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L’objectif de neutralité carbone à horizon 2050 nécessite une réduction drastique des émissions de CO2 liées au transport, responsable à lui seul de plus de 30 % du CO2 émis mondialement. Pour le transport routier, il est prévu que cette décarbonation s’appuie en partie sur le déploiement de véhicules électriques à batteries. Cependant, cette solution impose des contraintes (poids et volume des batteries, autonomie, temps de charge, infrastructure de recharge) qui ne permettent pas de répondre à tous les usages. C’est le cas des applications dites lourdes (poids lourds longs routiers, autocars, engins de chantiers), pour lesquelles l’hydrogène décarboné représente une alternative crédible.

Deux approches différentes co-existent en la matière et sont actuellement étudiées à IFPEN :
  

  • le moteur thermique, utilisant directement l’hydrogène comme carburant à la place des hydrocarbures aujourd’hui disponibles ;
      
  • les piles à combustible (PAC), utilisant l’hydrogène pour produire de l’électricité à bord et alimenter le moteur électrique d’un véhicule. 
       

 

Le moteur thermique à hydrogène

Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène et les propriétés qui en résultent en font un candidat pertinent pour la combustion dans un moteur : large plage d’inflammabilité, faible énergie d’allumage, vitesse de combustion élevée.

En 2020, IFPEN a débuté ses travaux par une première campagne expérimentale sur un moteur monocylindre de recherche, ce qui a permis d’identifier les obstacles à lever pour ce type de moteur. Le principal d’entre eux est d’assurer un haut niveau de rendement tout en maitrisant les émissions de NOx et en évitant les combustions anormales pouvant endommager le moteur [1] [2]. La figure 1 résume les défis et les axes de recherche IFPEN1 pour les relever.

Figure 1
Figure 1 : Défis concernant l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur thermique et axes de recherche IFPEN 


IFPEN est aujourd’hui investi dans le développement de ses moyens et de ses compétences afin de lever l’ensemble des challenges identifiés [3].

En particulier, des outils 3D permettent de simuler la combustion turbulente d’hydrogène dans un moteur thermique afin d’optimiser au plus tôt, lors de la phase de conception, les géométries prometteuses de la chambre de combustion.

Des travaux de recherche fondamentale sont donc engagés afin d’assurer la robustesse et la prédictivité de ces outils numériques :
 

  • visualisation et simulation d’une injection H2 (figure 2) avec des moyens de visualisation avancés développés par la Direction « Mobilité et Systèmes » ;
      
  • simulation par le code Converge du mélange H2/air dans la chambre de combustion lors d’une injection directe d’H2 (figure 3) ;
      
  • description de la propagation de la flamme et du phénomène d’auto-inflammation, représentation des phénomènes pariétaux2.
     

Figure 2
Figure 2 : Visualisation et simulation d’une injection H2 en cellule
Figure 3
Figure 3 : Simulation de l’injection du mélange H2/air dans une chambre de combustion moteur

 

Les piles à combustible (PAC)

Le véhicule à pile à combustible est une solution alternative au véhicule 100 % électrique lorsque le recours à une batterie seule ne répond plus aux contraintes de l’utilisateur : besoin en énergie supérieur à 0,5 MWh à l’échelle de la mission, ou utilisation intensive incompatible avec un temps de recharge de plusieurs dizaines de minutes. [4, 6].

L’utilisation d’une ou de plusieurs PAC à bord d’un véhicule nécessite une approche « système » afin de gérer les nombreuses interactions entre les différentes fonctions, aussi bien lors de la conception du véhicule que lors de son usage : génération combinée d’électricité (PAC et batterie), adaptation électrique entre les sources et les consommateurs à bord, refroidissement de l’ensemble des composants du véhicule, prise en compte des effets du vieillissement de la PAC, etc.

