Air comprimé

La pression est couramment exprimée en bars relatifs à la pression atmosphérique^{[note 1]}, ou en psi dans les pays anglophones. L'unité de pression du système international d'unité est le Pascal (Pa). 1 bar = 14,5 psi = 100 kPa. Les pressions possibles sont supérieures à la pression atmosphérique (1013 mbar) jusqu'à plus de 450 bar; les notions de basse, moyenne, ou haute pression de l'air comprimé font référence à des gammes de pression, différentes selon les secteurs d'activité dans lesquelles elles sont employées, mais sans définition normative^[3]. La norme ISO 13349:2010 fixe la limite la pression de production de l'air de ventilation à 0,3 bar, au delà de laquelle un ventilateur sera nommé un turbocompresseur^[4]. Cette valeur de pression de 0.3 bar peut définir la frontière entre la production d'air ventilé et la production d'air comprimé^{[note 2]}.

On peut distinguer plusieurs gammes de pression correspondantes aux usages les plus fréquents

• jusqu'à 4 bar pour le soufflage, l'aération de bassins ou le transport pneumatique...
• de 5 à 15 bar pour une majorité d'usages pour l'industrie, les travaux publics ou la santé; les actionneurs et outils pneumatiques sont généralement prévus pour fonctionner entre 6 et 7 bar ;
• de 20 à 40 bar pour l'injection plastique d'emballages alimentaire (notamment les bouteilles en PET), ou le démarrage de moteurs diesel ;
• de 150 à 450 bar pour les bouteilles de plongée.

Le débit est souvent exprimé en mètres cubes heure (m3/h), en litres par minute (l/min), ou en litres par seconde (l/sec)^{[note 3]}; et à la pression de référence de 1 013 mbar absolu. Selon la loi des gaz parfaits, le volume de l'air est variable en fonction de sa température et de sa pression; il est donc nécessaire de préciser les valeurs de température et de pression auxquelles ce débit se réfère; l'absence de ces précisions conduit à des approximations, voire des incohérences. Le poids de vapeur d'eau contenu dans l'air ambiant aspiré influence également le débit final d'air comprimé, la référence au taux d'humidité relative apporte de la précision aux résultats.

Trois normes définissant des conditions de référence sont principalement utilisées pour l'air comprimé : DIN1343, ISO2533, et ISO1217

Les débits possibles vont de quelques m3/h à plus de 10 000. une petite carrosserie peut consommer 40 à 50 m³/h, soit 5,5 kW ; un gros site industriel 5 000 à 10 000 m³/h, soit 500 à 1 000 kW).

L'atmosphère qui nous entoure, matière première de l'air comprimé, contient en suspension : des particules solides, de l'eau, des COV (Composés Organiques Volatils), des bactéries, des pollens... Tous ces éléments sont comprimés et concentrés dans l'air comprimé et sont, selon les applications attendues, des polluants potentiels. A ces polluants « naturels » s'ajoutent les pollutions issues des compresseurs et des réseaux de distribution (huiles, particules métalliques...). La production d'air comprimé peut s'accompagner d'une étape de Traitement d'air pour retirer certains polluants et atteindre le niveau de qualité défini pour l'utilisation souhaitée. (souffler une forge pour attiser le feu ne requiert pas de filtration, faire respirer un être humain sous air médical exige quelques précautions avec des normes supplémentaires..)

La qualité d'air comprimé est définie par la norme ISO 8573-1 qui identifie 3 polluants principaux : Les particules solides - L'eau - Les hydrocarbures^[1]. Les particules et les hydrocarbures seront traités essentiellement par des filtres. L'eau sous forme de vapeur est traitée par des sécheurs d'air comprimé. L'eau sous forme liquide peut être piégée par des dévésiculeurs dédiés, ou fréquemment par les filtres ou les réservoirs qui en assurent également la fonction.

L'air comprimé à usage d'air respirable ou d'air médical est défini par des normes distinctes de l'ISO 8573-1. L'air respirable est encadré par la norme NF EN 12021 qui spécifie les teneurs en oxygène, lubrifiant, odeur, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, et eau^[5].

L'air comprimé est considéré comme le quatrième fluide énergétique utilisé dans l’industrie, après l'électricité, le gaz naturel et l'eau^[6],[7].

