"rendements" et limites du moteur à air comprimé

[sceptique]

Je créé ce fil en espérant qu'il ne sera pas pollué par des digressions sans intérêt.

Le but serait qu'il ne dépasse pas quelques pages. Je le vois donc comme un fil "technique" sans prise de position pour ou contre. Difficile, car moi-même je ne suis pas toujours neutre. Je vais donc essayer de faire un effort. Je commence en reprenant un post dans "Je construis une voiture à air comprimé" qui est passé à juste titre hors sujet.

[sceptique]

Petit exercice de thermodynamique. C'est vieux pour moi donc un peu d'indulgence en cas d'erreur. je m'appuie sur un cours de l'université de Nantes : http://www.sciences.univ-nantes.fr/phys ... P/11gp.htm ainsi que sur ceux de mon fils actuellement en classes Prépa.

Une masse d’air (assimilé à un gaz parfait) occupe un volume V0= 1 m3 à la pression P0= 2000 kPa (20 bars) et à la température t0 = 15°C. On la détend par une opération réversible (donc lente) jusqu’à une pression P1 = 100 kPa (1 bar).
Avec une détente isotherme (donc en chauffant au fur et à mesure) on peut considérer le mouvement d'un piston dans un cylindre de 1 m2 de surface. Au début le piston est en x0 = 1 m (1m * 1 m2 = 1 m3) et à la fin x1 = 20 m.
La pression à la position x est P = P0/x
par exemple, si x=1 P=P0=20 bars, si x=20 P=P1=1 bar, si x=5 P=4 bars
La force exercée à la position x est donc P * S = (P0/x) * S

le travail fourni est l'intégrale de x0 à x1 de la force :
W = P0 Ln (x1/x0)
application numérique :
W = 2 000 000 Ln (20) = 6 MJ
Avec P0=300 bars
W = 30 000 000 Ln (300) = 171 MJ

Maintenant la détente est plutot adiabatique. La démonstration est trop complexe sans logiciel spécialisé (voir le site donné en référence).

Soit T1 la température en fin T0 au début. T0 = 273 + 15 (température absolue en Kelvin).
gamma étant un coefficient dépendant du gaz considéré, ici
gamma = 1.40
On a T1 = T0 (P0/P1) ^ (1 -gamma)/gamma
soit T1 = 122 K = - 150 °C
C'est un peu froid ...
Et la chaleur nécessaire pour le réchauffer est du meme ordre de grandeur que le travail fourni.

Donc, en reprenant les caractéristiques de MDI avec 340 litres à 300 bars on dispose de :
171 * .034 = 58 MJ
à condition d'apporter autant de chaleur en brulant du gaz ou de l'essence ou du gasoil !
1 litre essence apportant 32 MJ il faut donc 58/32 = 1.8 litre.
A noter que un litre d'essence fournit dans un moteur thermique 10 MJ (avec un rendement de 30%) cela revient à multiplier théoriquement le potentiel mécanique de 1 litre essence par 3.
Mais il est illusoire de récupérer toute l'énergie. Les 50-60% indiqués par MDI sont bien, à mon avis, un maximum difficile à atteindre.
au final pour 1.8 litres essence et 340 litres air comprimé à 300 bars on obtient donc 35 MJ. (58 * 0.6) D'où les 10 kWh annoncés.
A noter que les moteurs diesel les plus perfectionnés atteignent 45% de rendement et donc fournissent 58 * 0.45 = 26 MJ.

Conclusion :
avec les bonbonnes on obtient 35 MJ à partir de 1.8 litres essence.
Un bon diesel donne 26 MJ sans la complexité des bonbonnes à partir de 1.6 litre gasoil (équivalent à 1.8 litre essence).
On a cependant un gain de 35% en faveur de MDI.

Par contre, la voiture avec ses énormes bonbonnes est beaucoup plus haute, plus lourde (250 Kg en charge) donc sa consommation largement supérieure à celle d'une voiture "classique" avec un tout petit moteur diesel. Et on doit reperdre le gain de 35%.

