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Les réseaux de force motrice hydraulique

Sat, 30 Sep 2023 00:00:00 +0000

Illustration : Un accumulateur hydraulique. Image : [Les Chatfield](https://www.flickr.com/photos/61132483@N00/7184633723).

L’utilisation des moteurs à eau était largement répandue en Europe et en Amérique dans la seconde moitié du dix-neuvième siècle. Reliées à un robinet, ces petites turbines hydrauliques pouvaient faire fonctionner n’importe quelle machine aujourd’hui alimentée à l’électricité. Comme nous l’avons montré dans un précédent article, faire fonctionner ces moteurs à l’eau courante n’était pas une solution particulièrement durable. Du fait des niveaux de pression à la fois faibles et irréguliers dans les réseaux d’adduction, ces moteurs consommaient d’énormes quantités d’eau potable.

Tandis qu’aux Etats-Unis les moteurs à eau tombèrent en désuétude au début du vingtième siècle, les Européens trouvèrent une solution pour réduire leur importante consommation d’eau, perfectionnant ainsi la technique de transmission d’énergie par voie hydraulique. Ils déployèrent des « réseaux de force motrice hydraulique », dédiés à la distribution d’eau sous pression pour des usages de force mécanique exclusivement, et les convertirent à des régimes de pression beaucoup plus élevés et constants, rendus possibles par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

La quasi-totalité de ces réseaux demeurèrent en service jusque dans les années 1960 et 1970. Comparée à l’électricité, la transmission de l’énergie hydraulique comme force motrice s’avère très efficace, quand elle est utilisée pour alimenter des machines puissantes mais fonctionnant de manière intermittente, lesquelles peuvent être réparties sur une aire géographique de la taille d’une ville entière.

“L’usage de l’eau est un sujet étonnamment peu considéré dans les publications d’ingénierie. Cantonnée à une image romantique ou populaire, la force motrice hydraulique n’a jamais conquis l’intérêt du grand public, contrairement à la machine à vapeur, la locomotive ou même le moteur à combustion interne.” Ian McNeil, Hydraulic Power, 1972

Les bases théoriques de la transmission de l’énergie hydraulique furent établies en 1647 par le jeune prodige français Blaise Pascal. Il découvrit, par le biais d’expériences scientifiques, que l’eau – contrairement à l’air – est un fluide quasi incompressible et transmet la pression de manière uniforme dans toutes les directions.

Les conséquences pratiques de ce qui deviendra plus tard le Principe de Pascal, aussi appelé “paradoxe hydrostatique”, furent démontrées par sa “machine à multiplier les forces”, schématiquement illustrée ci-dessous. Elle consiste en 2 cylindres, reliés entre eux par un tuyau. L’ensemble du dispositif est rempli d’eau et scellé hermétiquement. Le premier cylindre contient un piston de faible diamètre, tandis que le second cylindre contient un piston de diamètre 100 fois supérieur.

Machine à multiplier les forces.

Pascal parvint à démontrer qu’en plaçant un poids sur le petit piston, la force exercée permettrait de soulever un poids 100 fois plus lourd disposé sur le grand piston. En d’autres termes, selon le principe de Pascal, une force peut être appliquée à une petite aire pour exercer une force plus importante sur une plus grande surface : une machine exploitant ce principe pour multiplier une force de la sorte est appelée presse hydraulique. Le rapport entre les forces exercées respectivement sur le petit et le grand piston s’appelle l’avantage mécanique du levier hydraulique – dans l’exemple précédent, il est de 100 pour 1. Autrement dit, il est possible de générer une force résultante de 100 kg en appliquant une force initiale de seulement 1 kg.

Une Machine à Multiplier les Forces

La multiplication des forces était tout sauf une nouveauté au début du dix-septième siècle. Des systèmes plus simples, tels que les poulies, engrenages, cabestans, treuils et grues à tympan (aussi appelées « roues de carrier ») – autant de variantes du bras de levier, vieux de 7000 ans – étaient capable de générer une importante force résultante à partir d’un effort initial moindre. Les Romains, par exemple, construisaient des grues dont l’avantage mécanique pouvait atteindre 70 pour 1, ce qui signifie qu’un seul homme exerçant une force d’environ 25 kg pouvait soulever 1,75 tonnes.

Toutefois, la version hydraulique du mécanisme de levier présente un avantage considérable par rapport aux mécanismes qui l’ont précédée : les pertes d’énergie par friction sont minimes, et indépendantes de l’avantage mécanique. Par conséquent, le rapport de multiplication potentiel est presque infiniment plus grand, et les 2 pistons peuvent être éloignés d’une distance considérable – jusqu’à 25 km environ, comme nous le verrons plus loin.

En hydraulique, les pertes d’énergie par friction sont indépendantes de l’avantage mécanique, le rapport de multiplication des forces est donc potentiellement quasi infini

L’augmentation du rapport de multiplication peut être effectuée soit en augmentant le rapport de taille entre la surface des deux pistons, soit en exerçant une force plus importante sur le plus petit piston. Tout comme dans les dispositifs plus anciens évoqués ci-dessus, l’accroissement de l’avantage mécanique s’accompagne toujours d’une diminution de la vitesse.

Si une force hydraulique faible est convertie en une force plus grande, sa vitesse de fonctionnement sera réduite de manière inversement proportionnelle, dans la mesure où la distance parcourue est proportionnelle à la force. Par exemple, en descendant le petit piston de 10 centimètres vers le bas, on n’élèverait l’autre piston qu’au 1/100ème de cette distance.

Pascal barrel experiment.

Par conséquent, au sein d’un système en circuit fermé, le poids le plus lourd ne pourrait être déplacé vers le haut que sur une distance très courte, relative à la longueur du bras du piston. Cette limite intrinsèque disparaît toutefois si l’on introduit de l’eau supplémentaire au sein du système et que le petit piston, au lieu de ne descendre qu’une seule fois, réalise plusieurs cycles de montée-descente – c’est-à-dire quand il fonctionne comme une pompe. Dans ce cas, le grand piston continuera de monter.

La Presse Hydraulique

Les matériaux disponibles à l’époque n’étant pas assez robustes pour résister à une telle pression, Pascal ne put faire qu’indirectement la démonstration de son principe. Il faudra attendre un siècle et demi pour que la multiplication hydraulique des forces soit réellement mise en pratique. La première utilisation qui en tira profit n’était pas un engin de levage, mais presque le contraire : il s’agit de la presse hydraulique, générant une force dite de compression.

La traditionnelle presse à vis, en usage à cette époque, avait connu peu d’évolutions depuis son invention par les Romains, qui l’utilisaient alors pour presser les olives et le raisin. Elle nécessitait, pour fonctionner, des efforts conséquents avec d’importantes pertes d’énergie par friction (+80 %), et ne pouvait exercer de pression supérieure à 25 tonnes. (La vis, qui convertit le mouvement de rotation en un mouvement linéaire vertical, consiste tout simplement en un plan incliné “enroulé” en spirale autour d’un cylindre).

À gauche : La presse à vis. Crédit d’image : [Bruce K. Satterfield](http://emp.byui.edu/SATTERFIELDB/Olive%20Tree/olive%20tree%20horticulture.htm) À droite : La presse hydraulique.

On doit l’invention de la presse hydraulique, en 1796, à un serrurier et charpentier anglais, Joseph Bramah. Son fonctionnement est entièrement basé sur les travaux théoriques de Pascal. Actionnée par une pompe manuelle, la presse hydraulique de Bramah permit d’augmenter considérablement la force pouvant être développée par un humain.