Jusqu'au XVIII^e siècle, l'air comprimé est utilisé en tant que matériau, pour le soufflage des feus ou des forges, ou l'alimentation en air de cloches à plongeur; plus tard encore la ventilation de galeries souterraines.

La cloche à plongeur

Dès le IV^e siècle av. J.-C., Aristote évoque une cuve d'airain renversée et plongée sous l'eau pour permettre la respiration de plongeurs^[12]. Au siècle suivant Philon de Byzance démontre dans ses écrits que l'air est un corps en utilisant une amphore renversée qu'il plonge dans l'eau, et fait siffler des maquettes d'oiseaux en utilisant l'air comprimé dans ce vase^[13].

Des expériences de cloches à plongeur sont faites au XVI^e et XVII^e siècles : en 1538, deux grecs descendent dans le fleuve Tage au moyen d'une cloche à plongeur en présence de Charles-Quint^[12]. Le britannique Edmond Halley améliore le principe entre 1690 et 1721, suivi en 1786 de l'alimentation en air au moyen d'une pompe foulante par John Smeaton^[14].

Ce n'est qu'à partir du XIX^e siècle, simultanément à la révolution industrielle, que l'emploi de l'air comprimé comme énergie débute. Les besoins de force motrice liés à l'industrialisation de l'époque mettent en avant l'intérêt de l'air comprimé comme vecteur énergétique et énergie finale non polluante aux points d'utilisation, se présentant alors comme une alternative crédible à la vapeur ou à l'électricité, dans les secteurs miniers, le percement de tunnels, l'industrie, l'artisanat, et aussi le secteur tertiaire^[17],[18]. Son usage comme matériau trouve aussi de nouvelles applications dans la construction d’ouvrages d'art.

Les recherches sur les moyens de production de l'air comprimé et les applications possibles sont multiples. L'air est comprimé au moyen de pompes foulantes, aussi appelées pompes à air ou pompes de compression, utilisant le principe d'un piston comprimant l'air dans un cylindre^[19]. Le terme compresseur n'apparaît que dans les années 1850^[20]. La vapeur et l'énergie hydraulique sont les principales sources d'énergie nécessaires à leur entraînement. Les pressions atteignables sont désormais de plusieurs dizaines de bar, et les difficultés techniques à surmonter sont aussi nombreuses que les recherches, tant sur les pompes de compression que sur la résistance à l'éclatement des réservoirs de stockage^[18].

• en 1841, le fonçage (percement) des puits de Chalonnes (Maine-et-Loire) est réalisé en utilisant l'air comprimé à 2,5 bar pour repousser l'eau le temps des travaux. Cette technique, appelée procédé Triger permet de réaliser des fondations en milieu humide ou dans le lit de fleuves^[20].

• en 1857 , le tunnel ferroviaire du Fréjus (tunnel du Mont Cenis) est percé avec des marteaux-perforateurs pneumatiques à 6 bar de pression.

• 1876 : Le tramway à air comprimé de Louis Mékarski est mis en service à Nantes en 1879

• 1879 : Le premier réseau urbain de distribution d'air comprimé est mis en service par La Compagnie Parisienne de l'Air Comprimé^[17] (CPAC) de Victor Popp, devenue ensuite la Société Urbaine D'Air Comprimé - SUDAC. En service jusqu'en 1994, ce réseau d'air comprimé à six bars alimente tout Paris et sa proche banlieue. Le but poursuivi par Victor Popp, le promoteur de ce réseau, était la distribution de la force motrice alors que les réseaux électriques n'existaient pas encore. L'air actionnait des petits moteurs dans quantité d'ateliers. Il servait aussi à faire du froid (par détente) chez les cafetiers-limonadiers de la capitale et au fonctionnement d'innombrables ascenseurs hydropneumatiques dans les beaux immeubles. Un réseau indépendant piloté par une horloge centrale commandait le mécanisme d'horloges^[21] publiques et privées unifiant ainsi l'heure dans la ville. A la même époque, dès 1866, un réseau de télégraphe pneumatique est en service à Paris^[22]

Outre les compresseurs, des matériels et équipements périphériques sont nécessaires pour le stockage et le cheminement de cette énergie, son traitement en qualité, le refroidissement des fluides et des matériels, le bon fonctionnement de cet ensemble, etc. Cet assemblage de matériels reliés par des tuyauteries constitue un process à part entière, souvent regroupé dans des locaux techniques dédiés à cette utilité, fréquemment nommé « centrale d'air comprimé » ou « centrale de production d'air comprimé».

