La mobilité décarbonée reposera à la fois sur le véhicule électrique et sur les solutions hydrogène, assure IPP Énergies Nouvelles (IFPEN). L’institut travaille depuis 2019 sur deux solutions de mobilité hydrogène : une pile à combustible (PaC) et injection directe dans un moteur thermique à combustion. Deux technologies qui ont leur place dans la transition écologique, avec des applications privilégiées pour chacune d’entre elles et des temps de développement différents.
Véhicule utilitaire, le poids lourd longue distance, machines agricoles, engins de chantier, ainsi que le transport ferroviaire, fluvial et maritime... Convaincu de l’alternative que représente l’hydrogène renouvelable pour la mobilité lourde, IFPEN s’appuie sur son expertise dans l’optimisation énergétique des systèmes, et dans l’amélioration des rendements des moteurs essence et gaz, ainsi que sur ses outils de modélisation de la combustion, pour accélérer ses travaux sur le moteur thermique hydrogène.
Expérimentation d’une motorisation hydrogène
Un banc d’essai avec des installations spécifiques a été mis en place à Solaize, permettant aux équipes d’IFPEN de mener leurs recherches et d’expérimenter la solution. Pour la motorisation, le choix s’est porté sur sur des outils industriels existants avec une durée de vie identique à celle des motorisations thermiques, permettant ainsi d’obtenir à la fois un très haut rendement et de très faibles émissions d’oxydes d’azote (NOx) : système de combustion en mélange pauvre dérivé des technologies essence, injection directe, suralimentation.
En s’appuyant sur une approche de coût de possession (achat, exploitation, maintenance...), l’institut a pu démontrer que la combustion hydrogène peut afficher « un coût très compétitif car la technologie est mature et les investissements de production limités » et « ne nécessite pas l’utilisation d’un hydrogène de grande pureté, facilitant ainsi la distribution du carburant ». Cela permet d’avoir une solution de mobilité sans émissions de CO2 qui peut être mise en œuvre à court-moyen terme et à moindre coût. « Notre ambition est de se rapprocher des 50 % de rendement et de devenir un acteur de référence dans le domaine de la combustion hydrogène en s’appuyant notamment sur de nouveaux moyens d’essais », ajoute Florence Duffour, chef du projet Motorisations Hydrogène au sein d’IFPEN.
Ce moteur thermique hydrogène divise par 100 les émissions NOx. Crédit : IFPEN
À l’issue de cette phase d’expérimentation, des camions prototypes intégrant un moteur à combustion hydrogène devraient sillonner les routes à partir de 2023.
Une solution complexe mais prometteuse
Le véhicule électrique à batterie (BEV) représente la meilleure technologie en terme de rendement énergétique. IFPEN rappelle que pour les applications de transport intensif, « quand l’autonomie du véhicule, ou le temps de recharge deviennent prépondérants », le véhicule électrique à pile à combustible ( FCEV ) devient ainsi une option intéressante pour la décarbonation de la mobilité.
Partant de ce constat, IFP Énergies nouvelles (IFPEN), à travers le Carnot IFPEN Transports Énergie, met en service sur son site de Solaize, un deuxième banc d’essai de systèmes piles à combustible (PaC) d’une puissance de 210 kW. Cette installation avoisine celle installée depuis 2021 pour les moteurs thermiques hydrogène, et certaines compétences et infrastructures (réseau hydrogène, systèmes sécurité, etc.) ont été mutualisées. Avec cet outil d’expérimentation, IFPEN souhaite affiner ses recherches sur l’utilisation des PaC alimentées à l’hydrogène dans les véhicules électrifiés, notamment pour le transport routier lourd (bus, camion) et ferroviaire.
Expérimentation d’une PaC à Solaize. Crédit : IFPEN
Permettant de réduire la taille de la batterie d’un véhicule électrique jusqu’à 90%, une pile à combustible offre des gains « conséquents en termes de masse embarquée, autonomie et temps de recharge ». Néanmoins, l’autonomie de ce système reste « inférieure à celle d’un véhicule Diesel ». Cette solution se heurte également à une problématique de refroidissement avec des systèmes qui nécessitent des températures basses (< 75 80 °C). Cet enjeu se répercute sur la consommation d’énergie du véhicule qui consomme davantage d’énergie par les ventilateurs accrue par un besoin de surfaces d’échange de radiateurs plus importantes.
Face à ces défis, les équipes mènent actuellement des travaux dans l’objectif d’optimiser la gestion de l’énergie du système PaC dans le véhicule et d’en réduire les coûts. Les expérimentations porteront notamment sur la durabilité, l’autonomie, le refroidissement, les purges et le contrôle du fonctionnement des systèmes piles à combustible. « Notre ambition est de pouvoir prédire le vieillissement des piles à combustible en conditions réelles d’utilisation. Il s’agit d’un enjeu central pour assurer la compétitivité de la technologie, et encore plus pour les véhicules lourds qui peuvent fonctionner pendant des dizaines de milliers d’heures. Actuellement, les systèmes piles à combustible ne peuvent pas encore tenir cette durée de vie », précise Pierre Leduc, Chef de projet Véhicules électrifiés et piles à combustible à IFPEN.
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