Énergie
5 moteurs à combustion d’hydrogène prêts à rompre les conventions
La combustion d’hydrogène est apparue comme l’une des options de carburant les plus prometteuses, offrant une valeur environnementale importante et des performances élevées. Au niveau de la conception, ces moteurs remontent à plus de quatre décennies.
En 1970, l’inventeur Paul Dieges a breveté une modification qui permettait aux moteurs à combustion interne fonctionnant au gaz de fonctionner à l’hydrogène. Depuis, cette technologie a considérablement progressé dans sa capacité à alimenter des véhicules, des voitures et des bus. Son potentiel est tel que les futurs avions commerciaux pourraient également adopter l’hydrogène comme carburant principal.
Dans les moteurs à combustion d’hydrogène, l’hydrogène liquide ou gazeux brûle dans un moteur à turbine à gaz modifié pour générer de la poussée. Ce processus reflète la combustion interne traditionnelle, mais avec l’hydrogène remplaçant son équivalent fossile.
Avec son utilisation et son importance croissantes, les spéculations abondent quant au moteur à combustion d’hydrogène (HCE) qui possède l’avenir le plus prometteur. Dans les sections suivantes, nous examinons cinq moteurs à combustion d’hydrogène qui sont tous prêts à rompre les conventions.
Moteur à hydrogène Cummins 15 litres
La plateforme de moteur de 15 litres de Cummins, que nous abordons, est neutre en termes de carburant à sa base. Elle est compatible avec l’hydrogène, le gaz naturel et le diesel. Mais lorsqu’elle est utilisée avec de l’hydrogène, elle peut réellement rompre les conventions en devenant la meilleure version de sa gamme de capacités de carburant à faible voire zéro carbone et en accélérant la décarbonisation des applications lourdes hors route à leur optimum.
En parlant de sa spécialité, Antonio Leitao, vice-président du secteur des moteurs hors route mondiaux de Cummins, a déclaré:
“La toute nouvelle plateforme de Cummins porte la combustion interne à un nouveau niveau, capable de répondre aux futures normes d’émissions ultra-faibles, telles que l’EPA Tier 5 et l’UE Stage 6, tout en offrant une capacité de carburant à faible voire zéro carbone pour aider les sites de construction et d’exploitation minière à suivre une voie de décarbonisation à moindre coût. Le moteur de 15 litres présente une augmentation significative de la densité de puissance avec un encombrement d’installation plus compact, offrant aux fabricants d’équipements la capacité de faire plus avec leurs machines.”
Si nous examinons le cas spécifique du moteur à hydrogène, il est équipé d’une injection directe, d’une combustion à combustion pauvre avec des puissances allant de 400 à 530 ch (298-395 kW) et un couple maximal de 2600 N·m. Alimenté par de l’hydrogène vert zéro carbone, il peut utiliser un système de stockage de carburant à haute capacité sous pression de 700 bars pour maximiser les heures de fonctionnement entre les ravitaillements.
Cette version devrait être en production complète d’ici 2027. L’entreprise produira ces moteurs avec des cylindrées de 15 litres et de 6,7 litres.
Le moteur a reçu la validation des parties prenantes de l’industrie dès ses débuts. En janvier 2022, Werner Enterprises (Nasdaq: WERN), un fournisseur de transport et de logistique de premier plan, a décidé de commencer à valider et à intégrer les moteurs à combustion interne à hydrogène de 15 litres de Cummins dans ses véhicules.
(CMI )
Cummins a publié ses résultats du quatrième trimestre et de l’année complète 2023 le 6 février 2024. Les revenus du quatrième trimestre 2023 de 8,5 milliards de dollars ont augmenté de 10 % par rapport au même trimestre en 2022, tandis que les revenus de l’année complète 2023 s’élevaient à 34,1 milliards de dollars, soit 21 % de plus qu’en 2022.
Moteurs V8 5,0 litres 100 % à hydrogène de Yamaha pour Toyota
Toyota Motor Corporation a mandaté Yamaha Motor pour développer le moteur à hydrogène du futur. Les cinq entreprises — Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation et Yamaha Motor — ont décidé de mener des recherches collaboratives afin d’explorer et d’élargir la gamme d’options de carburant pour les moteurs à combustion interne adaptés à la neutralité carbone.
En parlant du développement, le président de Yamaha Motor, Yoshihiro Hidaka, a déclaré:
“Les moteurs à hydrogène ont le potentiel d’être neutres en carbone tout en maintenant notre passion pour le moteur à combustion interne. S’associer à des entreprises aux cultures d’entreprise et aux domaines d’expertise différents, ainsi qu’augmenter le nombre de partenaires, est la façon dont nous voulons ouvrir la voie vers l’avenir.”
