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Compresseur d’Air à Énergie Humaine avec Stockage d’Energie

Wed, 06 Dec 2023 00:00:00 +0000

Image : Compresseur d’air à énergie humaine avec système de stockage d’énergie. Photo d’Andy Lagzdins.

Il suffit de jeter un rapide coup d’œil dans mon atelier de réparation de motos pour se rendre compte que les outils pneumatiques y sont absolument partout. Du petit outillage portatif comme les clés à choc, ponceuses, cisailles, scies et meuleuses, aux équipements plus conséquents – notamment une cabine de sablage et une machine à pneus ; l’air a un rôle vital et permet de réaliser un large éventail de tâches au sein de l’atelier.

J’utilise depuis les années 1990 un compresseur d’air 220v, dont le moteur électrique 7 ch entraîne une pompe à air bi-étagée à 800 tr/min, qui remplit le réservoir de 300 litres (80 gallons) à une pression de 150 psi en cinq minutes environ. C’est une machine extrêmement fiable, à tel point que je n’y pense que rarement de manière consciente. Ce n’est qu’en cas de panne de courant que je réalise combien je suis dépendant, dans le cadre de mon activité, d’un approvisionnement permanent en air comprimé.

Face au constat de l’instabilité croissante de notre monde actuel, au sein duquel l’abondance, le faible coût et la fiabilité de l’énergie ne peuvent désormais plus être tenus pour acquis, j’ai décidé de me fabriquer un système qui me permettrait de remplir mes réservoirs d’air comprimé sans avoir à utiliser d’électricité ni de carburant. Ma conception du dispositif serait exempte de toute électronique et, moyennant un entretien minimal, les composants devraient (idéalement) durer toute une vie. Je souhaitais par ailleurs utiliser un maximum de pièces d’occasion, dans la double optique de promouvoir le recyclage et le réemploi tout en réduisant le coût de la fabrication.

Les Composants

La première étape consistait à trouver un réservoir d’air. J’ai déniché un compresseur d’air Ingersoll Rand d’une capacité de 300 litres, fabriqué en 1952, auquel j’ai retiré la pompe à air et le moteur électrique. La pompe d’origine a été remplacée par un nouveau modèle Speedaire, préconisé pour 115 psi, et nécessitant un moteur de seulement 0.5 ch pour fonctionner. La pompe est fixée sur le dessus du réservoir avec une plaque d’acier, boulonnée à la platine du moteur d’origine. À l’emplacement du moteur électrique, j’ai installé un arbre de transmission en acier massif, monté sur paliers à semelle avec roulements auto-aligneurs. Cet arbre de transmission accueille trois poulies de 20 kg utilisées comme volant d’inertie (on parle aussi de « volant moteur »), c’est à dire destinées fluidifier le fonctionnement. Ces disques de fonte ont un alésage de 3.5 cm de largeur et mesurent 40 cm de diamètre. La pompe à air est reliée à l’arbre moteur par une courroie de distribution simple trapézoïdale de section 4L.

Image : Compresseur et poulies de compresseur utilisées comme volants d’inertie. Photo d’Andy Lagzdins.

Image : Arbre de transmission en acier massif, avec trois poulies utilisées comme volant d’inertie. Photo d’Andy Lagzdins.

L’étape suivante consistait à trouver une source d’énergie humaine pour faire tourner ces volants d’inertie. J’ai trouvé un vélo d’appartement Schwinn des années 1970, de très bonne facture, presque entièrement construit en acier. Après l’avoir dépouillé pour ne conserver que le strict nécessaire, j’ai remplacé la roue à rayons d’origine par un moyeu à 8 vitesses intégrées de marque Sturmey Archer. Ce moyeu offre une plage de braquets (rapports de démultiplication de la transmission) comprise entre 1 et 3,25. Les changements de vitesse sont effectués via une manette située sur le guidon.

Afin de supporter les sollicitations mécaniques d’un pédalage à pleine puissance, l’ensemble du pédalier d’origine a quant à lui également été remplacé par des bras de manivelle tubulaires Cr-Mo (acier faiblement allié au chrome-molybdène), un boîtier à roulements scellés, ainsi que des pédales à plateforme issues d’un BMX de course. Enfin, le guidon et la potence ont été remplacés par des composants en Cr-Mo afin de minimiser leur flexion lors d’une utilisation intensive. Les chaînes 1/8” (largeur équivalente à 3.175 mm) sont de la plus haute résistance pour plus de fiabilité.

A ce stade de l’assemblage, le vélo et le réservoir d’air comprimé se trouvaient alignés l’un par rapport à l’autre, et installés sur des cadres en bois traité de section 14 x 14 cm à leur emplacement définitif. À l’avant du vélo, le pignon de sortie a ensuite été relié à un pignon similaire fixé à l’extrémité de l’arbre moteur ; le système de transmission était désormais terminé.

Image : Un vélo d’entraînement Schwinn des années 1970. Le pédalier d’origine a été remplacé par des bras de manivelle tubulaires Cr-Mo, un boîtier à roulements scellés, ainsi que des pédales à plateforme issues d’un vélo de course BMX. Photo d’Andy Lagzdins.

Image : Moyeu à 8 vitesses intégrées de marque Sturmey Archer. Photo d’Andy Lagzdins.

Pour gérer le flux d’air, j’ai intégré un système à deux étages. Les deux réservoirs d’air, d’une capacité respective de 10 et 80 litres, sont dotés de valves séparées, ce qui me permet de les remplir séparément, simultanément, ou de transférer de l’air d’un réservoir à l’autre. Sur chacun d’eux, un manomètre indique la pression interne. Après remplissage initial du grand réservoir, j’augmente sa pression à 50 psi en l’alimentant directement depuis la pompe à air. Je commence alors à remplir le petit réservoir jusqu’à atteindre 100 psi, pour ensuite le vider vers le grand.

Une Transmission à 8 Vitesses

Le système de transmission à 8 vitesses est d’une précieuse aide au cours du processus de remplissage. Quand la pression du réservoir est faible, le vélo peut être utilisé avec de grands braquets. À l’inverse, les plus petits braquets permettent de surmonter la résistance opposée par la pompe à air quand la pression atteint la plage de 70 - 100 psi.

Le remplissage des deux réservoirs à une pression de 100 psi nécessite 5 à 10 sessions de pédalage par jour sur environ une semaine. Dans les périodes de forte activité à l’atelier, enfourcher le vélo de temps en temps permet de me vider un peu l’esprit pour me remettre les idées en place ; par temps froid, c’est un bon moyen de se réchauffer tout en stimulant la circulation sanguine. Je peux aussi me mettre en petit rapport de vitesse et pédaler plus doucement tout en étant sur mon portable ou en écoutant de la musique. Le fait d’avoir à pédaler aussi fréquemment pour obtenir de l’air comprimé m’incite à éviter de gaspiller de l’air quand j’utilise mes outils. Cela oblige par ailleurs à vérifier régulièrement l’absence de fuite en s’assurant que tous les raccords sont bien étanches.

Image : Outils à air comprimé. Photo d’Andy Lagzdins.

Dans cette installation, les composants les plus exposés à l’usure dans le temps sont les joints de la pompe à air, la courroie de transmission et les chaînes, les pignons ainsi que le flexible en caoutchouc. Je garde en stock pour chacun d’entre eux des pièces de rechange, afin de m’assurer que le système puisse rester opérationnel pour les années à avenir. Toutes les opérations d’entretien et de maintenance peuvent être réalisées au moyen d’outils manuels simples, et la totalité des pièces sont réparables et remplaçables.

L’autre avantage d’utiliser l’air comprimé comme vecteur d’énergie est le faible coût des outils pneumatiques. La tendance actuelle est à la généralisation du matériel électroportatif sur batterie, ce qui incite beaucoup de gens à vendre leurs « vieux » outils pneumatiques, soi-disant désuets. On trouve ainsi à la vente beaucoup d’anciens compresseurs dont la pompe ou le moteur est défectueux, pour des prix par conséquent très abordables. Le marché d’occasion propose une bonne offre de vélos d’appartement ; probablement du fait de personnes qui ont entamé un programme d’entraînement physique pour finalement abandonner en cours de route. La prochaine modification prévue consistera à ajouter un second réservoir d’air de 300 litres afin d’augmenter la capacité de stockage.

En résumé, les principaux avantages du vélo générateur d’air comprimé (ou « compresseur d’air à pédale ») sont les suivants : aucune source d’énergie extérieure n’est nécessaire, il peut fonctionner dans des sites isolés à n’importe quel moment de la journée ou de l’année, il est construit à partir de composants recyclés qui sont facilement remplaçables, et ne coûte rien à l’utilisation. Les avantages secondaires sont nombreux : de plus en plus de bienfaits se font sentir à l’usage de cette machine. En premier lieu, on peut citer une meilleure forme physique grâce au pédalage, et un esprit plus libre après s’être changé les idées.

Image : Compresseur d’air à énergie humaine avec système de stockage d’énergie. Illustration d’Andy Lagzdins.