D'ailleurs ceci colle avec les annonces de MDI. Il donne 2 litres aux cent pour sa voiture à faible vitesse. Une voiture classique, allégée, bien profilée, avec un petit moteur de 10 kW (13 ch) consomme cela à faible vitesse. voir mon calculateur : http://perso.orange.fr/pic-petrole/calc ... rts-2.html

en indiquant 40 km/h, un rendement plus réaliste de 0.35 (en diesel) on obtient 1.50 litres/100. Avec les arrets, démarrages on arrive donc à 2 litres ...

[sceptique]

Dans le post précédent j'ai oublié un détail qui a son importance. La détente est dans la réalité ni isotherme, ni adiabatique. A faible puissance, le piston est plus lent et l'air détendu se réchauffe naturellement. Donc, la quantité de chaleur externe à fournir est plus faible. Et ne nécessite peut être pas de chauffage d'appoint. Par contre, je n'ai pas de compétence suffisante pour calculer ces échanges thermiques.
D'ailleurs cela colle assez bien avec les données de MDI : il annonce une grande autonomie à 20 km/h stabilisé sans apport de chaleur. A cette vitesse mon calculateur http://perso.orange.fr/pic-petrole/calc ... rts-2.html donne 600 W pour vaincre les frottements de roulement et 60 W pour la résistance aérodynamique pour une voiture style 106. Meme plus haute avec un SCx majoré de 50 voir 100% le surcout reste faible. La consommation réélle est de 40-45 Wh par km. Les 10 kWh donnent alors 250 km d'autonomie. Maintenant, le coefficient de frottement dans mon calculateur correspond à des pneus classiques capables de tenir à 150 km/h avec de fortes contraintes latérales (virage) et longitudinales (accélération d'un moteur puissant et freinage à hautes vitesses). En prenant des pneus adaptés à une conduite urbaine à basse vitesse on peut diminuer de moitié ce coefficient. D'où une autonomie grossièrement doublée : 500 km. Ce qui est compatible avec les données de MDI.
Mais on ne roule pas à 20 km/h stabilisé. Avec les accélérations, freinage, "pointes" à 30-40 km/h la consommation augmente considérablement. Sous réserve d'une évaluation plus fine je prends un facteur 1.5 à 2. D'ou une autonomie réelle de 250 à 330 km à une vitesse moyenne de 20 km/h.
Malheureusement, dés que l'on augmente la vitesse la puissance demandée augmente vite et le froid généré n'est plus compensé naturellement. Il faut donc chauffer. Et à "hautes" vitesses la détente est quasi-adiabatique et il faut apporter autant d'énergie sous forme de chauffage externe. C'est le cas du post précédent.

[GillesH38]

a vue de nez ça me parait correct. Il faut rajouter les pertes lors de la compression : le problème est le même à l'envers , la compression adiabatique réchauffe le gaz. Il faut donc fournir plus de travail lors de la compression que ce qu'on récupère ensuite.

Bien sûr on va dire que l'électricité nucléaire la nuit est pratiquement gratuite, mais ce n'est vrai que pour la France et pas à l'échelle mondiale. La majeure partie de l'électricité reste d'origine fossile. Pour le moment, la voiture à air comprimé (pas plus que la voiture électrique) ne change pas le probleme de la dépletion au niveau mondial, et il est exclus que la production électrique change drastiquement avant le PO.

[sceptique]

@ Gilles :
Pour le moment, effectivemment je n'ai étudié que l'usage dans le véhicule mais pas la compression en amont, cela va venir.
Sinon, comme je l'ai indiqué au début je ne veux pas ici polémiquer qualitativement pour savoir si oui ou non cela peut nous sauver à l'échelle française ou mondiale. Simplement étudier quantitativement avec des chiffres réalistes. Sans être partisan dans un sens ou l'autre.
En reprenant les calculs ci-dessus je me rends compte que l'air comprimé peut, dans certains cas, être une solution intéressante.
Par exemple, les chariots élévateurs dans les grands entrepots fermés posent problème : les moteurs thermiques en milieu fermé posent de sérieux problèmes d'aération et les batteries mettent longtemps à être rechargées. Avec l'air comprimé, sans réchauffage (la puissance moyenne demandée à un chariot est faible) l'air comprimé est intéressant : meme si les bonbonnes se vident vite elles se rechargent très vite à une station haute pression gonflée la nuit en heure creuse. Le problème jusqu'à maintenant était le rendement déplorable de ces moteurs de l'ordre de 10%. Mais avec un rendement de 50% cela devient intéressant ...

