Les moteurs à combustion d’hydrogène semblent de plus en plus viables avec le secteur des transports en pleine mutation

Avec la montée en puissance des réglementations limitant les émissions de CO₂ à l’échelle mondiale, la quête d’une mobilité durable nous a conduits vers l’hydrogène comme carburant alternatif. 

L’hydrogène (H) s’est imposé comme une option prometteuse grâce à sa capacité à brûler sans aucune émission de gaz à effet de serre. Cet élément combustible est incolore, insipide, inodore et possède une densité énergétique relativement élevée, ce qui signifie que l’hydrogène contient beaucoup d’énergie par unité de volume, en faisant une source de carburant excellente pour les véhicules. 

Cet élément le plus léger suscite un intérêt considérable de la part du secteur des transports pour alimenter les véhicules électriques via des piles à combustible. Cependant, les moteurs à combustion interne d’hydrogène (HICE) sont maintenant explorés afin d’atteindre zéro émission. Mais de quoi s’agit‑il exactement ?

Qu’est‑ce que la combustion d’hydrogène ?

L’hydrogène est un élément chimique, et la combustion est un processus chimique qui libère de l’énergie à partir d’un mélange carburant‑air. La combustion de l’hydrogène, qu’il soit sous forme liquide ou gazeuse, génère une force. 

En raison de sa large plage d’inflammabilité, l’hydrogène est bien adapté à la combustion. Il offre une excellente économie de carburant et possède une haute température d’auto‑allumage, permettant des rapports de compression plus élevés qui réduisent les pertes d’énergie pendant la combustion. De plus, une température finale de combustion plus basse minimise le nombre de polluants émis par les gaz d’échappement.

Comment fonctionne réellement ce moteur à combustion propre dans un véhicule ? 

L’hydrogène, contrairement à l’essence liquide, est un gaz qui nécessite un système d’alimentation spécial. À cet effet, des réservoirs de stockage à haute pression contiennent le gaz d’hydrogène, assurant un stockage suffisant pour répondre aux besoins d’un trajet. 

Une vanne de contrôle, quant à elle, régule le flux de gaz vers le collecteur d’admission du moteur, garantissant un mélange air‑carburant optimal pour une combustion efficace. Au cours du processus d’admission, le carburant est mélangé à l’air et introduit dans le cylindre.

Pour obtenir une combustion propre et efficace, un mélange air‑carburant adéquat est nécessaire. Les moteurs à combustion d’hydrogène utilisent des systèmes d’injection de carburant sophistiqués afin de minimiser les émissions nocives et d’optimiser la puissance délivrée.

Le piston comprime le mélange approprié de carburant et d’air, puis des bougies à haute énergie l’enflamment, entraînant la combustion. Comme l’hydrogène brûle rapidement et libère une chaleur importante, les gaz de combustion se dilatent rapidement.

Ces gaz en expansion poussent le piston, dont le mouvement est converti en puissance de rotation via le vilebrequin. Cette force propulse ensuite les roues, faisant avancer le véhicule. 

Ce processus illustre l’expérience de conduite plus propre et plus puissante que les moteurs à combustion d’hydrogène peuvent offrir, promettant un avenir de transport plus durable. Cependant, la vitesse rapide et les hautes températures dans les moteurs à combustion interne d’hydrogène (HICE) sont obtenues grâce à des matériaux compatibles avec l’hydrogène, à une conception avancée du moteur et à une technologie d’injection de carburant innovante.

En quoi cela diffère‑t‑il des piles à combustible à hydrogène ? 

L’hydrogène est utilisé dans le secteur des transports de deux manières distinctes : via les piles à combustible et les moteurs à combustion. Bien que les deux processus utilisent l’hydrogène à zéro carbone, ils l’exploitent différemment pour propulser les véhicules.

Comme indiqué précédemment, les moteurs à combustion d’hydrogène produisent de l’énergie en brûlant l’hydrogène, à l’instar des moteurs traditionnels. Ici, l’hydrogène est mélangé à l’air pour créer une explosion contrôlée, générant une énergie mécanique qui propulse le véhicule. 

Les piles à combustible et les véhicules à hydrogène, quant à eux, convertissent l’hydrogène en électricité via un processus chimique. Dans ce processus, un dispositif électrochimique transforme l’hydrogène et l’oxygène en électricité, chaleur et vapeur d’eau. Plus précisément, il génère de l’électricité en séparant l’hydrogène en un proton et un électron. Cette électricité alimente ensuite un moteur électrique qui entraîne le véhicule.  