Caractéristiques techniques :

Réservoir d’air principal : 300 litres Horizontal, Ingersoll Rand
Réservoir de remplissage : 38 litres, 125psi, SnapOn
Pompe de compresseur d’air : 1 étage, 1 ch Max, 115psi, Speedaire 40KH94
Cycle stationnaire : vélo d’appartement Schwinn Exerciser
Transmission : moyeu à vitesses intégrées Sturmey Archer S80 XRK8 (8 vitesses)
Volants d’inertie : Fonte, diamètre 406 mm, alésage 35 mm
Roulements : paliers à semelle P207 avec roulements auto-aligneurs
Courroie : simple trapézoïdale, type 4L
Chaînes : KMC Z1eHX Wide 1/2”x1/8”
Valves : valves à boisseau sphériques 12.7 mm, laiton
Filtre à air : filtre K&N, coton et treillis métallique

Vidéo

Andy fait une démonstration de la machine et explique son fonctionnement dans cette vidéo.

Stockage d’énergie par air comprimé hors-réseau

Wed, 16 May 2018 00:00:00 +0000

Se retirer du réseau électrique ? Pensez-y à deux fois avant d’investir dans un système de batterie. Le stockage d’énergie par air comprimé est l’alternative durable et résiliente aux batteries chimiques, avec une bien meilleure durée de vie, des coûts de productions plus faibles, une simplicité technique et peu de maintenance. Concevoir un système de stockage d’énergie par air comprimé qui combine un rendement élevé avec une petite taille de stockage n’est pas évident, mais un nombre croissant de checheurs montrent que cela est possible.

Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES - Compressed Air Energy Storage) est souvent considéré à grande échelle, comparable avec une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage. Un tel système consiste à comprimer de l’air et le stocker dans une caverne souterraine, puis de récupèrer l’énergie par la détente (ou la décompression) de l’air dans une turbine, qui fait tourner un générateur.

Malheureusement, les CAES à échelle industrielle sont très peu efficaces énergétiquement. La compression et décompression de l’air entraînent des pertes d’énergie desquelles résultent un rendement électrique-électrique de seulement 40-52%, contre 70-85% pour une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage et 70-90% pour les batteries chimiques.

Le faible rendement est principalement dû au fait que l’air chauffe sous l’action de la compression. Les pertes de chaleur, qui représentent une grosse partie de l’apport énergétique, sont rejetées dans l’atmosphère. Un problème connexe est le fait que l’air se refroidit pendant la détente, ce qui diminue la production électrique et peut même geler la vapeur d’eau présente dans l’air. Pour éviter cela, les grandes usines CAES chauffent l’air avant la détente en utilisant du gaz naturel, ce qui amoindrit d’autant plus le rendement du système et rend ce stockage d’énergie durable dépendant des énergies fossiles.

Pourquoi se tourner vers un système CAES à petite échelle ?

Dans l’article précédent nous avons exposé plusieurs idées – inspirées de systèmes historiques – qui pourraient améliorer le rendement des centrales CAES à grande échelle. Dans cet article, nous nous focalisons sur les quelques ingénieurs et chercheurs, de plus en plus nombreux, qui pensent que l’avenir n’est pas dans le stockage d’énergie par air comprimé à échelle industrielle mais bien dans les systèmes à petite échelle ou micro échelle, utilisant des réservoirs de stockage artificiels en surface plutôt que des réservoirs souterrains. De tels systèmes pourraient être autonomes ou raccordés au réseau, fonctionnant tout seul ou conjointement avec un système de batteries.

La principale raison d’étudier le stockage d’énergie par air comprimé décentralisé est le fait qu’un tel système peut être utilisé n’importe où, tout comme les batteries chimiques. Les grandes installations CAES, à l’inverse, sont dépendantes d’une géologie souterraine appropriée. Bien qu’il y ait plus de sites potentiels pour les grandes installations CAES que pour les grandes centrales hydroélectriques de pompage-turbinage, trouver une caverne de stockage appropriée n’est pas aussi facile que cela avait été préalablement supposé. ¹²³

Comparé aux batteries chimiques, les micro-systèmes CAES ont des avantages intéressants. Le plus important est qu’un réseau distribué de systèmes de stockage d’énergie par air comprimé serait plus durable et écologique. Tout au long de leurs vies, les batteries chimiques stockent seulement deux à dix fois l’énergie nécessaire à les produire. ⁴ Les systèmes CAES à petite échelle font bien mieux que cela, principalement car leur durée de vie est plus longue.

Comparé aux batteries chimiques, un réseau distribué de systèmes de stockage d’énergie par air comprimé serait plus durable et écologique.

Par ailleurs, ils ne nécessitent pas de matériaux rares ou toxiques, et le matériel est facilement recyclable. De plus, le stockage décentralisé d’énergie par air comprimé n’a pas besoin de lignes de production de haute technologie et peut être fabriqué, installé et entretenu par des entreprises locales, contrairement à un système de stockage d’énergie basé sur des batteries chimiques. Enfin, les micro-CAES ne se déchargent pas tous seuls, tolèrent une plus large gamme d’environnements et promettent d’être moins chers que les batteries chimiques. ⁵

Bien que le coût d’investissement initial soit estimé supérieur à celui d’un système de batterie (environ 10 000 $ pour une installation résidentielle typique), et bien que le stockage en surface augmente les coûts par rapport au stockage souterrain (le réservoir de stockage compte pour environ la moitié du coût d’investissement), un système de stockage d’énergie par air comprimé offre un nombre presque infini de cycles de charge et de décharge. Les batteries, en revanche, doivent être remplacées toutes les quelques années, ce qui les rend plus chères sur le long terme. ⁵⁶

Défi: Limiter la taille du stockage

Cependant, les systèmes CAES décentralisés font également face à des défis importants. Le premier est le rendement du système, qui est un problème dans les systèmes à grande et à petite échelle, et le second est la taille du réservoir de stockage, qui est particulièrement problématique pour les systèmes CAES à petite échelle.

Ces deux problèmes rendent les systèmes CAES à petite échelle peu pratiques. Trouver un espace suffisant pour un grand récipient de stockage n’est pas toujours faisable, tandis qu’un stockage à faible rendement nécessite une plus grande installation solaire photovoltaïque ou éolienne pour compenser cette perte, augmentant les coûts et diminuant la durabilité du système.

Pour rendre les choses plus compliquées encore, le rendement du système et la taille du stockage sont inversement liés: l’amélioration d’un facteur se fait souvent au détriment de l’autre. Augmenter la pression de l’air minimise la taille du stockage mais diminue le rendement du système, tandis que l’utilisation d’une pression plus basse rend le système plus économe en énergie mais mais demande un espace de stockage plus important. Quelques exemples aident à illustrer le problème.

Réservoirs de stockage d'énergie par air comprimé. [Source](http://www.screwtypeaircompressors.com/sale-8108163-vertical-compressed-air-tank-natural-gas-tank-2000l-air-receiver-tank.html).

Une simulation pour un système CAES autonome destiné aux zones rurales non raccordées au réseau, qui est connecté à un système solaire photovoltaïque et utilisé uniquement pour l’éclairage, fonctionne à une pression d’air relativement basse de 8 bars et obtient un rendement aller-retour de 60% – comparable à l’efficacité des batteries au plomb. ⁷

Cependant, pour stocker 360 Wh d’énergie électrique potentielle, le système nécessite un réservoir de stockage de 18 m3, soit l’équivalent de la taille d’une petite pièce de 3x3x2 mètres. Les auteurs font remarquer que «bien que la taille du réservoir semble très grande, elle a toujours du sens pour des applications dans les zones rurales».

Le rendement du système et la taille du stockage sont inversement liés: l’amélioration d’un facteur se fait souvent au détriment de l’autre.

Un tel système peut en effet être bénéfique dans ce contexte, notamment parce qu’il a une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries chimiques. Cependant, une configuration similaire dans un contexte urbain à forte consommation d’énergie est évidemment problématique. Dans une autre étude, il a été calculé qu’il faudrait un réservoir de stockage d’air de 65 m3 pour stocker 3 kWh d’énergie. Cela correspond à un récipient sous pression de 13 mètres de long avec un diamètre de 2,5 mètres, illustré ci-dessous. ⁸

En outre, la consommation électrique quotidiene moyenne des ménages dans les pays industrialisés est encore beaucoup plus élevée. Par exemple, au Royaume-Uni, elle est légèrement inférieure à 13 kWh par jour, aux États-Unis et au Canada, elle dépasse 30 kWh. Dans ce dernier cas, dix de ces réservoirs d’air seraient nécessaires pour stocker l’équivalent d’une journée d’utilisation d’électricité.

Les systèmes CAES à petite échelle avec des pressions élevées donnent des résultats opposés. Par exemple, une modélisation d’une configuration pour une utilisation électrique domestique typique en Europe (6 400 kWh par an) fonctionne à une pression de 200 bars (près de 4 fois supérieure à la pression dans les grandes usines CAES) et obtient un volume de stockage de seulement 0,55 m3, ce qui est comparable aux batteries. Cependant, le rendement électrique-électrique de cette configuration n’est que de 11 à 17%, selon la taille du système solaire photovoltaïque. ⁹

Deux stratégies pour faire fonctionner le micro-CAES

Ces exemples semblent suggérer que le stockage d’énergie par air comprimé n’a pas de sens en tant que système de stockage d’énergie à petite échelle, même avec une réduction du besoin en énergie. Cependant, peut-être de manière surprenante pour beaucoup, ce n’est pas le cas.

