Les moteurs à injection hydrogène aussi efficaces que les piles à combustible ?

Les moteurs à injection hydrogène aussi efficaces que les piles à combustible ?
Fournisseur de solutions pour l’injection de gaz dans les moteurs thermiques de camions, Westport Fuel Systems vient de délivrer les résultats de sa dernière étude. Elle conclut que l’injection d’hydrogène dans les moteurs diesel HPDI est aussi efficace pour l’environnement que de rouler avec un camion électrique à pile hydrogène. Et ce, en conservant les performances du véhicule et pour un TCO bien moindre. Le constructeur Scania s’intéresse à cette technologie.

Westport Fuel Systems profite des objectifs européens de baisse des émissions carbonées des poids lourds pour placer sa nouvelle solution d’injection d’hydrogène dans des moteurs thermiques. Pour rappel, l’intensité carbone exprimée en g CO2e/t.km devra être réduite sur les modèles neufs de 15% d’ici 2025, et de 30% à horizon 2030.

Devant des échéances finalement assez proches, l’équipementier canadien souligne que les modèles électriques à batteries ne seront pas prêts suffisamment tôt pour parcourir de longues destinations. Il assure également que les déclinaisons à pile hydrogène sont coûteuses. Avec une grosse incertitude là aussi quant à leur disponibilité en adéquation avec les exigences environnementales. D’où sa proposition d’une solution efficace, rapide à mettre en place et financièrement supportable par la plupart des transporteurs. A condition de partir sur la bonne technologie de moteur thermique.

Les moteurs à basse pression PFI SI et ECDI SI

Dans l’étude réalisée avec le consultant autrichien en industrie automobile AVL, Westport Fuel Systems compare les bénéfices de l’injection d’hydrogène dans 3 types de moteurs utilisés sur les poids lourds pour un fonctionnement au gaz, en particulier au GNL.

Déjà exploitée par Scania et Volvo par exemple, la technologie HPDI est à la pointe actuellement. Elle s’appuie sur une injection directe à haute pression. Face à cette solution, les moteurs PFI SI (Port Fuel Injection with Spark Ignition) et ECDI SI (Early Cycle Direct Injection with Spark Ignition) répondent également à la norme Euro VI. Ces 2 types de blocs fonctionnent avec un allumage du carburant gazeux sous basse pression. Dans le cas du PFI SI, l’hydrogène est injecté par la buse d’admission, avec un allumage assuré par une bougie. Sur le moteur ECDI, l’injection du gaz H2 a lieu après la fermeture de la soupape d’admission, juste au moment où la course de compression commence. Une bougie d’allumage permet là également d’initier la combustion d’un mélange d’air et d’hydrogène.

Le moteur HPDI haute pression

Le bloc HPDI repose sur l’injection directe de cycle tardif d’hydrogène à haute pression. Une injection d’une petite quantité d’un carburant, par exemple du gazole, précède celle de gaz H2 et agit comme une source d'allumage. Ce scénario est déjà celui en œuvre dans ces moteurs lorsqu’ils fonctionnent avec du gaz naturel (GNV/bioGNV).

Le cycle de combustion des blocs HPDI est assimilable à celui d’un diesel. L’alimentation avec de l’hydrogène permet de conserver le couple et le rendement du moteur. Ce carburant peut être stocké aussi bien sous la forme d’un liquide que d’un gaz comprimé à 700 bars. Dans ce dernier cas, le compresseur embarqué ne sera exploité que si la pression de l’hydrogène tombe en dessous de celle d’injection de carburant, soit, environ, 300 bars. La consommation d’énergie pour effectuer cette opération est cependant modeste, selon Westport Fuel Systems.