Avec les matériaux disponibles à l’époque, Bramah parvint à obtenir un ratio de 1000 pour 1, ce qui signifie qu’un poids effectif de 60 tonnes pouvait être actionné par un effort initial de 60 kg seulement sur le bras de la pompe. Le rendement de cette presse hydraulique était supérieur à 90%.

Les Ports et Chantier Navals

Bien qu’ils fussent particulièrement adaptés aux opérations de levage, les systèmes hydrauliques firent peu de progrès dans ce domaine pendant la première moitié du dix-neuvième siècle. Cela tient en grande partie aux difficultés rencontrées pour convertir le mouvement linéaire des béliers et vérins hydrauliques en mouvement rotatif des tympans de grue. Si pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de divers engins de levage manuels, la nécessité de disposer de grues de plus en plus grandes et surtout plus puissantes se faisait sentir.

A partir des années 1930, l’acier commença à entrer dans la construction navale, de manière concomitante à l’augmentation de la taille des navires. Les systèmes traditionnels de levage n’étaient plus adaptés au regard des charges à soulever. La grue à vapeur, apparue dans les années 1850, fut la solution qui s’imposa alors dans la plupart des pays. Toutefois, une alternative intéressante fit son apparition dans les ports et chantiers navals britanniques : la grue hydraulique.

Pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de grues et engins de levage manuels.

C’est au cours des années 1840 que l’ingénieur anglais William Armstrong commença à concevoir et utiliser des grues hydrauliques relativement puissantes. Conscient que les systèmes hydrauliques sont plus adaptés aux mouvements lents et réguliers, Armstrong mis au point une technique permettant de soulever une charge en une seule course de piston ou vérin, démultipliant suffisamment le mouvement par un jeu de poulies.

Hydraulic crane.

Ses efforts furent cependant mis à l’épreuve par les caractéristiques des réseaux d’adduction d’eau de l’époque, source d’énergie pour ces machines, dont la pression était à la fois faible et variable. La puissance mécanique maximale fournie par une machine hydraulique est en effet déterminée par la pression et le débit d’eau. La hauteur maximale d’un château d’eau étant limitée, il en va de même pour la pression au sein du réseau de distribution qui lui est associé. Un château d’eau d’une hauteur de 50 m (165 pieds) peut ainsi délivrer une pression de 70 psi (4,8 bars environ).

Il en découle que le seul moyen d’accroître la puissance mécanique d’une grue hydraulique alimentée par un réseau d’adduction est d’augmenter le débit d’eau. L’inconvénient est alors double : ceci entraîne d’une part une consommation accrue d’eau potable, et induit d’autre part une augmentation de la taille et du coût des conduites, valves, vérins et autres composants du réseau. En outre, en période de forte consommation d’eau potable de la part des autres usagers, le niveau d’eau du réservoir ou château d’eau diminue, de même que la pression hydraulique au sein du réseau et, in fine, la puissance délivrée en sortie par la machine.

L’Accumulateur Hydraulique

En 1851, Armstrong mit au point une solution alternative qui résolut ces différents problèmes : l’accumulateur hydraulique. Bien qu’étant beaucoup plus compact qu’un château d’eau, ce dispositif pouvait générer une pression hydraulique de 700 psi (48 bars) ou plus – dix fois supérieure à celle du réseau d’eau potable. Cela permettait de fournir une puissance supérieure d’un ordre de grandeur (c’est-à-dire de la multiplier par un facteur 10) sans augmenter la consommation d’eau potable ni surdimensionner la taille des composants.

L’accumulateur hydraulique d’Armstrong consistait en un cylindre vertical dans lequel un vérin ou un piston plongeur exerçait une pression sur l’eau. Ce piston était lesté d’un contrepoids, lequel prenait généralement la forme d’un réservoir de lestage cylindrique entourant le cylindre central (image de gauche, ci-dessous). Ce réservoir était ballasté avec des granulats (pierres concassées), de la ferraille ou tout autre matériau de lestage.

Hydraulic accumulators. À gauche : Un accumulateur hydraulique dans le Port de Bristol. Wikipedia Commons. À droite : Accumulateur hydraulique, Walsh Bay, Sydney. Source : [NSW HSC Online](http://hsc.csu.edu.au/engineering_studies/application/lift/3377/hydraulics.htm)

Il fallait, pour obtenir une pression de 700 psi, l’équivalent de 100 tonnes de ballast, appliquées sur un piston d’environ 45 cm de diamètre et d’une course verticale (distance maximale parcourue dans le cylindre) de 6 à 7 mètres. Un autre type d’accumulateur hydraulique fonctionnait avec un ballast briqueté (image ci-dessus, à droite) ou un empilement de brames d’acier (plaques rectangulaires), disposées sur un plateau. Les accumulateurs hydrauliques pouvaient être installés soit en extérieur, soit au sein d’un bâtiment conçu à cet effet.

Un accumulateur hydraulique pouvait fournir une puissance dix fois plus élevée que celle d’un château d’eau, et maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau.

Le fonctionnement d’un accumulateur hydraulique repose sur un mécanisme analogue à celui d’un château d’eau. En partie basse du cylindre central se trouvent une arrivée et une sortie d’eau. L’eau du port pouvait être directement introduite dans l’accumulateur par une pompe à vapeur, soulevant ainsi le piston, pour être ensuite envoyée sous pression dans les conduites via la valve de sortie, abaissant alors le piston.

L’énergie était stockée temporairement lors de l’ascension du vérin, puis récupérée lors de sa descente. Le débit de pompage de la machine à vapeur était régulé en fonction du niveau d’eau dans l’accumulateur, soit automatiquement par un système de liaisons mécaniques, soit avec l’aide d’un opérateur.

Hydraulic accumulator.

Contrairement à un château d’eau, un accumulateur hydraulique permettait de maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau quelque soit le volume d’eau contenu dans son cylindre, car la pression y est générée par le poids du ballast et par non le poids de l’eau elle-même – pour le dire autrement, l’accumulateur hydraulique génère une pression au moyen d’un poids extérieur plutôt que par la seule énergie gravitaire (liée à la différence de hauteur).

Avec un rendement de charge/décharge supérieur à 98 %, et aucune autodécharge, l’accumulateur hydraulique était un dispositif extrêmement efficace sur le plan énergétique.

Des Machines Industrielles Alimentées par la Force Motrice

Son introduction eut deux effets majeurs. Premièrement, elle élargit considérablement l’éventail des opérations susceptibles d’être réalisées par des machines à énergie hydrauliques. Les moteurs à eau connectés au réseau d’eau potable se limitaient alors à de petits appareils domestiques ou des outils d’atelier. Mais Armstrong et d’autres ingénieurs adaptèrent l’usage de l’eau sous haute pression à tout un large spectre d’opérations industrielles nécessitant des puissances importantes, telles que le forgeage, le poinçonnage, l’emboutissage, le bordage, le cisaillage et le rivetage (ancêtre de la soudure).

Riveteuse hydraulique.

