Moteurs à hydrogène

Le moteur à combustion interne peut sans importante modification fonctionner à l’hydrogène pour produire de l’énergie mécanique en émettant seulement la vapeur d’eau et une petite quantité d’oxydes d’azote. Par conséquent, le moteur à combustion interne à hydrogène pourrait contribuer à relever les deux principaux défis qui nous préoccupent: réduire les émissions de gaz à effet de serre et remédier à l’épuisement des hydrocarbures.

L’utilisation de l’hydrogène en tant que carburant dans les moteurs à combustion interne présente, à l’évidence, plusieurs avantages conséquents:

• À bas régime, le moteur à hydrogène est plus efficace et à haut régime, c'est le moteur thermique qui prend le dessus. Différentes voies d’amélioration de ce type de moteur permettront d’atteindre un rendement de plus de 40 %, même à charge partielle, qui est supérieur à celui des voitures roulant avec des carburants conventionnels (entre 20 et 30 %).

• L'hydrogène est le plus petit de tous les éléments de la classification périodique, faisant seulement 10-15 mètre, il peut se diffuser rapidement dans l'air: coefficient de diffusion dans l’air 0.61 cm²/s (quatre fois plus vite que le gaz naturel: coefficient de diffusion égal à 0.16 ), ce qui est un facteur positif pour la sécurité.

• L'hydrogène qui est incolore, inodore, insipide et non corrosif à l’avantage d'être particulièrement énergétique: 1kg d'hydrogène libère environ trois plus d'énergie qu'un Kg d'essence.

• Lorsqu’il est brûlé, son principal produit de combustion est l’eau, de ce fait il ne génère pas de produits toxiques tels que les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone, l’oxyde de soufre et les acides organiques.

• Son utilisation comme carburant ne connait pas les mêmes problèmes techniques que ceux rencontrés lors de l’utilisation des carburants liquides, tels que: la vaporisation insuffisante, le bouchon de vapeur (vapor lock), le mélange pauvre, etc.

• Le domaine d’inflammabilité de l’hydrogène dans l’air est très étendu ( de 4 à 75 % en volume), ce qui rend possible son inflammation avec large gamme de mélanges air-carburant. Ainsi, le fonctionnement en mélange pauvre est possible, ce qui contribue à une économie de carburant, assure une réaction de combustion plus complète ainsi qu’une température de combustion finale plus faible. La quantité de polluants émis lors de la combustion de l’hydrogène avec l’air tels que les oxydes d’azote est ainsi réduite. Il a une énergie minimale d’inflammation (énergie d’allumage) très faible, ce qui permet d’enflammer les mélanges pauvres et assurer un allumage rapide.

Toutefois, l’utilisation de l’hydrogène comme combustible dans le domaine automobile a des inconvénients :

• L'hydrogène peut s'enflammer ou exploser au contact de l'air. Il doit donc être utilisé avec précaution, de ce fait, il faut éviter tout risque de fuite, et toute situation confinée peut s'avérer dangereuse.

• Malgré que l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans la nature, il n'en existe pratiquement pas à l'état pur, c'est-à-dire sous forme de dihydrogène. Ce dernier n'est pas disponible sous forme brute, mais a besoin d'être synthétisé. La synthèse d'hydrogène nécessite plus d'énergie que celui-ci peut en produire. La production d'hydrogène nécessite de l'énergie produite par les centrales thermiques fonctionnant avec du charbon, du pétrole ou avec du gaz naturel, libérant ainsi du dioxyde de carbone ainsi que d'autres gaz à effet de serre, ce qui ne ferait que déplacer le problème de la non-utilisation des énergies fossiles et augmenterait leur consommation par rapport à une utilisation directe de ces énergies dans le domaine automobile.

• Du fait de sa la légèreté, l'hydrogène, à poids égal, occupe un volume beaucoup plus important qu'un autre gaz. Concrètement, même comprimés à 700 bars, 4.6 litres d'hydrogène sont encore nécessaires pour produire autant d'énergie qu'avec 1 litre d'essence. Ces volumes importants sont une contrainte pour le transport et le stockage sous forme gazeuse. Pour ces raisons, il sera très difficile de concevoir un réservoir sûr, compact, léger et moins dispendieux tout en gardant une autonomie relativement élevée.

• En plus d'être facilement explosif dans certaines concentrations à l'air confiné, mais pas à l'air libre, sous forme de gaz peu comprimé, il occupe trop de place sur un véhicule; sous forme de gaz très comprimé, il y aura une augmentation du risque d’auto-inflammation

spontané; les différentes techniques d'absorption restent à améliorer et elles sont dispendieuses. La masse embarquée d'absorbant (poudres ou pastilles d'alliages métalliques) est encore pénalisante.

• La faible énergie d’allumage de l’hydrogène contribue à l’apparition des gaz chauds et des points chauds dans le cylindre, qui peuvent servir de sources d’allumages prématurés au cours de la course d’admission. Ceci se traduit par les phénomènes de pré-allumage et d’auto- allumage qui conduisent à l’apparition de cliquetis (vibrations des parois de la chambre de combustion) et de retour de flamme (ou backfire).