Ces centrales d'air comprimé sont plus ou moins complexes, adaptées aux besoins des industries utilisatrices. Certains points communs des centrales les plus simples, aussi les plus fréquentes, permettent de définir des centrales type selon le schéma de principe en annexe.

Les équipements fréquemment utilisés sont listés ci-dessous.

Les sécheurs

Un sécheur diminue la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air comprimé.

A la sortie du compresseur, l'air est saturé d'humidité et chaud; sa température est généralement comprise entre +10°C et + 20°C par rapport à la température ambiante.

Préambule : l'énergie nécessaire à la production et la distribution de l'air comprimé est fortement dépendante de la pression de production, et n'est pas directement proportionnelle à l'évolution de cette pression. Les différentes techniques de compression et niveaux de traitement d'air présentent elles aussi des différences notables de consommation d'énergie. Il est donc nécessaire pour évoquer le rendement énergétique de l'air comprimé de fixer le contexte de cette approche.

Le rendement global d'un système pneumatique, considéré comme un ensemble qui produit, traite, distribue et utilise l'air comprimé pour fournir un travail, est la part d'énergie utilisée relativement à l'énergie consommée pour y parvenir^[24].

• le compresseur absorbe une énergie mécanique pour produire l'air comprimé,

• La compression de l’air, outre les pertes d'énergie dans le compresseur, s’accompagne d’une transformation d'une partie de l'énergie mécanique transférée au gaz comprimé en énergie thermique (chaleur) qui reste fréquemment inexploitée : l'énergie correspondante est perdue par transfert de chaleur hors du système, il s'agit de chaleur fatale.

Il y a également des pertes lors de l'utilisation de l'énergie mécanique (sous forme de différence de pression) que le gaz comprimé contient.

Utiliser l'air comprimé comme vecteur d'énergie implique donc d'accepter une perte d'énergie très importante, environ 80 à 90% de pertes^[7]. Ce mauvais rendement se justifie par la simplicité des dispositifs (Moteur à air comprimé, vérins) fonctionnant à l'énergie pneumatique, ce qui leur donne de nombreux avantages : fiabilité, faible coût, rapport poids/puissance très favorable (eg : marteau-piqueur, turbine dite "roulette" de dentiste), ainsi que par le fait que de nombreuses applications utilisent une énergie tellement réduite qu'il n'est pas très important d'en perdre (eg : petits outils de toute sorte -- sécateur, agrafeuse, visseuse, etc. --, actionneurs de porte automatique ou de nombreux engins industriel).

L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.

Une estimation de l'énergie disponible dans un volume donné d’air est fournie dans l’article en référence. Les calculs liés à un système pneumatique utilisent la masse volumique de l’air, qui est de 1,293 kg/Nm³ (1 Nm³ = 1 normo mètre cube qui est une unité de mesure établie à la pression atmosphérique normale de 1,013 × 10⁵ Pa = 1 atm à 0 °C de température).

• Simplicité de mise en œuvre pour le transport et le stockage, dans des conduites et réservoirs bon marché. Faible coût initial et robustesse des moteurs et actionneurs pneumatiques
• Fluide propre : pas de pollution par les échappements d’air ou les fuites. Capacité de refroidissement.
• Peu sensible aux environnements insalubres et aux écarts de température (cas des forges et fonderies) ; aux champs électromagnétiques (soudeuses, fours); aux vibrations...et idéal en milieu explosif

Malgré de nombreux avantages, l’automatisation par l’air comprimé présente des inconvénients :

• rendement plutôt faible : les lois de la thermodynamique et le peu d'attention parfois accordée à l'efficacité énergétique (thermodynamique) (fuites) peuvent entraîner des gaspillages et un rendement plus faible (20 à 40 %) que celui de systèmes électriques ;
• relatives faiblesses des forces développées : pour des efforts importants, il est préférable voire impératif de faire appel à un système hydraulique ;
• bruit des échappements : ce phénomène désagréable se trouve en partie résolu grâce à l’utilisation de silencieux ;
• il n'existe pas ou peu de gaz pré-comprimé exploitable à l'état naturel. Il est donc nécessaire de comprimer l'air artificiellement (consommation d'une autre énergie), ce qui n'en fait qu'un moyen de transport ou de stockage d'énergie, mais pas une source d'énergie primaire.