Dans les ports, l’eau sous haute pression servait non seulement à actionner les grues et engins de levage destinés à la manutention de marchandises sur les quais et dans les entrepôts, mais aussi les portes d’écluses, les ponts tournants, ascenseurs à bateaux et cales sèches. Dans les gares de triage, la distribution de force motrice était utilisée pour déplacer le fret et les wagons (au moyen de treuils cabestan hydrauliques) ainsi que pour actionner les plaques tournantes, les monte-charges et engins de transbordement. Toutes ces applications de l’énergie hydraulique auraient été impossibles avec la pression généralement faible et irrégulière au sein des canalisations d’eau courante de l’époque.

Une fois encore, il suffit de regarder l’évolution des techniques de levage pour prendre la mesure du rôle crucial joué par l’énergie hydraulique dans le contexte de l’époque. En 1586, un obélisque de 344 tonnes fut déplacé d’une place de Rome vers une autre place. Domenic Fontana, ancien maçon puis architecte et maître d’œuvre au Vatican, en supervisa le transfert. Il décida, pour assurer cette mission, de soulever l’obélisque et de le poser horizontalement sur un traîneau pour le transporter au centre de la place Saint-Pierre, où il devait être nouvellement érigé. L’opération mobilisa 40 cabestans, actionnés par quelques 75 chevaux et 400 hommes. En 1878, John Dixon érigea un autre obélisque – l’Aiguille de Cléopâtre, d’une masse de 209 tonnes – au moyen de quatre crics hydrauliques de levage, actionnés par quatre hommes.

Les Réseaux de Force Motrice Hydraulique

Deuxièmement, l’accumulateur hydraulique rendit possible le transfert efficace d’énergie sur de longues distances. Dans une canalisation de 30 cm, la perte de charge dans le réseau s’élève à 10 psi par mile (environ 0,4 bar / km), une valeur indépendante de la pression. Par conséquent, en transportant de l’eau à une pression de 70 psi sur une distance de 7 miles (12 km), toute l’énergie initiale est dissipée en sortie. Mais en distribuant de l’eau sur cette même distance à une pression initiale de 700 psi, il résulte une pression de 630 psi à l’arrivée ; le rendement s’élève alors à 90 %.

Le rendement élevé de l’eau sous haute pression comme vecteur énergétique entraîna la construction d’au moins une douzaine de réseaux publics de distribution de force motrice dotés d’accumulateurs – dont la moitié en Grande-Bretagne. Grâce à l’action de machines à vapeur centralisées, l’eau y était pompée vers des accumulateurs hydrauliques, qui distribuaient ensuite l’eau sous haute pression sur un territoire plus ou moins vaste. Un ou plusieurs accumulateurs étaient installés dans chaque station du réseau, tandis que d’autres étaient répartis à des points stratégiques le long des canalisations, comme « sous-stations ».

L’idée d’un réseau de force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été esquissée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique.

Des années 1870 aux années 1890, des réseaux d’eau motrice sous pression furent ainsi déployés dans les principales villes industrielles de Grande-Bretagne : Kingston upon Hull, London, Liverpool, Birmingham, Grimsby, Manchester et Glasgow. Les compagnies portuaires et ferroviaires furent pionnières dans le développement cette technologie, et en demeurèrent les principales utilisatrices pendant plusieurs décennies.

Illustrations d’un accumulateur, d’une grue et d’un élévateur hydrauliques.

La force motrice hydraulique était en outre utilisée dans des procédés industriels de fabrication, pour actionner les ascenseurs d’immeubles publics, privés et commerciaux, mais aussi différents appareils domestiques et outils d’ateliers artisanaux. Quiconque avait la chance d’être situé à proximité d’une canalisation souterraine pouvait ainsi se raccorder au réseau public. Les consommations d’eau étaient relevées, au même titre que l’eau potable ou l’électricité aujourd’hui.

L’idée d’un réseau force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été évoquée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique. Mais Bramah, qui avait également imaginé le principe de l’accumulateur et de la grue hydrauliques, était trop en avance sur son temps. Il fallut attendre près de 60 ans pour que ses idées soient mises en pratique par Armstrong et ses contemporains.

La Compagnie d’Énergie Hydraulique de Londres

C’est à Londres que fut construit le plus vaste réseau de force motrice hydraulique, exploité par la “London Hydraulic Company”. À l’apogée de l’entreprise en 1917, pas moins de cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville. Dans les théâtres et autres équipements culturels de Londres, l’eau motrice était utilisée pour déplacer les décors, les consoles d’orgues, les rideaux coupe-feu et les plateaux de scène. La machinerie hydraulique du Tower Bridge était également actionnée par de l’eau sous pression, pompée dans six accumulateurs par des moteurs à vapeur, permettant la levée des bascules.

Illustration : plan du réseau de canalisations et stations de la London Hydraulic Power Company, 1895.

Les bornes à incendie bénéficiaient elles aussi du système haute pression, et plusieurs centaines d’entre elles étaient raccordées au réseau de la London Hydraulic Power Company. Ces dispositifs anti-incendie permettaient par ailleurs d’augmenter la pression au sein des canalisations domestiques en y injectant de petites quantités d’eau sous haute pression, au moyen de pompes à jet. En effet, l’eau comprimée fournie par le service d’eau motrice n’était pas disponible en quantité suffisante pour avoir un réel impact contre les incendies majeurs, tandis que l’eau potable domestique était abondamment disponible, mais à une pression trop faible pour atteindre les derniers étages des immeubles.

À Londres, cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville

Une autre application notable de l’eau sous haute pression à Londres fut le Silent Dustman, un système d’aspiration à énergie hydraulique commercialisé en 1910. Plusieurs grands hôtels en furent intégralement “équipés” : de l’eau courante était utilisée par une pompe à jet pour générer du vide dans un conduit principal, sur lequel venait se brancher le système d’aspiration. Le long de ce conduit, un certain nombre de buses permettaient de brancher des tuyaux souples. La poussière était ainsi aspirée vers le tube principal puis évacuée vers les égouts. Ce système, au fonctionnement à la fois silencieux et efficace, demeura en service jusqu’en 1937.

Une des stations du réseau de Londres. Noter la tour sur la droite, où sont installés les accumulateurs hydrauliques.

Malgré cela, à Londres, la force motrice hydraulique ne semble pas avoir eu d’impact réellement probant sur la vie quotidienne des habitants. Dans The Hydraulic Age (1980), Brinley Pugh avance que cela est “potentiellement lié au fait que la main d’œuvre domestique était à l’époque abondante et bon marché. Avec les conditions actuelles, l’histoire aurait été différente, dans la mesure où les potentialités offertes par l’énergie hydraulique étaient alors équivalentes à celles de l’électricité aujourd’hui.”

Dans la plupart des réseaux, l’eau était distribuée à une pression de 700 à 800 psi (48 à 55 bar), à l’exception de Manchester et Glasgow où l’eau était comprimée à 1120 psi. Ces deux villes rencontraient en effet une forte demande en énergie à destination de presses hydrauliques, utilisées pour la mise en balle du coton, une opération qui nécessitait une pression plus élevée.

Les Réseaux de Force Motrice en dehors du Royaume-Uni

Les réseaux britanniques firent des émules en inspirant la création de réseaux similaires ailleurs dans le monde : à Anvers en Belgique, Buenos Aires en Argentine, Melbourne et Sydney en Australie. Si les réseaux australiens étaient directement inspirés de ceux déployés au Royaume-Uni (avec 80 km de canalisations, celui de Melbourne fut le second plus grand jamais construit), le système argentin servait au pompage des eaux usées, tandis que le réseau d’Anvers était quant à lui conçu pour la production combinée – on parle aujourd’hui de “cogénération” – d’énergie mécanique et d’électricité. Cette dernière technique visait à palier les importantes pertes en ligne du transport d’électricité à cette époque.

