Le potentiel de l'hydrogène comme combustible pour les futurs moteurs Otto Cycle

La pression mondiale pour décarboniser les transports et l'industrie a mis l'hydrogène au premier plan en tant que vecteur prometteur d'énergie zéro carbone. Bien que la conversation sur la mobilité de l'hydrogène se concentre sur les véhicules électriques à pile à combustible, un effort d'ingénierie silencieux mais déterminé est en cours pour brûler l'hydrogène directement dans les moteurs à combustion interne (ICE) fonctionnant sur le cycle Otto. Les moteurs à allumage par étincelles (SI), les chevaux de travail de la voiture de tourisme et du parc de véhicules légers pendant plus d'un siècle, pourraient voir une seconde vie durable alimentée par l'élément le plus abondant de l'univers.

La combustion d'hydrogène dans le cycle Otto: science et comportement

Le cycle classique Otto, qui consiste à prendre, à comprimer, à éteindre, à agrandir, à éteindre, se trouve sur une charge prémélangée de carburant à air allumé par une étincelle. L'hydrogène introduit une signature de combustion radicalement différente de celle de l'essence. Sa large plage d'inflammabilité (4 à 75 % en volume dans l'air, contre environ 1,4 à 7,6 % pour la vapeur d'essence) permet une combustion ultra-laïenne stable même aux rapports d'équivalence air-carburant (λ) bien au-dessus de 2, où l'essence serait mal mise au feu. Cette capacité de combustion à faible intensité est un catalyseur essentiel : elle réduit les températures de combustion et réduit considérablement la formation d'oxyde d'azote (NOx) tout en augmentant l'efficacité thermodynamique.

Cependant, ces mêmes propriétés posent des défis considérables. L'hydrogène est une faible énergie d'allumage minimale (environ 0,02 mJ, par rapport à 0,25 mJ pour l'essence) qui rend le mélange sensible à l'inflammation précoce de surfaces chaudes, de résidus d'huile ou de dépôts lumineux. La distance d'extinction de l'hydrogène est plus petite que pour l'essence, permettant à la flamme de se propager à travers des crevasses étroites où une flamme d'essence s'éteindreait, augmentant le risque de rétro-brûlement dans le collecteur d'admission. Cette prédisposition à la pré-ignition et au rétro-brouillage, en particulier dans les configurations d'injection de carburant à port (IPF), a constitué un obstacle persistant.

Défis techniques et solutions spécifiques

Méthodes d'introduction des combustibles

L'adaptation d'un moteur SI conventionnel à l'hydrogène nécessite bien plus qu'une nouvelle carte du carburant. L'une des décisions les plus fondamentales est la méthode d'introduction du carburant. Les premiers moteurs à hydrogène utilisaient souvent l'injection de carburant à port, qui est relativement simple à mettre en œuvre mais très susceptible à l'arrière-feux parce que l'hydrogène est de faible densité signifie un volume important du port d'admission est rempli de mélange combustible. L'injection directe (DI), dans laquelle l'hydrogène à haute pression est injecté directement dans le cylindre après la fermeture des soupapes d'admission, découple efficacement la livraison du carburant du flux d'admission. Cela élimine le risque de rétro-incendie et permet une charge stratifiée pour obtenir des gains d'efficacité supplémentaires, mais elle exige des injecteurs capables de fonctionner à des centaines de bar, avec des matériaux qui résistent à l'embrayage de l'hydrogène et assurent une durabilité élevée du cycle.

Compatibilité des matériaux

La compatibilité des matériaux est une préoccupation omniprésente dans le développement des moteurs à hydrogène. L'embuillage à l'hydrogène peut dégrader les aciers ferritiques, les alliages de nickel et certains aciers inoxydables couramment utilisés dans les moteurs. Les conceptions actuelles des moteurs à hydrogène reposent sur des aciers inoxydables austénitiques, des alliages d'aluminium et des revêtements spécialisés pour des composants tels que les rails de carburant, les buses d'injection et les valves. Le système d'allumage doit également être repensé : la faible tension de dégradation des mélanges hydrogène-air rend les bougies d'allumage classiques adéquates, mais elles doivent éviter de saillir les surfaces chaudes, et les systèmes d'allumage à haute énergie sont souvent déployés pour assurer un développement robuste des noyaux de flamme dans des conditions de maigre.

