Le principe du moteur à quatre temps a été breveté par l’ingénieur français Alphonse Eugène Beau de Rochas en janvier 1862. Le brevet étant tombé dans le domaine public dès 1863, la première mise en œuvre effective de ce principe sera réalisée par le génial inventeur autodidacte franco-belge Étienne Lenoir en 1863. Lenoir a déjà conçu et breveté en janvier1860 un moteur à deux temps et il se lancera, sans grand succès (étant un ingénieur inspiré mais un piètre homme d’affaires), dans la fabrication des moteurs utilisant la technique de Beau de Rochas. Etienne Lenoir, bien avant les ingénieurs allemands, avait réalisé dès 1860 une voiture pouvant transporter plusieurs personnes. Le conducteur, placé à l’avant, disposait d’un frein à main sur le côté et était assis sur un siège muni d'une bâche contenant l’eau pour assurer le refroidissement du moteur. Celui-ci fonctionnait à l'époque au gaz de pétrole ; il se situait en-dessous et à l’arrière de la voiture et était doté d’un carburateur inventé également par Lenoir.
Cette voiture permit à Lenoir d’effectuer en septembre 1863 le premier voyage historique et épique en automobile, en ralliant Paris à Joinville-le-Pont (trajet de 18 kilomètres) en trois heures aller-retour, à la vitesse d’un marcheur moyen… Même si le moteur utilisé par Lenoir était trop lourd et d’une puissance insuffisante (1,5 cheval), ce voyage mémorable n’en marque pas moins symboliquement la véritable naissance du concept d’automobile. Outre-Rhin, c’est l’ingénieur allemand Nicolas Otto qui, en 1876, fit breveter le premier moteur à explosion à 4-temps fonctionnant au gaz. Un peu plus tard, Édouard Delamare-Deboutteville déposa, en 1884, un brevet pour un "moteur à gaz perfectionné" dont il équipa un véhicule en bois qui peut être considéré comme la première automobile fonctionnelle propulsée par un moteur à quatre temps.
Depuis cette époque héroïque des pionniers de l’automobile, le nombre de voitures n’a fait que croître dans le monde : de 2.500 000 voitures en 1914, le parc mondial est passé à 50 millions de voitures (2,3 millions en France, 27 millions aux USA) à la veille de la seconde guerre mondiale, pour atteindre environ 1,4 milliard de véhicules en 2020, dont 260 millions en Europe. La France compte pour sa part plus de 39 millions de véhicules en circulation, dont six millions d’utilitaires et 600 000 camions. Selon un rapport publié en février 2023 par l’Agence internationale de l’énergie, les SUV, qui représentent à présent pratiquement la moitié des ventes de véhicules neufs dans le monde, ont rejeté dans l’air un milliard de tonnes de CO2 en 2022, soit autant que tout le transport maritime mondial… En France, les émissions de CO2 liées aux transports terrestres ont peu baissé depuis dix ans et comptent pour un tiers des émissions totales, avec 130 millions de tonnes par an.
Un récent rapport de la cour des Comptes Européenne nous apprend que les voitures thermiques, qui représentent encore près des trois quarts des nouvelles immatriculations, n’ont pas réduit sensiblement leurs émissions réelles de CO2 : au cours de la dernière décennie, elles sont restées stables pour les véhicules au diesel, et n’ont diminué que de 4,6 % pour les véhicules à essence. Selon ce rapport, les progrès réalisés en matière d’efficacité des moteurs ont malheureusement été pratiquement annulés par l’augmentation constante du poids des véhicules et de la puissance des moteurs, celles-ci ayant augmenté respectivement de +10 % et de +25 %. Face à cette situation, la Commission européenne et le Parlement européen ont pris des mesures drastiques, avec notamment la décision politique forte en février 2023, d’interdire, dès 2035, la vente de véhicules à moteurs utilisant des carburants fossiles. Parallèlement, l’Union européenne a également décidé une réduction de 90 % des émissions de cars et de 30 % des émissions de poids-lourds dès 2030. Ces nouveaux objectifs très ambitieux s’inscrivent dans le cadre de la nouvelle feuille de route décidée en février dernier par la Commission et visant à réduire, en Europe, de 55 % les émissions de CO2 d’ici 2030 et de 90 % d’ici 2040.
