Un moteur à hydrogène, comment ça marche ?

Les moteurs à combustion interne à hydrogène (Hydrogen ICE) fonctionnent comme les moteurs à carburants fossiles et comportent presque les mêmes composants : bloc moteur, manivelle, culasses, système d'allumage, pièces d'installation, etc. Le mécanisme de combustion est le même, et l’objectif reste de faire détonner l’hydrogène pour activer un piston dans un cylindre, générant alors l’énergie motrice recherchée. Néanmoins, quelques particularités sont à souligner : l’hydrogène est plus énergétique que les carburants traditionnels, mais est plus facilement inflammable et l’apport en oxygène doit être plus massif pour limiter la formation de NOx.
 
Un véhicule à moteur à combustion interne à hydrogène (HICEV), comme son nom l’indique, utilise un moteur à combustion interne et est à distinguer des véhicules à pile à combustible à hydrogène qui, eux, utilisent l’hydrogène par voie électrochimique plutôt que par combustion.
 

Une technologie qui remonte au début du 19e siècle

Technologiquement on ne peut pas considérer que le moteur à hydrogène soit particulièrement révolutionnaire… D’ailleurs les premières expériences dans le domaine datent ! En 1806, François Isaac de Rivaz a conçu le premier moteur à combustion interne, fonctionnant avec un mélange hydrogène/oxygène. La fameuse Hippomobile (1863), d’Étienne Lenoir se déplaçait avec un moteur à hydrogène. Plus proche de nous, entre 2005 et 2007, BMW a testé une voiture, la BMW Hydrogen 7, propulsée par un moteur à hydrogène ICE, qui a atteint 301 km/h.
 
Mais pas révolutionnaire ne veut pas dire peu intéressant. Au contraire, et c’est la raison du développement important de cette technologie ces derniers mois, cela signifie une meilleure maîtrise de la technique mais surtout une capacité de mise en œuvre beaucoup plus rapide.


 

Pas de rejet de CO2 avec un moteur à hydrogène

Brûlant de l’hydrogène de la même manière que les moteurs à essence, les moteurs hydrogène différent assez peu de ceux-ci, mais doivent néanmoins faire l’objet de modifications spécifiques pour prendre en compte les particularités de l’hydrogène. Soupapes et sièges de soupapes durcis, bielles plus solides, bougies d'allumage à embout sans platine, bobine d'allumage à tension plus élevée, injecteurs de carburant conçus pour un gaz au lieu d'un liquide… somme toute des modifications mineures mais qui, pour l’instant surenchérissent le coût d’un moteur à hydrogène de 50 % par rapport à sa version essence (ou gasoil).
 
Une fois ainsi équipé, le moteur à combustion d’hydrogène reproduit le cycle bien connu des moteurs à explosion, si ce n’est que comme l’hydrogène pur ne contient pas de carbone, les gaz d’échappement ne contiennent ni monoxyde de carbone (CO), ni hydrocarbures (HC) et ni dioxyde de carbone (CO2).
 

L’injection d’hydrogène dans les cylindres garantit une meilleure efficacité

Comme la combustion de l’hydrogène se produit dans une atmosphère contenant de l’azote et de l’oxygène, elle peut produire des oxydes d’azote appelés NOx. Raison pour laquelle les moteurs à combustion d’hydrogène ne sont pas considérés comme zéro émission. Avec néanmoins une précision de taille : la quantité de NOx rejetée est sans commune mesure avec celle émise par un moteur diesel, par exemple. D’autant que lorsque l’hydrogène brûle en présence de beaucoup d’oxygène, très peu de NOx se forme. En conséquence, les moteurs à hydrogène sont généralement réglés pour fonctionner avec un taux d’excès d’air de 2 ou plus.


 
Au-delà des modifications structurelles du moteur évoquées précédemment, la gestion de l’alimentation en carburant diffère d’un moteur à essence. Ces différences sont renforcées par les propriétés physiques de l’hydrogène qui ont un impact sur la manière dont le carburant et l’air sont dosés et injectés. Le pré-allumage (l’explosion du carburant se produit trop tôt) est un problème plus important pour les moteurs à hydrogène que pour les moteurs à essence, car l'hydrogène est beaucoup plus facile à enflammer. L'injection directe est un moyen de surmonter les problèmes de pré-allumage. Les systèmes d’injection directe introduisent l’hydrogène directement dans les cylindres, plutôt que dans le collecteur d’admission ou les orifices. Si l'injection a lieu à un moment où la soupape d'admission est fermée, les conditions de retour de flamme sont évitées.
 
Le moteur à hydrogène présente l’avantage d’avoir un cycle de fonctionnement parfaitement maîtrisé, ce qui en réduit les coûts de production et de maintenance. C’est la raison pour laquelle il conquière de nombreux domaines des transports ; les dirigeants des entreprises concernées y voyant un moyen simple et fiable de décarboner leurs flottes existantes.