Les véhicules à pile à combustible (FCEV) sont plus efficaces à faibles charges, tandis que les moteurs à combustion d’hydrogène performent mieux sous des charges plus lourdes. Cela fait des HICE un meilleur choix pour les camions lourds qui transportent de grosses charges la plupart du temps. En revanche, les voitures, bus et dépanneuses pourraient davantage bénéficier des piles à combustible, car ils fonctionnent généralement à des charges bien plus faibles. 

Cependant, étant donné que les deux utilisent l’hydrogène, ils produisent des émissions similaires. Les véhicules à pile à combustible ne génèrent aucune émission, tandis que les moteurs à combustion d’hydrogène émettent des traces quasi nulles de CO₂, bien qu’ils puissent produire des NOx ou oxydes d’azote. De plus, les moteurs à hydrogène peuvent fonctionner avec de l’hydrogène de qualité inférieure, ce qui permet des cas d’utilisation spécifiques.

Les moteurs à combustion interne d’hydrogène sont utilisés depuis des décennies et ne nécessitent pas de changement d’infrastructure. Ainsi, pour les constructeurs automobiles, passer à un moteur à hydrogène est moins contraignant grâce à l’utilisation de technologies existantes. Les piles à combustible, en revanche, sont plus légères, plus silencieuses et reconnues pour leur haute efficacité. Elles convertissent jusqu’à 60 % de l’énergie stockée dans l’hydrogène en énergie électrique.

Parce qu’elles fonctionnent à une température plus basse que les moteurs à combustion, les piles à combustible présentent également un risque moindre d’incendie ou d’explosion. Cependant, étant une technologie relativement nouvelle, les piles à combustible sont une option plus coûteuse que les moteurs à combustion d’hydrogène.

Cela ne signifie pas qu’elles sont en concurrence, mais plutôt que les HICE et les FCEV se complètent. Après tout, les deux reposent sur la même chaîne de production, de stockage, de transport et de distribution de l’hydrogène et participent à la réduction des émissions de transport vers zéro.

Peser les avantages et les inconvénients de la combustion d’hydrogène

Ainsi, l’utilisation de l’hydrogène présente clairement des avantages significatifs, mais qu’en est‑il de la combustion d’hydrogène en particulier ? Comme indiqué précédemment, le principal bénéfice réside dans l’impact environnemental des HICE. 

Ces moteurs sont reconnus pour produire un sous‑produit propre, principalement de la vapeur d’eau, offrant un avantage considérable par rapport aux moteurs à essence traditionnels. En plus de contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les moteurs à combustion d’hydrogène affichent une efficacité thermique beaucoup plus élevée, autour de 45 % contre moins de 40 % pour les moteurs diesel et moins de 30 % pour les moteurs à essence.

Un autre avantage majeur des HICE est qu’ils peuvent être construits en utilisant la technologie existante des moteurs à combustion interne, il n’est donc pas nécessaire de créer une infrastructure supplémentaire ni de former à nouveau la main‑d’œuvre. De plus, l’élément lui‑même peut être produit à partir de diverses sources telles que la biomasse, l’électrolyse de l’eau et le gaz naturel, ce qui le rend capable de répondre à la demande croissante d’énergie propre. 

Le cas de l’hydrogène comme carburant est certes solide, mais cela ne signifie pas qu’il n’existe aucun problème. En fait, les moteurs à combustion d’hydrogène rencontrent plusieurs défis qui doivent être abordés. 

Pour commencer, il faut de grands espaces de stockage pour les réservoirs d’hydrogène, ce qui ajoute un poids substantiel au véhicule. Cela augmente naturellement le risque d’usure, réduisant ainsi la durée de vie du véhicule. Le carburant brûle également assez facilement, ce qui entraîne des risques pour les pièces du moteur. La manipulation de l’hydrogène n’est pas non plus simple. C’est un processus long et énergivore.

Par ailleurs, sa densité énergétique est moindre, ce qui signifie que la puissance générée est relativement inférieure à celle des moteurs à combustion conventionnels. Comparé à d’autres carburants comme l’essence, qui nécessite un rapport de compression de 8 : 1, les moteurs à combustion d’hydrogène requièrent 40 : 1, ce qui pose un autre problème. Sans oublier que la production en série de ces moteurs est une tâche coûteuse.