"Zuiderpershuis" : une ancienne station de pompage hydraulique à Anvers. Les accumulateurs hydrauliques étaient installés dans les deux tours.

Dans The Hydraulic Age, Brinley Pugh écrit que :

“Concernant la transmission d’énergie, les premières centrales électriques furent confrontées aux mêmes problèmes que les centrales hydrauliques ; le “voltage” de leurs lignes y était l’équivalent de la “pression de service” des conduites d’eau et, par analogie, la chute de tension liée à la résistance électrique des câbles correspondaient à la chute de pression causée par la friction du fluide à l’intérieur des tuyaux. Les premières centrales électriques publiques fournissaient un courant continu : la tension de production était alors à peine plus élevée (de l’ordre de la perte en ligne dans les câbles) que celle délivrée en sortie dans les locaux des usagers, laquelle, pour des raisons de sécurité, devait être inférieure à 250 volts. Du fait de cette contrainte, l’aire de distribution et la quantité d’énergie qui pouvait être fournie demeuraient restreintes.”

Le réseau d’Anvers était conçu pour la cogénération d’énergie mécanique et d’électricité.

La ville d’Anvers utilisait depuis 1865 un réseau d’eau motrice pour alimenter les grues, ponts et écluses de son port. Il vint s’y ajouter en 1893 un second réseau, qui distribuait de l’eau sous haute pression à des sous-stations électriques disséminées dans toute la ville (au nombre de douze d’après la carte – toutefois, seules trois d’entres elles furent effectivement construites). Des turbines hydrauliques y généraient de l’électricité, ensuite distribuée dans un rayon de 500 m via des lignes électriques enterrées – distance maximale à laquelle le courant basse tension pouvait alors être distribué avec un bon rendement.

Grues hydrauliques dans le port d’Anvers. Image : Low-tech Magazine.

Le système anversois, utilisé pour l’éclairage public, réalisait ainsi à grande échelle ce que les moteurs à eau couplés à des dynamos assuraient à une petite échelle via le réseau d’eau courante (voir le précédent article. Environ 66 % de l’énergie hydraulique était convertie en électricité. À son apogée, le réseau atteignit 23 km de longueur totale, pour une puissance de 1200 CV. Il faut par ailleurs mentionner qu’à Londres, un certain nombre d’habitants utilisaient de petits générateurs domestiques pour produire de l’électricité directement à partir du réseau d’eau courante.

Force Motrice Hydraulique versus Electricité

Le développement fulgurant de la transmission d’électricité haute tension au tournant du siècle rendit immédiatement obsolète des systèmes comme celui d’Anvers. La partie du réseau dédiée à la production d’électricité disparut en 1900. En effet, comprimer de l’eau pour in fine générer de l’électricité induit une quadruple conversion énergétique – et par conséquent des pertes – qui s’avèrent inutiles dès lors que la production et le transport d’électricité deviennent efficaces.

La construction de nouveaux réseaux urbains de distribution de force motrice fut par ailleurs interrompue avant la fin du siècle par le déploiement rapide de réseaux électriques désormais efficaces. “Si le développement de ces systèmes avait démarré quelques années plus tôt, leur succès aurait pu être nettement plus important” écrit Ian McNeil dans son ouvrage Hydraulic Power (1972). “Quelques années plus tard, et ils n’auraient probablement jamais vu le jour.”

Néanmoins, la quasi-totalité des réseaux urbains de distribution d’eau motrice qui furent construits entre 1870 et 1890 restèrent en fonctionnement jusque dans les années 1960 voire 1970, utilisant sur la fin des moteurs électriques plutôt que des machines à vapeur pour le pompage. Le réseau exploité par la London Hydraulic Company fut le dernier à fonctionner : son exploitation perdura jusqu’en 1977. La plupart de ces réseaux publics continuèrent leur expansion au cours des premières décennies du 20eme siècle, et connurent leur âge d’or à la fin des années 1920. Le déplacement des usines vers l’extérieur des villes, à partir des années 1960 et 1970, porta le coup de grâce à leur inéluctable déclin.

Si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Ceci soulève deux questions. D’une part, pourquoi l’eau motrice n’est-elle pas devenue le vecteur universel de distribution de l’énergie comme l’avaient imaginé Joseph Bramah et William Armstrong ? D’autre part, si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Les Avantages de l’Énergie Électrique

En tant que vecteur de transmission d’énergie, la force hydraulique présente 3 principaux inconvénients par rapport à l’électricité. Tout d’abord, l’électricité peut être transportée efficacement sur des distances beaucoup plus grandes. La transmission hydraulique était (et demeure) au moins aussi efficace que la transmission électrique pour des distances comprises entre 15 et 25 km. Au-delà, l’électricité se démarque nettement par son meilleur rendement.

Porte d’écluse hydraulique du Greenland Dock à London, construite dans les années 1880. Crédits photographiques : [Chris Allen](http://www.geograph.org.uk/photo/2569524)

Un second inconvénient lié à la transmission de force hydraulique réside dans le fait qu’un réseau de distribution complexe et étendu induit nécessairement des pertes d’énergie supplémentaires. Chaque courbe ou angle dans le tracé des canalisations augmente en effet l’énergie dissipée par friction. Plus le réseau est sinueux, moins il est efficace. De son côté, la transmission électrique n’est pas confrontée à ce problème, ou du moins dans une moindre mesure. Le phénomène de friction au sein des canalisations limite ainsi la quantité de machines qui peuvent être raccordées à un réseau d’eau motrice, tandis qu’une production d’électricité peut virtuellement être divisée en autant d’usagers (points de distribution) que nécessaire.

La troisième contrainte de l’eau motrice est la capacité limitée du réseau de distribution. L’eau sous pression ne peut être transportée qu’au sein de conduites relativement étroites et à une vitesse lente – proche de celle de la marche à pied – afin d’éviter des pertes par friction excessives. En effet, ces pertes augmentent au carré de la vitesse de déplacement de l’eau : pour des vitesses plus élevées le rendement du dispositif chute alors drastiquement, et ce même sur des distances relativement courtes. Ceci impose une limite au débit global dans les conduites, et par conséquent à la puissance maximale fournie par un circuit hydraulique sous pression.

Dans le cas de tuyaux de 10 à 12 cm de diamètre – une taille couramment observée dans la plupart des réseaux d’eau motrice sous pression de l’époque – un système de transmission hydraulique pouvait délivrer une puissance maximale continue de 115 à 205 CV (85 à 150 kW). Des lignes électriques d’une dimension comparable peuvent fournir une puissance de plusieurs ordres de grandeur (puissances de 10) supérieur à cela.

Les Avantages de la Force Motrice Hydraulique

Toutefois, aucune des contraintes évoquées ci-dessus ne s’appliquait aux réseaux dont il a ici été question. Premièrement, tous étaient des systèmes décentralisés, dont le parc de machines desservies était situé dans un rayon n’excédant jamais 15 - 25 km de la source d’énergie. Deuxièmement, les engins hydrauliques alors en usage dans les ports, gares de triages, usines et immeubles se caractérisaient par de faibles vitesses de manœuvre ainsi qu’une fréquence d’utilisation irrégulière, la faible vitesse de transmission de l’hydraulique ne posait donc pas de problème particulier.