Les moteurs PFI SI et ECDI SI éliminés

Le bloc PFI SI n’est clairement pas adapté à un fonctionnement à l’hydrogène, selon Westport Fuel Systems et AVL. En cause, une forte propension du moteur à cogner avec le mélange H2-air, un couple maximal réduit, un taux de compression sensiblement diminué, un impact négatif important sur l’efficacité thermique, des performances qui varient selon la température ambiante, et un risque élevé de retour de flamme. Ce n’est pas mieux pour la technologie ECDI SI soumise également à des problèmes de cognement, de réduction du taux de compression, mais aussi d’émissions d’azote, etc. Les deux entreprises indiquent cependant que les 2 technologies pourraient être exploitées avec de l’hydrogène pour une solution à court terme, moyennant quelques adaptations, et à conditions de s’accommoder de certains de leurs défauts.

Avantages du bloc HPDI

Si le bloc HPDI est distingué par Westport Fuel Systems, c’est parce que son rendement est élevé aussi bien en charge partielle qu’à pleine charge. Plus que sur des modèles essence ou diesel. Même constatation au niveau du couple. Le taux de compression est similaire à celui d’un moteur diesel. Aucun des défauts observés sur les technologies PFI SI et ECDI SI  n’est apparu.

L’équipementier recense en inconvénients les petites pertes d’énergie lorsqu’un compresseur doit porter l’hydrogène à bonne pression, et la nécessité d’utiliser un peu de gazole accompagné d’AdBlue pour l’allumage. Un point que l’entreprise fait rapidement disparaître en invoquant la possibilité de recourir à un carburant synthétique. Cette solution permet de réduire de façon importante le CO2, les particules et les polluants de type hydrocarbure. Les oxydes d’azote restent à un niveau élevé, pouvant « être gérés avec l’EGR et la technologie de post-traitement des gaz d’échappement Urée-SCR disponible dans le commerce ».

Recherche du meilleur TCO

Westport Fuel Systems a comparé le coût total de possession (TCO) de sa solution sur un moteur HPDI, avec un camion diesel conventionnel conforme à la norme Euro VI et un modèle à pile à combustible hydrogène. En tenant compte de l’évolution des tarifs des nouveaux composants lorsqu’ils seront industrialisés, les prix d’acquisition ont été estimés à 110.000 euros pour le diesel, entre 286.000 et 374.000 euros pour le poids lourd à PAC H2, et de 143.000 à 154.000 euros pour le modèle équipé du système Westport Fuel Systems. Le litre de gazole a été fixé à 1,50 euro, le kg d’hydrogène à 6 euros, et l’AdBlue à 0,33 euro le litre.

Pour la maintenance du camion électrique à pile H2, un coût de maintenance divisé par 3 a été retenu par rapport aux 2 autres technologies. AVL est parti d’une hypothèse d’exploitation sur 5 ans des véhicules, pour un kilométrage annuel moyen de 116.000 km. Une enveloppe de 60.000 euros a été évaluée au titre de charges par conducteur. Il a été prévu un remplacement des pneumatiques tous les 150.000 km. La revente des véhicules n’a pas été prise en compte.

Le bloc H2-HPDI moins coûteux que l’électrique à PAC H2

Le camion diesel reste le plus léger en termes de TCO. Sur les 5 ans d’exploitation, il pèserait 759.000 euros. Face à lui, le modèle électrique à PAC H2 nécessiterait au minimum d’aligner 948.000 euros. Le poids lourd équipé de la solution Westport Fuel Systems se situe entre les 2, avec un budget prévisible de 851.000 euros.


« Même à long terme, le H2-HPDI restera très compétitif en TCO », commentent les rédacteurs de l’étude. Les délais seraient également bien plus rapides pour une adoption de l’hydrogène par les transporteurs, puisque la solution s’appuie sur des moteurs déjà disponibles. Et au niveau des émissions de CO2 ? En calculant du réservoir à la roue, la réduction, par rapport au modèle diesel, est de 100% pour le camion à PAC H2, et de 98% pour la solution H2-HPDI. Cette différence de 2% tient compte de l’emploi d’un peu de gazole pour l’allumage du moteur HPDI et d’une petite quantité d’AdBlue. Les 2 entreprises précisent qu’aucune solution d’hybridation classique ne permet d’arriver à de tels résultats. Scania, qui a annoncé l’abandon des groupes motopropulseurs électriques à pile hydrogène, s’intéresse de très près au système développé par Westport Fuel Systems.

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