Moteurs à combustion à hydrogène
L’hydrogène (H) est apparu comme une option prometteuse grâce à sa capacité à brûler sans émettre de gaz à effet de serre. Cet élément combustible est incolore, insipide, inodore et possède une densité énergétique relativement élevée, ce qui signifie que l’hydrogène contient beaucoup d’énergie par unité de volume, ce qui en fait une excellente source de carburant pour les véhicules.
Cet élément le plus léger a suscité un intérêt considérable dans le secteur des transports pour alimenter les véhicules électriques au moyen de piles à combustible. Toutefois, les moteurs à combustion interne à hydrogène (HICE) sont actuellement à l’étude pour parvenir à des émissions nulles. Mais de quoi s’agit-il ?
Qu’est-ce que la combustion d’hydrogène ?
L’hydrogène est un élément chimique, et la combustion est un processus chimique qui libère de l’énergie à partir d’un mélange de carburant et d’air. La combustion de l’hydrogène, qu’il soit sous forme liquide ou gazeuse, génère de la force.
En raison de sa large plage d’inflammabilité, l’hydrogène est bien adapté à la combustion. Il permet une excellente économie de carburant et possède une température d’auto-inflammation élevée, ce qui permet des taux de compression plus élevés qui réduisent la perte d’énergie lors de la combustion. En outre, une température de combustion finale plus basse minimise le nombre de polluants émis par les gaz d’échappement.
Comment ce moteur à combustion propre fonctionne-t-il dans un véhicule ?
L’hydrogène, contrairement à l’essence liquide, est un gaz qui nécessite un système d’alimentation spécial. À cette fin, des réservoirs de stockage à haute pression contiennent l’hydrogène gazeux, garantissant ainsi un stockage de carburant suffisant pour répondre à la demande d’un trajet.
Une soupape de contrôle régule le flux de gaz dans le collecteur d’admission du moteur, assurant un mélange air-carburant optimal pour une combustion efficace. Lors du processus d’admission, le carburant est mélangé à l’air et introduit dans le cylindre.
Pour obtenir une combustion propre et efficace, il faut un mélange air-carburant adéquat. Les moteurs à combustion d’hydrogène utilisent des systèmes d’injection de carburant sophistiqués pour minimiser les émissions nocives et optimiser la puissance.
Le piston comprime le mélange approprié de carburant et d’air, et les bougies d’allumage à haute énergie l’enflamment, ce qui provoque la combustion. L’hydrogène brûlant rapidement et dégageant une chaleur importante, les gaz de combustion se dilatent rapidement.
Ces gaz en expansion poussent le piston, dont le mouvement est converti en force de rotation par le vilebrequin. Cette force propulse alors les roues, faisant avancer le véhicule.
Ce processus illustre l’expérience de conduite plus propre et plus puissante que les moteurs à combustion d’hydrogène peuvent offrir, promettant un avenir de transport plus durable. Cependant, la vitesse rapide et les températures élevées des moteurs à combustion interne à hydrogène (HICE) sont obtenues grâce à des matériaux respectueux de l’hydrogène, à une conception avancée du moteur et à une technologie d’injection de carburant innovante.
Quelle est la différence avec les piles à combustible à hydrogène ?
L’hydrogène est utilisé dans le secteur des transports de deux manières distinctes : les piles à combustible et les moteurs à combustion. Bien que ces deux procédés utilisent de l’hydrogène, un combustible sans carbone, ils l’exploitent de manière différente pour alimenter les véhicules.
Comme mentionné ci-dessus, les moteurs à combustion d’hydrogène produisent de l’énergie en brûlant de l’hydrogène, à l’instar des moteurs traditionnels. Dans ce cas, l’hydrogène est mélangé à l’air pour créer une explosion contrôlée, générant de l’énergie mécanique pour propulser le véhicule.
Les piles à combustible et les véhicules à hydrogène, quant à eux, convertissent l’hydrogène en électricité par un processus chimique. Dans ce processus, un dispositif électrochimique convertit l’hydrogène et l’oxygène en électricité, en chaleur et en vapeur d’eau. Plus précisément, il génère de l’électricité en divisant l’hydrogène en un proton et un électron. Cette électricité alimente ensuite un moteur électrique qui entraîne le véhicule.