Systèmes d'allumage et de turbocharge

Un moteur à hydrogène typique fonctionne à λ entre 1,6 et 2,5, ce qui réduit la puissance spécifique par rapport au fonctionnement stoechiométrique de l'essence de 30 % à 50 %. Un turbocompresseur peut récupérer 20 % de cette perte en augmentant la pression d'admission à 1,5–2,0 bar absolue. La recirculation des gaz d'échappement refroidis (EGR) supprime encore davantage les NOx en diluant la charge et en abaissant les températures de pointe. Il a été démontré que les taux d'EGR de 15 à 25 % réduisent les émissions de NOx de 90 % au maximum sans pénalité significative en matière d'efficacité.

BMW , sur les années 2000, a démontré un V12 bicarburant avec stockage cryogénique de liquides, bien qu'il reste un créneau coûteux. Plus récemment, les fabricants de moteurs comme Cummins ont présenté un moteur à hydrogène de 6,7 litres pour les poids lourds, et JCB a investi plus de 100 millions de livres dans le développement d'un moteur à combustion à zéro émission pour la construction et l'équipement agricole. Ces programmes mettent en évidence la viabilité industrielle des moteurs à cycle à hydrogène Otto dans des applications où les groupes motopropulseurs électriques de batterie sont soumis à des contraintes de poids, de portée ou de temps de charge.

Les voies impératives de l'hydrogène vert et les voies de production

Hydrogène gris, bleu et vert

Aujourd'hui, la grande majorité des émissions mondiales d'hydrogène sont produites par reformage du méthane à vapeur (RSM), qui réagit au gaz naturel avec de la vapeur à haute température, produisant de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Sans captage du carbone, cet hydrogène « gris » a une empreinte carbone comparable à celle de la combustion directe de combustibles fossiles – environ 9 kg de CO2 par kg d'hydrogène produit. L'ajout de carbone captation et stockage (CCS) produit de l'hydrogène « bleu » qui peut réduire les émissions de 50 % à 90 %, mais qui dépend toujours des chaînes d'approvisionnement en méthane et des risques de fuite de gaz naturel. Pour que les moteurs Otto puissent produire une décarbonisation réellement profonde, l'hydrogène doit être « vert » – produit par électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable provenant du vent, du solaire ou de l'hydroélectricité.

Technologies électrolysantes et trajectoires de coûts

Les initiatives du département américain de l'énergie La production d'hydrogène visent à réduire le coût de l'hydrogène vert à 1 $ le kilogramme d'ici 2031. Des ambitions similaires sont observées à l'échelle mondiale, depuis le backbone européen de l'hydrogène jusqu'aux grands projets d'exportation australiens. Des modes de production alternatifs, y compris la gazéification de la biomasse et le fractionnement thermochimique de l'eau par la chaleur nucléaire, pourraient compléter l'hydrogène électrolytique dans un portefeuille d'approvisionnement diversifié.La gazéification de la biomasse avec capture de carbone peut produire de l'hydrogène avec des émissions nettes négatives de CO2, car le carbone dans la biomasse est biogène.

Stockage et obstacles à l'infrastructure

Hydrogène gazeux comprimé

Pour atteindre une gamme acceptable de véhicules, l'hydrogène doit être comprimé, liquéfié ou stocké dans un milieu solide. La technologie la plus mature pour l'utilisation automobile est l'hydrogène gazeux comprimé stocké à 350 à 700 bar dans des réservoirs composites renforcés de fibres de carbone de type IV. À 700 bar, la densité de stockage du système atteint environ 5,7 % en masse, mais même alors, un véhicule nécessite environ quatre à cinq fois le volume du réservoir pour la même énergie qu'un réservoir à essence. Pour une voiture de tourisme d'une autonomie de 500 km, un système de stockage de 700 bar occupe environ 200 litres d'espace et pèse environ 100 kg lorsqu'il est plein. Pour les applications lourdes, 350 bar sont souvent préférés pour des raisons de coût et d'emballage, bien que les réservoirs plus grands présentent encore des défis importants en matière d'espace.

