Moteurs à combustion d’hydrogène
La combustion de l’hydrogène s’est imposée comme l’une des options de carburant les plus prometteuses, offrant une valeur environnementale et des performances significatives. La conception de ces moteurs remonte à plus de quarante ans.
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 lors, cette technologie a considérablement progressé dans sa capacité à alimenter des véhicules, des voitures et des autobus. 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 une turbine à gaz modifiée pour générer une poussée. Ce processus reflète la combustion interne traditionnelle, mais l’hydrogène remplace son homologue fossile.
Compte tenu de son utilisation et de son importance croissantes, les spéculations vont bon train quant à l’avenir le plus prometteur des moteurs à combustion interne. Dans les sections suivantes, nous examinerons cinq moteurs à combustion d’hydrogène qui sont tous prêts à sortir des sentiers battus.
Moteur à hydrogène Cummins de 15 litres
La plateforme du moteur Cummins de 15 litres, dont nous parlons, est fondamentalement agnostique en matière de carburant. Elle est compatible avec l’hydrogène, le gaz naturel et le diesel. Mais lorsqu’elle est déployée avec de l’hydrogène, elle peut véritablement briser le moule en devenant la meilleure version de sa gamme de capacités de carburant à faible teneur en carbone (jusqu’à zéro) et en accélérant la décarbonisation des applications lourdes hors route à leur niveau optimal.
Antonio Leitao, vice-président de Cummins Global Off-highway Engine Business, s’est exprimé sur cette spécialité :
“La toute nouvelle plate-forme de Cummins porte la combustion interne à un nouveau niveau, capable de répondre aux futures normes d’émissions ultra-faibles, telles que les normes EPA Tier 5 et EU Stage 6, ainsi qu’à une capacité de carburant à faible teneur en carbone, afin d’aider les sites de construction et d’exploitation de carrières à s’engager sur la voie de la décarbonisation à moindres coûts. Le moteur de 15 litres offre une densité de puissance nettement supérieure et une enveloppe d’installation plus compacte, ce qui permet aux fabricants d’équipements d’en faire plus avec leurs machines.
En ce qui concerne le moteur à hydrogène, il s’agit d’un moteur à injection directe, à combustion pauvre, d’une puissance de 400 à 530 ch (298-395 kW) et d’un couple maximal de 2 600 N-m. Alimenté par de l’hydrogène vert sans émission de carbone, il peut utiliser un système de stockage de carburant à haute capacité et à pression de 700 bars pour un maximum d’heures de fonctionnement entre deux ravitaillements.
La version devrait être pleinement produite d’ici 2027. L’entreprise produira ces moteurs avec des cylindrées de 15 litres et de 6,7 litres.
Le moteur a été validé par les parties prenantes de l’industrie dès ses premiers jours. En janvier 2022, Werner Enterprises (Nasdaq : WERN), l’un des principaux fournisseurs de services de transport et de logistique, a décidé de commencer à valider et à intégrer les moteurs à combustion interne à hydrogène de 15 litres de Cummins dans ses véhicules.
Moteurs V8 5,0 litres 100 % hydrogène de Yamaha pour Toyota
Toyota Motor Corporation a chargé Yamaha Motor de 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 en collaboration afin d’explorer et d’élargir la gamme d’options de carburant pour les moteurs à combustion interne adaptés à la neutralité carbone.
Le président de Yamaha Motor, Yoshihiro Hidaka, a déclaré à propos de ce développement :
“Les moteurs à hydrogène ont le potentiel d’être neutres en carbone tout en entretenant notre passion pour le moteur à combustion interne. C’est en faisant équipe avec des sociétés aux cultures d’entreprise et aux domaines d’expertise différents, et en augmentant le nombre de nos partenaires, que nous voulons montrer la voie à suivre pour l’avenir.”
Lors de la présentation du moteur, le V8 de 5,0 litres semblait être basé sur le moteur de 5,0 litres du coupé sport de luxe Lexus RC F, modifié au niveau des injecteurs, des culasses, du collecteur d’admission, etc. Le moteur pourrait délivrer jusqu’à 450 ch à 6 800 tr/min et un couple maximal de 540 Nm à 3 600 tr/min. Le moteur V8 haute performance de 5,0 litres à 90 degrés et DACT 32 soupapes a été converti par Yamaha pour fonctionner à l’hydrogène.
Selon son rapport annuel pour 2023, Yamaha a enregistré un chiffre d’affaires consolidé de 451,4 milliards de yens pour l’ensemble du groupe, avec un bénéfice d’exploitation de 45,9 milliards de yens.
Le moteur à hydrogène de la BMW iX5 
BMW teste son futur véhicule depuis 2023. Des températures allant jusqu’à 45°C au sable, à la poussière, à diverses inclinaisons et à des niveaux d’humidité fluctuants, l’entreprise a tout testé. La société estime également que sa technologie de pile à combustible à hydrogène est adaptée à une utilisation quotidienne à des températures extrêmes inférieures à zéro.
Plus précisément, le système de pile à combustible de la BMW iX5 Hydrogen peut fournir en permanence une puissance élevée de 125 kW/170 ch.
Toyota Motor Corporation a été chargé de fabriquer les différentes cellules pour le BMW Group. L’usine BMW Group de Landshut fabrique le boîtier de la pile, qui vient en deuxième position dans le 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 fournissent une puissance de 125 kW/170 ch sont une combinaison innovante issue de la gamme Gen-5 des technologies BMW eDrive de BMW Group et d’une batterie spécialement développée. L’ensemble est capable d’offrir une puissance allant jusqu’à 285 kW/401 ch.