Exception faite du système de génération d’électricité déployé à Anvers – et rapidement abandonné – aucun des réseaux de type Armstrong ne fournissait d’énergie à un grand parc de machines en fonctionnement continu. (Mentionnons tout de même les réseaux hydrauliques moyenne pression en Suisse. Troisièmement, les pertes par friction causées par les angles et courbes des conduites étaient limitées, car un tel réseau servait généralement à alimenter un nombre relativement réduit de (très puissantes) machines.

Pompe, accumulateur et presse hydrauliques. Source : Portefeuille économique des machines, de l'outillage et du matériel, décembre 1864, [Bibliothèque nationale de France](http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5539152w/f79.pleinepage.langFR)

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Ceci n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, qui sont toujours d’actualité. A titre d’exemple, citons les mots de Robert Zahner, promoteur en son temps d’une autre alternative à l’électricité, l’air comprimé. Dans son livre The Transmission of Power by Compressed Air (1890), il écrivait que :

“Le caractère virtuellement incompressible de l’eau rend la méthode hydraulique impropre au transport d’énergie en quantité constante. Elle peut être mise à profit uniquement dans les cas où la force motrice doit être accumulée et utilisée à intervalles, réguliers ou non, par exemple pour soulever des poids, réaliser des opérations de poinçonnement, de forgeage par compression ainsi que d’autres travaux de nature intermittente, qui requièrent l’application d’une grande force sur une courte distance ou surface.”

La distribution de la force motrice de l’eau est “merveilleusement adaptée aux machineries lourdes et aux engins dont les opérations requièrent la concentration de puissances élevées, des mouvements de va-et-vient linéaires, et un fonctionnement intermittent” écrit quant à lui Louis Hunter dans The Transmission of Power (1991). La principale qualité de l’accumulateur hydraulique est de permettre le fonctionnement de machines qui nécessitent une puissance grandement supérieure à celle que peut fournir la source d’énergie – selon le principe de Pascal de “multiplication des forces”.

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Cela n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, toujours d’actualité

Lorsqu’une force ou un couple élevé sont nécessaires, les systèmes hydrauliques sont une solution beaucoup plus compacte et efficace énergétiquement que les mécanismes d’entraînement mécaniques ou électriques. En effet, les moteurs électriques comme les moteurs à combustion ont généralement besoin de composants mécaniques (boîtes de vitesse, chaînes, courroies) pour convertir leur vitesse de rotation élevée en une vitesse plus faible avec un couple plus important.

De même, les systèmes hydrauliques permettent de générer assez facilement un mouvement linéaire (translation) via le recours à des vérins hydrauliques tandis que l’énergie électrique doit recourir pour cela à de coûteux moteurs linéaires ou à des dispositifs mécaniques, de type transmission à pignon-crémaillère. C’est en ce sens que les énergies hydrauliques et électriques s’avèrent complémentaires : une des contraintes liées à la transmission hydraulique était la relative difficulté à convertir un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

Hydraulic elevator.

Les turbines Pelton constituaient pour cela la solution la plus évidente. Leur vitesse de rotation élevée impliquait cependant l’ajout de mécanismes d’engrenages pour faire fonctionner des machines à faible vitesse. On disposait alors de systèmes hydrauliques de type vérin, capables de fournir une énergie rotative à des vitesses variables ou faibles, mais ces dispositifs offraient peu d’avantages comparés à des boîtes de vitesse mécaniques ou électriques.

Un troisième avantage conséquent de l’hydraulique est que l’énergie est toujours à disposition au sein des conduites et de l’accumulateur, mais ne subit aucune perte même quand la demande est nulle. Lorsqu’aucune des machines reliées au réseau n’était en fonctionnement, les accumulateurs hydrauliques maintenaient les conduites sous pression sans utiliser d’énergie supplémentaire. Ce dernier point constitue un avantage considérable dans le cas de machines utilisées de manière intermittente.

L’Hydraulique Aujourd’hui

L’énergie hydraulique est toujours utilisée de nos jours, en particulier pour des équipements d’industrie lourde qui impliquent des mouvements linéaires lents mais puissants, ainsi que dans des engins de travaux ou terrassement comme les pelleteuses. Mais les accumulateurs hydrauliques et réseaux publics de force motrice sous pression ont pour leur part disparu.

Le fluide sous pression n’est désormais plus de l’eau mais de l’huile, mélangée à des additifs. (L’huile végétale avait déjà été utilisée comme medium hydraulique au 19ème siècle). Contrairement à l’eau, l’huile ne gèle pas et n’est pas corrosive. Ceci augmente toutefois le coût de l’énergie hydraulique et ne permet évidemment plus le rejet du fluide dans les égouts, le port ou la mer en cas de maintenance ou de fuite.

C’est en partie du fait de la conversion à l’huile que furent développés des systèmes hydrauliques embarqués, circuits autonomes généralement composés d’une pompe, d’un accumulateur et d’un circuit de bouclage, prêts à être couplés à un moteur électrique ou diesel. Dans ce type de technologies les accumulateurs hydrauliques sont en principe beaucoup plus petits, utilisent un gaz pour compresser le fluide, et ne garantissent pas une pression constante au sein du circuit.

Les accumulateurs hydrauliques actuels (généralement à gaz comprimé, dits hydropneumatiques) n’ont désormais plus grand-chose à voir avec les accumulateurs "à poids" des réseaux d’eau motrice. Image : [HYD](http://www.hyd.com/tejas/products/products_frame.htm).

Si elle conserve une partie des avantages pratiques de l’hydraulique – à savoir de pouvoir transférer une grande quantité d’énergie et la restituer de manière précise, au moyen de composants très compacts – la version moderne de cette technologie élimine cependant un des principaux avantages propres aux réseaux de force motrice plus centralisés des dix-neuvième et vingtième siècles en termes d’efficacité. En effet, au sein d’un réseau municipal, déployé à l’échelle urbaine, une source relativement réduite d’énergie – en l’occurrence, une poignée d’accumulateurs hydrauliques – suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes. Les moteurs des stations de pompage n’avaient donc pas besoin d’être surdimensionnés pour couvrir les pics de charge.

Un avantage des réseaux de force motrice hydraulique était qu’une source d’énergie de relativement faible puissance suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes, distribuées dans toute une ville.

Brinley Pugh déplore ainsi cette évolution dans The Hydraulic Age (1980) :

“Il y a un siècle, seules quelques très grandes machines – les ponts à bascules et, ponctuellement, certaines presses hydrauliques – étaient équipées de leur propre système de pompage. On a vu ces derniers temps cette tendance s’étendre à des machines alimentées par la force motrice de toutes tailles et fonction, au point de devenir une pratique courante. Avec les systèmes hydrauliques embarqués, chaque composant sera bientôt actionné par son propre moteur et disposera de ses propres instruments de contrôle, filtres, etcetera, avec le contrôle périodique et la maintenance que cela implique.”

“Le moteur fonctionnera en continu tant que le circuit est en fonctionnement, quel que soit la pression dans la pompe qu’il alimente. Dans le cas où plusieurs unités sont installées, elles ne fonctionneront pas toutes à pleine puissance simultanément. Des économies substantielles d’énergie pourraient être réalisées en y substituant une usine de pompage centralisée alimentant plusieurs unités ; du fait de la diversification des machines, la puissance maximale requise à un instant donné sera toujours inférieure à la somme des puissances individuelles.”

