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Moteurs à hydrogène dans les véhicules lourds et équipements de construction
Le secteur de la construction est une source majeure d’émissions de CO2. Dans les zones urbaines, l’utilisation d’équipements de construction peut également contribuer à la dégradation de la qualité de l’air. Cela n’a rien d’étonnant si on considère seulement leur consommation de carburant. Un bloc de batteries ayant une capacité suffisamment grande pour permettre à une puissante machine de fonctionner pendant tout un quart de travail devrait être non seulement volumineux. Il serait également très coûteux. En revanche, l’hydrogène comprimé offre une plus grande densité énergétique. Cela permettrait à une machine de fonctionner avec des réservoirs de carburant de taille acceptable – plus grands que ceux des machines diesel traditionnelles, mais gérables. Ces moteurs à hydrogène éliminent également les temps morts prolongés pour recharger les batteries. Les camions lourds constituent une autre catégorie de véhicules pour lesquels la technologie électrique à batterie n’est peut-être pas encore la solution ultime de décarbonisation. Comme pour certains équipements de construction, le problème de la technologie des batteries se résume à l’autonomie, la réduction de la charge utile et au temps de recharge. Plusieurs fabricants développent des camions électriques à batterie, mais la plupart annoncent une autonomie limitée. Ils sont donc mieux adaptés aux applications de courte et moyenne distance. Pour les applications sévères, les conducteurs devraient s’arrêter souvent pour recharger. Certains constructeurs annoncent des autonomies plus importantes, mais une plus grande capacité de la batterie ne peut être obtenue – avec la technologie actuelle – qu’à un coût plus élevé et avec la perte de charge utile plus importante. Les camions à hydrogène, en revanche, ont une autonomie et un temps de ravitaillement comparables à ceux du diesel et du gaz naturel, sans émissions de particules ou de gaz à effet de serre. L’hydrogène peut être facilement produit à partir de l’eau en utilisant de l’électricité renouvelable, et il brûle sans aucune émission de gaz à effet de serre. Il est incolore, inodore et ne se répand pas. L’utilisation de l’hydrogène pour alimenter un moteur est assez simple. Il y a 2 façons de procéder :
Chacune de ces méthodes présente des avantages et des inconvénients. Cependant, la seconde, qui utilise des moteurs à combustion interne, est une technologie plus familière. En effet, au début du 19e siècle, l’un des tout premiers moteurs à combustion interne fonctionnait avec un mélange d’hydrogène et d’oxygène et était doté d’un mécanisme d’allumage par étincelle. Son inventeur, un ancien officier d’artillerie suisse nommé François Isaac de Rivaz, l’a utilisé pour construire un véhicule capable de transporter de lourdes charges sur de courtes distances. Aujourd’hui, si vous voyiez un moteur à combustion interne moderne conçu pour fonctionner à l’hydrogène, vous pourriez penser qu’il est destiné au gaz naturel. Les moteurs à combustion interne à hydrogène à 4 temps (ICE à hydrogène) fonctionnent sur le même cycle que les moteurs à gaz naturel ordinaires et possèdent presque les mêmes composants : bloc moteur, vilebrequin, culasses, système d’allumage, pièces d’installation, etc. Les moteurs diesel et les moteurs à hydrogène partagent également des composants similaires. Cummins Inc. exploite ses plates-formes existantes et son expertise en matière de technologie d’allumage par bougie pour construire des moteurs à hydrogène. Leur moteur à hydrogène est une variante de leur moteur fonctionnant au gaz naturel. Cette grande similitude entre les composants du moteur présente des économies d’échelle qui sont essentielles dans le cheminement du secteur vers la réduction des émissions. Elles permettent de réduire les coûts et d’assurer la fiabilité nécessaire. Il existe également des différences entre les moteurs à hydrogène et les autres moteurs à allumage par bougie, tels que les moteurs à gaz naturel et à essence. Les propriétés physiques de l’hydrogène ont un impact sur la façon dont le carburant et l’air sont dosés et injectés. Le préallumage est un problème plus important pour les moteurs à hydrogène que pour les moteurs à essence, car l’hydrogène s’enflamme beaucoup plus facilement. L’injection directe est un moyen de surmonter les problèmes de préallumage en introduisant le carburant directement dans les cylindres, plutôt que dans le collecteur ou les orifices d’admission. Si l’injection a lieu à un moment où la soupape d’admission est fermée, les conditions de retour de flamme sont évitées. Une autre solution consiste à concevoir entièrement le système de combustion pour l’hydrogène. Lorsque l’hydrogène brûle en présence de beaucoup d’oxygène, il se forme très peu de NOx. Cependant, lorsque l’hydrogène brûle en présence d’une petite quantité d’oxygène, une grande quantité de NOx peut être créée. Par conséquent, les moteurs à hydrogène sont généralement réglés pour fonctionner avec un rapport air/carburant de 2:1. Ils peuvent également nécessiter un système de traitement des gaz d’échappement pour éliminer l’excès de NOx. Les fabricants d’équipements d’origine (OEM) peuvent construire des véhicules équipés de moteurs à hydrogène qui sont très similaires aux moteurs à combustion interne existants. La plupart des autres composants et logiciels des véhicules restent les mêmes. Les moteurs à hydrogène sont également attrayants pour les utilisateurs finaux, car ils ont l’apparence, le son et le fonctionnement des moteurs à combustion interne auxquels tous les mécaniciens du monde sont habitués. Leur fiabilité et leur durabilité sont égales à celles des moteurs diesel. Les exploitants de flottes commerciales peuvent acheter des véhicules équipés de moteurs à hydrogène sans l’anxiété que peut susciter l’investissement dans une technologie que certains perçoivent comme une expérience scientifique. En outre, le stockage de l’hydrogène à bord des véhicules à moteur est sûr et devient de plus en plus économique et pratique. Cummins a récemment formé une coentreprise avec NPROXX, un spécialiste du stockage et du transport de l’hydrogène pour les réservoirs de stockage d’hydrogène. Cette coentreprise fournira aux clients des produits de stockage d’hydrogène et de gaz naturel comprimé pour les applications routières et ferroviaires. De son côté, à Aix-la-Chapelle, en Allemagne, FEV compte près de 40 ans d’expérience dans ce domaine et a développé des moteurs à combustion interne à hydrogène pour les applications mobiles et stationnaires. L’entreprise développe également des composants individuels tels que des injecteurs pour l’injection directe et des systèmes de charge à plusieurs phases.
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