Les systèmes CAES à petite échelle ne peuvent pas suivre la même approche que les systèmes CAES à grande échelle, qui augmentent la capacité de stockage et le rendement global en utilisant la compression multi-étagée avec refroidissement intermédiaire et la détente multi-étagée avec réchauffe. Cette méthode implique des composants supplémentaires et augmente la complexité et le coût, ce qui n’est pas adapté pour les systèmes à petite échelle.

Il en va de même pour les procédés «adiabatiques» (AA-CAES), qui visent à utiliser la chaleur de compression pour réchauffer l’air lors de la détente, et qui sont le principal axe de recherche des CAES à grande échelle. Pour un système micro-CAES, il est très important de simplifier au maximum la structure. ⁵¹⁰

Cela nous laisse avec deux stratégies low-tech qui peuvent être suivies pour atteindre une capacité de stockage et une efficacité énergétique similaires à celles des batteries au plomb. Premièrement, nous pouvons concevoir des systèmes à basse pression qui minimisent les différences de température pendant la compression et la détente. Deuxièmement, nous pouvons concevoir des systèmes à haute pression dans lesquels la chaleur et le froid de la compression et de la détente sont utilisés pour des applications domestiques.

Petite échelle, haute pression

Les systèmes CAES à petite échelle fonctionnant à haute pression transforment l’innefficacité de la compression et de la détente en un avantage. Alors que l’AA-CAES à grande échelle vise à récupérer la chaleur de compression dans le but de maximiser la production d’électricité, ces systèmes à petite échelle profitent des différences de température pour permettre la cogénération d’électricité, de chauffage et de refroidissement. La chaleur dissipée lors de la compression est utilisée pour le chauffage résidentiel et la production d’eau chaude, tandis que l’air froid de la détente est utilisé pour le refroidissement des locaux et la réfrigération. Les batteries chimiques ne peuvent pas faire cela.

Les systèmes CAES à petite échelle à haute pression utilisent la chaleur dissipée lors de la compression pour le chauffage résidentiel et la production d’eau chaude, tandis que l’air froid de la détente est utilisé pour le refroidissement des locaux et la réfrigération.

Dans ces systèmes, le rendement électrique-électrique est très faible. Cependant, il y a maintenant plusieurs rendements à définir, car le système fournit également de la chaleur et du froid. ¹⁰¹¹ En outre, cette approche peut rendre obsolètes plusieurs appareils électriques, tels que le réfrigérateur, la climatisation et la chaudière électrique pour le chauffage des locaux et de l’eau. Étant donné que l’utilisation de ces appareils est souvent responsable d’environ la moitié de la consommation d’électricité dans un ménage moyen, un système CAES à petite échelle à haute pression a un besoin en électricité globalement plus faible.

Un compresseur d’air typique. [Source](https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors).

Les systèmes à haute pression règlent facilement le problème de la taille du stockage. Comme nous l’avons vu, une pression d’air plus élevée peut réduire considérablement la taille du réservoir de stockage d’air comprimé, mais uniquement au détriment d’une augmentation des pertes de chaleur. Dans un système à petite échelle qui tire parti des différences de température pour assurer le chauffage et le refroidissement, cela est avantageux. Par conséquent, les systèmes à haute pression sont idéaux pour les bâtiments résidentiels à petite échelle, où l’espace de stockage est limité et où il y a une forte demande de chaleur et de froid ainsi que d’électricité. Les seuls inconvénients sont que les systèmes à haute pression nécessitent des réservoirs de stockage plus solides et plus chers, et qu’un espace supplémentaire est nécessaire pour les échangeurs de chaleur.

Installation expérimentale d’un micro-CAES. Source: [^30]

Plusieurs groupes de recherche ont conçu, modélisé et construit des unités cogénératrices de chauffage et d’électricité CAES à petite échelle qui fournissent le chauffage et le refroidissement ainsi que l’électricité. Le système à haute pression avec un volume de stockage de seulement 0,55 m3 que nous avons mentionné précédemment est un exemple de ce type de système. ⁹ Comme indiqué, son rendement électrique n’est que de 11 à 17%, mais le système génère également suffisamment de chaleur pour produire 270 litres d’eau chaude par jour. Si cette source d’énergie thermique est également prise en compte, le rendement «exergétique» de l’ensemble du système est proche de 70%. Des rendements “exergétiques” similaires peuvent être trouvés dans d’autres études, avec des systèmes fonctionnant à des pressions comprises entre 50 et 200 bars. ¹¹¹²

La chaleur et le froid provenant de la compression et de la détente peuvent être distribués aux appareils de chauffage ou de refroidissement via un circuit d’eau ou d’air. L’installation d’un système de chauffage et de refroidissement à air est très similaire à un système CAES, à l’exception du réservoir de stockage. Le chauffage et le refroidissement à air présentent de nombreux avantages, notamment une grande fiabilité, une facilité d’entretien et l’utilisation d’un fluide frigorigène naturel, respectueux de l’environnement. ¹¹

Petite échelle, basse pression

La deuxième stratégie pour obtenir des rendements plus élevés et réduire les volumes de stockage est exactement l’opposé de la première. Au lieu de comprimer l’air à une pression élevée et de profiter de la chaleur de la compression et du froid de la détente, une deuxième catégorie de systèmes CAES à petite échelle est basée sur des pressions basses ainsi qu’une compression et une détente «quasi-isothermes».

En dessous de pressions d’air d’environ 10 bars, la compression et la détente de l’air présentent des changements de température insignifiants («quasi-isothermes»), et le rendement du système de stockage d’énergie peut atteindre quasiment 100%. Il n’y a pas de pertes de chaleur et, par conséquent, il n’est pas nécessaire de réchauffer l’air lors de la détente.

La compression isotherme nécessite le minimum d’énergie pour comprimer une quantité d’air donnée à une pression donnée. Cependant, réaliser un processus isotherme est un cas plutôt théorique. Pour commencer, il ne fonctionne qu’avec des compresseurs et détendeurs de petite taille et/ou à cycle court. Malheureusement, les compresseurs industriels typiques ne sont pas conçus pour un rendement maximal mais pour une puissance maximale et fonctionnent donc dans des conditions de cycle rapide et non isothermes. Il en va de même pour la plupart des détendeurs industriels. ¹³¹⁴

En dessous de pressions d’air d’environ 10 bars, la compression et la détente de l’air présentent des changements de température insignifiants et le rendement peut atteindre quasiment 100%

L’utilisation de compresseurs et de détendeurs industriels explique en grande partie pourquoi les systèmes CAES basse pression mentionnés au début de cet article ont de si grands réservoirs de stockage. Les deux systèmes sont basés sur des appareils qui fonctionnent en dehors de leurs conditions optimales ou nominales. ¹⁵ Puisque les pertes se multiplient lors des conversions d’énergie, même des différences relativement faibles dans le rendement des compresseurs et des détendeurs peuvent avoir de grands effets. Par exemple, une variation du rendement de l’appareil de 60% à 80% entraîne un rendement du système de 36% à 64%, respectivement.

Nouveaux types de compresseurs et de détendeurs

Puisque les performances des compresseurs et des détendeurs ont un impact significatif sur le rendement global d’un système CAES à petite échelle, plusieurs chercheurs ont construit leurs propres compresseurs et détendeurs, spécialement destinés au stockage d’énergie. Par exemple, une équipe a conçu, construit et étudié un compresseur mono-étagé isotherme à faible puissance utilisant un piston à fluide. ¹³ Il fonctionne à un taux de compression très faible (entre 10 et 60 tr/min), ce qui correspond à la puissance de panneaux solaires photovoltaïques, et limite les fluctuations de température pendant la compression et la détente à 2 degrés Celsius.

Cet appareil, à faible coût et composé d’un minimum de pièces mobiles, obtient des rendements de 60 à 70% pour une pression de 3 à 7 bars. ¹³ Il s’agit d’un rendement très élevé pour un appareil aussi simple, étant donné qu’un compresseur centrifuge sophistiqué à trois étages, utilisé dans des systèmes CAES à grande échelle ou dans des environnements industriels, a un rendement d’environ 70%. De plus, les chercheurs affirment que le rendement est limité par l’utilisation d’un moteur standard pour alimenter leur compresseur. En effet, une autre équipe de recherche a atteint une efficacité de 83%. ¹⁶

Un compresseur à vis. Source: [^30]

Une autre nouveauté est l’utilisation de compresseurs à vis, un type de compresseur maintenant utilisé dans les réfrigérateurs, les systèmes de climatisation et les pompes à chaleur. Autant les compresseurs à pistons hydrauliques que les compresseurs à vis ont un rapport surface/volume élevé, ce qui minimise la production de chaleur et peut facilement gérer les flux diphasiques, ce qui signifie qu’ils peuvent également être utilisés comme détendeurs. Ils sont également plus légers et moins bruyants que les compresseurs alternatifs classiques. ¹⁴

Faire varier la pression d’air

Bien que les compresseurs et les détendeurs soient les facteurs les plus importants pour le rendement des systèmes CAES à petite échelle, ils ne sont pas les seuls. Par exemple, dans chaque système de stockage d’énergie par air comprimé, une perte de rendement supplémentaire est causée par le fait que pendant la détente, le réservoir de stockage se vide et donc la pression chute. En parallèle, la pression d’entrée du détendeur ne doit varier que dans une plage minimale pour garantir un rendement élevé.