Les véhicules à pile à combustible (FCEV) sont plus efficaces à faible charge, tandis que les moteurs à combustion d’hydrogène sont plus performants à forte charge. Cela fait des HICE un meilleur choix pour les poids lourds qui transportent de grosses charges la plupart du temps. En revanche, les voitures, les autobus et les dépanneuses pourraient bénéficier davantage des piles à combustible, car ils fonctionnent généralement avec des charges beaucoup plus faibles.
Cependant, étant donné qu’ils utilisent tous deux de l’hydrogène, ils produisent des émissions similaires. Les véhicules à pile à combustible ne produisent aucune émission, tandis que les moteurs à combustion à hydrogène n’émettent pratiquement aucune trace de CO2, bien qu’ils puissent produire des NOx ou des oxydes d’azote. En outre, les moteurs à hydrogène peuvent fonctionner avec de l’hydrogène de moindre qualité, ce qui permet des cas d’utilisation spécifiques.
Les moteurs à combustion interne à hydrogène sont utilisés depuis des décennies et ne nécessitent pas de changement d’infrastructure. Pour les constructeurs automobiles, le passage à un moteur à hydrogène est donc moins difficile en raison de l’utilisation d’une technologie existante. Les piles à combustible, quant à elles, sont plus légères, plus silencieuses et se distinguent par leur grande efficacité. Elles convertissent jusqu’à 60 % de l’énergie stockée dans l’hydrogène en énergie électrique.
Comme elles fonctionnent à une température plus basse que les moteurs à combustion, les piles à combustible présentent également moins de risques d’incendie ou d’explosion. Toutefois, comme il s’agit d’une technologie relativement nouvelle, les piles à combustible sont une option plus coûteuse que les moteurs à combustion d’hydrogène.
Cela ne signifie pas qu’ils sont en concurrence, mais plutôt que les HICE et les FCEV se complètent. Après tout, ces deux technologies impliquent la même infrastructure de production, de stockage, de transport et de distribution de l’hydrogène et contribuent à réduire les émissions des transports à zéro.
Peser le pour et le contre de la combustion de l’hydrogène
L’utilisation de l’hydrogène présente donc clairement des avantages significatifs, mais qu’en est-il de la combustion de l’hydrogène en particulier ? Comme nous l’avons dit plus haut, le principal avantage est l’impact environnemental des moteurs à hydrogène.
Ces moteurs sont connus pour avoir un sous-produit propre, principalement de la vapeur d’eau, ce qui offre un avantage significatif par rapport aux moteurs à essence traditionnels. En plus de contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les moteurs à combustion d’hydrogène ont un rendement thermique beaucoup plus élevé (environ 45 %) que les moteurs diesel, qui ont un rendement inférieur à 40 %, et que les moteurs à essence, qui ont un rendement inférieur à 30 %.
Un autre grand avantage des HICE est qu’ils peuvent être construits en utilisant la technologie existante des moteurs à combustion interne, de sorte qu’il n’y a pas besoin d’infrastructures supplémentaires ou de recyclage de la main-d’œuvre. En outre, l’élément lui-même peut être produit à partir de diverses sources telles que la biomasse, l’électrolyse de l’eau et le gaz naturel, ce qui permet de répondre à la demande croissante d’énergie propre.
Les arguments en faveur de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant sont certes solides, mais cela ne signifie pas qu’il n’y a pas de problèmes. En fait, les moteurs à combustion d’hydrogène sont confrontés à plusieurs défis qu’il convient de relever.
Tout d’abord, nous avons besoin d’un grand espace de stockage pour les réservoirs d’hydrogène, ce qui ajoute un poids substantiel au véhicule. Cela augmente évidemment le risque d’usure et de détérioration, réduisant ainsi la durée de vie du véhicule. En outre, le carburant brûle assez facilement, ce qui présente des risques pour les pièces du moteur. L’exploitation de l’hydrogène n’est pas facile non plus. C’est un processus qui prend du temps et consomme beaucoup d’énergie.
Par ailleurs, sa densité énergétique est moindre, ce qui signifie que la puissance générée est relativement inférieure à celle des moteurs à combustion conventionnels. Par rapport à d’autres carburants comme l’essence, qui nécessitent un taux de compression de 8:1, les moteurs à combustion d’hydrogène ont besoin d’un taux de 40:1, ce qui pose un autre problème. De plus, la production en série de ces moteurs est une tâche coûteuse.
Bien que l’hydrogène soit choisi pour ses faibles émissions, le moteur à combustion crée tout de même une empreinte carbone puisqu’il implique des émissions de NOx, ce qui va à l’encontre de l’objectif même de ces moteurs. Il est donc important de gérer la chaleur et les émissions restantes au moyen de systèmes de post-traitement.
