L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz sous forme mécanique du fait qu'il est comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.
Dans un système pneumatique, le gaz comprimé est utilisé comme moyen de transport et de stockage d’énergie. De production facile, le système pneumatique présente un certain nombre d’avantages.
Comme un système hydraulique, un système pneumatique est fondé sur une différence de pressions 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 souvent utilisé, sauf quand des contraintes diverses conduisent à choisir d'autres gaz :
Le cas particulier de l'usage de l'air est traité dans l'article « Air comprimé ».
Il existe de nombreuses formes de pompes ou moteurs) classées en deux grandes familles : les pompes/moteurs volumétriques, où un organe (piston ou assimilé) fait varier le volume d'une chambre, et les turbines, qui jouent sur un effet dynamique, comme la force centrifuge.
Un système pneumatique repose sur une différence de pressions entre deux zones, différence de pression qui crée une force 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 la pression 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
Dans le cas le plus habituel, on utilise une pompe/moteur volumétrique. La chambre est alors fermée par une partie déformable et/ou mobile, que l'on nomme « piston », le déplacement du piston modifie le volume de la chambre.
Dans la plupart des cas, le piston se déplace en translation dans un cylindre, mais il existe une grande variété de pompes volumétriques.
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 la thermodynamique. Les systèmes ayant de nombreux paramètres de description, la modélisation est souvent délicate.
La loi des gaz parfaits, qui fait intervenir la pression, le volume, la quantité 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 des sons.
Les différences de température vont entraîner des transferts 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 sont polytropiques. Cela veut dire qu'une partie de l'énergie (travail) est soustraite ou augmentée (notamment dans le cas 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 V {\displaystyle \displaystyle V} contenant de l'air à la pression P a {\displaystyle \displaystyle Pa} qu'on laisse se détendre contient effectivement de l'énergie mécanique qu'on peut récupérer.
Dans le cas d'une détente adiabatique réversible, sans perte (efficacité énergétique égale à 100 %), l'énergie délivrée (en J/kg d'air) sera :
W = − γ γ − 1 ∗ Z ∗ r ∗ T a ∗ {\displaystyle W=-{\frac {\gamma }{\gamma -1}}*Z*r*Ta*\left}avec :
γ {\displaystyle \gamma } = C p / C v {\displaystyle Cp/Cv} = 1,4 pour de l'air Z {\displaystyle \displaystyle Z} = coefficient de compressibilité = 1 r {\displaystyle \displaystyle r} = constante du gaz = R / M {\displaystyle R/M} où R {\displaystyle \displaystyle R} = 8,314 J/mole.K et M {\displaystyle \displaystyle M} est la masse molaire en kg/mole (= 0,028 pour de l'air) T a {\displaystyle \displaystyle Ta} = température absolue (en K) à l'aspiration. Si t = 27 °C alors Ta = 300 K.Quelques valeurs de W {\displaystyle \displaystyle W} et ρ {\displaystyle \displaystyle \rho } (la masse volumique de l'air à la pression considérée) :
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 0,5 kg d'essence, soit 0,69 litres d'essence.
Si la décompression est isotherme : E = ln ( 300 / 1 ) ⋅ 3 ⋅ 10 7 ⋅ 0 , 3 = 51 , 3 {\displaystyle \scriptstyle {E\;=\;\ln(300/1)\cdot 3\cdot 10^{7}\cdot 0,3\;=\;51,3\;}} , soit 14,2 kWh.
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 1,14 kg d'essence, soit 1,6 litre d'essence.
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 son PCI.
JustificationOn justifie les résultats ci-dessus par des calculs thermodynamiques.
Lors d'une décompression isentropique, par exemple réversible et sans échange thermique avec le milieu ambiant, la relation entre la pression et le volume est : P V γ {\displaystyle P\,V^{\gamma }} = constante où :
Dans le cas d'une décompression isotherme, γ = 1 {\displaystyle \gamma =1} .
L'énergie lors de la décompression adiabatique se calcule par intégration de V 1 {\displaystyle V_{1}} à V 2 {\displaystyle V_{2}} de P d V {\displaystyle P\,\mathrm {d} V} donc de d V V γ {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} V}{V^{\gamma }}}} .
Dans le cas adiabatique, on considère que le volume V 1 {\displaystyle V_{1}} après décompression est très grand et donc 1 / V 1 {\displaystyle 1/V_{1}} est nul. Ces intégrations donnent les formules énoncées ci-dessus.
Un moteur à air comprimé utilise le principe de la détente d'un gaz, comme dans la partie détente d'une machine frigorifique. Comme celle-ci, il peut théoriquement avoir une efficacité 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 une détente 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 le cycle de Carnot, l'efficacité de Carnot entre 300 et 900 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 du processus 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 le processus adiabatique, est de 6,3 kWh. On en déduit une efficacité 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 une efficacité énergétique réelle dépassant 100 %, ce qui serait mieux que tous les autres systèmes moteurs connus.
Cependant, le problème 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 ou coefficient de performance de 3). La conservation de l'énergie est respectée parce que l'énergie gagnée est absorbée depuis l'environnement ambiant, d'où l'expression pompe 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 ), 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.