12/04/2022
IFPEN pleinement engagé dans la propulsion à hydrogène
Banc d'essai dédié au moteur à combustion d'hydrogène sur le site de Solaize
Dans son centre de Solaize, près de Lyon, IFP Energies nouvelles (IFPEN) a centralisé les moyens de développement de la propulsion à hydrogène, à la fois pour les piles à combustible et les moteurs à combustion, ces deux solutions présentant des avantages selon le moyen de transport ciblé.
À l'instar de nombreux acteurs de l'industrie automobile, l’IFPEN estime que la propulsion par hydrogène permet de décarboner les moyens de transport routiers lourds tels que les camions, bus ou véhicules utilitaires légers. L'emploi de l'hydrogène abaisserait de 80 % les émissions de gaz à effet de serre des camions par rapport à ceux des diesels. Les deux solutions que sont la pile à combustible et le moteur à combustion offrent des niveaux d’émissions similaires, l’empreinte de la première devant être réduite lors de la fabrication et la consommation de carburant de la seconde devant être abaissée car elle est 10 à 20 % supérieure à celle avec pile.
Les moteurs thermiques offrent un coût compétitif car la technologie est mature, l’emploi de métaux précieux infime et les investissements limités. Par ailleurs, ils ne nécessitent pas l'utilisation d'un hydrogène de grande pureté, un Grade 2 (99 % d’hydrogène) étant suffisant contre un Grade 5 (99,999 % d’hydrogène) pour la pile.
Concernant les moteurs thermiques des poids lourds, les constructeurs ont le choix entre minimiser les investissements, en reprenant notamment le développement déjà opéré pour le gaz naturel (injection indirecte, sièges de soupape spécifiques, etc.) ou modifier un plus grand nombre de composants afin de réduire la consommation. Dans ce dernier cas, IFPEN vise un rendement indiqué de 47 %, soit une amélioration de 5 points par rapport aux moteurs allumage commandé, en optant pour une combustion en mélange pauvre (lambda entre 1,6 et 2), une injection directe et une turbosuralimentation adaptée.
« Nous estimons que des camions prototypes intégrant un moteur à combustion d’hydrogène devraient voir le jour à horizon 2022-2023 » commente Bertrand Gatellier, responsable du programme Motorisations et Systèmes au sein d’IFPEN.
IFPEN participe à 2 projets du plan de relance piloté par le Comité d’orientation pour la recherche automobile et la mobilité (CORAM) : MH8 pour accélérer le décollage de la filière hydrogène dans le monde du poids lourd grâce à un coût d'usage proche des camions diesel et HYMOT pour démontrer la faisabilité de la décarbonation d’un véhicule utilitaire par conversion de son moteur à combustion interne à l’hydrogène. Par ailleurs grâce à deux partenariats, l'Institut français participe à l'enrichissement des bases de données de l’outil de simulation Simcenter Amesim de Siemens et de celles de modélisation 3D de la combustion du logiciel Converge.
L'organisme dispose d'un banc d'essai dédié au moteur à combustion d'hydrogène sur son site de Solaize et depuis peu d’un nouveau pour les systèmes à piles à combustible acceptant une puissance allant jusqu’à 210 kW, soit le plus puissant de France. Cette valeur est suffisante pour le transport routier lourd puisque la puissance totale d'un poids lourd sera obtenue par l'emploi de plusieurs piles à hydrogène. Ces 2 bancs juxtaposés permettent l’utilisation d’une infrastructure commune.
Une pile à combustible offre un rendement légèrement supérieur à celui du moteur à combustion d'hydrogène, mais celui-ci décroît avec l’augmentation de la charge, ce qui conduit à trouver un compromis entre puissance – donc coût – et consommation. Les défis concernant la pile (stack) et l’intégration des composants périphériques (BoP – Balance of Plant) sont encore nombreux et IFPEN va mener une série de tests portant sur la durabilité, l’autonomie, le refroidissement, les purges et le contrôle du fonctionnement des systèmes.
« Notre ambition est de pouvoir prédire le vieillissement des piles à combustible en conditions réelles d’utilisation. Il s’agit d’un enjeu central pour assurer la compétitivité de la technologie, et encore plus pour les véhicules lourds qui peuvent fonctionner pendant des dizaines de milliers d’heures. », explique Pierre Leduc, chef de projet Véhicules électrifiés et piles à combustible. La durée de vie des piles à combustible actuelles n’atteint que la moitié de celle des poids lourds.
