HyMethShip : Du méthanol pour la propulsion hydrogène des grands navires

Des chercheurs allemands souhaitent pousser l’usage du méthanol pour fournir aux porte-conteneurs et bateaux de croisières, entre autres, l’hydrogène qui alimentera leurs moteurs thermiques adaptés.

Afin de justifier leurs travaux, les scientifiques et ingénieurs de l’Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS, basé à Hermsdorf en Allemagne, s’appuient sur quelques grands chiffres de l’Agence européenne pour l’environnement. L’organisme a indiqué que le transport maritime est responsable de plus de trois pour cent des émissions totales de carbone dans l’Union européenne. Ce qui représentait en 2019 en volume de l’ordre de 144 millions de tonnes de CO2.

Ces valeurs peuvent apparaître relativement mineures, « mais le transport maritime est depuis de nombreuses années l’une des sources d’émissions de gaz à effet de serre à la croissance la plus rapide en raison de la forte augmentation du volume des échanges », ont plaidé les acteurs du programme HyMethShip. Quoi qu’il en soit, nombre d’opérateurs et de constructeurs navals s’intéressent déjà de très près aux alternatives pouvant remplacer les carburants fossiles particulièrement émissifs. Et pas seulement en gaz à effet de serre.

Pourquoi le méthanol ?

Alors que des projets de futurs grands bateaux s’appuient sur des moteurs électriques dont l’énergie est fournie par des piles à combustible recevant leur hydrogène grâce à d’imposants contenants dédiés, les chercheurs allemands ont imaginé un concept très différent qu’ils poussent à travers quelques partenariats. Selon eux, pour une autonomie identique, les réservoirs de méthanol prendraient 2 fois moins de place sur les navires que ceux conçus pour transporter de l’hydrogène.

En outre, les porteurs du programme soutenu en particulier par l’Union européenne qualifient ce dernier de potentiellement « dangereux », surtout au regard des volumes présents sous pression en quittant les ports d’avitaillement. « Le méthanol est un vecteur d’hydrogène idéal pour le transport maritime. Sa densité énergétique est deux fois plus élevée que celle de l'hydrogène liquide, de sorte que les réservoirs de méthanol à bord n’ont besoin que de la moitié de la taille. Il peut également être transporté en toute sécurité : même si un réservoir fuit, il n’y a pas de risque environnemental important », confirme Benjamin Jäger du groupe Catalyse et synthèse de matériaux de l’Institut Fraunhofer.

Pendant la traversée

Lors du déplacement du bateau, l’hydrogène est produit en fonction des besoins. Pour cela, le méthanol est mélangé à de l’eau. Ce liquide est transformé en gaz par un processus de reformage dans un réacteur à haute température. Ce scénario profite des calories dégagées lors du fonctionnement du moteur thermique et qui seraient autrement perdues. Grâce à des membranes céramiques recouvertes de carbone, les molécules d’hydrogène sont récupérées avec une pureté qui excède les 90 %. Elles alimentent alors un moteur thermique classique, toutefois « mis à niveau pour fonctionner avec plusieurs types de carburant, et spécialement optimisé pour l’utilisation de l’hydrogène ».

Qu’advient-il du CO2 coproduit par le processus de vaporeformage ? Il est tout simplement stocké à l’état liquide dans les réservoirs de méthanol qui se vident au fur et à mesure que le bateau avance. De retour au port, il est récupéré afin de produire à nouveau du méthanol par association avec de l’hydrogène obtenu de sources renouvelables. La boucle se ferme en remplissant les réservoirs pour un nouveau départ en mer.

L’épineux point de la taille des membranes

Grâce à leur particulière finesse, les molécules d’hydrogène s’échappent facilement à travers les pores extrêmement petits de la membrane céramique, alors que celles, bien plus grosses, du gaz carbonique, sont retenues et réorientées pour stockage. Jusqu’à présent, la taille de ce type de filtres exploités dans le cadre du programme HyMethShip n’excédait pas 105 mm. Ce qui était insuffisant pour obtenir les volumes d’hydrogène nécessaire à la propulsion des grands navires.

Les ingénieurs de l’IKTS ont déjà réussi à multiplier cette longueur par 5, soit 500 mm. Ainsi, leur solution permettrait d’alimenter un moteur jusqu’à une puissance de l’ordre du mégawatt. Ils ne comptent cependant pas en rester là. Ils nourrissent l’objectif de développer des systèmes de propulsion de 20 MW et plus. Utopique ? Pas pour eux ! « En ce qui concerne la séparation de l’hydrogène et l’ingénierie des réacteurs, Fraunhofer IKTS est en mesure d’apporter ses nombreuses années d’expérience dans la technologie des procédés membranaires », plaident-ils.

Pour quel rendement ?

On peut dire que les chercheurs de l’Institut Fraunhofer ont accouché d’une véritable usine à gaz avec leur programme HyMethShip. Et il ne s’agit pas de placer un jeu de mot usé jusqu’à la corde, mais bien de réfléchir à l’ensemble de la boucle, en incluant surtout la production d’hydrogène en amont.

Difficile d’imaginer un rendement global meilleur qu’en utilisant une motorisation électrique alimentée par une pile à combustible hydrogène Nous avons donc déjà une première production d’hydrogène pour obtenir le méthanol en employant les énergies renouvelables. A bord, ce méthanol est à nouveau transformé en hydrogène. Puis le produit va gaver un bloc thermique qui sera toujours 2 ou 3 fois moins efficient qu’un moteur thermique.

Et tout cela sans compter la liquéfaction du CO2, et les actions bien moins énergivores pour remplir avec ce produit les réservoirs puis l’en extraire afin de réaliser à nouveau du méthanol dans les ports. Même si le réacteur est chauffé par les calories du moteur, l’accumulation de processus nuit au rendement global qui n’a pas été clairement comparé avec celui d’une architecture à moteur électrique et pile à combustible. L’IKTS indique cependant « un gain de 45 % en efficience par rapport à une technologie s’appuyant sur une capture conventionnelle de CO2 ».

---