“L’avantage d’une station centralisée par rapport à plusieurs unités plus modestes réside dans sa capacité à répondre à une demande variable. De petites stations autonomes doivent chacune disposer d’une capacité suffisante pour satisfaire la demande crête (maximale) dans leur aire de distribution, or ces pics de charge n’interviennent pas au même moment. A contrario, une centrale regroupant toutes les aires géographiques des sous-stations se contentera de répondre au pic de demande totale simultanée, lequel sera normalement inférieur à la somme des pics de puissance locaux.”

Des Alternatives à l’Électricité

Comme dans le cas d’autres techniques de transmission de l’énergie mécanique – tels que les systèmes de pompes avec tige à saccades et les courroies de transmission sans fin – c’est la meilleure efficacité de la transmission électrique sur de longues distances qui a en grande partie causé la disparition des réseaux urbains de distribution de force motrice. Toutes ces alternatives à l’électricité, aujourd’hui oubliées, mériteraient d’être réétudiées aux fins d’applications spécifiques, dans la perspective d’un système énergétique plus décentralisé et basé sur les énergies renouvelables. On peut ainsi imaginer que les accumulateurs hydrauliques à poids puissent être alimentés à l’énergie solaire, éolienne, voire musculaire (à pédale).

Image : J.W. Gibson.

Au tournant des années 1900, la supériorité de l’électricité pour la transmission d’énergie sur de très grandes distances faisait désormais consensus. Sur de moyennes distances, toutefois, quelques auteurs mettaient en doute sa pertinence. R. Kennedy écrivait par exemple dans Modern Engines and Power Generators (1905) :

“L’électricité offre, en matière de transmission d’énergie, un grand nombre d’avantages dans la plupart des cas. Les ingénieurs électriciens idéalisent cependant la chose. Ils sont en effet bien souvent prompts à oublier d’autres technologies, lesquelles disposent, dans bon nombre de cas, d’avantages considérables par rapport à l’électricité.”

W.C. Unwin, auteur au dix-neuvième siècle de l’ouvrage le plus complet de l’époque sur la transmission d’énergie (On the Development and Transmission of Power from Central Stations), exprima en 1894 des réserves similaires :

“Bien que la distribution d’électricité soit indéniablement amenée à jouer un rôle prochain dans le développement des réseaux de distribution de l’énergie, on observe ces temps-ci une tendance à ne considérer que l’option électrique, et à négliger d’autres moyens de transport de l’énergie qui ont été utilisés avec succès par le passé et seront, dans des conditions adéquates, toujours employés à l’avenir. Dans le cas de la transmission sur moyenne distance, on dispose de plusieurs alternatives crédibles, et la transmission électrique n’a pas, dans un tel cas et jusqu’à ce jour, établit sa supériorité d’aucune manière.”

Le prochain épisode de notre série sur la transmission d’énergie s’intéressera à l’air comprimé, qui est probablement l’alternative à l’électricité la plus crédible.

Kris De Decker

Cet article est dédié à Charles Steele. RIP.

Sources (par ordre d’importance) :

The Hydraulic Age, B. Pugh, 1980

Hydraulic Power (Industrial Archaeology), Ian McNeil, 1972

On the Development and Transmission of Power from Central Stations, W.C. Unwin, 1894. Also here.

Hydraulic Machinery, with an introduction to hydraulics, R.G. Blaine, 1897

A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume One, R. Kennedy, 1905

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume Six, R. Kennedy, 1905

Power and Power Transmission, E.W. Kerr, 1908

Remnants of Early Hydraulic Power Systems (PDF), J.W. Gibson, 3rd Australasian Engineering Heritage Conference 2009

L’eau à Genève et dans la région Rhône-Alpes: XIXe-XXe siècles, Serge Paquier, 2007

L’eau des villes: Aux sources des empires municipaux, Géraldine Pflieger, 2009

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Section II, récepteurs hydrauliques (PDF), 1893

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Volume 9. Septième partie. Mécanique générale. Machins outils. Hydraulique générale. Travail du bois. Travail des métaux. Machineries industrielles, 1893

L’usine des forces motrices de la Coulouvrenière à 100 ans: 1886-1986, Services industriels, 1986

Waterdruk in Antwerpen. Een stroom van elektriciteit", Dirk De Vleesschauwer and Noël Kerckhaert, 1993

Kroniek van de stroomverdeling van Antwerpen-stad tot de Rupelstreek tot de Eerste Wereldoorlog, Geschiedkundige Studiegroep Ten Boome. (website)

Het Zuiderpershuis, een monument. Brochure bij de tentoonstelling n.a.v. Open Monumentendag 2010 (PDF), Steunpunt Industrieel en Wetenschappelijk Erfgoed, 2010.

The Centrifugal Pump, Turbines, and Water Motors, Including the Theory and Practice of Hydraulics, Charles Herbert Innes, 1898

Metropolitan Works: Collected Papers on London History, Ralph Turvey, date unknown.

Hydraulic Power Company, The Vauxhall Society, 2012 (website)

London Hydraulic Power Co, Grace’s Guide, date unknown (website)

Hydraulic Power, NSW HSC Online (website)

The Transmission of Power by Compressed Air, Robert Zahner, 1890

Water Engines, The Museum of Retrotechnology, 2011 (website)

The History of Cranes (The Classic Construction Series), Oliver Bachmann,1997.

On the employment of a column of water as a motive power for propelling machinery, William Armstrong, 1840

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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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. ↩︎ ↩︎

L’eau courante comme vecteur d’énergie : les moteurs à eau

Mon, 09 Sep 2013 00:00:00 +0000

Un moteur à eau de la fin du XIXe siècle avec un côté du boîtier retiré. Image: [Old Pelton](http://www.oldpelton.net/).

Peu d’occidentaux ont à l’esprit qu’ils ont une source d’énergie de plus dans leur foyer, leur atelier ou leur usine: l’arrivée d’eau du robinet. Juste avant l’arrivée de l’électricité à la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient largement utilisés en Europe et en Amérique. Ces turbines à eau miniatures étaient connectées au robinet, et pouvaient alimenter n’importe quelle machine fonctionnant de nos jours à l’électricité.

L’eau courante comme source d’énergie

L’eau est demeurée la principale source (non-vivante) de puissance mécanique de l’Antiquité jusqu’au début du XXe siècle. Bien que la plupart des roues hydrauliques se trouvaient sur les rives des rivières (ou au sein des rivières elles-mêmes), certaines étaient installées à très grande distance des sources d’eau. Cela fut rendu possible par l’introduction de la transmission de puissance hydraulique : le processus par lequel l’eau d’un ruisseau est acheminée par des cours d’eau artificiels jusqu’aux roues hydrauliques construites sur le sol.

Pour permettre la transmission de puissance hydraulique, des canaux artificiels («canaux de transmission de puissance» ou «aqueducs») pouvaient être creusés sous terre ou dans les rochers («rigoles»). Il pouvait également s’agir de structures surélevées dont les murs étaient dressés au-dessus du terrain environnant (“canalisation”). Des réservoirs d’eau formés à l’aide de barrages pouvaient être intégrés à ces réseaux de transport de puissance, régulant le débit d’eau. Ils fournissaient aussi un moyen de stockage de l’énergie pour les moments où le niveau d’eau devenait faible, et augmentaient la “hauteur” de chute de l’eau dirigée sur une roue à eau à verticale. L’utilisation de ces canaux de transmission de puissance a augmenté tout au long de la période médiévale et s’est généralisée au cours des années 1500.

