Il faut savoir souffler un peu

L’idée d’un moteur à air comprimé présenté dans mon article du 31/08 me chiffonne vraiment. Est-ce vraiment réaliste ? Je vais tenter des calculs.  

On suppose un réservoir de pression P (Po au début) et de volume V  

Le « travail » exercé par l’air (dans le cylindre) est dw = –PdV  

V = nRT/P si l’on suppose le gaz parfait.  

On suppose T constant (cette hypothèse est limite)  

Donc dw = -nRT dP/P  

En intégrant W = -nRT ln(Patm/Po)  

Soit encore W = PoV ln(Po/Patm)  

Application numérique 

Po = 1000 bar = 1 E+8 Pa  

V = 100 l = 0,1m3  

C’est un réservoir de taille importante à haute pression. Les bouteilles de plongée sont plutôt du genre «  20 litres à 200 bars ».     

W = 7 E+7 J = 70 MJ  

Comparaison : calculons l’énergie calorifique d’un réservoir de 50 l d’essence. J’ai déjà fait le calcul (31MJ/l)  

L’énergie contenu est donc de 1550 MJ  

Il y a donc un facteur 22. L’énergie contenue dans l’air comprimée est bien faible.  

Ceci ne peut pas être compensé par l’efficacité des moteurs. Elle est de 30 à 40 % pour un moteur thermique : est-ce le niveau des moteurs à air comprimé ? En tout cas même si la performance est meilleure, elle gagnera au mieux un facteur 1,5.  

Pour « une voiture classique » (celle dont le réservoir essence fait 50 l), il est difficile d’imaginer placer un réservoir d’air comprimer au-delà de 100 l.  

J’ai pris l’hypothèse d’une pression de 1000 bars. C’est déjà beaucoup. Il ne me semble pas que l’on puisse monter à 22 000 bars. 

Il y a des gains d’énergie liés à l’usage. Un moteur à air comprimé n’a pas besoin de tourner à l’arrêt. D’autre part, un mécanisme de récupération d’énergie au freinage est envisageable. Il revient à compresser de l’air (le moteur marche dans l’autre sens). Tout cela permet d’envisager un gain de consommation de facteur entre 1,5 et 2.  

Compléments  

Un moteur à air comprimé peut être plus simple qu’un moteur thermique et le « sur volume » « surpoids aussi) dû au réservoir peut se compenser. 

L’air contenu dans le réservoir est n0 = PoV/RT = 1 E+8*,1/(8,3 * 283) = 4 000 moles. Sa masse est 4000 * 29 = 116 kg. C’est assez lourd ! A 22 000 bars, cela ferait 2500 kg. Cela devient rédhibitoire (idem pour 22 000 litres à 1000 bars).  

En définitive l’échelle d’énergie entre l’essence et l’air comprimé peut être ramené de 1/22 à 1/6. C'est-à-dire 6 fois moins de « durée ». Au lieu d’un mois d’autonomie, il n’y aurait que quelques jours. Au lieu de 600 km, environ 100 km. On est dans les caractéristiques des voitures «électriques ».  

Mon opinion. La technologie du moteur à air comprimé n’est pas la panacée mais reste une solution raisonnable. Elle me semble largement plus réaliste que les monstruosités électriques ou « hydrogéniques » (à base de batteries) que l’on met en avant. Alors qu’est-ce qui cloche ?  

PS. Tout ce la ne concerne qu’un mode d’utilisation de l’énergie. Il faut bien sûr de l’énergie pour comprimer l’air (sans doute de façon électrique en bénéficiant de la puissance et de l’efficacité du réseau électrique). Ce n’est pas une alternative à la production d’énergie mais pour le stockage.  

PPS : De façon très superficielle il me semble que la technologie de ce moteur devrait être une turbine à ailette à l’image des réacteurs d’avion (et non un piston). On devrait arriver à des très bonnes performances. Par rapport à un réacteur d’avion, l’avantage c’est de ne pas « chauffer ». Par contre il ne faudra pas trop « refroidir » non plus. Avis aux ingénieurs motoristes de l’aéronautique. 

Il est sans doute préférable d’avoir plusieurs réservoirs séparés pour éviter une perte de puissance au fil de la consommation.  

PPPS. Il me vient aussi l’idée que le moteur stirling puisse être utilisé. Ici l’air comprimé fournirait la source froide (par décompression brutale). En pratique, cet article ne porte pas sur le moteur mais sur le stockage d’énergie dans un « véhicule ».