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

1 - Moteur thermique hydrogène : un vecteur essentiel de la transition énergétique

• 1.1 - Hydrogène pour la mobilité
  Figure 1 - Projection de l’évolution de la consommation d’énergie liée au transport routier entre 2019 et 2030 (graphique IFPEN, chiffres de l’Agence internationale de l’Énergie, 2019) Figure 2 - Masse du stockage de l’énergie à iso-autonomie pour un véhicule léger : comparaison d’un véhicule hydrogène et d’un véhicule électrique à batterie (IFPEN)
• 1.2 - Intérêt du moteur thermique hydrogène
  Figure 3 - Émissions de GES sur le cycle de vie d’un poids lourds 44 tonnes, du berceau à la tombe, en considérant un hydrogène vert. Résultats issus de l’étude Ademe « TRANPLHYN » Transports lourds fonctionnant à l’hydrogène, réalisée par IFPEN [2] Figure 4 - Avantages et inconvénients des solutions de mobilité hydrogène, moteur thermique à gauche, pile à combustible à droite (présentation IFPEN à la conférence SIA Powertrain & Energy, 2020)
• 1.3 - Principales applications
  Figure 5 - Vision IFPEN des domaines d’application du moteur thermique hydrogène, janvier 2023 (photos : © IFPEN, X) Tableau 1
• 1.4 - Filière hydrogène
  Tableau 2
• 1.5 - Composants principaux du moteur hydrogène
  Figure 6 - Schéma de principe d’un moteur thermique hydrogène

2 - Théorie de la combustion hydrogène

• 2.1 - Préparation du mélange de l’hydrogène avec l’air
  Tableau 3 Tableau 4
• 2.2 - Inflammabilité de l’hydrogène et énergie d’allumage
  Figure 7 - Diagramme d’inflammabilité des mélanges H2/O2/N2 à 20 °C et 1 bar [4] Figure 8 - Énergie minimale d’allumage de l’hydrogène [5] Tableau 5
• 2.3 - Vitesse de flamme
  Figure 9 - Structure d’une flamme de pré-mélange laminaire [6] Figure 10 - Étirement d’une flamme sphérique laminaire Figure 11 - Schématisation d’une flamme thermo-diffusivement stable Figure 12 - Images Schlieren comparatives d’une flamme sphérique laminaire en mélange pauvre H2/air et stoechiométrique CH4/air, conditions NTP (300 K, 1 bar) [7] Figure 13 - Vitesse laminaire …
• 2.4 - Résistance à l’auto-inflammation
  Figure 14 - Variation du délai d’auto-inflammation d’un mélange air-H2 en fonction de la température [9] Figure 15 - Cartographies de délai d’auto-inflammation en fonction de la pression et de la température à différentes richesses (Φ), calculés à partir de modèles cinétiques (IFPEN)
• 2.5 - Distance de coincement

3 - Application au moteur à combustion interne

• 3.1 - Impact des propriétés physico-chimiques de l’hydrogène sur la combustion
  Figure 16 - Les différentes phases de l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur, et le lien avec les propriétés de l’hydrogène
• 3.2 - Combustions anormales
  Figure 17 - Évolution de la pression cylindre en fonction de l’angle pour différents cycles moteur : cycle avec préallumage au PMB (1) ; cycle avec préallumage en fin de phase de compression (2) Figure 18 - Explication du phénomène de pré-allumage par simulation 3D Figure 19 - Back-firing dans les conduits d’admission (en rouge) comparé à une combustion normale (en vert) (essais réalisés sur banc moteur multicylindre à IFPEN)
• 3.3 - Impact des propriétés de l’hydrogène sur les performances moteur
  Figure 20 - Impact des spécificités de la combustion de l’hydrogène sur les performances du moteur à combustion interne
• 3.4 - Fragilisation des métaux par l’hydrogène
  Figure 21 - Coupe transversale d’une fissure due à l’attaque de l’hydrogène à haute température (HTHA) sur un acier [10]
• 3.5 - Cahier des charges du moteur thermique hydrogène
  Figure 22 - Optimisation de la distribution d’hydrogène dans la chambre de combustion par calcul CFD 3D réalisé à IFPEN, logiciel Converge™ : richesse du mélange H2/air sur une coupe de la chambre de combustion suivant un plan vertical central, passant par la bougie Figure 23 - Corrélation entre la richesse, ou λ, et les émissions de NOx (en ppm volumique) pour une combustion hydrogène/air en fonctionnement homogène [3] Figure 24 - Moteur Volvo MH8 en cellule d’essai à IFPEN, réalisation de cycles d’usage réels, avec mesure des émissions de NOx dans le cadre du projet ADEME PL-H2 [11] Figure 25 - Les différentes sources de fuite d’hydrogène dans un moteur à combustion interne Figure 26 - Défis du moteur thermique à hydrogène et panorama des choix technologiques envisageables pour y répondre

4 - Domaines d’application du moteur thermique hydrogène

• 4.1 - Acteurs et domaines
  Figure 28 - Acteurs du moteur à combustion interne hydrogène et projections des premiers lancement en production (source : traduit de [12])
• 4.2 - Approches technologiques
  Figure 29 - Véhicule démonstrateur – rétrofit moteur Diesel vers moteur hydrogène injection directe (© photo, Phinia (ex BorgWarner))
• 4.3 - Quelques résultats
  Figure 30 - Cartographies de rendement en fonction du régime et du couple, moteur Diesel DEUTZ TCG de 7,8 l de cylindrée converti à l’hydrogène par Keyou [15] Figure 31 - Cartographie d’émissions de NOx en sortie moteur (avant le système de post traitement) en fonction du régime et du couple, moteur Diesel DEUTZ TCG de 7,8 l de cylindrée converti à l’hydrogène par Keyou [15]
• 4.4 - Quelle règlementation pour les véhicules à moteur thermique hydrogène ?

5 - Conclusion

6 - Glossaire

7 - Sigles, notations et symboles