Au milieu du XIXe siècle, de nombreuses villes européennes et américaines ont introduit un système de distribution d’eau plus sophistiqué: le système public de distribution d’eau courante. Bien que cette innovation fut une réponse à un problème de santé publique (il était devenu clair que les épidémies récurrentes étaient dues à la consommation d’eau contaminée), il est rapidement devenu évident que l’eau courante envoyée dans les canalisations du réseau pouvait également fournir une puissance motrice.

Les roues à eau demeuraient la source de puissance mécanique la plus importante au tout début des conduites d’eau publiques. La plupart des villes européennes et américaines avaient eu l’eau courante avant d’avoir l’électricité, il y avait donc un marché pour une source de puissance compacte qui pourrait être utilisée en ville, comme alternative aux moteurs à vapeur (qui étaient trop chers, trop dangereux et trop peu pratiques pour fonctionner à petite échelle) ou aux machines fonctionnant à la force des bras et des jambes.

Moteurs à eau de la fin du XIXe siècle. Images: [Smokstack](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=19878)

etOld Pelton.

Les canalisations urbaines ne sont pas très différentes des systèmes de transmission de puissance hydraulique d’autrefois. Dans les systèmes publics de distribution d’eau la dépendance naturelle vis-à-vis des caractéristiques géologiques, assurant le sommet du cycle hydraulique, est remplacée par l’utilisation d’un château d’eau. L’eau est pompée vers un réservoir en hauteur, qui peut être sur une colline ou au sommet d’un château d’eau spécialement là pour ça (une combinaison des deux est également possible).

Le différentiel de hauteur entre le niveau d’eau dans le réservoir et le niveau d’eau dans le réseau détermine la pression d’eau. Pour chaque 10,20 cm d’élévation, une colonne d’eau produit une pression de 0,145 psi (pound per square inch, poids en livres par pouces carrés) ou 0,01 bar. Pour produire 4,8 bar (70 psi) de pression au niveau du sol, un château d’eau doit mesurer 50 m de haut.

Il est rapidement devenu évident que l’eau courante envoyée dans les canalisations du réseau public de distribution pouvait également fournir une puissance motrice.

Dans les canalisations urbaines, les aqueducs et les conduits de puissance mécanique sont remplacés par un réseau de canalisations beaucoup plus complexe. Cela empêche les débris de rentrer en contact avec l’eau et facilite le transport en amont. La technologie des conduites d’eau était utilisée dans certaines civilisations anciennes, mais les systèmes du XIXe siècle ont introduit des innovations décisives.

Tout d’abord, grâce au robinet à vis (breveté en 1845), l’alimentation en eau peut être facilement régulée. Deuxièmement, l’eau pouvait être mieux distribuée à l’intérieur des bâtiments individuels, atteignant souvent plusieurs pièces sur plusieurs étages. Dans ce genre d’endroits, il suffisait de connecter une petite turbine à eau à un robinet pour recevoir la puissance motrice du réseau d’eau. C’est exactement ce que les gens ont fait.

Des appareils domestiques à eau

En Europe, de petits moteurs utilisant le réseau d’eau public sont apparus dans les années 1840. Aux États-Unis, ils ont été largement utilisés entre les années 1870 et 1880. Un moteur à eau se composait d’une petite turbine à eau suspendue dans un boîtier métallique. Le diamètre de la turbine pouvait être compris entre 20 et 90 cm.

Une publicité de 1906 pour un moteur à eau typique aux Etats-Unis.

Une dynamo hydraulique. Image: [The Museum of Retrotechnology](http://www.aqpl43.dsl.pipex.com/MUSEUM/POWER/watermotor/watermotor.htm).

Les plus petits moteurs à eau étaient utilisés pour faire fonctionner les machines à coudre, les scies sauteuses, les ventilateurs et autres objets à la mécanique semblable. Pour faire fonctionner les moulins à café, les congélateurs à crème glacée, les tours de bijoutier et de serrurier, les meules, les orgues d’église ou les malaxeurs et autres broyeurs de couleurs, des moteurs à eau un peu plus gros étaient recommandés. Les plus gros moteurs à eau étaient utilisés pour actionner des ascenseurs ou des scies circulaires. Dans les machines à laver hydrauliques, l’eau nécessaire pour laver les vêtements était aussi capable d’alimenter la machine.

Les moteurs à eau actionnaient les machines au moyen d’une transmission de puissance mécanique, à l’instar des traditionnelles machines à vent, à eau et aux machines à pédales de cette époque. L’arbre de la turbine à eau pouvait être équipé d’une poulie à courroie à laquelle différentes machines pouvaient être attachées, ou actionnait directement une seule machine.

À la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient également utilisés pour alimenter les appareils électriques, en particulier les radios et les ampoules. Dans ce cas, le moteur à eau entraînait une dynamo qui produisait de l’électricité localement. Des unités compactes constituées d’une petite turbine à eau directement couplée à une dynamo étaient disponibles dans le commerce.

Rendement et efficacité d’un moteur à eau

La plupart des turbines à eau obtenaient de la pression en extrayant l’énergie impulsionnelle de l’eau en mouvement, plutôt qu’à travers son poids, contrairement à la plupart des roues hydrauliques et certaines autres turbines à eau. Une innovation majeure fut la roue Pelton, inventée en 1878.

Cette turbine à eau est constituée d’une série d’augets fixés à intervalles réguliers autour de la périphérie d’un disque (“l’actionneur”). L’eau pénètre dans le boîtier par un tuyau d’entrée, où elle est envoyée dans un trou d’ajutage appelé “buse” qui réduit son volume et augmente sa vitesse, après quoi elle est dirigée vers les augets. En agissant sur la buse influençant cette variation de pression, on peut faire varier la puissance de sortie de la roue. L’eau résiduelle est évacuée au fond du boîtier, ou par un tuyau de sortie.

L’efficacité d’une roue Pelton ne dépend pas de sa taille, ce qui la rend particulièrement intéressante pour les petites puissances.

La turbine Pelton est particulièrement bien adaptée pour être utilisée en combinaison avec le réseau d’eau urbain, car elle nécessite une grande différence de hauteur et un faible débit d’eau. Le rendement d’une roue Pelton peut aller jusqu’à 90%, ce qui est comparable à un gros moteur électrique moderne. Contrairement aux moteurs à vapeur, aux moteurs électriques, et à la plupart des autres turbines à eau qui deviennent moins efficaces à mesure qu’ils deviennent plus petits, l’efficacité d’une roue Pelton ne dépend pas de sa taille, ce qui la rend particulièrement intéressante pour les petites puissances.

Une machine à coudre hydraulique. Image: Knight's American Dictionary (1881).

Les turbines à eau (comme la roue Pelton) sont beaucoup plus compactes que les roues à eau, ce qui fait qu’un petit moteur peut fournir plus d’énergie qu’il n’y parait. La puissance maximale de sortie d’un moteur à eau est déterminée par deux facteurs : la pression d’eau régnante et le débit d’eau, défini par le diamètre du tuyau et la vitesse de l’eau. Ce dernier facteur est plutôt fixe pour les tuyaux étroits, car à des vitesses supérieures à 8 km/h les pertes par friction deviennent problématiques.