[sceptique]

Après quelques digressions je reprends donc ce fil. Je vais essayer de moins 'assommer' les lecteurs non scientifques.
En se plaçant dans les conditions les plus favorables mon calcul arrive aux mêmes conclusions que MDI (en ordre de grandeur):
340 litres air à 300 bars fournissent théoriquement 58 MJ en détente isotherme à 15°C (cas idéal). A condition cependant de fournir autant en chaleur. Ce qui peut être apporté par l'air ambiant à faible puissance ou par 1.8 litre essence à "haute" puissance. Je n'ai pas les données me permettant d'établir cette limite entre "faible" et "haute" puissance. Remarque intéressante : MDI indique que lors d'un cycle urbain (plus ou moins 20 km/h de moyenne) le chauffage d'appoint n'est pas nécessaire.

En pratique, avec un excellent rendement de 60% on dispose donc de 35 MJ que j'arrondis par excés à 10 kWh.
Ces 10 kWh (sans chauffage additionnel) sont donc une limite supérieure.
A noter aussi la masse des bonbonnes et de l'air transporté : en gros 120 kg chacun soit 240 kg en charge et 120 kg à vide. Soit une densité massique d'énergie de 41 Wh/kg en charge.
A titre indicatif, dans un moteur essence de rendement 23% (considéré comme médiocre) 10 kWh d'énergie mécanique sont fournis par 5 litres essence (4kg). Et par 10 litres dans un moteur à essence utilisé en ville (le rendement s'effondre). Ou encore par 3-4 litres essence dans un moteur à essence moderne utilisé à régime optimal (100 km/h sur route).

Comparons maintenant avec les batteries.
Les "vieilles batteries au plomb" plafonnent à 30-40 Wh/kg.
Les batteries plus récentes au nickel (ex : hybride Prius, très fiable) sont à 60-80 Wh/kg
Les batteries "top-niveau" au lithium sont à 100-160 Wh/kg. (Elles ne sont pas encore totalement au point pour la traction automobile).
A noter que les batteries ne s'allègent pas lors de la décharge contrairement aux bonbonnes.

Il faut prendre en compte également la densité volumique. Les bonbonnes occupent un volume important ce qui pénalise le SCx (par rapport à des batteries au plomb) et augmente la consommation. Toutefois la résistance aérodynamique ne devient prépondérante qu'à partir de 60 km/h sur un véhicule type 106.

Conclusion provisoire :
Pour un véhicule type 106 (rehaussé s'il doit accueillir les bonbonnes d'air comprimé) le bilan énergétique est en faveur du moteur air comprimé à faible vitesse (moins de 50 km/h) et aux batteries plomb à vitesse soutenue (80-100 km/h). D'autant plus qu'à ces "hautes" vitesses le moteur nécessite un chauffage d'appoint (1.8 ltre essence par charge).

Le bilan semble toujours plus favorable pour les batteries "nickel".

Si l'on ne fait pas d'effort sur le véhicule (pneus, aérodynamisme, vitesse) l'autonomie en condition "normale" d'utilisation (mais sans accessoires : phares, essuies-glaces, léve-vitres, radio, chauffage, ventilation ...) est donc celle d'une 106 standard avec 5 litres essence. Soit une petite centaine de km. Mais on peut faire beaucoup mieux.

Remarque : On a un gros plus pour le moteur air comprimé. La climatisation est "gratuite", ce moteur ayant naturellement tendance à produire du froid (d'ou la nécessité du chauffage à "hautes puissances").

Toutefois, il faut aussi tenir compte de la problématique de la recharge : durée, nombre de cycles avant changement (bonbonnes, batteries), coût énergétique du "puits à la roue". La aussi le bilan n'est pas aussi simple qu'il y paraît.
A suivre ...

