandes familles : les compresseurs volumétriques, qui compriment en diminuant mécaniquement le volume d'une chambre de compression, et les compresseurs dynamiques, qui transforment la vitesse et l'énergie cinétique de l'air en pression[1].
Un système pneumatique repose sur une différence de pressions entre deux zones, différence de pression qui crée uneforce mécanique. En général la pression la plus forte se situe à l'intérieur de la chambre, et la pression la plus faible à l'extérieur — souvent lapression atmosphérique.
La force (F) résultant de la différence de pression entre les deux zones est proportionnelle à la différence de pression (P1 - P2) et à la surface (S) sur laquelle elle s'exerce : F = (P1 - P2) * S
Les armes peuvent souvent être assimilées à des moteurs pneumatiques. Le projectile joue le rôle de piston, animé d'une très grande vitesse linéaire, combinée à une rotation servant à le stabiliser sur sa trajectoire.
Enfin, le piston peut être déformable (ballon, diaphragme) voire être liquide (baromètre à mercure, bulle).
La modélisation des systèmes pneumatiques se fait en grande partie dans le cadre de lathermodynamique. Les systèmes ayant de nombreux paramètres de description, la modélisation est souvent délicate.
Laloi des gaz parfaits, qui fait intervenir la pression, le volume, laquantité de matière gazeuse et la température, est utilisée pour décrire les situations statiques à faibles pressions. D’autres lois plus complexes sont utilisées lorsque les pressions deviennent importantes ou que les gaz ont un comportement qui s'écarte trop du modèle du gaz parfait.
D'autre part, il faut tenir compte des effets dynamiques dus aux mouvements du gaz étudiés par l'aérodynamique et qui peuvent mener à des résonances, c'est-à-dire dessons.
Les différences de température vont entraîner destransferts thermiques, qui vont également modifier le comportement mécanique du système.
Selon les conditions de température et de pression, les constituants physico-chimiques peuvent changer d'état, entre gaz, liquide, voire solide, ce qui change notamment la densité volumique, la compressibilité et l'énergie disponible. Des réactions chimiques peuvent également se produire, modifiant la composition du système.
Pour réussir à comprendre les interactions entre tous les paramètres, on essaye de se ramener à des situations simples, en gardant certains paramètres constants. Par exemple :
Cependant, dans la réalité, les transformations sontpolytropiques[2]. Cela veut dire qu'une partie de l'énergie(travail) est soustraite ou augmentée (lors de la compression ou de la détente) par les échanges thermiques avec l'environnement extérieur.
En outre, on peut aussi essayer de faire les transformations lentement afin de rester proche des équilibres :
Un réservoir de volume contenant de l'air à la pression qu'on laisse se détendre contient effectivement de l'énergie mécanique qu'on peut récupérer.
Dans le cas d'unedétente adiabatique réversible, sans perte (efficacité énergétique égale à 100 %), l'énergie délivrée (en J/kg d'air) sera :
avec :
Quelques valeurs de et (lamasse volumique de l'air à la pression considérée) :
Si on a un réservoir de300 litres, soit 0,3 m3 :
On peut donc stocker (en supposant que la pression est toujours maximale jusqu'à l'utilisation du dernier kg d'air ce qui majore considérablement la valeur calculée) :
Ces calculs concernent la détente adiabatique, ce qui correspond à une détente rapide (ce qui est habituellement le cas dans une machine) le rendement est meilleur avec une détente lente en maintenant le gaz à température constante (détente isotherme).
L'énergie contenue dans un volume de gaz comprimé à une pression vaut : où :
Cette énergie peut être récupérée pardécompression adiabatique, c'est-à-dire sans transfert thermique avec l'environnement.
Dans le cas d'une décompression isotherme, c'est-à-dire à température constante, on peut récupérer plus d'énergie, car une partie vient de l'environnement sous forme de chaleur. Dans ce cas, l'énergie récupérée vaut :
où :
Par exemple, l'énergie contenue dans300 litres d'air () à300 bars vaut :, soit 6,3 kWh.
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 0,5 kg d'essence, soit0,69 litres d'essence.
Si la décompression estisotherme :, soit 14,2 kWh.
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 1,14 kg d'essence, soit1,6 litre d'essence[3].
