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Edito : Avec l’hydrogène comme carburant, le moteur à combustion interne a encore de beaux jours devant lui…

Vendredi, 14/10/2022 - 00:00 2 commentaires
Avec l’hydrogène comme carburant, le moteur à combustion interne a encore de beaux jours devant lui… zoom

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Bien Cordialement

René Trégouët

Sénateur Honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

Rédacteur en Chef de RT Flash

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EDITORIAL :

Avec l’hydrogène comme carburant, le moteur à combustion interne a encore de beaux jours devant lui…

On le sait, le 8 juin dernier, le Parlement européen a pris une décision historique en votant à une large majorité en faveur de la fin de la vente de voitures à moteur thermique en Europe dès le 1er janvier 2035. Cette l'interdiction concerne non seulement les moteurs essence et diesel, elle concerne aussi les moteurs hybrides, ainsi que tous les biocarburants. Cette mesure radicale s’inscrit dans le cadre du nouvel objectif climatique pris le 21 avril dernier par les 27 états-membres de l’UE : réduire d’au moins 55 % les émissions de gaz à effet de serre au sein de l’Union européenne d'ici 2030, par rapport au niveau de 1990.

Les vingt-sept Etats membres de l’Union européenne (UE) ont approuvé le 29 juin dernier le projet de la Commission de réduire à zéro les émissions de CO2 des voitures neuves en Europe à partir de 2035. Cette proposition signifiera l’arrêt des ventes de véhicules fonctionnant à l’essence et au diesel dans l’UE à partir de 2035.

De manière cohérente, le Parlement européen a adopté le 14 septembre dernier, dans le cadre de la révision de la directive relative aux énergies renouvelables (RED), un nouvel objectif visant, d’une part, à porter à 45 % la part des énergies renouvelables dans la consommation globale d’énergie de l’UE d’ici à 2030 et, d’autre part, de réduire de 42,5% la consommation d’énergie primaire par rapport aux projections de 2007, ce qui correspond à une diminution considérable de 960 millions de tonnes équivalent pétrole par an, de la consommation d’énergie de l’UE, soit sept fois la consommation annuelle d’énergie de la France (136 Mteps en 2020)….

Mais contrairement à ce que beaucoup de médias ont affirmé, la nouvelle directive adoptée par le Parlement européen ne prévoit pas, « la fin des moteurs thermiques en Europe ». En effet, un amendement, adopté par les députés européens, prévoit que « Les véhicules à émission nulle qui seront seuls autorisés à être vendus dans l’UE en 2035 comprennent les véhicules électriques à batterie, les véhicules à pile combustible et les véhicules fonctionnant à l’hydrogène ». Ce point, passé largement inaperçu, est capital, car il signifie que le moteur thermique, ou moteur à combustion interne, pour être plus précis, restera autorisé en Europe après 2035, à condition toutefois, qu’il n’émette plus de CO2, gaz qui est à l’origine, pour les deux tiers, de l’effet de serre et du réchauffement climatique en cours.

Prenant acte de ce nouveau cadre réglementaire et industriel, les constructeurs automobiles, mais aussi les géants des transports routiers, ferroviaires et aériens, ont décidé, sans renoncer pour autant à améliorer les performances des piles à hydrogène, de travailler sur un concept prometteur : adapter à l’hydrogène les moteurs thermiques actuels, très sophistiqués et bénéficiant d’un siècle et demi de progrès techniques. Notons que l’idée de départ est ancienne car il y a plus de quarante ans, un professeur de mécanique visionnaire, Luc Perrier, avait converti le moteur de sa Simca 1000 essence, de manière à ce qu’il puisse tourner à l’hydrogène vert, ce dernier étant produit à partir de panneaux solaires et d’un électrolyseur installés dans le jardin chez cet inventeur en avance sur son temps.

