Des moteurs à combustion interne (ICE) mais sans les émissions. L’idée est certainement séduisante. Conserver les mêmes moteurs à combustion interne (ICE) qui alimentent les voitures, les bus et les camions depuis plus d’un siècle, mais éliminer les émissions nocives et affectant le climat qui s’échappent du pot d’échappement. Actuellement, l’électrification est la principale voie vers la décarbonisation des transports, mais les solutions électriques à batterie posent de nombreux défis, ce qui signifie que l’adoption risque d’être un processus lent, IDTechEx estime que 11% de toutes les ventes de voitures en 2023 étaient entièrement électriques.
Les moteurs fonctionnant à l’hydrogène pourraient-ils conserver le meilleur des deux mondes, à savoir une technologie ICE familière et mature avec zéro émission ? Le rapport d’IDTechEx, «Hydrogen Internal Combustion Engines 2025-2045: Applications, Technologies, Market Status and Forecasts», explore les atouts de cette technologie potentiellement disruptive en matière d’émissions.
Aperçu des réactions chimiques impliquées dans un moteur à essence/diesel, un moteur à hydrogène et une pile à combustible à hydrogène. L’absence de carbone dans la combustion des moteurs à hydrogène élimine les émissions de CO2 (à l’exception des traces provenant de l’huile moteur). Source : IDTechEx.
Un carburant sans carbone, donc pas de carbone dans l’échappement ?
La combustion est une réaction chimique à haute température entre un carburant et un oxydant (dans le cas des moteurs, il s’agit de l’oxygène atmosphérique). Dans un moteur à combustion interne classique alimenté à l’essence ou au diesel, l’hydrocarbure réagit avec l’oxygène et l’azote de l’air à haute température pour produire de la chaleur, de la vapeur d’eau, du dioxyde de carbone et des oxydes nitreux. Aucun carbone n’est présent dans la réaction chimique lors du passage à un carburant à hydrogène pur ; par conséquent, aucun CO2 n’est formé et émis dans l’atmosphère. Il y a cependant une légère réserve à ce zéro CO2. Les recherches d’IDTechEx indiquent qu’une petite quantité d’huile moteur sera brûlée dans un moteur à combustion interne. L’huile moteur est essentielle pour lubrifier les pièces mobiles complexes et éviter les dommages causés par le contact métal-métal. La plupart des moteurs brûlent une petite quantité d’huile en raison de fuites ou de retours de flamme dans le système, et comme toutes les huiles moteur actuellement utilisées sont à base d’hydrocarbures, cela entraîne la production d’une petite quantité de CO2. Cependant, comparée à la quantité deCO2émise par un moteur à combustion interne classique, cette quantité est négligeable. IDTechEx estime que la combustion d’huile moteur dans un véhicule H2ICE produirait moins de 1 kg de CO2par 1 600 km, contre 272 kg dans un véhicule ICE classique. Ainsi, un H2ICE produirait environ 99,7% d’émissions de CO2 en moins qu’un ICE classique.
Les recherches d’IDTechEx décrivent les paramètres clés du moteur et leurs impacts en aval sur la formation de NOx thermique. Le NOx est un polluant clé préoccupant pour le H2ICE, et les émissions d’échappement doivent être maintenues aussi basses que possible pour que le H2ICE offre des réductions d’émissions crédibles. Source : IDTechEx.
Les oxydes d’azote représentent le plus grand défi
Bien que le carburant ne contienne pas de carbone, la combustion de l’hydrogène provoque des températures très élevées dans la chambre de combustion, ce qui entraîne la formation d’oxyde nitrique. Les oxydes d’azote (NOx) sont reconnus depuis des décennies comme des gaz à effet de serre (GES) et nocifs pour la qualité de l’air. Des réglementations de plus en plus strictes sur les émissions autorisées de NOx au niveau des pots d’échappement ont été mises en œuvre à l’échelle mondiale, car les effets nocifs du NOx sont devenus plus évidents. Pour que le H2ICE ait des réductions d’émissions crédibles, il doit également montrer qu’il peut réduire considérablement les émissions de NOx. La formation de NOx thermiques (NOx formés lors de combustions à haute température) est une interaction très complexe de facteurs et de paramètres moteur.
IDTechEx décompose chacun de ces facteurs à tour de rôle dans le rapport, en examinant les dernières recherches universitaires et les tendances de l’industrie telles que :
- Influence du rapport air-carburant sur la formation de NOx et raison pour laquelle l’industrie tend vers des conceptions d’allumage par étincelle à combustion pauvre (SI).
- Impact du régime moteur sur la formation de NOx en raison de la pression et du temps de réaction.
- Applicabilité du post-traitement des gaz d’échappement à allumage par compression (CI) et SI existants aux moteurs à hydrogène.
- Principes de performance et de fonctionnement des convertisseurs catalytiques à 2 et 3 voies, de la réduction catalytique sélective, des pièges à NOx pauvres et de la recirculation des gaz d’échappement (EGR).
- Données de performances réelles pour les véhicules H2ICE existants.
- Contextualisation des émissions de NOx du H2ICE avec les limites d’échappement historiques et actuelles (g/km et g/kWh) dans les régions clés.
- Discussion sur les émissions pour les secteurs au-delà du transport routier, y compris l’aviation.
Aperçu des couleurs de l’hydrogène. L’hydrogène n’est pas facilement disponible dans la nature, il doit donc être produit, et la méthode de production est essentielle pour déterminer les émissions du cycle de vie d’un moteur à combustion interne à hydrogène. Seul l’hydrogène vert ou jaune offre des émissions de CO2 proches de zéro tout au long de sa production. Source : IDTechEx.
En matière d’hydrogène, la couleur est essentielle
Bien que l’hydrogène injecté dans le moteur puisse être sans carbone, ses émissions globales tout au long de son cycle de vie dépendent grandement de son origine. Dans l’industrie de l’hydrogène, la « couleur » de l’hydrogène est utilisée pour désigner la méthode de production. Parmi l’arc-en-ciel de couleurs disponibles, l’hydrogène vert et jaune sont les seules sources véritablement renouvelables. Cependant, ces dernières sont actuellement à la fois difficiles à acquérir et excessivement chères, en partie à cause des faibles taux de conversion en efficacité énergétique. 3 kWh d’électricité renouvelable produisent environ 1 kWh d’hydrogène utilisable. Pour être injecté dans un moteur, il doit ensuite être comprimé, transporté, stocké, distribué et enfin brûlé dans un moteur thermique à efficacité thermique limitée. Il en résulte de nombreuses inefficacités énergétiques, qui amplifient les émissions liées à la production. Si les émissions produites pour l’hydrogène vert sont minimes, cela devient un facteur majeur pour les autres couleurs d’hydrogène.
Dans le rapport « Hydrogen Internal Combustion Engines 2025-2045 : Applications, Technologies, Market Status and Forecasts », IDTechEx évalue les émissions globales du cycle de vie d’un véhicule H2ICE, notamment :
- Émissions estimées de CO2 de l’hydrogène vert, bleu et gris (en g/km).
- Comparaison avec un véhicule électrique à pile à combustible (FCEV, véhicule électrique à hydrogène) sur les mêmes couleurs d’hydrogène.
- Comparaisons de référence entre un véhicule diesel/essence et un véhicule électrique à batterie chargé dans le cadre d’une gamme de scénarios de réseau.