Stockage liquide et cryocomprimé

L'hydrogène liquide, stocké à 20 K dans des réservoirs de type Dewar sous vide, offre une densité volumétrique plus élevée (70 g/L par rapport à 40 g/L à 700 bar) mais introduit des pertes d'ébullition – généralement de 1 à 5 % par jour selon la qualité de l'isolation – et une pénalité énergétique importante pour la liquéfaction, environ 30 % de la teneur énergétique de l'hydrogène lui-même. Le stockage d'hydrure métallique, dans lequel l'hydrogène est lié chimiquement à des matériaux solides tels que LaNi5 ou MgH2, promet une densité volumétrique élevée (100 g/L ou plus) et une pression atmosphérique proche, mais les systèmes actuels sont lourds (5 à 10 % en poids de capacité de stockage d'hydrogène) et souffrent de la lente cinétique de charge et de dégradation des matériaux après des centaines de cycles.

Développement des infrastructures de ravitaillement

Pour les moteurs à cycle Otto, la nécessité de prendre en charge un système d'injection à haute pression, l'espace-citerne et les mesures de sécurité, comme les dispositifs de décompression thermique et les capteurs d'étanchéité spécifiques à l'hydrogène, ajoute à la complexité et au coût, mais ces derniers deviennent progressivement des pratiques d'ingénierie standard.Le nombre de stations de ravitaillement en hydrogène à l'échelle mondiale a dépassé 1 000 en 2024, avec plus de 400 en Europe et 300 en Asie, soutenant à la fois les véhicules à pile à combustible et à hydrogène ICE.

Analyse de la vie environnementale et économique-cycle

Dans la perspective du cycle de vie, les moteurs à cycle Otto à hydrogène offrent un profil d'émissions impressionnant lorsqu'ils sont jumelés à de l'hydrogène vert. Les seuls produits d'échappement sont la vapeur d'eau et des particules minimales dérivées du pétrole et les NOx peuvent être maintenus à des niveaux ultra bas par combustion maigre ou traités avec un système de réduction catalytique sélective (SCR) utilisant de l'ammoniac. Une évaluation détaillée du cycle de vie publiée dans Conversion et gestion de l'énergie indique qu'un moteur à injection directe d'hydrogène peut produire des émissions totales de gaz à effet de serre de 85 % à 95 % inférieures à celles d'un moteur à essence comparable, en supposant que les autres émissions proviennent de la production de véhicules (acier, aluminium, batteries pour versions hybrides), de la consommation de lubrifiants et de la compression de l'hydrogène.

[Le coût total de la propriété (CTP) sera déterminant. Aujourd'hui, l'hydrogène vert est coûteux, généralement de 4 à 6 $ le kilogramme dans les régions favorables, ce qui fait que le coût du carburant par kilomètre est plus élevé que celui de l'essence ou du diesel. Un véhicule à hydrogène ICE consommant 8 kg H2/100 km aurait un coût du carburant de 0,32 $–0,48/km à 4–6/kg, comparativement à 0,12 $–0,18/km pour un véhicule à diesel consommant 8 L/100 km à 1,5–2,2 $/L. Toutefois, les baisses prévues des coûts des électrolyzateurs et de l'électricité renouvelable pourraient ramener l'hydrogène vert à 2 $/kg au milieu du siècle, ce qui signifie que le coût par kilomètre devient comparable.

Programmes industriels actuels et orientations futures de la recherche

Brûlure ultra-lean et injection d'eau

Les travaux de recherche portent maintenant sur trois fronts : obtenir une production de NOx presque nulle sans traitement aval lourd, augmenter la puissance spécifique des moteurs à hydrogène pour correspondre à leurs homologues diesel et développer des solutions de stockage robustes et peu coûteuses. L'une des techniques les plus prometteuses est « l'indice de puissance maximale avec combustion ultra-lune ». En injectant de l'hydrogène après compression a déjà commencé (délai d'injection de 60 à 90° avant le centre mort supérieur), on peut créer un mélange stratifié qui maintient la température de la flamme en dessous du seuil de formation de NOx thermiques importantes (moins de 2300 K).