Les moteurs à combustion d’hydrogène sont-ils l’avenir ?
Les moteurs à combustion d’hydrogène existent depuis des décennies. Le premier avion commercial expérimental au monde à fonctionner à l’hydrogène liquide, le Tupolev Tu-155, a pris son envol en 1988. Cela montre que les HICE ne sont pas aussi nouveaux qu’on pourrait le penser.
Bien qu’ils n’aient pas été largement adoptés au fil des ans, les HICE ont récemment suscité un regain d’intérêt de la part des grandes marques automobiles, notamment Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki et Volvo. Même le secteur de l’aviation a exploré la combustion de l’hydrogène. Airbus, par exemple, collabore avec des partenaires de différents secteurs pour son avion conceptuel ZEROe, conçu pour fonctionner à l’hydrogène.
L’utilisation des moteurs à combustion d’hydrogène dans le secteur des transports suscite un intérêt croissant, mais pour l’instant, ils sont confrontés à la forte concurrence des véhicules électriques (Vs).
Alors que les HICE produisent des émissions quasi nulles, les VE dépendent de l’électricité pour leur alimentation et, à ce titre, n’émettent pas de gaz d’échappement. Les VE ont également un meilleur rendement énergétique que les HICE, qui perdent de l’énergie au cours du processus de combustion.
Bien que les VE nécessitent une nouvelle infrastructure, le nombre de stations de recharge augmente rapidement. Les stations de ravitaillement en hydrogène, en revanche, sont plutôt rares, bien que le ravitaillement d’une voiture à hydrogène soit plus rapide que celui d’une voiture électrique.
Des entreprises comme BYD, Tesla, Rivian, General Motors, Volvo et bien d’autres ont fait des progrès considérables dans le domaine des VE. Le marché des véhicules électriques (VE) était évalué à environ 384 milliards de dollars en 2022, tandis que le marché mondial des moteurs à combustion interne à hydrogène (MCIE) devrait atteindre 35 milliards de dollars d’ici à 2030.
Les constructeurs automobiles expérimentent actuellement la technologie de combustion de l’hydrogène, mais les progrès sont relativement lents par rapport aux avancées de la technologie des VE. L’industrie doit surmonter de nombreux obstacles à la production, tels que le coût, ce qui signifie que les VE continueront à dominer le secteur des transports pour le moment. Toutefois, les HICE peuvent devenir un élément important de la gamme de carburants utilisés dans les transports dans un avenir proche.
L’hydrogène ne peut tout simplement pas être ignoré en tant que carburant, et les HICE ont un rôle crucial à jouer dans l’avenir du transport durable. Toutefois, pour que cela soit possible, le soutien des pouvoirs publics et les progrès technologiques sont nécessaires.
Développements récents dans le domaine des HICE
Au cours de la dernière décennie, la décarbonisation est devenue extrêmement importante pour les pays et les entreprises du monde entier. Le secteur des transports est particulièrement critique, étant donné qu’il produit 10 % des émissions de gaz à effet de serre dans le monde.
Selon les accords de Paris (COP21) et de Glasgow (COP26), les technologies de propulsion des transports doivent réduire rapidement les émissions de CO2. Pour cela, nous avons besoin d’une solution efficace, mais il n’y en a pas une qui puisse apporter toutes les réponses. Une combinaison de différentes solutions peut en fait contribuer à atténuer les problèmes de manière plus efficace. Il s’agit notamment des moteurs à combustion d’hydrogène, qui n’exigent qu’un minimum de modifications de l’architecture actuelle des véhicules.
En tant qu’option logique et très efficace, les moteurs à combustion à l’hydrogène connaissent un grand essor. Récemment, des chercheurs de l’université de l’Alberta ont mis au point un nouveau matériau de revêtement qui semble prometteur pour les moteurs à combustion d’hydrogène. Le nouvel alliage concentré complexe, AlCrTiVNi5, possède des propriétés thermomécaniques supérieures, notamment une faible dilatation, une grande stabilité, une tolérance à la rupture et la capacité de résister à des températures élevées ainsi qu’à des environnements à haute pression.
En comparant le nouveau revêtement aux alliages disponibles dans le commerce, les chercheurs ont constaté que l’AlCrTiVNi5 survivait “à des environnements corrosifs pendant 100 heures à 900 degrés Celsius” et “surpassait tout ce qui existe actuellement sur le marché”, ouvrant ainsi la voie à l’avancement de l’économie de l’hydrogène.