Alors que l’hydrogène est choisi pour ses faibles émissions, le moteur à combustion crée tout de même une empreinte carbone car il engendre certaines émissions de NOx, annulant ainsi le but même de ces moteurs. Par conséquent, il est important de gérer la chaleur et les éventuelles émissions résiduelles via des systèmes de post‑traitement.

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Les moteurs à combustion d’hydrogène sont‑ils l’avenir ?

Les moteurs à combustion d’hydrogène (HICE) existent depuis des décennies. Le premier avion commercial expérimental au monde fonctionnant à l’hydrogène liquide, le Tupolev Tu‑155, a décollé en 1988. Cela montre que les HICE ne sont pas aussi récents que l’on pourrait le penser. 

Bien qu’ils n’aient pas connu d’adoption massive au fil des ans, les HICE ont récemment suscité un regain d’intérêt de la part de grandes marques automobiles, dont Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki et Volvo. Même le secteur aéronautique explore la combustion d’hydrogène. Airbus, par exemple, collabore avec des partenaires de divers secteurs pour son avion concept ZEROe, qui est conçu pour fonctionner à la combustion d’hydrogène. 

L’intérêt pour les moteurs à combustion d’hydrogène dans le secteur des transports augmente, mais pour l’instant, ils font face à une concurrence intense de la part des véhicules électriques (VE). 

Alors que les HICE produisent des émissions quasi nulles, les VE dépendent de l’électricité pour fonctionner et, de ce fait, affichent zéro émission d’échappement. Les VE bénéficient également d’une efficacité énergétique supérieure à celle des HICE, qui perdent une partie de l’énergie lors du processus de combustion.

Bien que les VE nécessitent une nouvelle infrastructure, le nombre de stations de recharge augmente rapidement. Les stations de ravitaillement en hydrogène, en revanche, restent rares, même si le remplissage d’une voiture à hydrogène est plus rapide que la recharge d’une voiture électrique. 

Des entreprises comme BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo et bien d’autres ont réalisé d’importants progrès dans le domaine des VE. Le marché des véhicules électriques (VE) était estimé à environ 384 milliards de dollars en 2022, tandis que le marché mondial des moteurs à combustion interne d’hydrogène (HICE) est prévu d’atteindre 35 milliards de dollars d’ici 2030.

Les constructeurs automobiles expérimentent désormais la technologie de combustion d’hydrogène, mais les progrès sont relativement lents comparés aux avancées des VE. L’industrie doit surmonter de nombreux obstacles de production, comme le coût, ce qui signifie que les VE continueront de dominer le secteur des transports pour le moment. Cependant, les HICE pourraient devenir une partie importante du mix énergétique des transports dans un avenir proche. 

L’hydrogène ne peut tout simplement pas être ignoré comme carburant, et les HICE ont un rôle crucial à jouer dans l’avenir d’une mobilité durable. Cependant, pour que cela soit possible, le soutien gouvernemental et les avancées technologiques sont nécessaires.

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Développements récents dans le domaine des HICE

Au cours de la dernière décennie, la décarbonation est devenue extrêmement importante pour les pays et les entreprises du monde entier. Le secteur des transports est particulièrement crucial, puisqu’il représente 10 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. 

Selon les accords de Paris (COP21) et de Glasgow (COP26), la technologie de propulsion des transports doit réduire rapidement le CO₂. Pour cela, il faut une solution efficace, mais aucune n’offre toutes les réponses. Un mélange de solutions différentes peut réellement aider à atténuer les problèmes de façon plus efficace. Cela inclut les moteurs à combustion d’hydrogène, qui nécessitent des changements minimes dans l’architecture actuelle des véhicules.

En tant qu’option logique et très efficace, les HICE connaissent une forte traction et des avancées. Récemment, des chercheurs de l’Université de l’Alberta ont mis au point un nouveau matériau de revêtement qui semble prometteur pour les moteurs à combustion d’hydrogène. Le nouvel alliage concentré complexe, AlCrTiVNi5, possède des propriétés thermomécaniques supérieures, notamment une faible expansion, une haute stabilité, une tolérance à la fracture et la capacité de résister à des températures élevées ainsi qu’à des environnements à haute pression.