Sur le plan technique, un moteur thermique classique est tout à fait transformable, de manière à pouvoir utiliser comme carburant de l’hydrogène. La principale modification concerne le système d’injection, qui doit être plus raffiné pour pouvoir gérer de l’hydrogène à l’état gazeux. Mais comme le souligne Christian Nellen, responsable du département Moteurs à combustion à la Haute école d’ingénierie et d’architecture de Fribourg, en Suisse, « La transformation d’un moteur thermique classique à essence ou diesel, en un moteur à hydrogène ne suppose aucune innovation de rupture et est bien maîtrisé sur le plan industriel ».

Il y a plus de quinze ans, BMW avait produit à une centaine d’exemplaires sa berline Hydrogen 7, équipée d’un moteur de 6 litres et 12 cylindres, qui pouvait rouler aussi bien à l’essence qu’à l’hydrogène. Mais, à l’époque, la technologie n’était pas mûre et le moteur de cette berline développait un couple beaucoup trop faible en mode hydrogène, pour une raison simple : la combustion de l’hydrogène exige deux fois et demi plus d’oxygène, à masse égale, que celle de l’essence, et les moteurs atmosphériques utilisés à l’époque étaient incapables de fournir suffisamment d’oxygène pour entretenir une combustion suffisante.

Mais deux innovations techniques décisives sont venues lever cet obstacle. En premier lieu, l’arrivée des turbocompresseurs, qui permettent de pomper de grandes quantités d’air. En second lieu, l’injection directe du carburant, qui permet à la fois d’obtenir des mélanges air/hydrogène parfaitement maîtrisés et d’atteindre des concentrations d’oxyde d’azote à l’échappement cent fois moins importantes que celles d’un moteur diesel.

Actuellement, l’IFP Énergies nouvelles (Ifpen) teste un moteur à hydrogène conçu par Volvo et destiné aux poids lourds. Il faut en effet savoir que, si les batteries au lithium sont plus performantes et moins coûteuses pour les véhicules électriques légers, il n’en va pas de même pour le secteur de la mobilité « lourde » (poids-lourds, bateaux, avions, trains), qui représente plus du tiers des émissions totales de CO2 du secteur des transports. Comme l’a montré une étude instructive de l’Ifpen sortie en juin dernier (Voir IFP), le moteur à hydrogène surclasse à la fois la pile à combustible et le moteur diesel, en termes de coût, sur l’ensemble du cycle de vie, pour les poids lourds et les bus. L’étude souligne que, contrairement aux piles à combustible, complexes, fragiles (et dont le coût reste grevé par le platine), les moteurs à hydrogène ont l’avantage d’être plus robustes et d’avoir une durée de vie plus longue. Ils sont par ailleurs bien moins sensibles à la qualité de l’hydrogène et à l’environnement extérieur que les PAC.

Ce potentiel, longtemps sous-estimé du moteur thermique à hydrogène, est confirmé par deux géants industriels, le motoriste américain Cummins et le Japonais Kawasaki Heavy Industries, qui sont tous deux persuadés que le moteur à hydrogène, qui offre une charge utile, une autonomie, et des performances au moins égales avec les véhicules essence ou diesel, va s’imposer dans l’ensemble de la mobilité lourde. Les récents tests effectués par Kawasaki Heavy Industries confirment d’ailleurs que les moteurs à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène sont supérieurs aux piles à combustible en termes de fiabilité, durabilité, et performances. Fin 2021, les principaux acteurs des secteurs de l’automobile et de la moto Yamaha, dont Mazda, Toyota, Subaru et Kawasaki, ont également annoncé une coopération renforcée dans ce domaine stratégique des moteurs à combustion interne utilisant de l’hydrogène.

