Article

1 - MOTEUR THERMIQUE HYDROGÈNE : UN VECTEUR ESSENTIEL DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE

2 - THÉORIE DE LA COMBUSTION HYDROGÈNE

3 - APPLICATION AU MOTEUR À COMBUSTION INTERNE

4 - DOMAINES D’APPLICATION DU MOTEUR THERMIQUE HYDROGÈNE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : HY8580 v1

Le moteur à combustion hydrogène, un vecteur essentiel de la transition énergétique

Auteur(s) : David SERRANO, Bruno WALTER, Florence DUFFOUR

Date de publication : 10 juin 2024

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Présentation

RÉSUMÉ

L’hydrogène est considéré comme un vecteur énergétique essentiel pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans le secteur du transport lourd. Après un rapide éclairage sur la filière hydrogène et ses méthodes de production, l’article se focalise sur les propriétés physico-chimiques de l’hydrogène en tant que carburant, en mettant particulièrement l’accent sur son comportement lors de la combustion. Puis, ces propriétés sont déclinées en impact sur les technologies existantes des moteurs à combustion interne jusqu’à en établir un cahier des charges fonctionnel, intégrant les aspects sécurité. Les principaux acteurs de ce domaine, ainsi que leurs deux approches technologiques – la réadaptation de moteurs existants et le développement spécifique – sont également présentés.

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ABSTRACT

Hydrogen internal combustion engine, a path to the energy transition

Hydrogen is considered a relevant energy carrier to reduce greenhouse gas emissions in the transport sector, especially for heavy duty and off-road applications. After briefly exploring the hydrogen industry and its production methods, the article focuses on the physico-chemical properties of hydrogen as a fuel, with a particular emphasis on its behavior during combustion. Then, these properties are analyzed for their impact on existing internal combustion engine technologies, leading to the establishment of a functional specification, that also integrates safety considerations. The main players in this field, along with their two technological approaches – retrofitting existing engines and specific development – are also presented.

Auteur(s)

  • David SERRANO : Ingénieur École Nationale Supérieure d’Électricité et Mécanique et ENSPM - Ingénieur de recherche à IFP Énergies nouvelles, Direction Mobilité et Systèmes - Ingénieur Combustion Moteur thermique Hydrogène

  • Bruno WALTER : Ingénieur École Centrale de Nantes et ENSPM - Ingénieur de recherche à IFP Énergies nouvelles, Direction Mobilité et Systèmes - Responsable Études Moteur thermique Hydrogène

  • Florence DUFFOUR : Ingénieure Institut National des Sciences Appliquées de Rouen - Ingénieure de recherche à IFP Énergies nouvelles, Direction Mobilité et Systèmes - Cheffe de projet Combustion et Moteur thermique Hydrogène

INTRODUCTION

L’hydrogène est considéré comme une des solutions pour contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, et à la transition vers une économie bas-carbone, y compris dans le secteur du transport de personnes et de marchandises. En France, ce secteur est responsable à lui seul de près d’un tiers des émissions de CO2 . L’avantage clé de l’hydrogène est son potentiel zéro-émission lors de son utilisation, que ce soit dans une pile à combustible ou dans un moteur à combustion interne (également appelé moteur thermique hydrogène).

Les points forts du moteur thermique hydrogène pour la mobilité sont nombreux : densité massique et volumique de stockage d’énergie par rapport aux solutions électriques à batterie ; autonomie ; rapidité de recharge en énergie ; ou encore, robustesse vis-à-vis des conditions ambiantes. Les secteurs d’application concernés sont ceux pour lesquels les contraintes d’autonomie et de logistique sont les plus fortes : transports dits lourds ; véhicules ou engins de chantiers et agricoles ; véhicules de service ; sport automobile.

Le moteur thermique à hydrogène est de plus en plus intégré aux feuilles de route des acteurs du domaine. Toutefois, cette solution n’est pas sans défis à relever. Premièrement, pour que l’hydrogène soit considéré comme une des solutions contribuant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, il doit être lui-même issu d’un procédé décarboné, ce qui constitue un des enjeux majeurs de la filière. Deuxièmement, la pertinence du moteur thermique comme solution technique réside dans sa maturité. Celle-ci s’appuie sur une approche éprouvée et à coût maîtrisé. Cependant, l’adaptation des technologies de motorisation existantes au carburant hydrogène nécessite encore des investigations.

Après avoir établi le contexte de la mobilité décarbonée et de la filière hydrogène, cet article se focalise sur l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne, sur les propriétés physicochimiques à prendre en compte et sur leurs impacts sur les technologies existantes, et, pour finir, sur quelques exemples d’applications en cours de développement.

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KEYWORDS

energy transition   |   hydrogen   |   Hydrogen Internal Combustion Engine   |   Zero emission technology   |   Retrofit approach   |   Dedicated development approach

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-hy8580


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - COMMISSARIAT GÉNÉRAL AU DÉVELOPPEMENT DURABLE -   Les émissions de gaz à effet de serre du secteur des transports  -  (2021). https://www.notre-environnement.gouv.fr/themes/climat/les-emissions-de-gaz-a-effet-de-serre-et-l-empreinte-carbone-ressources/article/les-emissions-de-gaz-a-effet-de-serre-du-secteur-des-transports

  • (2) - LOSZKA (M.), MARTIN (R.), GUYON (O.), LEDUC (P.) -   « TRANPLHYN » Transports Lourds fonctionnant à l’hydrogène  -  (2022). https://librairie.ademe.fr/mobilite-et-transport/5722--tranplhyn-transports-lourds-fonctionnant-a-l-hydrogene.html

  • (3) - VERHELST (S.), WALLNER (T.) -   Hydrogen-fueled internal combustion engines.  -  Progress in Energy and Combustion Science, 35(6), p. 490-527 (2009).

  • (4) - EUROPEAN INSTITUTE FOR HYDROGEN SAFETY HYSAFE -   Biennial Report on Hydrogen Safety  -  (2017). http://www.hysafe.net/wiki/BRHS/BRHS

  • (5) - TRETSIAKOVA-McNALLY (S.) -   Sources of hydrogen ignition and prevention measures.  -  Lecture. Projet...

1 Annuaire

HAUT DE PAGE

1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Cummins Cummins Inc., Box 3005, Columbus, IN 47202-3005, USA https://www.cummins.fr/

KEYOU GmbH Arnulfstraße 60, 80335 München, Allemagne https://www.keyou.de/

Phinia 9 boulevard de l’Industrie, 41000 Blois, France https://www.phinia.com/

HAUT DE PAGE

1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Commissariat général au développement durable Tour Séquoia, 1 place Carpeaux, 92800 Puteaux, France https://www.ecologie.gouv.fr/

ADEME Agence de la Transition Écologique 155 bis avenue Pierre Brossolette, CS 50065, 92541 Montrouge Cedex, France https://www.ademe.fr/contact/

European Institute for Hydrogen Safety HySafe Rue du Trône 98, 1050 Brussels, Belgique

SIA – Société des Ingénieurs de l’Automobile 79 rue Jean-Jacques Rousseau 92158 Suresnes Cedex, France https://www.sia.fr/

IEA – International...

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