Les moteurs à combustion interne alimentés à l’hydrogène ont un rôle à jouer dans la décarbonation

Il est de plus en plus probable que le moteur à combustion interne, qui a si bien servi l’industrie des transports pendant plus de 100 ans, continuera à être un élément clé dans la poursuite de la décarbonation de l’industrie.

Toutefois, les carburants brûlés dans un moteur à combustion interne devront progressivement être exempts d’énergie fossile, et l’hydrogène est un candidat de premier plan pour répondre à cette exigence. L’hydrogène est souvent associé aux piles à combustible, mais les moteurs à combustion interne à hydrogène (H2-ICE) présentent certains avantages, comparativement à la complexité des piles à combustible.

La conception du moteur de base présente des pièces communes avec les moteurs diesel et à gaz naturel actuels pour les fabricants, et les utilisateurs sont déjà familiers avec cette configurations.

Le coût de la mise à niveau est donc plus attrayant pour les clients, qui peuvent obtenir des performances plus proches de celles d’un moteur diesel en termes de puissance et d’autonomie. Les moteurs à combustion H2 peuvent également supporter des niveaux d’impuretés d’hydrogène plus élevés que les piles à combustible, ce qui ajoute à la fiabilité et à la tranquillité d’esprit, en particulier dans les environnements pollués.

Ces considérations et d’autres liées aux H2-ICE ont été abordées lors d’un séminaire en ligne et d’un livre blanc connexe produits par l’Engine Technology Forum.

«Aujourd’hui, nous nous trouvons au milieu d’une transition énergétique», a déclaré Allen Schaeffer, directeur exécutif de l’Engine Technology Forum. «D’une part, nous avons un système énergétique qui repose fortement sur les combustibles fossiles. D’autre part, nous travaillons à la mise en place d’un système de réduction des émissions de carbone et de systèmes énergétiques reposant entièrement sur les énergies renouvelables. Les moteurs à combustion interne ont un pied dans ces deux mondes.»

Le Dr. Ameya Joshi a rédigé le livre blanc évoqué plus haut et s’est adressé aux participants du webinaire, reconnaissant que l’hydrogène jouera un rôle clé dans la décarbonation du camionnage.

«Tous les carburants peuvent jouer un rôle dans la décarbonation du secteur des transports», a-t-il affirmé. «C’est un problème difficile, et nous avons certainement besoin de nouveaux carburants pour nous attaquer à  la décarbonation. Nous n’aurons pas une seule technologie qui résoudra le problème.»

Le H2-ICE fait bonne figure face aux piles à combustible et à d’autres solutions zéro émission telles que les groupes motopropulseurs électriques à batterie, mais il lui reste quelques défis à relever. Tout d’abord, il ne s’agit pas d’une solution purement zéro émission, du moins pas selon l’EPA. Si le H2-ICE ne produit pas d’émissions de carbone ou de suie, il génère des traces d’oxyde d’azote (NOx) et dépend d’une petite dose de carburant pilote, normalement du diesel, lors de l’allumage.

Ces émissions de NOx peuvent être traitées en grande partie par des systèmes de post-traitement des gaz d’échappement, semblables à ceux que l’on trouve aujourd’hui sur les camions à moteur diesel, même si ces systèmes sont plus simples puisqu’il n’y a pas de suie et que les niveaux de NOx sont déjà faibles.

Dmitri Konson, vice-président de l’ingénierie mondiale chez Tenneco, a souligné : «Nous aurons un système de post-traitement qui sera similaire à de nombreux systèmes qui sont sur la route aujourd’hui, mais qui sera adapté aux plages de température, aux cycles d’utilisation et aux débits que nous verrons dans ces nouveaux moteurs ».

Cela permettra de réduire les émissions de gaz d’échappement à des niveaux extrêmement bas, a expliqué M. Konson, qui a ajouté : «Nous parlons ici de la quatrième décimale.»