Ceci est généralement résolu de deux manières, bien qu’aucune ne soit vraiment satisfaisante. Premièrement, l’air peut être stocké dans un réservoir avec une surpression, après quoi il est réduit à la pression d’entrée requise du détendeur. Cependant, cette méthode - qui est utilisée dans les CAES à grande échelle - nécessite une consommation d’énergie supplémentaire et introduit ainsi une perte de rendement. Deuxièmement, le détendeur peut fonctionner dans des conditions variables, mais dans ce cas, le rendement chutera avec la pression pendant que le réservoir sera vidé.

Pendant la détente, le réservoir de stockage se vide et donc la pression chute.

Ayant ces problèmes à l’esprit, une équipe de chercheurs a combiné un CAES à petite échelle avec une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage à petite échelle, résultant en un système qui maintient une pression constante pendant la décharge complète du réservoir de stockage. Il se compose de deux réservoirs d’air comprimé reliés par un tuyau attaché à leurs parties basses: chacun d’eux a un espace séparé pour l’air (dessous) et un espace séparé pour un stockage d’eau (dessus). Cette configuration maintient une colonne d’eau au moyen d’une pompe, qui consomme 15% de la puissance générée. Cependant, malgré cette consommation d’énergie supplémentaire, les chercheurs ont réussi à augmenter à la fois le rendement et la densité énergétique du système. ¹¹

Stockage de puissance hors-réseau

Pour avoir une idée de ce que peut donner une bonne combinaison de différents composants, examinons un dernier projet de recherche. ¹⁷ Il s’agit d’un système à haut rendement basé sur un compresseur/détendeur fait sur mesure, qui est directement couplé à un moteur/générateur à courant continu. Outre ses composants efficaces, ce projet CAES introduit également une configuration innovante. Il n’utilise pas un seul grand réservoir de stockage d’air, mais plusieurs plus petits, qui sont interconnectés et contrôlés par ordinateur.

L’installation se compose de l’unité de compression/détente couplée à trois petits cylindres (7L), précédemment utilisés comme extincteurs, et fonctionnant à basse pression (max. 5 bar). Les réservoirs de stockage sont connectés via des canalisations en PVC et des raccords en laiton. Pour contrôler le débit d’air, trois vannes d’air commandées par ordinateur sont installées à l’entrée de chaque cylindre. Le système peut être étendu en ajoutant plus de récipients sous pression. ¹⁷

Une configuration modulaire se traduit par un meilleur rendement du système et une densité énergétique plus élevée, pour principalement deux raisons. Tout d’abord, il permet un transfert de chaleur plus efficace, car chaque réservoir d’air agit comme un échangeur de chaleur supplémentaire. Deuxièmement, il permet un meilleur contrôle de la décharge du réservoir de stockage. Les cylindres peuvent soit être déchargés simultanément pour satisfaire une demande de densité de puissance élevée (plus de puissance au prix d’un temps de décharge plus court), soit être déchargés successivement pour satisfaire une demande de densité d’énergie élevée (temps de décharge plus long au détriment de la puissance maximale).

En déchargeant les réservoirs successivement, le temps de décharge peut être considérablement augmenté, ce qui rend le système comparable aux batteries au plomb en termes de densité d’énergie

En déchargeant les réservoirs successivement, le temps de décharge peut être considérablement augmenté, ce qui rend le système comparable aux batteries au plomb en termes de densité d’énergie. Sur la base de leur configuration expérimentale, les chercheurs ont calculé les rendements pour différentes pressions initiales et nombres de cylindres. Ils ont constaté que 57 cylindres interconnectés de 10 litres chacun, fonctionnant à 5 bars, pouvaient remplir le travail de quatre batteries 24 V pendant 20 heures consécutives, tout en ayant un encombrement étonnamment restreint de seulement 0,6 m3.

Fait intéressant, la capacité de stockage est de 410 Wh, ce qui est comparable au système rural de 360 Wh mentionné précédemment, qui nécessite un réservoir de stockage de 18 m3, soit trente fois plus que le système de stockage modulaire.

Vannes d’air contrôlées par ordinateur. [Source](http://www.jaksa.si/compressed-air-solenoid-valves.html).

Le rendement électrique-électrique pour la configuration à 3 cylindres a atteint un pic de 85% à une pression de 3 bars, tandis que le rendement estimé pour la configuration à 57 cylindres est de 75%. Ce sont des valeurs comparables aux batteries lithium-ion, mais l’ajout de réservoirs de stockage ou le fonctionnement à des pressions plus élevées introduit des pertes plus importantes dues à la compression, la chaleur, aux frottements et aux raccords. ¹⁷¹⁸

Néanmoins, quand j’ai envoyé un e-mail à Abdul Alami, le principal auteur de l’étude, pensant que les résultats semblaient trop beaux pour être vrais, il m’a dit que les chiffres étaient en réalité trop conservateurs : “Nous nous sommes restreints à de faibles pressions pour atteindre une compression quasi-isotherme et pour assurer un fonctionnement sûr. Travailler à des pressions supérieures à 10 bars entraînerait de sérieuses pertes de chaleur, mais une pression de 7 à 8 bars peut être bénéfique en termes de densité d’énergie et de puissance, mais peut-être pas en termes de rendement.”

Le fabriquer soi-même ?

En conclusion, le stockage d’énergie par air comprimé à petite échelle pourrait être une alternative prometteuse aux batteries, mais la recherche en est encore à ses débuts - la première étude sur le CAES à petite échelle a été publiée en 2010 - et de nouvelles idées sont nécessaires pour comprendre comment développer au mieux la technologie. Pour le moment, il n’existe pas de modèles disponibles dans le commerce et la mise en place de votre propre système peut être assez intimidante si vous débutez en pneumatique. Le simple fait de se procurer les bons composants et raccords est un casse-tête, car ils sont d’une variété déconcertante et ne sont vendus qu’aux industries.

Cependant, si vous êtes patient et pas trop maladroit, et si vous êtes déterminé à utiliser un système de stockage d’énergie plus durable, il est parfaitement possible de construire votre propre système CAES. Comme les exemples de cet article l’ont montré, il est juste un peu plus difficile d’en créer un bon.

Il y a idées supplémentaires concernant les systèmes CAES à petite échelle dans l’article précédent : Histoire et Avenir de l’Économie de l’Air Comprimé.

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎
Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541. https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5 ↩︎ ↩︎
Il existe une concurrence croissante pour les emplacements géologiques potentiels de CAES, car la plupart sont également adaptés au stockage de gaz naturel ou de carbone séquestré. De plus, le stockage souterrain impose des exigences strictes sur les conditions géographiques. Par exemple, le projet CAES Iowa initialement prévu aux États-Unis a été interrompu en raison de son état de grès poreux. ² ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎
Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013. http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems-Integrated-in-Utility-Networks-July-2013.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804. ↩︎
Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015. https://www.researchgate.net/profile/Ardyono_Priyadi/publication/274898992_Sizing_Compressed-Air_Energy_Storage_Tanks_for_Solar_Home_Systems/links/5670e2c408ae2b1f87acf927.pdf ↩︎
Herriman, Kayne. “Small compressed air energy storage systems.” (2013). https://eprints.usq.edu.au/24651/1/Herriman_2013.pdf ↩︎ ↩︎
Manfrida, Giampaolo, and Riccardo Secchi. “Performance prediction of a small-size adiabatic compressed air energy storage system.” International Journal of Thermodynamics 18.2 (2015): 111-119. http://dergipark.ulakbim.gov.tr/eoguijt/article/download/5000071710/5000113411 ↩︎ ↩︎
Kim, Y. M., and Daniel Favrat. “Energy and exergy analysis of a micro-compressed air energy storage and air cycle heating and cooling system.” Energy 35.1 (2010): 213-220. ↩︎ ↩︎
Kim, Young Min. “Novel concepts of compressed air energy storage and thermo-electric energy storage.” (2012). https://infoscience.epfl.ch/record/181540/files/EPFL_TH5525.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. “Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant.” Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X15300207 ↩︎
Villela, Dominique, et al. “Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules.” Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010. https://pdfs.semanticscholar.org/9f1d/4273f8deb4a0a18c86eb4056e2fd378f8f3f.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
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Le système à petite échelle destiné aux environnements urbains, qui a un réservoir de stockage de 18 mètres de long, est basé sur un compresseur qui “était en service depuis 30 ans sur des chantiers pour faire fonctionner divers outils pneumatiques et sur lequel peu d’entretien avait été fait”. ⁸ Cela nuit au rendement du système, car un compresseur qui n’est pas bien entretenu pert facilement jusqu’à 30% de sa puissance potentielle à cause de fuites d’air, d’une friction accrue ou de filtres à air sales. Ce système à petite échelle a également utilisé un détendeur très inefficace. Au total, cela explique pourquoi il combine un très grand volume de stockage avec un très faible rendement électrique-électrique (moins de 5%). ↩︎
Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191. https://experts.umn.edu/en/publications/liquid-piston-gas-compression ↩︎
Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Abdul Alami, e-mail conversation. ↩︎

Histoire et Avenir de l'Économie de l'Air Comprimé

Tue, 15 May 2018 00:00:00 +0000

Hiscox straight line air compressor.

Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES - Compressed Air Energy Storage) est un élément clé d’un réseau électrique renouvelable, car il pourrait stocker à grande échelle l’excédent d’énergie des éoliennes et des panneaux solaires. Cependant, sous sa forme actuelle, la technologie souffre de pertes énergétiques importantes et dépend du gaz naturel pour fonctionner.

Il suffit de jeter un oeil sur la longue histoire, vieille de 4000 ans, de l’air comprimé pour montrer que ce n’est pas indispensable. Bien que nos ancêtres utilisaient des technologies avec des rendements énergétiques moins bons, ils se servaient de l’air comprimé de manière plus intelligente ce qui leur permettait d’avoir moins de pertes liées aux conversions d’énergie et d’être indépendants des combustibles fossiles.

Les systèmes à air comprimé du passé semblent détenir la solution pour concevoir un système de stockage d’énergie low-tech, bon marché, robuste, durable et relativement économe en énergie. L’économie de l’air comprimé pourrait être l’alternative pratique et réaliste à l’utopie de l’hydrogène ou du tout électrique.

La promesse de l’air comprimé

Bien que le potentiel de l’énergie éolienne et solaire soit plus que suffisant pour répondre à la demande électrique des sociétés industrielles, ces ressources ne sont disponibles que par intermittence - est un moyen de faire face à la variabilité et l’incertitude des énergies renouvelables, mais elle a ses limites. Par conséquent, un réseau électrique renouvelable a besoin d’un minimum de stockage d’énergie, et il en va de même pour un système hors réseau basé sur l’énergie solaire ou éolienne.

Aujourd’hui, plus de 99% de la capacité de stockage électrique dans le monde se compose de centrales hydroélectriques de pompage-turbinage, où le surplus d’énergie électrique des centrales solaires ou éoliennes est stocké pour une utilisation ultérieure en pompant l’eau d’un réservoir inférieur à un réservoir supérieur. Le stockage d’énergie par pompage-turbinage est assez efficace et low-tech, mais il nécessite un environnement approprié avec deux grands plans d’eau, séparés verticalement, et un ou deux barrages. Il inonde également de vastes étendues de terre. Par ailleurs, la plupart des sites adaptés sont déjà utilisés, ce qui signifie qu’il y a peu de potentiel pour une croissance future. ¹²

C’est pour cela que de nombreuses personnes voient une alternative prometteuse dans le stockage d’énergie par air comprimé (CAES), une autre forme de stockage d’énergie mécanique. Dans ces systèmes, de l’électricité est utilisée pour comprimer de l’air, qui est stocké dans un réservoir souterrain. Pour utiliser l’énergie stockée, l’air est décompressé et reconverti en électricité.

Bien que les systèmes CAES nécessitent également une géographie adaptée pour fournir les réservoirs souterrains de stockage d’air, on pense qu’il y a beaucoup plus de sites appropriés dans le monde que pour le stockage d’énergie hydraulique. ³

Si l’énergie stockée pendant toute la durée de vie d’un appareil de stockage est comparée à la quantité d’énergie primaire requise pour construire l’appareil, le système CAES est largement supérieur aux batteries électrochimiques.

Une chose notable est que le système CAES est le stockage d’énergie le plus durable qui soit. Contrairement au stockage d’énergie par pompage-turbinage, le stockage d’énergie par air comprimé ne présente aucun problème environnemental causé par l’inondation des terres et le barrage des rivières.

De plus, si l’énergie stockée pendant toute la durée de vie d’un appareil de stockage est comparée à la quantité d’énergie primaire requise pour construire l’appareil, le système CAES surpasse le stockage d’énergie par pompage-turbinage et est largement supérieur aux batteries électrochimiques, qui nécessitent 10 à 100 fois plus d’énergie grise pour une capacité de stockage donnée. ³

Il s’agit d’un avantage crucial car un besoin énergétique élevé pour la production du stockage d’énergie peut diminuer considérablement la durabilité d’un réseau électrique renouvelable

Le problème avec l’air comprimé

Malgré tous ces avantages, il n’y a actuellement que deux usines CAES à grande échelle dans le monde : une en Allemagne, construite en 1979 et une aux États-Unis, construite en 1991. ⁴ Cet engouement limité est principalement attribué au fait que plus de la moitié de l’énergie est perdue lors du chargement et du déchargement d’une «batterie» d’air comprimé.

Alors que le stockage par pompage-turbinage a une efficacité de charge/décharge de 70 à 85% et que les batteries chimiques atteignent 65 à 90%, les usines CAES en fonctionnement en Allemagne et aux États-Unis ont une efficacité électrique-électrique de seulement 40 à 42% et 51-54%, respectivement. ²⁵⁶

Ce faible rendement de conversion énergétique est notamment dû au fait que l’air chauffe lorsqu’il est comprimé à des pressions élevées (les deux usines CAES fonctionnent à 50-70 bar, ce qui représente 10 à 20 fois la pression d’air dans un pneu de vélo). Et puisque la densité énergétique de l’air diminue avec l’augmentation de la température, les deux usines CAES retirent la chaleur avant le stockage et la rejettent dans l’atmosphère. Cela représente une source importante de perte d’énergie. ⁷⁸

Compresseur vintage à trois étages.

En outre, lorsque l’air est détendu depuis une haute pression, la température diminue à un point tel que la vapeur d’eau dans l’air peut geler, endommageant ainsi les vannes et le détendeur du système de stockage. Pour éviter cela, et augmenter la puissance de sortie, les deux usines CAES chauffent l’air dans des brûleurs à l’aide de gaz naturel avant la détente. De toute évidence, cela diminue encore l’efficacité énergétique de l’ensemble du processus et rendent les systèmes CAES actuels entièrement dépendants des combustibles fossiles pour leur fonctionnement. ¹⁷⁹

Une efficacité de conversion de 40 à 50% signifie que la capacité de production d’énergie éolienne ou solaire doit être doublée pour compenser cette perte. Par conséquent, nous avons besoin de plus d’énergie, de plus de matériaux et de plus d’espace pour la même production d’énergie. De ce fait le caractère durable du système CAES s’en trouve fortement diminué à cause de sa faible efficacité.

De plus, le faible rendement de conversion énergétique des systèmes CAES est intrinsèquement lié à la faible densité énergétique de l’air, ce qui signifie qu’ils dépendent de très grands réservoirs de stockage. En principe, la densité énergétique de l’air comprimé peut être considérablement améliorée en utilisant des pressions d’air plus élevées, mais à mesure que la pression d’air augmente, plus d’énergie est perdue en chaleur et le rendement de l’ensemble du processus se détériore davantage. Par conséquent, un système CAES – dans sa configuration actuelle – est toujours un compromis entre rendement et densité énergétique.

4 000 ans d’histoire

La très faible efficacité énergétique des systèmes de stockage d’énergie par air comprimé d’aujourd’hui est remarquable dans un contexte historique. L’utilisation de l’air comprimé remonte à plus de 4 000 ans et a toujours été un moteur important du progrès technologique. Bien que ces applications historiques ne visaient pas le stockage d’énergie, elles offrent une inspiration pour améliorer à la fois l’efficacité énergétique et la densité énergétique des systèmes CAES d’aujourd’hui.

L’utilisation de l’air comprimé la plus ancienne et sans doute la plus importante de l’histoire a été d’alimenter le feu. On l’a retrouvé dans la cuisine et dans tous les processus de production à base de chaleur, mais c’était particulièrement important dans les procédés de fabrication des métaux. Un feu de charbon de bois non assisté pouvait atteindre 900 °C, mais en activant cette combustion avec de l’air comprimé cela pouvait élever sa température à près de 2000 °C. ¹⁰

Bien qu’il y ait des différences régionales importantes, l’histoire de la fusion des métaux montre une évolution des métaux depuis des points de fusion relativement bas, tels que l’étain (230 °C), vers les métaux avec des points de fusion plus élevés, d’abord le cuivre (1050 °C) puis le fer ( 1500 °C).

Ces progrès ont été en partie dus aux améliorations de la technologie des compresseurs d’air : cela a évolué depuis des formes de foulage d’air à l’aide de sacs, puis des cylindres et pistons en bois et de diverses formes de soufflets, tous fonctionnant à l’huile de coude, vers des soufflets d’accordéon beaucoup plus grands et plus puissants, en bois et en peaux de taureaux, à double effet et actionnés par l’énergie hydraulique. ¹¹

Les progrès dans la fusion des métaux sont en partie dus aux améliorations de la technologie des compresseurs d’air

À partir des années 1860 et dans les années 1900, l’air comprimé (ou «pneumatique») a été au centre d’une autre révolution technologique. Cette fois, la pneumatique s’est imposée comme la technologie de transmission de puissance la plus polyvalente et la plus utilisée avant l’introduction de l’électricité. ¹²

En raison du fait que l’électricité était encore distribuée à basse tension («hydraulique») représentaient une manière plus efficace de transmettre de l’énergie sur de plus longues distances. En outre, l’air comprimé avait un avantage très pratique sur l’eau sous pression : l’air est disponible partout et son échappement ne pose aucun problème, tandis que les systèmes hydrauliques nécessitent une alimentation en eau suffisante ainsi qu’un moyen de vidanger le fluide après utilisation.