[sceptique]

Résumé des épisodes précédents !
En reprenant et vérifiant les caractéristiques fournies par MDI j'arrive aux conclusions suivantes :
Avec 340 litres air comprimé à 300 bars (masse à vide 120 kg, en charge 120 kg) un excellent rendement de 60% on obtient 10 kWh d'énergie mécanique à condition d'utiliser le moteur à faible puissance. Sinon il faut un chauffage d'appoint (ou utiliser une partie des kWh dans ce but). Ces 10 kWh correspondent à 4-5 litres d'essence en appliquant un rendement de 20 à 30%.
La densité massique 41 Wh/kg est entre celle d'une batterie au plomb (30 Wh/kg) et celle d'une batterie "nickel" (60-80 Wh/kg).
La problématique est donc la même que pour les véhicules électriques ou les véhicules thermiques à très basse consommation étudiés par ailleurs. Il faut diminuer le poids et le SCx pour diminuer la consommation.

Avec 250 kg de bonbonnes (ou 250 kg de batteries) il est difficile d'alléger une voiture actuelle de 1000 kg (genre 106) car la structure doit avoir un minimum de résistance. De plus les bonbonnes sont très volumineuses. Si on les loge en allongeant le véhicule la structure de celui-ci s'alourdit beaucoup. Si on les loge en augmentant la hauteur (genre Scenic ou Picasso) le surplus de poids pour la structure est plus faible mais cela dégrade le SCx.
En partant des bonbonnes de MDI (rappel : 340 litres, 250 kg, 10 kWh d'énergie mécanique utile) on ne peut rien "gratter" par rapport à une 106. Au contraire, dans les modèles indiqués par MDI la hauteur est importante ce qui dégrade le SCx.
Maintenant, en reprenant mon calculateur http://perso.orange.fr/pic-petrole/calc ... rts-2.html et en gardant les valeurs par défaut mais en mettant 60 km/h et un SCx majoré à 0.80 on note une consommation de 80 Wh par km et une puissance nécessaire de 4800 W. Avec une répartition 40-60 entre résistance au roulement et résistance de l'air.

Donc, à 60 km/h stabilisé l'autonomie est de 125 km. En réalité, avec les démarrages, accélérations, freinages plus la consommation des accessoires (phares, essuie-glace, ventilation ...) l'autonomie descend vite : 80 km me semble correct, 100 km un grand maximum.
A 100 km/h stabilisé le calculateur donne 157 Wh par km. L'autonomie tombe à 60 km.

Tout ceci est en accord avec les valeurs fournies pour les Saxo et 106 électriques : 10-12 kWh de batteries plomb (400 kg) pour une autonomie de 80-100 km en conditions réelles d'utilisation. C'est d'ailleurs ce que l'on peut aussi faire avec 4-5 litres essence : pied léger, vitesse modérée, conduite cool !

si on veut avoir un véhicule air comprimé (ou électrique) un peu plus performant il faut complétement changer de stratégie. Et partir d'un vélo avec beaucoup moins de bonbonnes (ou batteries) en ne conservant que 1,2 ou 3 places.
A suivre ...

[sceptique]

La pression de 300 bars indiquée par MDI est déjà "poussée". Normalement l'air comprimé est stocké à 200 bars. Plus de 300 bars risque d'être dangereux. Il n'y a pas grand chose à gratter de ce point de vue. De toute manière c'est à peu près linéaire : augmenter la pression de 20% augmente l'autonomie de 20%.

[kercoz]

La pression de 300 bars indiquée par MDI est déjà "poussée". Normalement l'air comprimé est stocké à 200 bars. Plus de 300 bars risque d'être dangereux.

J'espère pas trop "polluer" mais 300, meme 200 bars pour 340 litres me semblent tres dangereux .
Ce n'étais pas mon domaine principal et j'ai pas trop mémorisé , mais il faudrait vérifier , sur un choc il me semble que c'est une bombe.