En septembre dernier, un rapport publié par le Rocky Mountain Institute (RMI), un centre de recherche et d’études américain sur l’énergie, intitulé « The end of the ICE age », prévoit une diminution de 25 %, d’ici 2030, du marché mondial des voitures à carburants fossiles (voir RMI). RMI affirme que la baisse des prix des batteries permettrait d’atteindre la parité du nombre de véhicules électriques avec les modèles à essence en Europe et aux États-Unis dans ces 3 prochaines années, à condition que le retournement actuel de ventes des voitures électriques ne prenne pas plus d’ampleur. Selon cet organisme, le coût des batteries devrait diminuer de moitié au cours de cette décennie, passant de 150 dollars par kilowattheure (kWh) en 2022 à 70 dollars par kWh en 2032.
L’analyse de RMI estime que la croissance rapide des modèles électriques en Europe et en Chine « implique que les ventes de véhicules électriques soient multipliées par au moins six d’ici 2030, pour atteindre une part de marché de 62 % en 2030 ». Quant au parc mondial de véhicules électriques, il devrait passer, selon l’AIE, d’environ 20 millions d’unités en 2023 à 600 millions d’unités en 2040 et représenterait donc plus du tiers du parc automobile mondial à cet horizon. En France, EDF table sur 14 millions de voitures électriques en 2040, soit un tiers du parc à cette échéance. Reste que, selon le cabinet PwC, les véhicules essence, diesel et hybrides non rechargeables, représenteront encore près des deux tiers des véhicules légers du parc automobile français, ce qui est cohérent avec les prévisions d’EDF.
Dans ce nouveau contexte de décarbonation accélérée des transports, en Europe et en France, il devient difficile d’imaginer que la montée en puissance, certes réelle, des voitures électriques, permette à elle seule de réduire de 90 % les émissions de CO2 des transports terrestres car, outre les questions de coûts d’utilisation, il est de moins en moins certain que l’on puisse se passer rapidement et complètement des moteur thermiques, qui ont fait, depuis plus d’un siècle et demi, la preuve de leur efficacité, de leur souplesse et de leur robustesse. Cela est particulièrement vrai dans le secteur de la mobilité lourde, trains, bateaux, camions, cars et utilitaires (qui représente le quart des émissions de CO2 en Europe) où il est peu probable que le tout électrique ou les piles à combustible, qui restent chères, complexes et fragiles, puissent rivaliser à court terme avec les nouvelles générations de moteurs très performants actuellement en développement, utilisant de nouveaux carburants peu ou pas émetteurs de CO2.
En juillet dernier, le constructeur chinois GAC, qui est détenu à moitié par Toyota, a présenté un nouveau moteur prometteur, alimenté à l’ammoniac. Comparé à un moteur à essence de même cylindrée, ce moteur permet une réduction de 90 % des émissions de CO2, tout en développant une puissance de 161 chevaux, grâce à quatre cylindres de 2 litres. Ce moteur constitue une véritable prouesse technique car l’ammoniac liquide est bien plus difficile à enflammer que les carburants conventionnels et nécessite une plus grande pression pour la combustion. En dépit d'une densité énergétique inférieure de moitié de celle de l’essence, l’avantage de l'ammoniac réside dans l’absence d’émissions de carbone lors de la combustion. Précisons que l'ammoniac peut être produit de manière propre, à partir de sources d’énergie renouvelable.
De son côté, WinGD, spécialiste suisse des gros moteurs, a annoncé en juillet dernier qu’il mettrait sur le marché un moteur lent et puissant à l’ammoniac carburant au premier trimestre 2025, ouvrant la voie à la mise en service d’un premier navire utilisant ce nouveau moteur X-DFA en 2026. La Compagnie maritime belge Saverys a déjà pris une option pour équiper dix de ses prochains gros vraquiers de 210 000 tonnes avec ces nouveaux moteurs à ammoniac.
