Une station-service pour les voitures à air comprimé

Afin de proposer une alternative aux voitures électriques, les chercheurs de l’EPFL se penchent sérieusement sur les voitures à air-comprimé. Un prototype de station-service rapide a récemment vu le jour dans le laboratoire d’électronique industrielle (LEI) du professeur Rufer.

Un pas de plus vient d’être franchi dans l’optimisation des véhicules à air comprimé. Les scientifiques du Laboratoire d’Electronique Industrielle (LEI) du professeur Alfred Rufer à l’EPFL ont développé une station de recharge rapide pour les voitures de l’entreprise française MDI, qui circulent déjà dans certains aéroports. Résultat : il est à présent possible de faire le plein d’air comprimé en moins de 3 minutes, soit de manière aussi rapide que pour un plein d’essence, pour une autonomie d’environ 70km. « La mobilité individuelle occupe une place prépondérante dans le débat énergétique », rappelle Alfred Rufer, directeur du LEI. « Nous devons étudier toutes les options possibles pour faire face au problème des émissions nocives et à la pénurie des ressources disponibles sur la planète, à laquelle nous serons bientôt confrontés. »

Plus avantageuse que la voiture électrique ?
De plus en plus perfectionnée, la voiture à air comprimé pourrait, dans ce contexte, se faire une place de choix en matière de mobilité douce. Elle comporte en effet de sérieux avantages par rapport aux voitures électriques, qui posent des problèmes aussi bien techniques qu’environnementaux : les accumulateurs électrochimiques ont une durée de vie restreinte, les ressources mondiales de lithium sont loin d’être éternelles et le temps de recharge est colossal par rapport aux voitures à essence. Il équivaut pratiquement au temps de conduite du véhicule (cf. schéma) et il n’est techniquement pas possible de le réduire. Sans compter que les batteries d’un véhicule électrique se déchargent sur le long terme, même sans activité. Dans la voiture à air comprimé, en revanche, il n’y a pas d’éléments qu’il faut remplacer régulièrement. Par ailleurs, la pression contenue dans le réservoir de ces véhicules ne diminue pas lors d’un stationnement prolongé. Grâce aux dernières recherches des scientifiques de l’EPFL, le temps de recharge s’est également réduit de manière drastique, passant de quelques heures (selon la nature du compresseur utilisé) à moins de 3 minutes.

Moins de chaleur, plus d’autonomie
Ce nouveau processus de recharge rapide a d’ailleurs donné du fil à retordre aux chercheurs de l’EPFL, de par sa complexité. Il se déroule en deux étapes (voir schéma ci-dessous) : l’air est tout d’abord comprimé dans une station de compression performante et transféré dans une station de stockage intermédiaire. Cette première opération, qui permet de renflouer constamment la station intermédiaire, s’effectue de manière lente, dans des conditions pratiquement isothermales. Cela signifie que la chaleur engendrée par la compression de l’air est évacuée continuellement à l’aide d’un échangeur de chaleur intégré. La deuxième étape consiste à transférer l’air comprimé de la station de stockage intermédiaire au réservoir de la voiture, mais cette fois de manière très rapide, par un procédé de limitation du débit qui ne dissipe que très peu d’énergie.

Seul problème : à cause de cette compression rapide, l’air se réchauffe dans le réservoir du véhicule et la densité est réduite. Par la suite, lorsque le véhicule quitte la station, l’air se refroidit progressivement, provoquant une  réduction de la pression dans le réservoir et en conséquence, une dégradation de l’autonomie du véhicule.

Astuce pour la compréhension :  Lorsque la température d’un gaz augmente, ce dernier prend du volume et perd en densité. Le chargement rapide en air comprimé pose donc problème. Lors du chargement, le réchauffement de l’air dû à la compression ne permet pas d’obtenir la densité d’air requise dans le réservoir. Plus tard, lorsque l’air se refroidit et perd en volume, on remarque que le réservoir n’est en fait pas rempli à 100%.

Afin que le plein se fasse de manière optimale, l’équipe d’Alfred Rufer a élaboré un système de recirculation de l’air pour refroidir le réservoir instantanément. L’air réchauffé par la pression est ramené du réservoir à la station intermédiaire et remplacé par de l’air plus froid, le tout dans des conditions de pression égale. Le remplissage s’effectue donc en deux étapes, permettant d’augmenter la densité de l’air dans le réservoir et de stabiliser la température. « Grâce à cette méthode, le rendement du transfert approche théoriquement les 95% », note le professeur.

La décroissance sur le long terme ?
En raison de leur autonomie restreinte, les voitures à air comprimé ne peuvent toutefois pas rivaliser avec les véhicules à essence pour l’instant. Elles conviendraient cependant parfaitement pour effectuer de courts trajets en ville, pour livrer le courrier, par exemple, ou pour circuler dans les aéroports. Dans tous les cas, Alfred Rufer estime pour sa part que les êtres humains doivent réduire leur consommation énergétique et rediscuter les paramètres de fonds. « Il arrive que les personnes habituées au confort des véhicules à combustion interne nient l’utilité de solutions moins performantes et moins voraces en énergie, comme la voiture à air comprimé, note-t-il. Elles seront toutefois obligées de réfléchir autrement lorsqu’il n’y aura plus de ressources disponibles. » Et le professeur de conclure : «  Nulle besoin pour l’être humain d’aller activement vers la décroissance. Si les réserves d’énergie et de matières premières s’épuisent, nous allons la subir tôt ou tard. »  "Car of the Future", from Ideaslab, the World Economic Forum at Davos