Six cylindres. Un turbocompresseur à l’arrivée d’air. Un filtre à particules à la sortie. A l’exception de la multitude de tuyaux et de capteurs qui recouvrent le moteur Volvo en test depuis un an chez l’IFP Energies nouvelles (Ifpen), à Solaize (Rhône), rien ne le distingue d’un moteur diesel classique, dont les 8 litres fournissent la puissance de propulsion nécessaire aux poids lourds. Tout juste l'œil exercé peut-il distinguer certaines originalités, comme le collecteur d’admission plus long et plus complexe qu’habituellement, introduites pour adapter le dispositif à un nouveau combustible : l’hydrogène. Un espoir pour la filière, qui s’imagine déjà remplacer l’or noir et ses pollutions par cette nouvelle molécule – incolore, très énergétique et surtout décarbonnée lorsqu’elle est produite à partir d’électricité sans CO2 – pour ne pas avoir à abandonner le moteur thermique.
Installé dans le cadre du projet dit MH8, porté par le Comité d’orientation pour la recherche automobile et la mobilité (Coram), le banc d’essai est piloté par l’Ifpen et Renault Trucks. « L’idée est de développer un moteur thermique à hydrogène avec un coût maîtrisé, en profitant d’une technologie connue et de la base industrielle qui existe déjà », résume Florence Duffour, cheffe du projet chez l’Ifpen, qui se charge des essais techniques et de la calibration pour adapter le moteur au nouveau combustible, moins préjudiciable pour le climat.
Décarboner rapidement la mobilité lourde
« Injecter de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne n’est pas une idée nouvelle », rappelle dès l’introduction Bertrand Gatellier, le responsable du programme moteurs à hydrogène à l’Ifpen. De tels concepts existent depuis le siècle dernier dans les laboratoires des chercheurs. En 2007, le constructeur allemand BMW avait même mis sur le marché californien une centaine d’exemplaires de sa limousine série 7 dotés de moteurs bi-carburant, couplant essence et hydrogène. Un échec commercial et technique, qui n’a pas empêché l’Ifpen de revenir sur le sujet en 2019, ragaillardi par la nouvelle popularité de ce gaz à la faveur de l’impératif de décarbonation des transports.
Pas de miracle à attendre. Du côté des voitures individuelles, les batteries au lithium devraient sans peine remporter le match, soutenues par leurs progrès continus en termes de coûts et de densité. Mais du fluvial au ferroviaire en passant par les poids lourds, « il y a des centaines de segments dans les transports », rappelle le coordinateur hydrogène chez l’Ifpen, François Kalaydjian. Et dans de nombreux cas, leur poids et leur temps de recharge handicapent les batteries. « L’hydrogène offre une rapidité de recharge, une autonomie et une capacité à répondre à des besoins de forte puissance », qui peuvent le rendre concurrentiel dans la mobilité lourde, liste encore Bertrand Gatellier.
Architecture robuste
Très dense énergétiquement (33 kWh par kg, soit 2,5 fois plus que le diesel), l’hydrogène est aussi difficile à contenir et prend beaucoup de place. Il doit donc être compressé entre 300 et 700 bars pour tenir en quantités suffisantes dans le réservoir d’un camion. Pour l’utiliser, deux options sont ensuite sur la table. Les piles à combustible, d’abord, qui sont déjà commercialisées et affichent de relativement bons rendements en oxydant le combustible, et les moteurs à combustion interne ensuite.
Dans ce dernier cas, « l’avantage principal est le coût, car il y a peu d’investissements additionnels à réaliser et que les moteurs ne comportent pas de métaux précieux », argumente Bertrand Gatellier. Très proches des moteurs diesel, les moteurs à hydrogène pourront être produits avec le même outil industriel et bénéficier des progrès de briques techniques récentes, comme l’injection directe et la suralimentation en air, avance l’expert. Selon les calculs de l’Ifpen, un poids lourd motorisé à l’hydrogène devrait, en 2040, afficher un coût de possession complet (prenant en compte l’achat du véhicule puis du carburant) équivalent à celui d’un camion diesel, et inférieur à celui d'un véhicule à pile à combustible malgré une consommation d’hydrogène entre 10 et 20% supérieure !
A la différence d’une pile aux composants fragiles, le moteur thermique a aussi l’avantage de la robustesse. Au-delà d’une meilleure durée de vie, il est « peu sensible à la qualité de l’hydrogène ou à l’environnement extérieur, par exemple à la poussière des travaux publics ou au froid de l’air atmosphérique », liste Bertrand Gatellier. Les piles à combustible, elles, doivent être alimentées en hydrogène pur à 99.9992% pour ne pas se détériorer.
« Tout le monde s'intéresse à l'hydrogène »
Pourquoi, dès lors, ne pas brancher tous les véhicules thermiques sur des stations à hydrogène? Au-delà de la question de la disponibilité de telles infrastructures – encore inexistantes – et de suffisamment d’hydrogène décarboné, les moteurs doivent être adaptés pour tirer le meilleur parti du nouveau carburant. Si le principe reste le même – « après l’étincelle, une flamme turbulente se propage et pousse le piston » schématise Florence Duffour – le diable est dans les détails. D’où le travail de l’Ifpen, qui possède trois bancs de combustion hydrogène et travaille aussi aux côtés de Bosch, Renault Group, TotalEnergies et Faurecia pour convertir un utilitaire à l’hydrogène.
Concernant le moteur de Volvo, l’Ifpen reste discret sur les modifications apportées, mais précise suralimenter le moteur en air et avoir ajouté une bougie pour commander l’allumage au sein du moteur. Un dispositif courant dans les moteurs à essence, mais absent des machines diesel. L’institut travaille aussi à limiter les émissions d’oxyde d’azote (NOx), des polluants atmosphériques qui se forment à haute température et que les camions à hydrogène devront donc filtrer en sortie de gaz d’échappement.
Les bonnes performances des premiers tests suscitent l’espoir. « Nous pouvons démontrer un rendement de 40% sur un profil d’usage », chiffre Eric Rieser, chargé du projet chez Renault Trucks. Un premier pas prometteur, mais encore loin d’une véritable mise sur le marché. Parmi les incertitudes, les constructeurs devront notamment démontrer la résistance du moteur à hydrogène sur le long terme, malgré les risques de fragilisation des aciers dus à la petite taille de l’hydrogène et les importantes quantités d’eau générées par sa combustion. Difficile à contenir, l’hydrogène nécessite aussi d’imposants réservoirs qui limitent l’autonomie des camions (par rapport au diesel) tout en augmentant leur coût.
Pas de quoi décourager l’Ifpen. « Tout le monde s’intéresse au moteur à hydrogène », s'enthousiasme Bertrand Gatellier. En pointe, le constructeur japonais Toyota a présenté plusieurs démonstrateurs et annoncé la création d’un consortium de constructeurs japonais (aux côtés de Mazda, Subaru, Yamaha et Kawasaki) en novembre 2021. Le moteur à combustion n’est peut être pas mort.
