Turbine à gaz
Moteurs thermiques et électriques non conventionnels - Technologies de rupture

Depuis la première révolution industrielle, les moteurs thermiques non conventionnels ont toujours fait l’objet d’innovations avancées de progrès et de rupture destinées dans les deux cas à améliorer significativement les performances de ces motorisations, quel que soit leur domaine d’application.

En ce qui concerne les innovations de rupture, elles ont débouché le plus souvent sur un succès pour le moins contrasté, voire mitigé, du fait de la complexité et de la cherté qui accompagnent légitimement ces avancées technologiques de pointe. Elles ressurgissent néanmoins régulièrement avec une prégnance qui ne se dément pas à l’aube de 2030, et elles s’inscrivent dans le nouveau paradigme énergétique décarboné qui est désormais incontournable. Ainsi, l’une des tendances lourdes à l’horizon 2030 et au-delà, est de combiner à grande échelle aux machines à feu l’utilisation des carburants bas carbone avec les machines hybrides de type électrique et pneumatique, pour produire l’indispensable énergie dont tout un chacun a besoin. Ainsi, l’alliance entre les motorisations thermiques, électriques et pneumatiques, et la nouvelle palette de carburants verts de ce XXI^e siècle, est devenue incontournable (biomasse, dihydrogène, e-carburants, ammoniac, e-méthanol…). Les innovations de progrès et de rupture sur l’ensemble du panel des mobilités doivent être analysées finement, de même que leurs sources diversifiées d’énergie primaire. Ces innovations de rupture démontrent l’effervescence qui règne désormais sur l’ensemble des mobilités. Les applications en avance de phase sur les groupes électrogènes décarbonés et la polygénération relèvent de la même idée.

Dans cet article, on privilégie en premier lieu les motorisations pneumatiques qui ont toujours pignon sur rue, même si l’ingénieur motoriste sait bien que l’obtention de performances optimisées impose une phase de compression du fluide travail, et simultanément une phase de combustion destinée à produire l’indispensable énergie mécanique avec un rendement convenable de conversion.

Les moteurs sans arbre à cames font l’objet de recherches approfondies depuis une vingtaine d’années pour tenter de s’affranchir au moins partiellement du traditionnel arbre à cames conventionnel. On prévilégie pour cela des procédés de distribution variable en substitution à la technologie traditionnelle de commande et de contrôle des soupapes. Une étape ultime serait la suppression pure et simple de l’arbre à cames en privilégiant les actuateurs électromagnétiques.

De son côté, la turbine à gaz appliquée à la propulsion automobile a elle aussi fait l’objet de recherches intenses pendant plusieurs décennies sans pour autant détrôner la suprématie des moteurs à pistons. L’argument principal avancé était que la turbine à gaz se montrait plus légère et comportait moins de pièces en mouvement. Par ailleurs, cette mécanique acceptait plusieurs types de carburant, gaz, essence, gasoil, kérosène et elle devait nécessiter moins d'entretien avec une longévité accrue.

Un démonstrateur hybride thermique électrique a été investigué pendant près de 10 ans par le centre de recherche du groupe Renault au début des années 2000. L’idée était d’investiguer la piste alternative au moteur classique à combustion interne en privilégiant une turbine à gaz couplée à un turboalternateur dans un véhicule électrique hybride série. L’analyse de base des missions d’un véhicule conventionnel avait conduit à constater que 60 % des parcours en milieu urbain étaient inférieurs à une dizaine de kilomètres, que 80 % des émissions étaient émises durant les tout premiers kilomètres et qu’avec 40 % de la puissance, 80 % des besoins étaient satisfaits.

Enfin, le couplage entre un moteur à combustion externe et un moteur électrique montre qu’une réelle adéquation entre les impératifs de décarbonation des énergies et les machines à combustion externe et électriques existe et qu’elle devrait perdurer dans les décennies à venir. La production d’énergie électrique s’inscrit en effet dans un schéma d’optimisation vis-à-vis du développement durable et il apparaît qu’une part sensible et croissante de la consommation d’électricité relève d’une production décentralisée en polygénération.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.