• Soufflage pour attiser les feux des forges et des hauts fourneaux, pour sécher des pièces.
• Gonflage de structures pneumatiques : (canot pneumatique, pneus, piscines gonflables…)
• Air comprimé respirable (plongée sous-marine, caisson hyperbare, cagoules de ventilation assistée) et air comprimé médical

• Production de bulles dans les procédés industriels, éventuellement alimentaires (mélange, allégement d’un produit, par exemple les sorbets et les crèmes glacées qui sont vendus au litre et non au kilogramme)

• Matière première pour la production d'oxygène, d'azote ou d'argon.
• décolmatage pneumatique de filtres à manches ;
• Mise en surpression d'armoires électriques (protection contre les poussières dans un environnement pollué ou explosif

• Les moteurs et vérins pneumatiques, qui sont des actionneurs, transforment l'énergie de l'air comprimé en mouvements, typiquement pour tous les outils pneumatiques et les véhicules à air comprimé.

• Outils pneumatiques : Visseuses, foreuses, meuleuses, riveteuses, cloueurs, scies, polisseuses, pinces à sertir, clés à choc, burineurs, agrafeuses, marteaux pneumatiques, fraise de dentiste, marteaux-piqueurs utilisés dans les travaux publics.
• Autres exemples d'utilisation : Les catapultes des porte-avions du début du XX^e siècle^[25],[26], le freinage des véhicules poids-lourds^[27] et des locomotives et wagons des chemins de fer^[28] (freins pneumatiques et électropneumatiques)^[29], le lancement des moteurs Diesel, le démarrage des moteurs de F1, de camions, de certains avions (via l'APU) et des groupes électrogènes.
• Création de dépression par système venturi pour alimenter des systèmes de préhension (ventouses)
• Le sablage utilise l'air comprimé pour projeter un abrasif sur des surfaces à décaper (ravalements de façades de bâtiment ou traitement de surfaces métalliques) ;
• Le transport pneumatique de produits en poudre ou en granulés (ciments, poudres alimentaires, plastiques...)
• Appareils d’éclairage constitués d’une micro-turbine pneumatique qui entraîne un alternateur.

• 
  Catapulte à air comprimé d'un hydravion Loire 130
• 
  Décroutage d'un enrobé de chaussée avec des marteaux-piqueurs pneumatiques
• 
  sablage de pièces métalliques pour décapage par abrasion
• 
  Vérin pneumatique, un des types d'actionneurs.
• 
  Clé à choc, outil pneumatique qui permet le serrage des boulons.

De nombreux travaux, machines ou lignes de production nécessitent une automatisation des tâches réalisées par l'être humain pour améliorer la productivité, la force ou la rapidité d’exécution. Des dispositifs mécaniques, pneumatiques, hydrauliques ou électriques sont alors employés, chacune de ces formes d'énergies présente des avantages et des inconvénients selon le type d'application. L'air comprimé est largement employé pour ces automatismes, seul ou en combinaison avec d'autres vecteurs énergétiques.

La variété de mouvements et d'actions possibles des actionneurs pneumatiques, la facilité de mise en œuvre, la simplicité et la robustesse des organes de commande, la rapidité d’exécution des ordres rendent l'air comprimé intéressant pour ce type d'actions. D’un simple piston éjecteur sur un tapis roulant à une chaîne de montage complète, en passant par les machines-outils les plus diverses : capables de saisir, déplacer, centrer une pièce à usiner, forer; ou encore des trieuses optiques qui détectent des petits pois non conformes et les éjectent par un jet d'air comprimé mis en œuvre par une électrovanne.

Ces systèmes pneumatiques intègrent des cellules pneumatiques, des distributeurs, des électrovannes; qui distribuent le fluide comprimé vers les actionneurs. La chaîne de commande est constituée de capteurs divers, pressostats, débitmètres, interrupteurs, etc. L'automatisme peut être entièrement pneumatique, électromécanique, ou bien un automate programmable. Le fonctionnement de l'ensemble est schématisé selon une logique pneumatique.