• Puisque sa température d’auto-inflammation est trop élevée, l’hydrogène ne peut être utilisé directement dans un moteur diesel. Afin d’allumer l’hydrogène dans ce type de moteur, des bougies d’allumage doivent être installées ou bien, on doit utiliser une faible quantité de carburant diesel pour l’allumer (allumage pilote).

• Puisque l’hydrogène possède une courte distance de propagation de la flamme, ses flammes se propagent près de la paroi du cylindre et de l’injecteur. Ce qui favorise l’augmentation de la tendance de retour de flamme et par conséquent, une flamme du mélange hydrogène-air se propage plus facilement à travers la soupape d’admission presque fermée que les flammes des hydrocarbures/air.

Toutes ces anomalies de combustion de l’hydrogène restent un obstacle dans le développement des moteurs fonctionnant avec ce type de carburant. Les mesures qui doivent être prises afin d’éviter ce phénomène ont une influence directe et considérable sur la conception des moteurs, le contrôle de charge et la formation du mélange.

En thermodynamique, tous les moteurs thermiques peuvent être convertis à l’hydrogène y compris ceux fonctionnant au carburant Diesel. La conversion nécessite seulement quelques modifications, car:

• le carburant utilisé dans les cylindres étant gazeux, il y a nécessité d’utilisation d’injecteurs adaptés, tel que les injecteurs à injection directe à haute pression,

• l'hydrogène, au cours de la phase d'admission, dans la chambre de combustion, occupe un volume assez grand en comparaison de celui qu’occupe l’essence; cela contribue à la diminution de la quantité du mélange air-hydrogène lors de chaque cycle et réduit ainsi la puissance spécifique du moteur (de 20 à 25 %). En revanche, puisque le taux de compression des moteurs fonctionnant à l’hydrogène varie de 13 à 14, le rendement énergétique peut atteindre 36 % alors que celui des moteurs conventionnels à taux de compression égal à 8 – 9, ne dépasse pas 30 %. Actuellement, on essaye de porter ce rendement à plus de 40 % au

moyen de dispositifs d’injection appropriés qui augmentent la vitesse d’inflammation du mélange hydrogène/ air.

• afin d’éviter l’apparition d’auto-allumage et du retour des flammes dans les moteurs alimentés par hydrogène, on doit utiliser des électrodes de bougies en iridium, qui agit comme un catalyseur d’autoallumage. De plus, on doit éviter la formation de dépôts de carbone qui à leur tour pourraient être à l’origine de ce phénomène. Une autre solution pour faire face à cet inconvénient, consiste à utiliser le moteur rotatif à hydrogène, car dans ce cas, l’hydrogène est introduit dans une partie du moteur qui reste toujours froide,

• puisque la vitesse de combustion de l’hydrogène dans l’air estsix fois plus élevée que celle de l’essence, le moteur nécessite ainsi un réglage précis, qui est également indispensable pour minimiser les émissions des NOx (le rapport hydrogène-air ne dépassant pas la

stoechiométrie de 50 %).

Les matériaux des composants du moteur doivent être choisis résistants à l’hydrogène, surtout pour limiter les dégâts liés à la corrosion figurante.

La conversion à l’hydrogène de certains moteurs thermiques de petite cylindrée à usage multiple est possible, mais il faut alors développer un système de stockage d’hydrogène simple, robuste et bon marché. En Inde, par exemple, des chercheurs ont développé des vélomoteurs et des tricycles destinés aux déplacements urbains, munis de moteurs à combustion interne fonctionnant à hydrogène et ayant une autonomie de 60 à 80 km.

Pour ce qui est des moteurs stationnaires comme ceux des groupes électrogènes et qui sont utilisés essentiellement dans des régions dépourvues de réseau électrique, ils peuvent être convertis à l’hydrogène comme ceux que produisent la société américaine Hydrogen Engine Center et sa filiale canadienne Hydrogen Engine Centre Canada.

En ce qui concerne les moteurs automobiles, certains constructeurs développent des modèles équipés de moteurs thermiques convertis à l’hydrogène. Puisque les réservoirs d’hydrogène possèdent une autonomie relativement faible et vu l’absence de stations-service à hydrogène, les constructeurs automobiles ont conçu des véhicules bi-carburants fonctionnant à l’essence et à l’hydrogène. C’est le cas par exemple de la firme allemande BMW avec son modèle de haute technologie 745 H et de la firme japonaise Mazda avec sa voiture RX-8, équipée d’un moteur thermique rotatif à bicarburation.

À son tour, le transport ferroviaire peut se servir de cette nouvelle technologie. On n'aura qu'à ajouter un wagon-citerne d’hydrogène liquide derrière la locomotive.

Prochainement, le transport maritime va être doté de bateaux propulsés par des moteurs thermiques fonctionnant avec de l’hydrogène liquide, le seul adapté à des stockages

de grandes quantités. Cela contribue à la diminution du rejet des polluants issus de la combustion des combustibles lourds notamment dans les zones portuaires très réglementées. Mais cette transition vers l’hydrogène dans le transport maritime, entraine une hausse sur les coûts d’exploitation, puisque l’hydrogène comme carburant léger est plus coûteux que les carburants conventionnels lourds utilisés actuellement dans ce secteur. Le stockage à bord d’hydrogène nécessite des dépenses supplémentaires élevées, à cause des modifications indispensables sur l’architecture des navires et les mesures de sécurité.