Au début du mois, Toyota a également annoncé que, dans le but de rendre la combustion de l’hydrogène viable, elle avait créé un moteur à combustion interne capable de fonctionner avec du carburant synthétique, du biodiesel, de l’essence et de l’hydrogène. Pour ce faire, les ingénieurs ont utilisé un moteur de 1,6 litre provenant de la voiture de course GR Corolla, ce qui a aidé l’entreprise à relever le défi de l’équilibre de l’efficacité thermique. Ses nouveaux moteurs sont 10 à 20 % plus petits mais plus puissants.
Selon Koji Sato, PDG de Toyota, l’hydrogène est l’avenir, et l’entreprise s’y emploie :
“Le développement de ce moteur s’inscrit dans le cadre de ses efforts visant à atteindre la neutralité carbone et à promouvoir l’utilisation de l’hydrogène en tant que source d’énergie propre et renouvelable.
Ce développement autour de l’hydrogène se produit dans le monde entier. À la fin de l’année dernière, Tata Motors, la plus grande entreprise automobile indienne, a dévoilé des installations de R&D comprenant une cellule d’essai de moteur pour le développement des HICE ainsi que l’infrastructure pour le stockage et la distribution du carburant hydrogène.
Cette année, Tata a collaboré avec le géant américain Cummins pour mettre en place en Inde une usine de fabrication de HICE pour les véhicules utilitaires moyens et lourds. Cette collaboration fait suite à l’annonce faite l’année dernière par la coentreprise d’investir 424 millions de dollars dans l’usine afin de produire 4 000 moteurs à hydrogène par an et 10 000 systèmes de batteries.
Entreprises développant des moteurs à combustion à hydrogène
Examinons maintenant quelques grands noms du secteur :
#1. Honda
Ce constructeur automobile s’est engagé activement dans les moteurs à combustion d’hydrogène par le biais d’un projet de collaboration appelé HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) avec Toyota, Yamaha, Kawasaki et Suzuki pour explorer le potentiel des moteurs à combustion d’hydrogène. Initialement sceptique quant à la faisabilité de cette technologie, Honda a mis au point la “HySE-X1”, dotée d’un moteur à hydrogène quatre cylindres de 1,6 litre.
Honda est une société dont la capitalisation boursière est de 56,188 milliards de dollars et dont les actions se négocient actuellement à 31,93 dollars, en hausse de 3,25 % depuis le début de l’année. Le chiffre d’affaires de la société (TTM) a été de 130 milliards de dollars, le BPA (TTM) de 7,37, le P/E (TTM) de 4,33, et le rendement du dividende de 4,19%.
#2. Toyota
Ce constructeur automobile japonais utilise l’hydrogène comme carburant depuis plusieurs décennies. Ses véhicules à combustion d’hydrogène comprennent la GR Corolla H2 et la GR Yaris H2. Toyota a également participé aux courses d’endurance Super Taikyu pour accélérer le développement de ses véhicules. Cette semaine, Toyota a présenté ses nouveaux moteurs qui peuvent fonctionner avec différents carburants, dont l’hydrogène.
Toyota est une société dont la capitalisation boursière est de 314 milliards de dollars et dont les actions se négocient actuellement à 198,86 dollars, en hausse de 8,53% depuis le début de l’année. Le chiffre d’affaires de la société (TTM) a été de 287 milliards de dollars, le bénéfice par action (TTM) de 24,18, le ratio cours/bénéfice (TTM) de 8,22, et le rendement du dividende de 2,45%.
Conclusion
Il est clair que les moteurs à combustion d’hydrogène offrent de grands avantages en termes de réduction de l’impact sur l’environnement, de dépendance à l’égard des infrastructures existantes et d’efficacité thermique élevée. Mais bien sûr, les moteurs à combustion à hydrogène ne pourront pas à eux seuls assurer un transport durable. C’est plutôt en combinant plusieurs solutions que nous pourrons parvenir à un environnement plus sûr. Dans cette combinaison, les HICE peuvent jouer un rôle crucial et contribuer à la transition vers l’abandon des combustibles fossiles.
Aujourd’hui, après des décennies de potentiel inexploité, les véhicules à hydrogène pourraient enfin être sous les feux de la rampe grâce à un regain d’intérêt, aux investissements privés, au soutien des pouvoirs publics et aux progrès technologiques.
