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de recourir au cycle Diesel, avec injection d'hydrogène à
haute pression (300 bar par exemple) peu avant le point
mort haut, et allumage par compression. Toutefois, le cycle
Diesel expose la zone de combustion (la flamme)
à un mélange quasi stœchiométrique, sans
dilution locale par l'air et donc siège de
hautes températures créatrices de NOx.
Il faut alors disposer d'un traitement
DeNOx (2)
dans les tuyauteries
d'échappement.
L'injection à haute pression est techniquement
possible à partir de bouteilles
à 700 bar ou d'hydrogène liquéfié
à pression atmosphérique.
Ainsi, la société Westport offre une
solution à partir d'un réservoir d'hydrogène
liquéfié, qui consiste à comprimer
l'hydrogène sous forme liquide jusqu'à
300 bar, puis à le réchauffer pour le vaporiser avant
injection dans le cylindre.
LA PROBLÉMATIQUE DU RENDEMENT
DU MOTEUR
On ne peut pas parler des moteurs thermiques et de leur
variante à hydrogène sans parler du rendement. Dans les
comparaisons avec d'autres machines, c'est toujours un
point délicat parce qu'il faut distinguer le rendement de la
machine nue, le rendement de la machine avec tous ses
auxiliaires nécessaires (pompes de toute nature, moteurs
électriques, systèmes électroniques) et le rendement de la
machine incluant ces auxiliaires mais aussi la boîte de vitesses
ou autres convertisseurs et organes de transmission.
Si on se limite au rendement des machines incluant leurs
auxiliaires nécessaires, le meilleur rendement des moteurs
thermiques est souvent calé entre 30 % et 90 % de charge,
et varie peu entre ces bornes. À puissance donnée, les
couples élevés sont préférés aux vitesses élevées pour bénéficier
de moindres pertes par frottement.
Le fonctionnement du moteur thermique bénéficie donc
d'une large plage de fonctionnement à bon rendement, plage
qui est plus ou moins bien exploitée selon le mode de transmission
à l'organe entraîné. Les très gros moteurs à gaz, de
type industriel, atteignent ou dépassent 50 % de rendement.
Le défi pour les plus petits moteurs est de parvenir à ces
niveaux-là, alors qu'un rendement de 40 % à 45 % leur est
plus familier. Étant donné le prix de l'hydrogène, même de
moindre qualité, la conversion à l'hydrogène doit viser des
rendements améliorés par rapport à la situation actuelle.
Un facteur favorable est la vitesse de flamme de l'hydrogène,
beaucoup plus élevée que celle des hydrocarbures.
Vitesse de flamme laminaire en m/s : 1,85 pour l'hydrogène,
0,38 pour le gaz naturel, entre 0,37 et 0,43 pour l'essence ou
le Diesel-oil (1)
.
À l'inverse, l'augmentation du rapport air/carburant signifie
une compression supplémentaire d'air comburant, qui a un
impact sur le rendement. Un dernier chapitre d'intérêt par
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N°431 / Novembre 2021
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Avec
le moteur à
rapport au moteur thermique hydrogène est sa lubrification.
Le produit de combustion n'étant plus que de l'eau, le carter
d'huile n'est plus souillé comme il peut l'être par les
résidus de combustion des carburants fossiles. Les
opérateurs qui ont utilisé à la fois des moteurs
au fuel-oil (3)
hydrogène, la
formulation des huiles
de lubrification, issues à
100 % de la biomasse, sera
simplifiée et contiendra
moins de minéraux
susceptibles de
se retrouver dans les
échappements.
et des moteurs à gaz ont pu
constater une différence notable sur les
huiles usagées, bien plus propres avec
les moteurs à gaz. Ce constat sera
encore plus favorable avec le moteur
à hydrogène. La formulation des
huiles de lubrification pourra donc
être simplifiée et contenir moins de
minéraux susceptibles de se retrouver
dans les échappements. Certes, la
consommation d'huile est mineure en
regard de celle du carburant (consommation
qui justifie les rares appoints d'huile entre
chaque vidange d'une voiture), mais c'est important
parce que ce sera la seule source d'émission de gaz polluants
dans le cas du moteur hydrogène. Il faudra évidemment
utiliser des huiles vertes à 100 % issues de la biomasse et
non plus issues du pétrole, de façon à respecter la propriété
du moteur à hydrogène d'être 100 % vert.
Loin de disparaître, l'industrie des moteurs thermiques
s'apprête à révolutionner l'économie de l'hydrogène en
apportant très prochainement de quoi accélérer sensiblement
son développement au bénéfice de toute la filière.
Patrice Flot (X 73)
(1) Le Diesel-oil (ou DO) est du fioul léger comme celui employé dans les voitures
Traitements mis en œuvre pour éliminer tout ou partie des oxydes d'azote
et les camions.
(2)
(NOx) contenus dans les effluents gazeux issus d'une combustion ou d'un
Le fuel-oil désigne ici le fuel léger comme le lourd (Heavy Fuel Oil, HFO)
- ce dernier étant un résidu de distillation de pétrole.
procédé chimique.
(3)
PHOTO ADOBESTOCK
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