Concepts avancés d'allumage

Les concepts avancés d'allumage, y compris les systèmes multisparks et l'allumage par corona, sont actuellement étudiés pour permettre l'allumage fiable de mélanges extrêmement maigres (λ > 2,5). L'allumage par Corona utilise un champ électrique à haute fréquence pour créer un plasma non thermique qui enflamme le mélange carburant-air sur un volume plus grand qu'une bougie, réduisant le délai d'allumage et permettant un fonctionnement plus fin. Les scientifiques en matériaux développent des revêtements durables à faible coût et des alliages en vrac qui résistent à l'embrouillement de l'hydrogène et à l'oxydation à haute température, en particulier pour les buses d'injection directe et les soupapes d'échappement. Par exemple, les revêtements amorphes nickel-phosphorus sur les sièges de soupapes ont montré une réduction de dix fois du taux d'usure par rapport à l'acier non couché dans les environnements de combustion de l'hydrogène.

Intégration électrique hybride

Au-delà du moteur lui-même, l'intégration d'un moteur à hydrogène Otto dans un groupe motopropulseur électrique hybride ouvre un espace d'optimisation parallèle. Un moteur à hydrogène qui fonctionne uniquement dans une bande étroite à haut rendement (λ = 2,0–2,5, BMEP = 8–12 bar) avec des moteurs électriques manipulant des charges transitoires peut simplifier considérablement le défi de réduction des émissions et pousser l'efficacité globale du système à plus de 50 % sur une base de réservoir à roue. De telles architectures sont déjà en train d'être prototypes pour des camions long-courriers, où le moteur à hydrogène agit comme un extenseur de gamme fonctionnant à vitesse et charge constantes, avec un petit bloc-batteries fournissant une puissance d'accélération et d'escalade.

Les États-Unis Le programme régional de centres d'hydrogène propre (H2Hubs), financé par la loi sur les infrastructures bipartites, investit 7 milliards de dollars pour établir des réseaux de production, de stockage et de dépannage d'hydrogène dans tout le pays.EuropeLa réglementation AFIR prévoit une station de ravitaillement en hydrogène tous les 200 km le long du réseau central RTE-T d'ici 2030.Ces déploiements d'infrastructures sont conçus pour desservir les véhicules à pile à combustible, mais les véhicules à hydrogène ICE peuvent se ravitailler dans les mêmes stations, créant une base de demande partagée qui accélère les économies d'échelle.Le Japon et la Corée du Sud ont également annoncé des objectifs ambitieux en matière d'infrastructures hydrogène, le Japon visant 1 000 stations d'ici 2030 et la Corée du Sud ciblant 660 stations d'ici 2025.

Conclusion et perspectives

La convergence de la recherche sur la combustion avancée, la production d'hydrogène vert et les investissements gouvernementaux ciblés tracent une voie pratique pour les moteurs à allumage par étincelles qui ne sont plus des combustibles fossiles. Bien que les défis de la densité de stockage, de la maîtrise des NOx et du coût du carburant persistent, ils sont abordés par une communauté de plus en plus mondiale d'ingénieurs. Dans les applications exigeant une puissance élevée, un ravitaillement rapide et une longue gamme de moteurs – machines de construction, matériel agricole, camions de moyenne et lourde, centrales de pointe de production d'électricité et sports motorisés – les ICE d'hydrogène offrent une solution à zéro carbone qui tire parti des infrastructures de fabrication et des services existants. Au cours de la prochaine décennie, une nouvelle génération de moteurs Otto à combustion d'hydrogène devrait probablement se partager la route avec des véhicules à pile à combustible et à batterie, formant un écosystème diversifié et résilient de transport propre qui exploite le meilleur de chaque technologie au profit d'une économie décarbonisée.