En France, L’Ifpen coopère avec Renault Trucks pour développer d’ici 2023 un poids lourd à motorisation hydrogène. Le constructeur américain Ford poursuit également ses recherches sur le moteur à combustion interne alimenté par de l'hydrogène. Ford a orienté ses recherches sur le fonctionnement en mélange pauvre (composé d’une grande quantité d’air et d’une petite quantité d’hydrogène), une solution technologique qui permet de réduire la consommation, mais nécessite une injection et une gestion électronique très sophistiquée (Voir Muscle Cars & Trucks). Si l’on en croit les revues spécialisées, Ford serait parvenu à maîtriser une combustion qui mélange un volume d'hydrogène avec 68 volumes d'air ! Cette prouesse aurait été obtenue en réduisant la température de combustion à l’aide d’une admission en 2 étapes, la première au cours de laquelle la soupape d'admission se lève et se referme une première fois et la seconde qui reproduit une ouverture et une fermeture dans le même cycle, avant que ne s’ouvre la soupape d'échappement…

En France, l'entreprise alésienne New Times développe une solution technologique de rétrofit, qui vise à transformer un moteur thermique deux temps en moteur 100 % hydrogène zéro émission. « Il faut arrêter de vouloir mettre à la ‘poubelle' tous les véhicules à moteur thermique. Il y a plus d'un milliard de véhicules thermiques sur terre. Imaginez s'il fallait tous les jeter et en reconstruire de nouveaux ! », constate Didier Lopez, qui ajoute, « L'idée n'est pas d'être en concurrence avec les voitures électriques ou celles à pile à combustible. Notre technologie permet de ne modifier qu'une partie du moteur des véhicules, sans pour autant devoir en changer totalement ».

Outre-Atlantique, la firme Westport Fuel Systems, basée à Vancouver a mis au point un nouveau système de carburant capable de bruler de l'hydrogène dans les moteurs de poids lourds à combustion interne. Ce dispositif s’adapte sur le système HDI et permet ainsi de convertir à l’hydrogène les moteurs thermiques existants. Ce système, baptisé H2 HPDI, offre une puissance, un couple et un rendement, qui dépassent largement ceux du moteur diesel de base car la combustion conserve le taux de compression élevé du moteur diesel classique, l’hydrogène étant injecté à la fin de la course de compression, en tout début de combustion. Un véhicule de démonstration opérationnel vient d’être présenté lors de l'ACT Expo 2022 à Long Beach, (Californie).

En février dernier, le fabricant de moteurs d’avion Pratt & Whitney, basé à Longueuil, près de Montréal, a été sélectionné par le Département américain de l’énergie (DoE) pour concevoir une nouvelle technologie de propulsion à hydrogène, destinée à l’aviation commerciale. Baptisé HySIITE (Hydrogen Steam Injected, Inter‐Cooled Turbine Engine), ce projet vise à utiliser de d’hydrogène liquide pour propulser des appareils à zéro émission. Il devrait également permettre de réduire de 80 % les émissions d’oxyde d’azote et de diminuer d’un tiers la consommation de carburant des appareils de nouvelle génération.

Un an après l’annonce du lancement d’un avion à hydrogène pour 2035 dans le cadre du programme ZEROe, Airbus a également annoncé, en février dernier, une nouvelle étape cruciale vers l’avion à hydrogène, dans le cadre d’un partenariat avec General Electric. L’ambition affichée est de faire voler un premier prototype à hydrogène en 2026. Celui-ci sera réalisé à partir d’un A380 modifié et devra surmonter de nombreux défis technologiques, à commencer par le stockage en toute sécurité d'hydrogène liquide, une forme d’énergie quatre fois plus volumineuse que le kérosène, qui nécessite des systèmes de stockage et de distribution cryogéniques capables de maintenir à une température de -253°C. Ce prototype, qui utilisera les quatre moteurs thermiques de l'A380, sera équipé de quatre réservoirs, situés à l’arrière de l’appareil, pouvant contenir 500 kg d’hydrogène. Ce démonstrateur doit permettre aux différents acteurs industriels impliqués dans ce projet de valider, d’ici 2028, les choix cruciaux concernant la conception et les matériaux de ce futur avion à hydrogène qui doit être mis en service en 2035.