Je reviens de me ballader sur GG :c'est le délire , la pluspart des gens sont inconscient du problème et ricanent en disant que l'air ne peut exploser ....etc.
La règlementation impose des controles serrés pour 200l a 4 bars! (imaginez 200 !)
C'est le rapport PxV qui compte. Les silos a blé ont explosé alors que le "feu" des poussieres du silo ne se classait pas en eplosion mais en coup "de poussier " type des mines . la vitesse de propagation de la flamme ne dépassait pas la limite incendie/explosion . Mais la surface des silos est telle qu'ils ont explosé.
200bars a 300 litres doivent etre tres dur a géré , autant du point de vue controle que du point de vue accident /choc. . un PxV de 60 000 c'est du lourd.
J'ai fait plusieurs constats apres dégats (je ne 'occupais que du colatéral elec ), c'est vraiment impressionant . Les essais que l'on fait en surpression (+30ou50% ?) se font imperativement a l'eau et les soupapes sont parfois bloquées ou mal tarées. L'interieur des cuves se corrode assez vite et demande une purge fréquente rarement faite.

[Lansing]

C'est effectivement très dangereux, les normes de gonflage à cette pression sont strictes. Il n'y a pas si longtemps lorsqu'on voulait gonfler à plus de 200 bars des bouteilles il fallait les mettre dans une cuve en acier.
Quand au matériau de la bonbonne, un enroulement de carbone filaire, je trouve très surprenant que ça puisse être homologué au choc. Le carbone est excellent en torsion ou en flexion mais pas du tout au choc, en plasturgie c'est même ce qui se fait de plus fragile, loin derrière le verre et le kevlar.
En cas de crash, vu la taille de la voiture, ce sont les vêtements qui devraient être en kevlar.

Patrick

[marcel]

Quelques questions me démangent.
On parle très souvent du danger que représenteraient les bonbonnes d'air comprimé à 300 bars. Pourquoi alors ne s'offusque-t-on pas des projets fort couteux de stockage embarqué d'hydrogène à 700 bars? Est-ce aussi dangereux, pour une pression plus grande mais avec un volume moins important?
La réalisation de réservoirs n'est pas le fait de MDI, les fabricants seraient-ils exonérés de responsabilité en cas d'explosion (même accidentelle) d'une réservoir embarqué dans un véhicule?
Je ne prend pas parti comme l'a demandé sceptique, d'autant que cela me semble assez nébuleux.

Un autre point m'interpelle. Dans un moteur normal, toute friction provoque une élévation de température et a priori une perte de rendement. Mais dans le cas d'un moteur à air comprimé, la température tend à chuter fortement et toute récupération de chaleur devient opportune (vers une détente isotherme). Qu'en est-il de l'élévation de température provoquée par la friction?
Je m'excuse pour mes questions sûrement très candides !!!

Merci
Marcel

[Glycogène]

La production de chaleur par les frottement à l'intérieur d'un moteur thermique sont négligeables par rapport à la production de chaleur dû au rendement thermo (35% de rendement => 65% des joules du carburant qui partent en chaleur).
Et heureusement que les frottements sont faibles, sinon le moteur ne durerait pas lontemps.
Les frottements les plus importants sont à l'extérieur du moteur : contact route/roues, et surtout les frottements de l'air.
Dans le cas d'un moteur à air comprimée, il est plus simple, donc encore moins de frottements et de chaleur, qui est largement inférieure par rapport à la production de froid dû à la détente de l'air.

[kercoz]

On parle très souvent du danger que représenteraient les bonbonnes d'air comprimé à 300 bars. Pourquoi alors ne s'offusque-t-on pas des projets fort couteux de stockage embarqué d'hydrogène à 700 bars? Est-ce aussi dangereux, pour une pression plus grande mais avec un volume moins important?

Un début de réponse : a cette pression , l'hydrogène doit etre liquide. Donc le vol du gaz est nettement plus petit ; Et c'est le gaz qui est dangereux car le liquide n'est pas compressible. L'hydrogène cherche a rester liquide car le gaz traverse pas mal de truc , (je crois).
Pour l'air c'est peut etre une piste pour limiter la dangerosité : passer en phase liquide en réservoir (?)

[Silenius]

On peut améliorer le rendement en faisant fonctionner le moteur pendant 1 cycle à l'essence et 2 cycles à l'air comprimé, celui-ci étant réchauffé par les calories perdues du cycle Otto. (échangeur de chaleur à l'échappement, culasse et chemises) . Une des versions initiale de l'invention fonctionnait sur ce principe.

Ps: un investisseur privé construit une usine MDI en Andorre...(vu sur France 2, émission : complément d'enquête)