Utilisé en tant que technologie de transmission d’énergie, l’air comprimé a d’abord été appliqué à l’industrie minière et dans les tunnels. Cela répondait au besoin pressant d’avoir des foreuses mécaniques pour la construction de canaux et de voies ferrées, car la construction de tunnels constituait un goulot d’étranglement majeur. Dans des conditions difficiles de roche dure, l’avancement du tunnel avec un forage manuel - à l’aide d’une pioche et d’explosifs - se mesurait en pouces par jour, et des tunnels d’une longueur d’à peine un kilomètre pouvaient prendre des années. ¹²

Avec cette nouvelle technique, les moteurs à vapeur en surface produisaient de l’air comprimé qui était acheminé dans les puits ou les tunnels. L’avancée majeure de la transmission d’énergie à air comprimé et des outils de forage pneumatiques s’est ainsi produite avec le creusement du tunnel du Mont Cenis de 13,7 km de long dans les Alpes, qui a été achevé en seulement 14 ans (1857-1871). La technologie s’est rapidement répandue dans l’industrie minière, et en particulier aux États-Unis, où l’air comprimé alimentait non seulement les foreuses, mais également d’autres machines, telles que des bocards à mine, des machines de transport et de pompage. ¹²¹³

Le réseau à air comprimé de Paris

Avec son efficacité démontrée de manière si spectaculaire dans le forage, l’air comprimé a été adapté à un éventail croissant d’opérations industrielles : martelage, rivetage, peinture et pulvérisation, manipulation sous pression de fluides et une multitude d’autres utilisations. Aux États-Unis, la pneumatique s’est largement répandue comme énergie auxiliaire dans la fabrication à partir des années 1880. Le recensement de 1900 a fait référence à l’introduction généralisée de petits outils pneumatiques comme probablement «le développement d’outils le plus important de la décennie». ¹²

Environ à la même époque en Europe, les Français sont allés plus loin dans le développement de l’énergie pneumatique en créant un réseau de distribution à l’échelle de la ville de Paris. Il resta en service pendant plus de 100 ans (de 1881 à 1994), distribuant de l’air comprimé à une pression relativement basse de 5-6 bar sur un réseau de plus de 900 km de réseau (au final), desservant plus de 10 000 consommateurs. ¹²¹³

Le réseau d’air comprimé de Paris a commencé comme un système conçu exclusivement pour régler les horloges par des impulsions d’air comprimé envoyées via des tuyaux souterrains. En 1889, le réseau parisien régulait 8 000 horloges sur 65 km de réseau. Le service de régulation d’horloge a été retiré en 1927, lorsqu’il est devenu clair que l’électricité était mieux adaptée pour ce travail. Cependant, à cette époque, le réseau d’air comprimé à Paris avait connu un grand succès dans les petits établissements industriels et de services. ¹²¹⁴¹⁵¹⁶¹⁷¹⁸¹³

Les Français ont mis en place un réseau de distribution d’énergie à l’échelle de la ville de Paris, qui a servi plus de 10 000 clients et est resté en service pendant 100 ans

Déjà en 1892, F.E. Idell écrivait que «parmi les plus petits usages industriels pour lesquels les moteurs pneumatiques sont utilisés à Paris, je trouve la conduite de tours pour le métal et le bois, de scies circulaires, de perceuses, de polisseuses et bien d’autres. Ils sont également utilisés dans les ateliers de charpentiers, menuisiers et ébénistes, de forgerons, de fabricants de parapluies, de fabricants de cols, de relieurs, et naturellement dans de nombreux endroits où les machines à coudre sont utilisées, aussi bien par les couturiers, les tailleurs, et cordonniers, de la plus petite à la plus grande échelle. » ¹³

Centrale du réseau d'air comprimé à Paris. Via [Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm)

Au fil des ans, l’utilisation commerciale et domestique de l’air comprimé a diminué, au profit de l’électricité qui est devenue bien plus importante. Cependant, la consommation industrielle d’air comprimé a continué de croître et de nombreuses grandes usines parisiennes – des constructeurs automobiles aux fabricants de verre – ont été connectées à ce réseau de distribution unique jusqu’à sa toute fin. Les dentistes sont devenus de nouveaux utilisateurs dans les années 1970 et 1980. ¹²¹³

Première leçon : éviter les conversions d’énergie

Que peut-on apprendre en comparant les technologies historiques et actuelles basées sur l’air comprimé ? Une première différence cruciale est le nombre de conversions d’énergie impliquées. Dans les systèmes historiques, l’énergie mécanique (par exemple via une roue à aubes ou une machine à vapeur) était directement convertie en air comprimé (à l’aide d’un compresseur à air), puis – le plus souvent – reconvertie en énergie mécanique (par exemple pour déplacer un marteau pneumatique). Par conséquent, il n’y avait que deux sources de pertes de conversion d’énergie: dans le compresseur et dans le détendeur.

L’air comprimé est toujours vital pour la productivité de nombreuses industries et services à travers le monde et est utilisé dans des milliers d’applications – de l’emballage alimentaire ou la fusion des métaux à la fabrication de micropuces et de plastiques. Cependant, l’air comprimé est maintenant produit par des compresseurs d’air fonctionnant à l’électricité. Cela introduit deux sources supplémentaires de perte d’énergie : le générateur électrique (qui convertit l’énergie mécanique d’une source d’énergie en électricité) et le moteur électrique (qui reconvertit l’énergie électrique en énergie mécanique pour faire fonctionner le compresseur d’air).

En conséquence, aujourd’hui l’utilisation industrielle d’air comprimé est très inefficace : en supposant que chaque convertisseur est efficace à 75% et sans aucune autre perte d’énergie, seulement 30% de l’énergie consommée est convertie en sortie utile. ¹⁹

À Paris, de l'air comprimé était acheminé par le réseau d'égouts.

L’efficacité globale des deux centrales CAES existantes est encore pire que cela : non seulement il y a l’étape de conversion supplémentaire au début de la chaîne (la perte d’énergie dans la génératrice de l’éolienne et dans le moteur électrique qui fait fonctionner le compresseur), mais aussi en fin de chaîne. Elles se démarquent des applications industrielles, où le produit final est de l’air comprimé car une usine CAES, elle, reconvertit encore l’air comprimé en électricité.

Lorsqu’on dit que le rendement d’une centrale CAES est de 40 à 50%, cela ne fait référence qu’aux pertes dans le compresseur d’air et le détendeur d’air (rendement électrique-électrique). Cependant, si nous incluons les conversions vers et depuis l’énergie électrique, le rendement global du système diminue à moins de 20%, en supposant à nouveau que chaque convertisseur a un rendement de 75%.

Imaginez maintenant qu’une usine utilise l’électricité d’une centrale CAES pour alimenter ses compresseurs d’air industriels - un scénario parfaitement possible. Nous obtenons alors la chaîne de conversion d’énergie suivante : l’énergie mécanique est convertie en électricité, l’électricité est convertie en air comprimé, l’air comprimé est converti en électricité, l’électricité est convertie en air comprimé et l’air comprimé est converti en énergie mécanique. Ce n’est pas deux ou quatre, mais six sources de pertes de conversion d’énergie. En supposant que chaque convertisseur est efficace à 75%, l’efficacité globale du système tombe désormais en dessous de 10%.

Si nous connections une centrale CAES directement à une usine qui utilise des outils pneumatiques, en connectant l’air comprimé de l’une à l’autre, il ne serait pas nécessaire de convertir l’air comprimé en électricité et vice versa.

En revanche, si nous connections une centrale CAES directement à une usine qui utilise des outils pneumatiques, en connectant l’air comprimé de l’une à l’autre, nous ne subirions que quatre sources de perte d’énergie (générateur, moteur, compresseur, détendeur). Dans la centrale CAES, il n’est plus nécessaire de reconvertir l’air comprimé stocké en électricité, tandis qu’en usine, il n’est pas nécessaire de comprimer l’air une deuxième fois, en utilisant de l’électricité. Il suffit de respecter une distance entre la centrale CAES et l’usine jusqu’à 25 km – la distance jusqu’à laquelle l’air comprimé peut être distribué efficacement.

Map via [Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm)

La prochaine étape évidente consiste à comprimer l’air dans une centrale CAES en utilisant une liaison mécanique directe entre l’éolienne et le compresseur d’air, évitant ainsi la conversion de l’énergie mécanique directe en électricité et vice versa. Une telle approche – qui a été démontrée à petite échelle, dans des configurations légèrement différentes ⁸²⁰²¹ – rendrait les systèmes CAES entièrement indépendants de l’électricité et ramènerait les étapes de conversion d’énergie à deux, comme dans tous les systèmes historiques. Les seules pertes de conversion d’énergie restantes seraient dans le compresseur d’air et dans le détendeur d’air.