Lors de l’événement de présentation du moteur, le V8 de 5,0 litres semblait être basé sur le moteur de 5,0 litres de la Lexus RC F, coupé sport de luxe, modifié au niveau des injecteurs, des culasses, du collecteur d’admission, etc. Le moteur pouvait délivrer jusqu’à 450 ch à 6 800 tr/min et un couple maximal de 540 Nm à 3 600 tr/min. Le moteur haute performance V8 DOHC 32 soupapes à 90 degrés de 5,0 litres a été converti par Yamaha pour fonctionner à l’hydrogène.
Selon son rapport annuel 2023, Yamaha a enregistré un chiffre d’affaires consolidé de groupe de 451,4 milliards de yens avec un bénéfice d’exploitation de base de 45,9 milliards de yens.
Le moteur pour BMW iX5 Hydrogène
BMW teste son futur véhicule depuis 2023. Des températures allant jusqu’à 45 °C au sable, à la poussière, à diverses pentes et à des niveaux d’humidité fluctuants, l’entreprise a tout testé. Elle considère également que sa technologie de pile à combustible à hydrogène est adaptée à une utilisation quotidienne dans des températures extrêmes sous zéro.
En termes de spécificités, le système de pile à combustible du BMW iX5 Hydrogen peut fournir de manière constante une puissance élevée de 125 kW/170 ch.
Toyota Motor Corporation a été mandatée pour fabriquer les cellules individuelles pour le groupe BMW. L’usine du groupe BMW à Landshut fabrique le boîtier de la pile, qui intervient en deuxième étape du processus de fabrication en deux étapes. La première étape consiste à empiler les cellules et à installer les autres composants.
Les piles à combustible qui offrent la performance de 125 kW/170 ch sont une combinaison innovante provenant de la gamme Gen‑5 des technologies BMW eDrive du groupe BMW et d’une batterie spécialement développée. Lorsqu’elles sont combinées, l’ensemble peut offrir une puissance allant jusqu’à 285 kW/401 ch.
Le groupe BMW a également été responsable du développement des composants dédiés à l’hydrogène, notamment le compresseur haute résolution avec turbine et la pompe de refroidissement haute tension. Le mécanisme interne de la pile à combustible fait réagir l’hydrogène des réservoirs avec l’oxygène de l’atmosphère pour produire de l’électricité qui alimente le moteur. Les deux réservoirs présents dans le BMW iX5 Hydrogen peuvent contenir au total 6 kg de gaz et offrent au système une autonomie de 504 km selon le cycle WLTP.
Le groupe BMW considère également le moteur iX5 comme l’avenir du ravitaillement, car le ravitaillement à l’hydrogène est plus rapide que la recharge d’une voiture électrique à batterie.
L’association de BMW avec l’hydrogène a été globale. La logistique de ses usines du groupe utilise le gaz depuis 2013. C’est également l’entreprise qui a installé la première station d’hydrogène intérieure d’Allemagne à l’usine de Leipzig. Le PaintShop de l’usine de Leipzig participe également à la mise à l’essai de l’utilisation de l’hydrogène dans la production de véhicules.
Moteurs à combustion d’hydrogène Volvo avec technologie d’injection directe haute pression (HPDI)
Les camions Volvo qui seront équipés d’un moteur à combustion d’hydrogène disposeront de la technologie d’injection directe haute pression (HPDI), ce qui signifie qu’une petite quantité de carburant d’allumage, injectée sous haute pression, peut permettre l’allumage par compression avant même que l’hydrogène ne soit ajouté. L’un des nombreux avantages de cette technologie est qu’elle conserve des niveaux élevés d’efficacité énergétique avec une consommation de carburant réduite. Elle garantit que la puissance du moteur n’est pas compromise dans le processus.
Le groupe Volvo a déjà signé un accord avec Westport Fuel Systems pour créer une coentreprise utilisant la technologie HPDI, qui est prévue d’être opérationnelle au deuxième trimestre 2024.
En détaillant la stratégie de Volvo concernant ses moteurs à hydrogène, Jan Hjelmgren, responsable de la gestion produit et de la qualité chez Volvo Trucks, a déclaré,
“Les camions, où le moteur à combustion interne traditionnel reste mais fonctionne à l’hydrogène, auront les mêmes performances et la même fiabilité que nos camions diesel, mais avec l’avantage supplémentaire d’émissions nettes de CO₂ potentiellement nulles du puits à la roue. Ils seront un complément précieux à nos camions électriques à batterie, qui sont sur le marché depuis plusieurs années.”
Les tests clients avec les camions Volvo utilisant l’hydrogène dans les moteurs à combustion commenceront en 2026, et les camions seront commercialisés vers la fin de cette décennie.