Les armes dites à « air comprimé » regroupent toutes les armes à canon court (pistolet) ou long (carabines) utilisant la détente d'un gaz afin de propulser un projectile, les armes à ressort actionnant un piston qui comprime l’air pour expulser un projectile, ainsi que les lanceurs de billes de peinture utilisés pour le paintball.

En plongée sous-marine, l'air comprimé est utilisé pour la respiration sub-aquatique, à l'aide de bouteilles contenant généralement entre 12 et 18 litres d'air comprimé entre 150 et 450 bar.

La détente de l'air comprimé est utilisée très tôt comme énergie de propulsion pour divers véhicules à air comprimé. Le moteur du véhicule n'émet en effet aucun gaz polluant et est silencieux.

On peut citer les locomotives utilisées dans les charbonnages, les mines et les tunnels (percement du tunnel ferroviaire du Saint-Gothard), les tramways comme ceux du système Mékarski mis en service à Nantes en 1879^[30] et utilisés jusqu'en 1917 et les locomotives de l'Arpajonnais sur la partie parisienne du trajet.

Un sous-marin propulsé par de l'air comprimé a été développé vers 1860 à Rochefort par l'ingénieur Charles Brun : le Plongeur^[31]. L'air comprimé est aussi actuellement utilisé pour vider les ballasts des sous-marins.
Au XIX^e siècle, les premières torpilles étaient propulsées par de l’air comprimé.

Aéronautique : L’ingénieur et pionnier de l’aéronautique Victor Tatin construisit en 1879 un modèle réduit opérationnel d’avion mu par un moteur à air comprimé^[32].

De nouvelles recherches dans le domaine des véhicules non polluants sont aussi apparus récemment^[33].

• 
  Sous-marin Le plongeur (1863). Longueur 42,5 m, poids 381 T.
• 
  Avion à air comprimé de Victor Tatin en 1879. Envergure 1,9 mètre, Musée de l'Air et de l'Espace
• 
  Torpille à propulsion par air comprimé britannique (1916)
• 
  Locomotive à air comprimé, en service de 1928 à 1961 au Dakota du Sud (EU)
• 
  Véhicule pneumatique (2018) prototype de l'université Estonienne de sciences

des réseaux de poste pneumatique ont existé au xx^e siècle dans quelques villes européennes et américaines (à Paris jusqu'en 1984), pour propulser dans des tubes, à l'aide d'air comprimé, des boîtes cylindriques pour transporter du courrier ou de petits objets^[34]. Cette technique est toujours employée dans l’industrie, certaines banques et aux caisses des grands magasins. Le fluide moteur est de l'air comprimé (moins de un bar de pression) à grand débit. Il est produit par des compresseurs à basse pression parfois appelés des surpresseurs^[35] ;

Le stockage d’énergie^[36] par air comprimé (CAES) est un moyen de stocker l’énergie électrique excédentaire produite en heures creuses (par des éoliennes ou des panneaux solaires) pour la restituer aux moments opportuns. La production de cet air à partir de l'énergie des vagues pour son stockage est une variante^[37]

L’air comprimé produit peut être stocké dans des réservoirs ou dans des cavernes souterraines^[38]. Une installation de stockage d'énergie à air comprimé en caverne (0,3 GWh) a été mise en service en Chine an 2022^[39]. Une autre, plus importante (4 GWh) est en cours d'installation en Californie^[40].

La technique des accumulateurs oléo-pneumatiques peut aussi être utilisée en alternative aux batteries des alimentations sans interruption et permettre de pallier les pannes de secteur pour l'alimentation électrique de réseaux critiques (hôpitaux, serveurs informatique…)^[41].

Différents procédés utilisent l'air comprimé comme source d’énergie :

• Certains canons à neige utilisent de l'air comprimé pour projeter l'eau pulvérisée^[42] ; le refroidissement lié à la détente de l'air participe à la formation des cristaux de neige ;
• la réfrigération et la production d'air froid par des tubes vortex utilisant de l'air comprimé comme source d'énergie ;
• certains disjoncteurs à haute tension à courant continu utilisent un jet d'air comprimé pour souffler l'arc électrique qui se forme lors de l'ouverture du contact électrique ;
• certains pistolets à peinture et les aérographes utilisent l'air comprimé pour pulvériser la peinture liquide et la projeter sur l'objet à peindre.

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