Une connexion directe entre l’arbre de l’éolienne et le compresseur d’air améliorerait également l’efficacité d’une centrale CAES qui n’est pas connectée à une usine mais qui fournit de l’électricité à des fins générales, bien que le gain d’efficacité soit plus faible. De toute évidence, la compression mécanique de l’air ne fonctionne qu’avec des éoliennes et non avec des panneaux solaires photovoltaïques, qui ne produisent pas d’énergie mécanique.

Deuxième leçon : Utiliser la chaleur et le froid pour d’autres finalités

Une deuxième différence notable entre les utilisations actuelles et historiques de l’air comprimé est de savoir comment gérer les différences de température causées par la compression et la détente de l’air. Pour améliorer leur efficacité, les deux centrales CAES en service utilisent plusieurs compresseurs d’air. La compression à plusieurs étages augmente progressivement la pression et refroidit l’air après chaque étape de compression, en utilisant un circuit d’eau de refroidissement qui est ensuite acheminé vers une tour de refroidissement pour rejetter l’excédent de chaleur dans l’atmosphère. ²²²³

Aujourd’hui, la plupart des ingénieurs CAES se concentrent sur l’amélioration de cette efficacité en utilisant la chaleur résiduelle de compression pour réchauffer l’air comprimé lors de la détente. Cette méthode est appelée «Advanced Adiabatic CAES» (AA-CAES) ou «fuelless CAES» et élimine le besoin de réchauffer l’air au gaz naturel comme dans le système CAES «diabatique» standard. Cette technologie devrait atteindre une efficacité globale d’environ 70%, ce qui la rapprocherait de l’efficacité des batteries chimiques et des installations de stockage par pompage-turbinage. ⁷

Cependant, la technologie AA-CAES reste non éprouvée jusqu’à présent : un certain nombre d’installations ont été proposées, mais aucune n’a encore dépassé le stade de la conception. ²²²³ Le problème est double : premièrement, cette amélioration du procédé augmente les coûts d’une centrale CAES de 20 à 40% ; deuxièmement, la réutilisation de la chaleur résiduelle du processus de compression est un défi technologique. Pour transférer de la chaleur à un débit élevé avec une différence de température minimale, il faut une très grande surface de contact. ⁷

Dans le réseau à air comprimé de Paris, le refroidissement fourni par la détente de l’air a été utilisé pour la réfrigération, la congélation, le refroidissement et la ventilation

Si nous regardons les anciens systèmes pneumatiques, nous voyons qu’il existe d’autres moyens plus faciles de tirer parti des différences de température dues à la compression et à la détente. Dans le réseau électrique à air comprimé de Paris, les ingénieurs ont profité du refroidissement apporté par la détente de l’air. À Paris, l’air comprimé était généralement chauffé par un feu de charbon avant d’être utilisé par un moteur pneumatique, augmentant la puissance de sortie d’une manière très similaire à l’utilisation du gaz naturel dans les systèmes CAES actuels.

Cependant, dans les bars et restaurants, ces réchauffeurs n’étaient pas utilisés. Au lieu de cela, l’air froid a été utilisé à des fins de réfrigération, de congélation, de refroidissement ou de ventilation. En 1892, F.E. Idell a décrit un restaurant parisien où «l’évacuation a été transporté à travers un conduit de brique dans la cave à bière. Dans ce conduit, les carafes pouvaient geler et de gros blocs de glace étaient également fabriqués pour être utilisés à table, tandis que l’air était encore assez froid en passant à travers la cave à bière pour rendre l’utilisation de la glace pour le refroidissement tout à fait inutile, même par le temps le plus chaud.» ¹³

L’utilisation d’air comprimé pour le refroidissement ou la congélation allait parfois de pair avec la production d’électricité pour l’éclairage, en entraînant une dynamo. Dans ces cas, les moteurs pneumatiques étaient essentiellement utilisés pour leur échappement, la lumière électrique étant le sous-produit. L’exploitation des différences de température s’est avérée utile également dans le secteur minier évoqué précédemment, où l’échappement des foreuses aidaient à refroidir (et à ventiler) les mines.

Une idée similaire et prometteuse aujourd’hui est le stockage d’énergie par l’air comprimé combiné au stockage thermique pour fournir simultanément électricité, chauffage, refroidissement, réfrigération et/ou ventilation. En fait, cette approche permet d’éviter également plusieurs conversions d’énergie, car elle pourrait remplacer les réfrigérateurs, les congélateurs, les climatiseurs et les systèmes de chauffage fonctionnant aujourd’hui à l’électricité. Cette méthode pourrait fonctionner au niveau d’un quartier d’une ville ou d’une zone industrielle ²³, mais elle serait particulièrement intéressante pour le stockage décentralisé de l’énergie, en utilisant des réservoirs de stockage artificiels et hors sol.

Comme nous l’avons vu, l’augmentation de la pression d’air peut réduire considérablement la taille du réservoir de stockage d’air comprimé, mais uniquement au détriment de l’augmentation des pertes de chaleur. Dans des habitations, l’espace pour les réservoirs de stockage est limité, mais il existe une forte demande de chaleur et de froid ainsi que d’électricité. L’augmentation de la pression de l’air rend le réservoir de stockage plus petit et augmente la production de chaleur et de froid, répondant à tous les besoins énergétiques d’un ménage.

Certaines propositions de conception suivent d’autres approches pour faire face à la génération de chaleur lors de la compression, et celles-ci pourraient fonctionner à la fois pour les systèmes CAES à grande et à petite échelle. Une idée intéressante est un système de stockage d’énergie par air comprimé fonctionnant à l’énergie éolienne et solaire. ²⁴ L’énergie éolienne serait stockée sous forme d’air comprimé via une connexion directe au compresseur, comme dans les autres centrales CAES. Cependant, l’énergie solaire provenant d’une parabole serait, elle, stockée dans un réservoir solaire thermique isolé et utilisée pour réchauffer l’air comprimé avant la détente. Puisque la chaleur du processus de compression n’est plus nécessaire pour réchauffer l’air lors de la détente, elle peut être utilisée pour produire de l’eau chaude.

Un concept similaire de conception hybride de stockage d’énergie thermique et d’air comprimé utilise le chauffage électrique au lieu de l’énergie solaire thermique. ²⁵ Étant donné que la charge de ces systèmes passe d’une conversion pure à un investissement partiel dans le stockage thermique, des densités énergétiques bien supérieures à celles d’un système CAES traditionnel peuvent être atteintes et la taille du stockage d’air peut être réduite.

Troisième leçon : Améliorer le compresseur d’air

Une troisième façon d’améliorer le rendement du stockage d’énergie par air comprimé consiste à utiliser des compresseurs et des détendeurs d’air plus économes en énergie. Cette stratégie est opposée à celle que nous venons d’expliquer précédemment. Au lieu de profiter de la chaleur et du froid pour rendre le système plus efficace, il essaie de minimiser la production de chaleur pendant la compression (et, par conséquent, de limiter le refroidissement pendant la détente).

Encore une fois, cela vaut la peine de se tourner vers le passé pour trouver l’inspiration. Étonnamment, le Saint-Graal de la compression d’air «isotherme» – dans laquelle aucune chaleur résiduelle n’est produite – a été découvert il y a au moins 400 ans. Le compresseur d’air hydraulique – ou «trompe», comme on l’appelait à l’origine – était une invention italienne mentionnée pour la première fois en 1588, mais peut-être déjà connue dans l’Antiquité.

À partir des années 1600, des dizaines de «trompes» ont fourni un jet d’air continu aux premiers fours de fusion du fer et du laiton dans les Pyrénées françaises/espagnoles. ²⁶²⁷ Comparé à une roue à aubes faisant fonctionner un compresseur à piston en bois, ce système était à peu près trois fois plus efficace, permettant une production de fer plus élevée avec moins de ressources hydrauliques.

Le trompe consistait en un ou plusieurs tubes verticaux en bois à travers lesquels l’eau se déversait par gravité. Lors de sa descente, l’eau absorbait de l’air à travers des trous le long du tube et agissait comme un piston continu en comprimant l’air. Au fond du tube, l’air était séparé de l’eau dans un récipient, après quoi il était envoyé à la buse du four par pression réglable. Fait remarquable, le compresseur d’air hydraulique produit de l’air comprimé sans aucune pièce mobile, autre que des vannes d’arrêt pour couper le débit d’eau entrant. Cela en fait un appareil extrêmement fiable. ²⁶²⁸

Le compresseur d’air hydraulique produit de l’air comprimé sans aucune pièce mobile, ce qui en fait un appareil extrêmement fiable et efficace

Au XIXème siècle, la conception du compresseur d’air hydraulique a encore été améliorée, le rendant plus efficace et fonctionnel. En 1861, un compresseur d’air hydraulique a été construit pour alimenter les foreuses de la construction du tunnel du Mont Cenis dans les Alpes, mais la technologie n’a atteint son apogée qu’à la fin du XIXème siècle, cette fois dans l’industrie minière.