Soulignons enfin que Lingen, dans le nord de l'Allemagne, abritera dès 2024 une centrale électrique pilote fonctionnant à l'hydrogène 100 % vert, et offrant une solution décarbonée pour la production d'électricité. Ce projet, mené conjointement par la société japonaise Kawasaki Heavy Industries (KHI) et le géant allemand de l'énergie RWE, repose sur une rupture technologique majeure développée par KHI (Voir Nature). Celle-ci permet, en modifiant leur chambre de combustion, et en dosant très finement le mélange d’admission, de transformer les turbines à gaz existantes en turbines à hydrogène capables de produire avec un rendement record de l'électricité décarbonée. RWE envisage, grâce à cette technologie, de produire directement, à l’horizon 2040, 50 GW d'électricité propre dans le monde, à partir de turbines à gaz modifiées pour fonctionner à l'hydrogène. Cette avancée technique pourrait accélérer sensiblement le passage à une production mondiale d'électricité totalement décarbonée...

C’est dans ce contexte que le Gouvernement vient de dévoiler, le 27 septembre dernier, une liste des dix premières usines pour lancer une filière compétitive d’hydrogène vert en France, avec plus de 5 milliards d’euros d’investissements. Parallèlement, la France, faisant valoir que notre mix électrique est le plus décarboné d’Europe, a demandé, de manière cohérente, à la Commission européenne d’intégrer le nucléaire dans les sources d’énergie pour la production de l’hydrogène vert, c’est-à-dire issu de sources décarbonées. Au même moment, l’ensemble des pays développés, menés par le Japon, sont convenus d'augmenter la production d'hydrogène à faibles émissions de CO2 à au moins 90 millions de tonnes par an d'ici 2030, contre 1 million de tonnes aujourd’hui.

Il faut bien comprendre que, pour réussir une transition énergétique mondiale intégrant massivement le vecteur hydrogène, la production mondiale d’hydrogène va devoir passer de 75 millions de tonnes par an à 150 millions de tonnes en 2030 (composé à 62 % d'hydrogène vert et à 38 % d'hydrogène bleu issu de gaz naturel) et à 520 millions de tonnes par an d’hydrogène vert en 2050, ce qui suppose de multiplier par vingt la capacité éolienne et solaire installée à cet horizon. Heureusement, l’arrivée prochaine d’une nouvelle génération d’éoliennes géantes flottantes et de cellules de panneaux solaires organiques souples à haut rendement, intégrant « à la source » la production et le stockage d’hydrogène, conjuguée au couplage des centrales nucléaires EPR de nouvelle génération avec des électrolyseurs à haute température et haut rendement (Voir Rapport du Sénat), devrait nous permettre, selon le Cabinet allemand Aurora Energy Research, de faire passer le prix du litre d'hydrogène de 10 euros à 1,5 euro en 2030, puis de produire suffisamment d’hydrogène vert en 2050 pour faire face à l’augmentation considérable de la demande, à la fois dans le domaine des transports, de la production d’énergie (électricité et chaleur) et du stockage de l’énergie.

Mais pour réussir cette transition énergétique mondiale d’une rapidité et d’une ampleur sans précédent, nous aurons besoin d’explorer, d’exploiter et de combiner de manière intelligente toutes les solutions technologiques viables. Dans cette perspective, il est capital que notre pays et l’Europe accroissent leurs efforts de recherche et de développement pour maîtriser la production de moteurs thermiques à hydrogène performants, sobres et compétitifs, pouvant être utilisés à la fois dans le secteur des transports et dans la production directe d’énergie décarbonée à usage industriel ou domestique.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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  • Manannán

    14/10/2022

    L’hydrogène est un gaz à effet de serre deux fois plus puissant qu’on ne le pensait.
    Une étude publiée par le département britannique de l’Economie, de l’Énergie et de la Stratégie industrielle (BEIS) a révélé que l’hydrogène est un gaz à effet de serre deux fois plus puissant qu’on ne le pensait auparavant.