Il s'agit là du pouvoir calorifique de l'essence, l’énergie mécanique susceptible d’être fournie par un carburant est d'environ 1/3 de sonPCI.
On justifie les résultats ci-dessus par des calculs thermodynamiques.
Lors d'une décompressionisentropique, par exempleréversible et sans échange thermique avec le milieu ambiant, la relation entre la pression et le volume est : = constante où :
Dans le cas d'une décompression isotherme,.
L'énergie lors de la décompression adiabatique se calcule par intégration de à de donc de.
Dans le cas adiabatique, on considère que le volume après décompression est très grand et donc est nul. Ces intégrations donnent les formules énoncées ci-dessus.
Un moteur àair comprimé utilise le principe de ladétente d'un gaz, comme dans la partie détente d'unemachine frigorifique. Comme celle-ci, il peut théoriquement avoir uneefficacité énergétique supérieure à 100 %.
En effet, l'efficacité énergétique est le rapport entre l'énergie (mécanique) restituée par le moteur et l'énergie fournie par le réservoir d'air. Or dans unedétente isotherme, de l'énergie thermique ambiante vient s'ajouter à l'énergie du réservoir, pour réchauffer le gaz qui se refroidit lors des détentes successives, ce qui explique que l'énergie mécanique résultante peut être supérieure à l'énergie initiale du réservoir, dans des conditions proches de l'idéal.
C'est donc exactement l'effet inverse d'un moteur thermique, dans lequel la compression de l'air est obtenue par une combustion interne au moteur : la température plus haute que la température ambiante entraîne un transfert important d'énergie thermique vers l'extérieur. Par exemple, pour lecycle de Carnot, l'efficacité de Carnot entre300 et900 K est de 1−(300/900) soit 2/3, signifiant 1/3 de pertes thermodynamiques dans le cas idéal.
On voit dans les calculs précédents sur l'énergie pneumatique et dans le cas duprocessus isotherme idéal, que l'énergie maximale produite peut être de 14,2 kWh, alors que l'énergie fournie en entrée du système, soit l'énergie contenue dans le réservoir calculée par leprocessus adiabatique, est de 6,3 kWh. On en déduit uneefficacité énergétique théorique maximale de 225 % (car 14,2/6,3 = 2,25). L'énergie thermique (gratuite) captable dans l'environnement dans le cas théorique idéal représente 125 % de l'énergie mise dans le réservoir, et s'ajoute à celle-ci.
Il faudrait certes un moteur parfait pour restituer cela, mais il suffirait de fabriquer un moteur ayant moins de 48 % de pertes internes, pour arriver à uneefficacité énergétique réelle dépassant 100 %, ce qui serait mieux que tous les autres systèmes moteurs connus.
Cependant, leproblème inverse se produit lors de la compression du gaz (chaleur nécessairement produite à évacuer). Toutefois on peut imaginer utiliser cette chaleur obtenue à la compression pour chauffer un bâtiment ou l'eau sanitaire (cogénération). On sait que les machines frigorifiques basées sur un cycle compression/stockage/décompression d'un fluide sont capables d'atteindre des efficacités énergétiques de l'ordre de 300 % (COP oucoefficient de performance de 3). Laconservation de l'énergie est respectée parce que l'énergie gagnée est absorbée depuis l'environnement ambiant, d'où l'expressionpompe à chaleur.
Certains prétendent qu'un cycle compression/stockage/décompression est moins efficace qu'un cycle génération/batterie/moteur électrique mais ils oublient souvent de prendre en compte les pertes lors du chargement et du déchargement de la batterie (entre 65 et 83 % d'efficacité pour une batterie à circulation d’électrolyte par exemple[4] ), ainsi que des pertes lors de la non utilisation de la batterie.
Les systèmes pneumatiques utilisent quatre fonctions principales :
Des composants supplémentaires vont être utilisés dans les systèmes :
Si la modularité (1 matériel = 1 fonction) est toujours recherchée pour la simplification de la conception et la standardisation de la production, certains matériels peuvent combiner plusieurs fonctions pour des raisons d'optimisation.
Les systèmes pneumatiques sont utilisés dans tous les domaines de la vie quotidienne occidentale :
Sans oublier la Terre, dont l'atmosphère est le plus complexe système pneumatique existant.