La société américaine Amogy vise pour sa part à décarboniser les transports en proposant des solutions énergétiques à haute densité et sans émissions. Elle a effectué avec succès au cours de ces derniers mois un essai sur un tracteur John Deere avec de l'ammoniac au Advanced Energy Center de l'université Stony Brook de New York. Cette entreprise a développé un système de motorisation à l’ammoniac à haute efficacité (highly-efficient ammonia-to-power technology), destiné à la mobilité lourde. Il se compose d'un réservoir de stockage de liquide et de plusieurs modules qui permettent de décomposer l'ammoniac en molécules plus simples, utilisables dans une pile à combustible hybride. Ce système, qui nécessite une adaptation du moteur du tracteur, peut produire suffisamment de puissance pour faire fonctionner le véhicule pendant plusieurs heures avec une seule charge. En 2023, cette société a présenté un nouveau moteur à ammoniac trois fois plus puissant que celui destiné aux tracteurs. Après un ravitaillement en carburant de huit minutes, ce semi-remorque, qui a stocké 900 kWh d’énergie électrique, a été testé pendant plusieurs heures sur le campus de l’Université de Stony Brook (Voir AMOGY).
En France, la société bretonne EHM basée à Châteaulin, dans le Finistère, développe depuis plusieurs années une nouvelle technologie de moteur à hydrogène spécialement destinée à la mobilité lourde. Contrairement à la technologie des piles à combustible à hydrogène, qui consiste à transformer le combustible en électricité pour alimenter un moteur électrique, l’approche adoptée par cette société française est différente et vise à injecter directement l’hydrogène dans la chambre de combustion. EMH vient de présenter son moteur à cinq temps, qui permet de résoudre le problème de l’autoallumage inhérent aux moteurs à combustion à hydrogène classiques. Outre sa remarquable fiabilité, le rendement de ce moteur atteint les 50 %, contre seulement 37 % en moyenne pour les moteurs à hydrogène actuels. EHM prévoit de mettre en production une première version de son moteur qui affichera une puissance de 360 chevaux (265 kW) et devrait équiper progressivement les bus de l’agglomération de Vannes à partir de 2025.
Outre Atlantique, le Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) et Achates Power (motoriste) testent un moteur deux temps à pistons opposés alimenté à l’hydrogène. Ce type de moteur offre une efficacité deux fois supérieure à son homologue quatre temps, car les deux pistons agissent alternativement sur un même cylindre. Ce moteur, également plus simple et plus fiable que les moteurs à hydrogène actuels, vient d’être testé avec succès et pourrait révolutionner tout le secteur de la mobilité lourde.
En septembre, l’avionneur Rolls-Royce a réalisé une première mondiale en faisant fonctionner une chambre de combustion complète d'un moteur Pearl 700 avec 100 % d'hydrogène. Ces essais ont prouvé que l’hydrogène pouvait être brûlé pour délivrer une poussée maximale et suffisante au décollage (Voir Rolls-Royce). L'année dernière, Rolls-Royce avait réalisé une autre première mondiale en faisant fonctionner avec succès un moteur d'avion moderne, un AE2100, avec de l'hydrogène gazeux 100 % vert. Fort de ces avancées, Rolls Royce se dit persuadé qu’il pourra faire voler ses premiers avions à hydrogène liquide au milieu des années 2030. L’avionneur a pu réaliser le 8 novembre dernier un premier test en vol d’un moteur à combustion hydrogène. Airbus a réalisé pour sa part, en novembre dernier, son premier vol d’un avion à moteur à combustion hydrogène au-dessus du Nevada, aux Etats-Unis. Baptisé Blue Condor, ce démonstrateur utilise un planeur Arcus-J modifié et embarque un petit moteur à combustion hydrogène assemblé par la société allemande Aero Design Works.
