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L'air comprimé est de l'air prélevé dans l'atmosphère, dont on utilise la compressibilité à l'aide d'un système pneumatique. Cet air est maintenu sous une certaine pression, généralement supérieure à celle de l'atmosphère.
En Europe, au début des années 2000, 10 pour cent de toute l'électricité utilisée par l'industrie sert à produire de l'air comprimé, cette consommation s'élevant à 80 TWh par an[1]. L'air comprimé est souvent considéré comme le quatrième fluide utilisé dans l’industrie, après l'électricité, le gaz naturel et l'eau[2].
Selon la pression d’air recherchée, on utilise pour la production de l'air comprimé différents types de compresseurs d'air et principalement deux systèmes : des compresseurs à vis et des compresseurs à piston (généralement à 2, 3 ou 4 étages). Les compresseurs à pistons à 3 étages permettent d’atteindre des pressions jusqu’à 300 bar. Il existe aussi des compresseurs rotatifs (compresseur à turbine et à palettes) et des compresseurs à membrane.
Le débit d'un compresseur est exprimé en l/min ou en m3/h.
L'énergie nécessaire à la compression de l’air est importante et s’accompagne d’une production d'énergie thermique (chaleur) qui reste le plus souvent inexploitée. L'air comprimé est donc un vecteur d'énergie relativement coûteux.
Dans l'industrie, les circuits d'air comprimé permettent d'alimenter des outils et des automatismes, avec certains avantages :
Malgré de nombreux avantages, l’automatisation par l’air comprimé présente certains inconvénients qu’il faut prendre en considération :
Les marteaux-piqueurs utilisés dans les travaux publics.
Les compresseurs, 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.
Autres exemples d'utilisation : les catapultes des porte-avions, les sièges éjectables des avions de chasse, des systèmes de freinage : les freins automatiques des poids lourds et de leurs remorques[3] et les systèmes de freinage ferroviaires[4] (freins pneumatiques et électropneumatiques)[5], le démarrage des moteurs de F1, de camions, de chars, d'avions et de groupes électrogènes.
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 15 litres d'air comprimé à 200 bars.
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.
On peut citer les locomotives utilisées dans les mines et les tunnels, les tramways comme ceux du système Mékarski mis en service à Nantes en 1879[6] et utilisés jusqu'en 1917 et les locomotives de l'Arpajonnais sur la partie parisienne du trajet.
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[7]. 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[8].
De nouveaux développements dans le domaine des véhicules non polluants sont aussi apparus récemment[9].
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 en aluminium ou en acier et sont donc recyclables. Une alternative consiste à stocker l’air dans des réservoirs en fibre de carbone qui permettent une plus grande légèreté avantageuse pour les usages mobiles (plongée, moteurs).
Un autre avantage du moteur à air comprimé par rapport au moteur électrique est le coût raisonnable des réservoirs; coût qui devrait rester stable même avec une très forte demande alors que dans le cas de véhicules électriques, le coût des métaux rares (ex : Lithium) utilisés dans les batteries aura tendance à augmenter avec la croissance de la demande car les réserves mondiales sont limitées.
L’énergie contenue dans un réservoir d’air comprimé n’est pas très élevée : une dizaine de kWh pour un gros réservoir de 300 litres d'air comprimé à 250 bar, mais on peut augmenter cette énergie potentielle en chauffant l’air avec de l'éthanol par exemple. L’avantage par rapport au moteur à combustion est que le réchauffement se fait sans combustion et que donc il n’y pas formation de monoxyde d’azote.
Inconvénients : Faible densité énergétique et rendement plutôt faible. Les lois de la thermodynamique et la difficulté pour atteindre une bonne efficacité énergétique induisent un rendement plus faible (20 à 40%) que celui de systèmes et moteurs électriques et une perte d'énergie par production de chaleur lors de la compression de l'air.
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.
Outre les détails figurant dans cet article, les calculs liés à un système pneumatique utilisent la masse volumique de l’air, qui est de 1,293 kg /Nm3 (1 Nm3 = 1 normomètre cube indique une mesure établie à la pression atmosphérique normale de 1,013.105 Pa = 1bar et 0°C de température).
Le stockage d’énergie par air comprimé 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[10].
La technique des batteries 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, …)[11].
Sont à l'étude des éoliennes équipées de compresseurs d'air pour stocker l'énergie.
Le procédé Triger était largement utilisé au XIXe siècle pour réaliser des fondations en milieu humide (ou dans le lit de fleuves) en utilisant l'air comprimé.
Les tubes pneumatiques ont été largement utilisés au siècle dernier dans de nombreuses villes européennes et américaines[12]. Ils servaient à propulser à l'aide d'air comprimé des navettes cylindriques permettant le transport du courrier ou de petits objets.
Cette technique est toujours employée dans l’industrie et dans certaines banques et grands magasins[13].
Certains canons à neige utilisent de l'air comprimé[14] pour projeter l'eau pulvérisée ; le refroidissement lié à la détente de l'air participe à la formation des cristaux de neige.
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.
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