La technologie HPDI est un ajout transformateur à la façon dont nos systèmes de transport fonctionneront à l’avenir. Elle répond aux défis de conformité aux exigences réglementaires Euro 7 et EPA US pour les fabricants de camions et d’équipements hors route à l’échelle mondiale.
L’injecteur avec un design à double aiguille concentrique peut réduire 97 % des émissions de CO₂. C’est pourquoi les camions fonctionnant avec cette technologie peuvent être classés comme « véhicules à zéro émission » selon les nouveaux standards d’émission de CO₂ de l’UE. Les moteurs produiront également des quantités très faibles d’oxydes d’azote et de particules.
En 2023, les ventes nettes ajustées en fonction du taux de change du groupe Volvo ont augmenté de 11 % pour atteindre 552,8 milliards de SEK, et son résultat d’exploitation ajusté est passé à 77,6 milliards de SEK.
Moteur à combustion d’hydrogène développé en collaboration par Kia et Hyundai
Dans une initiative récente qui pourrait s’avérer pionnière, Kia et Hyundai, deux géants automobiles coréens, se sont associés pour concevoir un moteur à combustion d’hydrogène. Le moteur pourrait être prêt pour les voitures particulières d’ici 2025.
Les rapports indiquent que ce moteur peut potentiellement résoudre tous les problèmes de durabilité et de viabilité à grande échelle que les moteurs à hydrogène ont rencontrés jusqu’à présent. Le prototype est un moteur à hydrogène de 2 litres développant 180‑200 ch avec des courbes de couple et de puissance comparables à celles des moteurs à essence équivalents en taille. L’avantage est que le moteur à hydrogène offre de bien meilleures performances en consommation de carburant. Le moteur peut maintenir une haute efficacité thermique tout au long de son fonctionnement en injectant de l’hydrogène dans la chambre de combustion à une pression de 30 bars.
Pour augmenter la production du moteur, Hyundai et Kia ont également conclu des partenariats avec plusieurs fournisseurs. Par exemple, ils ont signé un protocole d’accord avec Next Hydrogen Corporation, une société canadienne spécialisée dans la technologie d’électrolyse de l’eau. Le développement d’un système d’électrolyse alcaline de l’eau améliorera la compétitivité prix de l’hydrogène propre pour Hyundai et Kia.
L’entreprise a également signé un accord avec W. L. Gore & Associates (Gore) pour développer conjointement une membrane échangeuse de polymère avancée (PEM) pour les systèmes de piles à combustible à hydrogène. La PEM facilite le transfert de protons entre les électrodes de la pile à combustible. Comme la PEM empêche la combinaison directe de l’hydrogène entrant et de l’oxygène, la conduction sélective des protons se produit, et, en retour, un courant électrique est généré pour alimenter un véhicule.
Selon Chang Hwan Kim, responsable du développement des batteries et du développement de l’hydrogène et des piles à combustible chez Hyundai Motor Company et Kia Corporation:
« Nous entrons dans le prochain chapitre de notre partenariat avec Gore. En tirant parti des 15 ans de collaboration, nous acquerrons une technologie avancée de piles à combustible et mènerons le marché des véhicules électriques à pile à combustible, accélérant ainsi la transition vers un avenir durable. »
Pour l’exercice 2023, Hyundai a enregistré un chiffre d’affaires annuel de 162 664 milliards de KRW, soit une hausse de plus de 14 % par rapport à son chiffre de 2022 de 142 152 milliards de KRW. En 2023, Kia a enregistré un chiffre d’affaires de 99 808 420 millions de KRW.
L’avenir des moteurs à combustion d’hydrogène s’annonce plus prometteur que jamais
Des véhicules particuliers aux camions, tous les principaux constructeurs automobiles mondiaux investissent autant de ressources et de recherches que possible pour faire des moteurs à combustion d’hydrogène l’option la plus viable pour un avenir carboneutre, durable et vert.
Outre le fait qu’ils offrent un environnement propre, ces moteurs sont supérieurs à bien des égards. Par exemple, ils éliminent le besoin d’une batterie lourde, caractéristique courante des VE. La pile de conversion hydrogène‑électricité est compacte et plus légère qu’une batterie lithium‑ion avec une chaîne motrice d’autonomie similaire. Il ne faut que 3 à 5 minutes pour ravitailler un moteur à combustion d’hydrogène, et sa densité énergétique est au moins trois fois supérieure à celle des batteries, tandis qu’avec un plein, ils peuvent parcourir 2 à 3 fois plus longtemps que la plupart des VE.
Ici, nous avons eu l’occasion d’examiner presque tous les principaux types de moteurs de la catégorie qui sont prêts à rompre les conventions. L’avenir pourrait être largement attendu d’être rempli de davantage d’innovations de pointe.
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