BMW Group a également été chargé de développer les composants dédiés à l’hydrogène, notamment le compresseur à haute résolution avec turbine et la pompe à liquide de refroidissement à 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 la BMW iX5 Hydrogen sont capables de contenir un total de 6 kg de gaz et d’offrir au système une autonomie de 504 km en cycle WLTP.
Les groupes BMW considèrent également le moteur iX5 comme l’avenir du ravitaillement en carburant, car le ravitaillement en hydrogène est plus rapide que la recharge d’une voiture électrique à batterie.
L’association de BMW avec l’hydrogène a été globale. L’usine de logistique 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. L’atelier de peinture de l’usine de Leipzig participe également à l’expérimentation de l’utilisation de l’hydrogène dans la production de véhicules.
En 2023, BMW Group a déclaré un chiffre d’affaires annuel d’environ 155,5 milliards d’euros, soit une augmentation de 9 % par rapport au chiffre de 2022, qui s’élevait à près de 143 millions d’euros.
Moteurs Volvo à combustion d’hydrogène avec technologie d’injection directe à haute pression (HPDI)
Les camions Volvo équipés d’un moteur à combustion d’hydrogène seront dotés de la technologie d’injection directe à haute pression (HPDI), ce qui signifie qu’une petite quantité de carburant d’allumage, injectée à 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 permet de conserver des niveaux élevés d’efficacité énergétique tout en réduisant la consommation de carburant. 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 établir une coentreprise utilisant la technologie HPDI, qui devrait être opérationnelle au deuxième trimestre 2024.
En développant la stratégie de Volvo avec ses moteurs à hydrogène, Jan Hjelmgren, responsable de la gestion des produits et de la qualité chez Volvo Trucks, a déclaré ce qui suit,
“Les camions, dont le moteur à combustion interne traditionnel est conservé 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 début à la fin du trajet. Ils constitueront un complément précieux à nos camions électriques à batterie, qui sont sur le marché depuis plusieurs années.”
Les essais en clientèle des camions Volvo utilisant de l’hydrogène dans les moteurs à combustion débuteront 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 permet de répondre aux exigences réglementaires de la norme Euro 7 et de l’EPA pour les constructeurs de camions et d’équipements non routiers du monde entier.
L’injecteur à double aiguille concentrique permet de réduire de 97 % les émissions de CO2. C’est pourquoi les camions équipés de cette technologie peuvent être classés dans la catégorie des “véhicules à émissions nulles”, conformément aux nouvelles normes européennes en matière d’émissions de CO2. Les moteurs produiront également de très faibles quantités d’oxydes d’azote et de particules.En 2023, le chiffre d’affaires net ajusté du Groupe Volvo a augmenté de 11 % pour atteindre 552,8 milliards de couronnes suédoises, et son résultat d’exploitation ajusté s’est amélioré pour atteindre 77,6 milliards de couronnes suédoises.
Un moteur à combustion d’hydrogène développé en collaboration par Kia et Hyundai
Kia et Hyundai, deux géants coréens de l’automobile, ont fait équipe pour concevoir un moteur à combustion d’hydrogène. Ce moteur pourrait être prêt pour les voitures particulières d’ici 2025.
Les rapports suggèrent que ce moteur peut potentiellement résoudre tous les problèmes de durabilité et de viabilité à grande échelle auxquels les moteurs à hydrogène ont été confrontés jusqu’à présent. Le prototype est celui d’un moteur à hydrogène de 2 litres de 180 à 200 chevaux dont les courbes de couple et de puissance sont comparables à celles des moteurs à essence équivalents en taille. L’avantage est que le moteur à hydrogène est bien meilleur en termes de consommation de carburant. Le moteur peut maintenir un rendement thermique élevé tout au long de son fonctionnement en infusant 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 quelques fournisseurs. Par exemple, ils ont signé un protocole d’accord avec Next Hydrogen Corporation, une entreprise canadienne spécialisée dans la technologie de l’électrolyse de l’eau. Le développement d’un système d’électrolyse de l’eau alcaline améliorera la compétitivité du 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 électrolytique polymère (PEM) avancée 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 le PEM bloque la combinaison directe de l’hydrogène et de l’oxygène entrants, la conduction sélective des protons se produit et, à son tour, 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 entamons le prochain chapitre de notre partenariat avec Gore. En tirant parti de nos 15 années de collaboration, nous allons acquérir une technologie de pointe en matière de piles à combustible et prendre la tête du marché des véhicules électriques à pile à combustible, accélérant ainsi le mouvement vers un avenir durable.”
Pour l’exercice 2023, Hyundai a enregistré un revenu annuel de 162,664 milliards de KRW, soit une augmentation de plus de 14 % par rapport à son revenu 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 est plus prometteur que jamais
Des véhicules particuliers aux camions, tous les grands constructeurs automobiles mondiaux investissent autant de ressources et de recherches que possible pour faire des moteurs à combustion d’hydrogène la meilleure option possible pour un avenir neutre en carbone, durable et vert.
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Outre le fait qu’ils nous offrent un environnement propre, ces moteurs sont supérieurs à bien d’autres égards. Par exemple, ils éliminent la nécessité d’un bloc-batterie lourd, caractéristique commune aux véhicules électriques. Le convertisseur hydrogène-électricité est compact et plus léger qu’une batterie lithium-ion pour une autonomie similaire. Il ne faut que 3 à 5 minutes à un moteur à combustion à hydrogène pour faire le plein, et sa densité énergétique est au moins 3 fois supérieure à celle des batteries, tandis qu’entre deux pleins, il peut rouler 2 à 3 fois plus longtemps que la plupart des véhicules électriques.
Ici, nous avons eu la chance d’examiner presque tous les principaux types de moteurs de la catégorie qui s’apprête à changer la donne. On peut s’attendre à ce que l’avenir soit riche en innovations de pointe.