    Le rapport explique que la molécule d’hydrogène exerce une action indirecte sur le climat.
    Elle réagit avec d’autres gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère en augmentant leur potentiel de réchauffement global (PRG).
    Le résultat de cette étude confirme ainsi l’alerte lancée précédemment par d’autres scientifiques.

    Effet néfaste indirect sur le réchauffement climatique

    Alors que l’effet néfaste induit par l’hydrogène sur le méthane et l’ozone dans la troposphère – la couche la plus basse de l’atmosphère – était déjà connu, « nous avons maintenant considéré aussi, pour la première fois dans nos calculs du PRG de l’hydrogène, l’influence ignorée jusqu’ici de ce gaz sur la vapeur d’eau et l’ozone présents dans la stratosphère » expliquent les auteurs du rapport, des scientifiques du National Center for Atmospheric Sciences et des universités de Cambridge et de Reading.
    « Nous estimons maintenant que le PRG de l’hydrogène pour une période de 100 ans est en moyenne de 11, c’est-à-dire qu’il est 11 fois plus néfaste pour le climat que le dioxyde de carbone (CO2) », précisent-ils.
    Une précédente étude publiée en 2001 et fréquemment citée depuis, évaluait le PRG de l’hydrogène à 5,8.

    « Toute fuite d’hydrogène entraînera indirectement une augmentation du réchauffement climatique, et atténuera les réductions d’émissions de gaz à effet de serre qui pourraient résulter du remplacement de combustibles fossiles par de l’hydrogène »,
    soulignent les chercheurs.

    Minimiser les fuites doit être une priorité

    Or la molécule d’hydrogène est beaucoup plus petite que celle du méthane ; elle pourrait donc s’échapper très facilement des installations de transport de gaz fossile, telles que les pipelines et les conduites, si celles-ci étaient utilisées pour transporter de l’hydrogène, en particulier autour des joints, dans les raccords, les stations de compression, etc.
    « La minimisation des fuites doit être une priorité si l’hydrogène est adopté comme source d’énergie importante », conclut le rapport.

    Une autre étude s’est penché sur le volume des fuites

    Une deuxième étude publiée le même jour par le BEIS, s’est justement penchée sur le volume des fuites lors de la production, du transport, du stockage et des utilisations finales de l’hydrogène.
    Le rapport, Fugitive Hydrogen Emissions in a Future Hydrogen Economy, indique que lors de la fabrication d’hydrogène par électrolyse 9,2% de la production s’échappe par «ventilation et purge», mais que cette perte pourrait se réduire à 0,52 % par une « recombinaison complète de l’hydrogène provenant de la purge et de la ventilation croisée ».

    L’étude indique que le transport par camion-citerne d’hydrogène liquide est la plus mauvaise solution puisque 13,2 % du volume transporté s’échappe dans l’air pendant l’opération.
    Le stockage d’hydrogène comprimé dans des réservoirs en surface est responsable de pertes à hauteur de 6,52 %, dans les piles à combustible c’est 2,64 % et les stations de distribution 0,89 %. Pendant les autres opérations de production, transport et stockage, les fuites inférieures à 0,53%.

    Un autre risque

    L’autre risque lié aux fuites d’hydrogène est dû à la grande inflammabilité de ce gaz, comme l’ont démontré des accidents survenus dans des stations de distribution d’hydrogène.

    Mais « l’hydrogène est plus cher que le gaz naturel » explique Gniewomir Flis, un expert du groupe de réflexion allemand Agora Energiewende.
    Pour ces raisons, il estime, de son côté, que les industriels seront incités à prévenir les fuites dans les infrastructures.

    (publié par Cyrus Farhangi)
    https://www.revolution-energetique.com/lhydrogene-est-un-gaz-a-effet-de-...
    Article relayé parJean-Marc Jancovici.
    https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=535874017896152&id=100044206...

  • Muneer ahmed

    26/12/2023

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