Les développements de la Direction « Mobilité et Systèmes », menés en lien étroit avec d’autres directions d’IFPEN3,se focalisent sur trois aspects :
  

  • l’optimisation du dimensionnement du couple batterie/PAC afin de prendre en compte le besoin en énergie, mais aussi les appels de puissance au cours de la mission assignée au véhicule [5],
      
  • la conception d’électroniques de puissance adaptées à la gestion simultanée de plusieurs sources de courant continu (DC4) dont la tension varie à tout instant,
      
  • la minimisation du vieillissement du couple batterie/PAC, par une meilleure identification et prise en compte des phénomènes accélérant le vieillissement et une optimisation de leur fonctionnement couplé.
      

Concernant ce dernier point, une modélisation fine des phénomènes électrochimiques et thermiques au cœur des cellules de la PAC est actuellement réalisée (figure 4). La formation de l’eau liquide au cœur de la pile - consécutive à la réaction de l’hydrogène - puis son cheminement et enfin son évacuation font l’objet d’une étude spécifique.

Figure 4
Figure 4 : Modèle d’une cellule de pile à combustible permettant la prise en compte détaillée des phénomènes électrochimiques et thermiques (plateforme Simcenter Amesim®)

L’analyse fine ainsi réalisée des spécificités de ces deux modes de propulsion utilisant le vecteur énergétique hydrogène vise à apporter au plus vite des solutions complémentaires, adaptées aux différents cas d’usage de la mobilité décarbonée.

 

1- Chaque défi peut être pris en charge par plusieurs axes de recherche et vice versa.
2- Phénomènes liés à la paroi : transfert thermique, formation de points chauds, etc.
3- « Sciences et technologies du numérique », « Physico-chimie et mécaniques appliquées », « Economie et veille ».
4- Direct Current.

 

Références bibliographiques

  1. Rouleau L., Duffour F., Walter B., Kumar R. et al., Experimental and Numerical Investigation on Hydrogen Internal Combustion Engine, SAE Technical Paper 2021-24-0060, 2021.
    >> https://doi.org/10.4271/2021-24-0060
      

  2. Laget O., Rouleau L., Cordier M, Duffour F., Maio G., Giuffrida V., Kumar R., Nowak L., A comprehensive study for the identification of the requirements for an optimal H2 combustion engine, International Journal of Engine Research.
    >> https://doi.org/10.1177/14680874231167618
      

  3. Maio, G., Boberic, A., Giarracca, L., Aubagnac-Karkar, D., Colin, O., Duffour, F., Deppenkemper K., Virnich L., Pischinger, S. (2022). Experimental and numerical investigation of a direct injection spark ignition hydrogen engine for heavy-duty applications. International Journal of Hydrogen Energy, 47(67), 29069-29084.
    >> https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.184
      

  4. Sery J., Leduc P., Fuel cell behavior and energy balance on board a Hyundai Nexo. International Journal of Engine Research. December 2021. 
    >> https://doi.org/10.1177/14680874211059046
      

  5. Loszka M., Martin R., Guyon O., Leduc P., TranpLHyn – Transports Lourds fonctionnant à l’Hydrogène. Librairie en ligne de l’ADEME, août 2022.
    >> https://librairie.ademe.fr/mobilite-et-transport/5722--tranplhyn-transports-lourds-fonctionnant-a-l-hydrogene.html
      

  6. Leduc P., Véhicules à pile à combustible à hydrogène - applications et défis. Les 13èmes Tables Rondes de l’Arbois et de la Méditerranée, L’hydrogène : mythes et réalités, Aix-en-Provence, mai 2023.
    Vidéo sur YouTube – Intervention de Pierre Leduc de 00:36:00 à 01:15:00 :
    >> https://www.youtube.com/watch?v=KJBNfNuGQHM
     

Contacts scientifiques : Combustion hydrogène : florence.duffour@ifpen.fr - Pile à combustible : pierre.leduc@ifpen.fr

>> NUMÉRO 52 DE SCIENCE@IFPEN
 

 

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