Yvonnick Gazeau
À l'instar de nombreux acteurs de l'industrie automobile, l’IFPEN estime que la propulsion par hydrogène permet de décarboner les moyens de transport routiers lourds tels que les camions, bus ou véhicules utilitaires légers. L'emploi de l'hydrogène abaisserait de 80 % les émissions de gaz à effet de serre des camions par rapport à ceux des diesels. Les deux solutions que sont la pile à combustible et le moteur à combustion offrent des niveaux d’émissions similaires, l’empreinte de la première devant être réduite lors de la fabrication et la consommation de carburant de la seconde devant être abaissée car elle est 10 à 20 % supérieure à celle avec pile.
Les moteurs thermiques offrent un coût compétitif car la technologie est mature, l’emploi de métaux précieux infime et les investissements limités. Par ailleurs, ils ne nécessitent pas l'utilisation d'un hydrogène de grande pureté, un Grade 2 (99 % d’hydrogène) étant suffisant contre un Grade 5 (99,999 % d’hydrogène) pour la pile.
Concernant les moteurs thermiques des poids lourds, les constructeurs ont le choix entre minimiser les investissements, en reprenant notamment le développement déjà opéré pour le gaz naturel (injection indirecte, sièges de soupape spécifiques, etc.) ou modifier un plus grand nombre de composants afin de réduire la consommation. Dans ce dernier cas, IFPEN vise un rendement indiqué de 47 %, soit une amélioration de 5 points par rapport aux moteurs allumage commandé, en optant pour une combustion en mélange pauvre (lambda entre 1,6 et 2), une injection directe et une turbosuralimentation adaptée.
« Nous estimons que des camions prototypes intégrant un moteur à combustion d’hydrogène devraient voir le jour à horizon 2022-2023 » commente Bertrand Gatellier, responsable du programme Motorisations et Systèmes au sein d’IFPEN.
IFPEN participe à 2 projets du plan de relance piloté par le Comité d’orientation pour la recherche automobile et la mobilité (CORAM) : MH8 pour accélérer le décollage de la filière hydrogène dans le monde du poids lourd grâce à un coût d'usage proche des camions diesel et HYMOT pour démontrer la faisabilité de la décarbonation d’un véhicule utilitaire par conversion de son moteur à combustion interne à l’hydrogène. Par ailleurs grâce à deux partenariats, l'Institut français participe à l'enrichissement des bases de données de l’outil de simulation Simcenter Amesim de Siemens et de celles de modélisation 3D de la combustion du logiciel Converge.
Nouveau banc d'essai pour systèmes à pile à combustible
L'organisme dispose d'un banc d'essai dédié au moteur à combustion d'hydrogène sur son site de Solaize et depuis peu d’un nouveau pour les systèmes à piles à combustible acceptant une puissance allant jusqu’à 210 kW, soit le plus puissant de France. Cette valeur est suffisante pour le transport routier lourd puisque la puissance totale d'un poids lourd sera obtenue par l'emploi de plusieurs piles à hydrogène. Ces 2 bancs juxtaposés permettent l’utilisation d’une infrastructure commune.
Une pile à combustible offre un rendement légèrement supérieur à celui du moteur à combustion d'hydrogène, mais celui-ci décroît avec l’augmentation de la charge, ce qui conduit à trouver un compromis entre puissance – donc coût – et consommation. Les défis concernant la pile (stack) et l’intégration des composants périphériques (BoP – Balance of Plant) sont encore nombreux et IFPEN va mener une série de tests portant sur la durabilité, l’autonomie, le refroidissement, les purges et le contrôle du fonctionnement des systèmes.
« Notre ambition est de pouvoir prédire le vieillissement des piles à combustible en conditions réelles d’utilisation. Il s’agit d’un enjeu central pour assurer la compétitivité de la technologie, et encore plus pour les véhicules lourds qui peuvent fonctionner pendant des dizaines de milliers d’heures. », explique Pierre Leduc, chef de projet Véhicules électrifiés et piles à combustible. La durée de vie des piles à combustible actuelles n’atteint que la moitié de celle des poids lourds.
Yvonnick Gazeau