La pression de l’eau dans les canalisations de ville se situe généralement entre 2,75 à 4,8 bar (40 - 70 psi), et était plus proche de 4,8 bar au XIXe siècle. Avec une pression d’eau de 4,8 bar et un diamètre de tuyau de 1,25 cm (une taille typique pour les embranchements individuels reliés aux robinets), la puissance de sortie maximale d’un moteur à eau est de 0,33 cheval-vapeur (ou 243 watts de puissance mécanique). Même en tenant compte du rendement limité du moteur, cela reste une puissance très élevée: deux à trois fois plus que ce que les jambes d’un humain peuvent fournir pendant une heure ou plus avec une machine à pédale.

La consommation d’eau

Les moteurs à eau répondaient à un besoin presque inaccessible à d’autres moteurs innovants de l’époque, et exploitaient une source d’énergie abondamment disponible via les systèmes centralisés déjà présents dans la plupart des zones urbaines. Cependant, au moins aux États-Unis, leur succès fut de courte durée. Dès que les moteurs électriques et à essence furent normalisés, le moteur à eau devint peu attractif. En 1900, la quantité de moteurs à eau aux États-Unis (environ 30 000 moteurs totalisant une puissance de 26 000 chevaux vapeurs) représentait environ un cinquième du nombre de moteurs à essence et un dixième des moteurs électriques. [Source: Hunter 1991]

À la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient également utilisés pour alimenter les appareils électriques, en majorité des radios et des ampoules

Le principal inconvénient des moteurs à eau était leur consommation d’eau potable en très grande quantité. À l’aide d’un tuyau de 1,25 cm de diamètre et d’une pression de 4,8 bar (70 psi), un moteur à eau consommait 30 litres d’eau par minute pour une puissance de 243 watts. Cela signifie qu’il fallait 7 440 litres d’eau pour produire 1 kWh d’énergie mécanique. Pour donner une idée : aujourd’hui un occidental consomme moins de 500 litres d’eau potable et moins de 5 kWh d’électricité par jour.

Un ventilateur hydraulique. Trouvé sur [Smokstak](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=27871).

Si la pression d’eau tombait en-dessous de 4,8 bar (70 psi), la puissance de sortie du moteur à eau diminuait, tandis que la consommation d’eau potable restait la même. La pression minimale dans le réseau d’eau public était (et est toujours) de 1,4 bar (20 psi). En dessous de cette pression, il existe un risque de contamination, car de l’eau polluée pourrait pénétrer dans le réseau par des fuites dans les canalisations.

Si, manque de chance, la pression d’eau était de seulement 1,4 bar (20 psi), la puissance du moteur se limitait alors à 0,09 chevaux (67 watts), beaucoup moins impressionnant. Il était alors possible de retrouver une bonne puissance de sortie en accroissant le diamètre du tuyau, mais la consommation d’eau potable augmentait en contrepartie.

La pression d’eau dans les conduites primaires des villes pouvait être inférieure à 4,8 bar (70 psi) pour des tas de raisons : utilisation d’une pression d’eau plus basse par certaines entreprises, fuites dans les canalisations, emplacement structurel des logements des consommateurs par rapport au château d’eau, ou utilisation d’un moteur à eau à un étage en hauteur. La pression d’eau chute de 0.7 bar (10 psi) par 1.6 km (1 mi) de conduit. Cette pression est généralement plus élevée lorsqu’elle entre dans l’habitation que lorsqu’elle sort du robinet: elle diminue à chaque canalisation coudée, et environ 0.3 bar (5 psi) de pression est perdue à chaque étage supplémentaire.

Une pression d’eau irrégulière

La consommation d’eau était d’autant plus importante à cause de l’irrégularité de la pression d’eau. L’utilisation d’un château d’eau est avantageuse du point de vue de l’efficacité énergétique, car il permet de créer une pression d’eau avec des pompes de faible capacité. Les pompes doivent seulement répondre à la demande moyenne. Une demande supérieure à la moyenne (par exemple, lorsque tout le monde prend sa douche le matin) peut être gérée par une baisse du niveau d’eau dans la tour. Le réservoir sera alors à nouveau rempli lorsque la demande descendra en-dessous de la moyenne (en général la nuit).

Si par ailleurs le but est de créer de la pression en pompant de l’eau directement dans le réseau (une approche moderne de plus en plus populaire), il faut alors des pompes de grande capacité pouvant répondre à la demande des heures de pointe, qui fonctionneront de manière inefficace la majorité du temps.

Alors que l’utilisation des moteurs à eau aux États-Unis a pris fin au début du XXe siècle, les Européens ont fait passer la transmission de puissance hydraulique au niveau supérieur

La pression d’eau irrégulière n’est pas problématique pour le réseau de distribution d’eau potable, mais elle devient très désavantageuse pour l’utilisation de moteurs à eau. Si le niveau d’eau dans la tour diminue, la pression d’eau dans les tuyaux diminuera également. Pour assurer une puissance moteur suffisante en cas de pressions d’eau plus basses, les moteurs à eau devaient être plus gros et utiliser des tuyaux plus large que nécessaire, augmentant encore plus la consommation d’eau et gaspillant de l’énergie. Les pressions d’eau irrégulières réduisent l’efficacité énergétique d’un moteur à eau, car celui-ci n’atteint son efficacité maximale que lorsqu’il est ajusté de manière optimale à une pression d’eau donnée.

Un batteur à œufs hydraulique. Images: [Smokstak](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=114931).

À la recherche d’une meilleure solution : l’accumulateur hydraulique

Comme mentionné précédemment, la puissance maximale produite par un moteur à eau est déterminée par deux facteurs: la pression et le débit d’eau. L’augmentation du diamètre du tuyau (et donc du débit et de la consommation d’eau) n’est qu’une façon parmi d’autres d’augmenter la puissance d’un tel moteur. Une autre façon est d’augmenter la pression d’eau, ce qui donne des résultats beaucoup plus intéressants. Par exemple, bien plus d’énergie pourrait être produite avec beaucoup moins d’eau.

Avec une pression d’eau de 48 bar (700 psi), ce qui équivaut à dix fois la pression dans le réseau d’eau public, un moteur à eau connecté à un tuyau de 1,25 cm pourrait produire une puissance de 3,3 chevaux (2500 watts d’énergie mécanique). C’est dix fois plus de puissance avec le même débit, de 30 litres d’eau par minute (ou dix fois moins d’eau pour la même puissance). Pour créer une pression d’eau de 48 bar, il faudrait impérativement construire un château d’eau de près de 500 mètres de haut. Malheureusement, c’est difficilement faisable en pratique.

Alors que les moteurs à eau ont cessé d’être utilisés au début du XXe siècle aux États-Unis, leur utilisation intensive a été poursuivie en Europe et a fait passer la transmission de puissance hydraulique à l’étape supérieure. Premièrement, des réseaux énergétiques spéciaux distribuant l’eau sous pression uniquement à des fins motrices ont été mis en place. Cela évitait d’utiliser de l’eau potable. Deuxièmement, l’Europe est passée à une pression d’eau beaucoup plus élevée (et stable) dans ses conduits, rendue possible par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

Sources:

A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)
“Water Motors”, The Museum of Retrotechnology - “Old Pelton”, website. - Efficiency Improvement of Pelton Wheel and Cross Flow Turbines in Micro Hydro Power Plants: Case Study. - Water Wheel Model: Water Motor.