Le constructeur japonais Toyota croit lui aussi que l’avenir ne sera pas (en tout cas pas tout de suite) tout électrique et laissera une large place aux moteurs à hydrogène de nouvelle génération, compacts, fiables, robustes, souples et puissants. Il y a quelques semaines, Toyota a déposé un brevet aux Etats-Unis pour un système de refroidissement par eau d’un moteur alimenté en hydrogène. Contrairement aux moteurs à essence ou diesel, l’eau ne circule pas autour du moteur pour capter la chaleur puis être refroidie dans le radiateur, mais est directement vaporisée dans le bloc. La quantité d’eau injectée est déterminée, en fonction du besoin, par un processeur électronique et n’est donc pas pulvérisée en permanence. Ce nouveau système de refroidissement très performant par injection d’eau pourrait équiper prochainement certains véhicules à hydrogène proposés par Toyota.
En septembre dernier, l’Institut coréen des machines et des matériaux (KIMM) a créé l’événement en annonçant qu’il avait mis au point un moteur à hydrogène performant pouvant être directement utilisé sur les véhicules légers. Le prototype présenté présente une efficacité thermique élevée et offre un taux de compression largement supérieur à celui des modèles précédents. Pour parvenir à de tels résultats, les ingénieurs coréens ont imaginé un système ingénieux pour injecter de l’hydrogène à haute pression directement dans la chambre de combustion. Dans ce nouveau moteur, la pression atteint les 30 bars, grâce à un turbocompresseur très élaboré et ses performances seraient supérieures à celles d’un moteur à combustion classique. En matière de propreté, ce moteur permet une réduction de 90 % des émissions de CO2 et de 99 % des particules fines. Ce moteur à hydrogène, qui atteint un excellent rendement de 40 %, est destiné à équiper les véhicules de moins de 3,5 tonnes (Voir The Korea Times).
Evoquons enfin l’étonnante innovation révélée il y a quelques jours par Toyota qui travaille actuellement sur de nouveaux types de filtres, intégrant un catalyseur en céramique, qui pourraient, à terme, être intégrés à l’avant de ses véhicules pour aspirer le dioxyde de carbone de l’atmosphère. L’entreprise expérimente actuellement ce concept sur la GR Corolla à hydrogène. Selon Toyota, ce concept, qui ne nécessite pas d’énergie supplémentaire, aurait un potentiel d’amélioration considérable et pourrait rendre ses voitures neutres en carbone. Toyota précise que ce système de captage du CO2 pourrait également fonctionner avec les moteurs à combustion classiques (Voir Toyota Times).
On le voit, le moteur thermique, ou moteur à combustion interne, malgré son âge vénérable de 164 ans, n’a pas dit son dernier mot et son adaptation remarquable à de nouveaux types de carburants, à commencer par l’hydrogène, est en train de lui donner un nouveau souffle et d’en faire un acteur indispensable pour accélérer, à des conditions économiquement supportables, à la décarbonation des transports, notamment dans le secteur très polluant de la mobilité lourde. Dans ce nouveau paysage énergétique qui se profile, la France vise une production d’hydrogène bas-carbone de 6,5 GW en 2030, puis 10 GW en 2035. Pour parvenir à cet objectif, notre pays compte sur son parc nucléaire, qui a la capacité de pouvoir fournir de grandes quantités d’électricité décarbonée pour produire ces quantités importantes d’hydrogène. Mais nous devons également accélérer la prospection des gisements d’hydrogène naturel considérables que recèle notre territoire et mettre en place une filière de production directe sur site d’hydrogène vert, à partir de l’éolien marin qui va connaître un essor très important au cours de la décennie qui vient. En s’appuyant sur cette nouvelle structure industrielle puissante et résiliente de production d’hydrogène décarboné, la France, qui dispose d’un savoir-faire mondialement reconnu dans le domaine de la motorisation et de l’automobile, a tous les atouts pour prendre toute sa place dans cette révolution du moteur thermique à hydrogène…
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
e-mail : tregouet@gmail.com