En comparant le nouveau revêtement aux alliages commercialement disponibles, les chercheurs ont constaté qu’AlCrTiVNi5 survivait « à des environnements corrosifs pendant jusqu’à 100 heures à 900 °C » et « surpasse tout ce qui est actuellement sur le marché », ouvrant ainsi la voie à l’avancement de l’économie de l’hydrogène.

Plus tôt ce mois‑ci, Toyota a également annoncé que, afin de rendre la combustion d’hydrogène viable, il a créé un moteur à combustion interne capable de fonctionner avec du carburant synthétique, du biodiesel, de l’essence et de l’hydrogène. Pour y parvenir, les ingénieurs ont utilisé un moteur de 1,6 L provenant de la voiture de course GR Corolla, ce qui a aidé l’entreprise à surmonter le défi d’équilibrer l’efficacité thermique. Ses nouveaux moteurs sont 10 % à 20 % plus petits mais plus puissants.

Selon le PDG de Toyota, Koji Sato, l’hydrogène est l’avenir, et l’entreprise est :

« Développer ce moteur dans le cadre de ses efforts pour atteindre la neutralité carbone et promouvoir l’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie propre et renouvelable. »

Ce développement autour de l’hydrogène se produit partout dans le monde. Fin de l’année dernière, le plus grand constructeur automobile d’Inde, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), a dévoilé des installations R & D comprenant une cellule d’essai moteur pour le développement de HICE ainsi que l’infrastructure de stockage et de distribution du carburant hydrogène.

Cette année, Tata a collaboré avec le géant américain Cummins pour créer une usine de fabrication en Inde destinée aux HICE pour les véhicules commerciaux moyens et lourds. Cela fait suite à la coentreprise annoncée l’an dernier, qui prévoyait d’investir 424 millions de dollars dans l’usine afin de produire 4 000 moteurs H2 par an et 10 000 systèmes de batteries.

Entreprises développant des moteurs à combustion d’hydrogène

Maintenant, jetons un œil à quelques grands noms du secteur : 

#1. Honda

Ce constructeur automobile s’est activement engagé dans les moteurs à combustion d’hydrogène via un projet collaboratif appelé HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) avec Toyota, Yamaha, Kawasaki et Suzuki pour explorer le potentiel des HICE. Initialement sceptique quant à la faisabilité de la technologie, Honda a développé le « HySE‑X1 », qui intègre un moteur à hydrogène de 1,6 L à quatre cylindres. 

Honda est une entreprise dont la capitalisation boursière s’élève à 56,188 milliards de dollars, dont les actions s’échangent actuellement à 31,93 $, en hausse de 3,25 % depuis le début de l’année. Le chiffre d’affaires (TTM) de la société a atteint 130 milliards de dollars, un BPA (TTM) de 7,37, un PER (TTM) de 4,33 et un rendement du dividende de 4,19 %.

#2. Toyota

Ce constructeur automobile japonais utilise l’hydrogène comme carburant depuis plusieurs décennies. Ses véhicules à combustion d’hydrogène comprennent la GR Corolla H2 et la GR Yaris H2. Toyota a également participé aux courses d’endurance Super Taikyu pour accélérer le développement de ses véhicules. Cette semaine, Toyota a présenté ses nouveaux moteurs capables de fonctionner avec différents carburants, dont l’hydrogène.

Toyota est une entreprise dont la capitalisation boursière s’élève à 314 milliards de dollars, dont les actions s’échangent actuellement à 198,86 $, en hausse de 8,53 % depuis le début de l’année. Le chiffre d’affaires (TTM) de la société a atteint 287 milliards de dollars, un BPA (TTM) de 24,18, un PER (TTM) de 8,22 et un rendement du dividende de 2,45 %.

Conclusion

Il est clair que les moteurs à combustion d’hydrogène offrent de grands avantages en termes de réduction de l’impact environnemental, d’utilisation de l’infrastructure existante et d’efficacité thermique élevée. Mais bien sûr, les HICE à eux seuls ne pourront pas assurer une mobilité durable. Au contraire, grâce à un mélange de solutions, nous pouvons atteindre un environnement plus sûr. Dans ce mélange, les HICE peuvent jouer un rôle crucial et aider à la transition loin des combustibles fossiles. 

Aujourd’hui, après des décennies de potentiel inexploité, les véhicules propulsés à l’hydrogène pourraient enfin être sous les projecteurs grâce à un regain d’intérêt, des investissements privés, le soutien gouvernemental et les avancées technologiques. 

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