En Europe, les normes pour les véhicules à zéro émission ont été récemment redéfinies à des niveaux qui permettraient aux moteurs H2-ICE de se qualifier en tant que tels. Toutefois, l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA) ne considère pas actuellement la technologie H2-ICE comme répondant à la désignation ZEV, ce qui lui permettrait de satisfaire aux futures exigences ZEV ou aux incitations connexes accordées aux véhicules électriques à batterie ou à pile à combustible.

Le coût et la disponibilité de l’hydrogène, en particulier de l’hydrogène vert, constituent un autre défi.

Manque de stations de ravitaillement

«Si l’énergie utilisée pour créer le carburant est renouvelable, il n’y a aucune émission de carbone de la source jusqu’à la route et aucune émission de carbone à l’échappement, donc zéro carbone à l’échappement et zéro carbone pour la production», a indiqué Jim Nebergall, directeur général de la division des moteurs à hydrogène chez Cummins.

Or, environ 99 % de l’hydrogène produit aujourd’hui est dérivé de combustibles fossiles, généralement du gaz naturel et du charbon. Il y a également un manque de stations de ravitaillement pouvant accueillir des camions lourds, ce qui signifie que l’hydrogène doit être transporté sur de longues distances, ce qui est coûteux et à forte intensité de carbone.

Le livre blanc de l’Engine Technology Forum note que, sur les 1 000 stations de ravitaillement en hydrogène qui existent aujourd’hui, près de 60 % se trouvent en Chine, au Japon et en Corée du Sud. Il n’y a que 59 stations de vente au détail aux États-Unis, la plupart en Californie et essentiellement conçues pour les voitures et inadaptées aux poids lourds.

La production d’hydrogène est nettement plus coûteuse que celle du diesel. Le département américain de l’Énergie s’est fixé pour objectif de le rendre disponible pour 1 US$ le kg d’ici la fin de la décennie, indique le livre blanc, et a proposé à cette fin des programmes d’incitation pour subventionner la production d’hydrogène vert par électrolyse.

Fourchette d’estimation des coûts de l’hydrogène

L’EPA est toutefois moins optimiste, estimant que le coût de la production, de la distribution, du stockage et de l’approvisionnement de l’hydrogène sera probablement plus près de 4 à 7 $ le kg d’ici 2030.

«Ces estimations sont entachées d’une grande incertitude et d’autres groupes de recherche ont fourni des évaluations beaucoup plus ou beaucoup moins élevées du coût», cite le livre blanc.

Bien que l’industrie ne dispose pas encore d’un accès généralisé à l’hydrogène vert à un prix abordable, Louise Arnold, directrice de la gamme de produits chez le producteur de produits chimiques Johnson Matthey, note que la capacité des H2-ICE à résister aux impuretés que les piles à combustible ne peuvent pas supporter signifie que ces moteurs peuvent être alimentés par n’importe quelle forme d’hydrogène, le temps que la production d’hydrogène vert s’accélère.

«L’avantage d’un moteur à combustion d’hydrogène est qu’il peut utiliser n’importe quelle forme d’hydrogène», a-t-elle affirmé, faisant référence au spectre des couleurs disponibles en ce moment (voir l’encadré). «Ainsi, au fur et à mesure que nous progressons vers l’obtention de l’hydrogène le plus vert possible, soit celui qui est produit à partir d’électricité renouvelable, nous pouvons permettre l’investissement dans l’infrastructure et le marché qui va stimuler la demande d’hydrogène.»

Alors que les piles à hydrogène continueront d’être une solution pour certaines applications dans l’avenir, M. Nebergall de Cummins a expliqué que les H2-ICE offriraient une «solution complémentaire». Il a ajouté : «Beaucoup de gens considèrent qu’il s’agit d’une concurrence entre une pile à combustible et un moteur, alors qu’ils sont tout à fait complémentaires.»

«Il n’existe pas de solution miracle pour décarboner tous les segments», conclut le livre blanc, et les H2-ICE joueront un rôle clé dans la transition vers l’abandon des combustibles fossiles.»