A partir de 1896, et pendant 33 ans, dix-huit gigantesques compresseurs d’air hydrauliques ont été construits, principalement aux États-Unis, au Canada, en Allemagne et en Suède. Dans les plus grandes de ces installations, qui ont été partiellement ou entièrement construites sous terre, l’eau et l’air chutaient à travers des tubes et des arbres – creusés dans la roche – qui pouvaient faire plus de 100 mètres de profondeur et jusqu’à 4 mètres de largeur. La pression de refoulement s’élevait à 8 bars et la puissance de sortie pouvait atteindre 3 000 kilowatts. ²⁹³⁰

Les premières installations utilisaient une multitude de petits tuyaux d’air descendants, comme dans le trompe d’origine, tandis que les installations ultérieures n’utilisaient que deux arbres. Des conduites forcées apportaient de l’eau à différents modèles de mélangeurs air-eau et l’air comprimé était souvent subdivisé pour aller vers différentes mines et acheminé sur des distances de plusieurs kilomètres. La plupart des compresseurs d’air hydrauliques ont fonctionné pendant des décennies, le dernier jusqu’en 1981. ²⁹³⁰

Des tests de performance effectués de temps à autre entre les années 1890 et les années 1950 indiquent que l’efficacité de conversion de l’énergie hydroélectrique en pneumatique variait entre 53% et 88%. Des recherches plus récentes ont abaissé ces chiffres pour tenir compte des effets de la solubilité du gaz, rapportant des rendements de 40 à 78%. ²⁹²⁸ Bien que la compression hydraulique de l’air produise peu de chaleur perdue, un nouveau type de perte d’énergie est introduit : une partie de l’air se dissout dans l’eau et contourne ainsi le processus de séparation air-eau, réduisant le débit massique d’air à la sortie. ²⁹

Récemment le compresseur d’air hydraulique a connu un regain d’intérêt. Une équipe de recherche canadienne a mis au point une plate-forme de démonstration de compresseur d’air hydraulique de 30 m de haut dans un ancien puits de mine. ²⁹³¹ Le «Projet de démonstration HAC» mesure et vérifie le potentiel d’économies d’énergie de la technologie principalement pour les applications minières d’extraction en profondeur. Cependant, cela pourrait également être une alternative pour les compresseurs à plusieurs étages utilisés dans l’industrie et dans les centrales CAES. Notamment car cette nouvelle configuration peut être mise en place avec une boucle fermée, en utilisant une pompe au lieu d’une colonne d’eau naturelle.

Bien que la pompe entraîne une consommation d’énergie supplémentaire, une configuration en boucle fermée présente deux avantages importants. Premièrement, cela pourrait s’appliquer n’importe où et pas seulement à proximité d’une source d’eau exploitable présentant une grande différence de hauteur. Deuxièmement, cela permet de supprimer les effets indésirables des propriétés physiques de solubilité, par exemple en ajoutant du sel au circuit d’eau.

Selon les chercheurs, un compresseur d’air hydraulique en boucle fermée pourrait avoir un rendement de 75%, en prenant en compte la consommation d’énergie supplémentaire de la pompe. C’est 13% plus efficace qu’un compresseur centrifuge à trois étages, et les avantages en termes de coûts seront meilleurs en raison des exigences de maintenance moindres. ²⁹³¹

Le compresseur d’air hydraulique semble être une combinaison parfaite pour les systèmes CAES à grande échelle avec des réservoirs souterrains. En fait, de nombreux compresseurs d’air hydrauliques des XIXème et XXème siècles utilisaient également le réservoir inférieur de séparation d’air pour le stockage d’énergie de l’air comprimé, ce qui pourrait être considéré comme la première utilisation à grande échelle de CAES. Le stockage – qui pouvait atteindre 5 600 m3 – été utilisé pour répondre à une demande d’air excédentaire de courte durée, ce qui signifie que le compresseur d’air hydraulique n’avait pas besoin d’être conçu pour les charges maximales. ²⁸

L’avenir de l’air comprimé

Aucune de ces idées ne rendra les centrales CAES 100% efficaces. Cependant, elles pourraient les aider à atteindre des rendements similaires à ceux des batteries, mais avec des impacts environnementaux beaucoup plus faibles et un apport énergétique nécessaire bien moindre. Dans le prochain article, nous nous concentrons plus en détail sur les systèmes CAES à petite échelle, qui promettent d’être une alternative durable aux batteries chimiques dans les installations hors réseau

Merci à George Fleming.

Chen, Haisheng, et al. “Compressed air energy storage.” Energy Storage-Technologies and Applications. InTech, 2013. https://www.intechopen.com/books/energy-storage-technologies-and-applications/compressed-air-energy-storage ↩︎ ↩︎
Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎ ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎ ↩︎
Une seule de ces centrales CAES est utilisée (en partie) pour stocker l’énergie éolienne excédentaire. Les deux ont été conçues comme des centrales de stockage excédentaire pour des motifs économiques. ↩︎
Kaiser, Friederike. “Steady State Analyse of existing Compressed Air Energy Storage Plants.” Power and Energy Student Summit (PESS). Dortmund, Germany (2015). https://www.efzn.de/uploads/tx_wiwimitarbeiter/S02.2.pdf ↩︎
Les meilleurs rendements sont atteints dans des conditions de fonctionnement optimales. Or on observe une baisse de rendement additionnelle lors de la détente dû au fait que le réservoir de stockage se décharge et donc que la pression chute. En effet, la pression d’entrée du détendeur ne doit varier que dans une plage minimale pour garantir un rendement élevé pendant la détente. Pour réunir les deux exigences, l’air peut être stocké dans un réservoir avec une surpression après quoi il est réduit à la pression d’entrée requise du détendeur – ce qui est évidemment lié à une perte d’efficacité. [5] ↩︎
Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage (AA-CAES), Energy Storage Association. Retrieved May 2018. http://energystorage.org/advanced-adiabatic-compressed-air-energy-storage-aa-caes ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617-628. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680 ↩︎ ↩︎
En fait, les centrales CAES d’aujourd’hui sont essentiellement des turbines à gaz conventionnelles dans lesquelles la compression de l’air de combustion est séparée du processus proprement dit de la turbine à gaz. Contrairement aux turbines à gaz conventionnelles, qui consomment environ les deux tiers de leur carburant d’entrée pour comprimer l’air au moment de la production d’électricité, le système CAES précompresse l’air en utilisant de l’électricité à faible coût du réseau électrique aux heures creuses et l’utilise avec du gaz naturel pour produire de l’électricité en cas de besoin. ↩︎
Smil, Vaclav. “Energy in world history.” (1994). ↩︎
Ewbank, Thomas. A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern: Including the Progressive Development of the Steam Engine. No. 32707. Tilt and Bogue, 1842. ↩︎
Nye, David E. “Hunter Louis C. and Bryant Lynwood. A History of Industrial Power in the United States, 1780–1930. Volume 3: The Transmission of Power. Cambridge, Mass, and London: MIT Press, 1991. Pp. xxv+ 596 ISBN 0-262-08198-9.” The British Journal for the History of Science 25.4 (1992): 476-477. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Compressed air: experiments upon the transmission of power by compressed air in Paris (Popp’s system)”, F.E. Idell, 1892 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“The transmission and distribution of power from central stations by compressed air”. William Cawthorne Unwin, B. 1891. ↩︎
“Compressed air, its production, uses, and applications; comprising the physical properties of air from a vacuum to its highest pressure, its thermodynamics, compression, transmission and uses as a motive power”, Gardner D. Hiscox, 1909 ↩︎
“La SUDAC, un siècle d’air comprimé au bord de la Seine”, Denis Cosnard, Des usines à Paris, 2011. ↩︎
“Histoire de la SUDAC (1877-1996)” (PDF), Tristan de la Broise & Florence Meffre, 1996 ↩︎
“The transmission of power by compressed air”, Robert Zahner, 1890 ↩︎
Les conversions d’énergie ne sont pas nécessairement une mauvaise chose. La transmission mécanique de puissance n’implique aucune conversion d’énergie, mais elle a de très fortes pertes d’énergie lorsqu’elle est transportée sur de plus longues distances et lorsqu’elle est répartie sur un grand nombre de machines. C’est pourquoi les «fluides énergétiques» - pneumatiques, hydrauliques et électriques - sont apparus au XIXème siècle. Bien que leur conversion en une autre forme d’énergie entraîne une perte d’énergie, cette perte est compensée par leur efficacité beaucoup plus élevée en transport et en répartition. Cependant, combiner deux “fluides énergétiques” ensemble - comme l’air comprimé et l’électricité - est par définition un gaspillage. ↩︎
Ibrahim, Hussein, et al. “Study and design of a hybrid wind–diesel-compressed air energy storage system for remote areas.” Applied Energy 87.5 (2010): 1749-1762. http://www.academia.edu/download/42460658/Study_and_design_of_a_hybrid_winddiesel-20160209-23813-kip9us.pdf ↩︎
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Zakeri, Behnam, and Sanna Syri. “Electrical energy storage systems: A comparative life cycle cost analysis.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 42 (2015): 569-596. https://www.researchgate.net/profile/Behnam_Zakeri/publication/281277805_Electrical_energy_storage_systems_A_comparative_life_cycle_cost_analysis_2015/links/55deac0008ae79830bb58ede.pdf ↩︎ ↩︎
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Millar, Dean L. “A review of the case for modern-day adoption of hydraulic air compressors.” Applied Thermal Engineering 69.1-2 (2014): 55-77. ↩︎ ↩︎