Par rapport à l’électricité, l’hydrogène est un moyen d’accroître l’autonomie des véhicules, de réduire le volume et la masse du stockage d’énergie embarqué et d’avoir une recharge rapide et efficiente, surtout pour les applications de transports de marchandise longue distance sur routes, rails ou fleuves, de camions urbains, d’engins non routiers ou encore de transport intensif de passagers (bus, taxi).
IFPEN travaille à différentes solutions permettant d’utiliser l’hydrogène renouvelable ou bas carbone afin de réduire l’impact environnemental de la mobilité :
- hydrogène alimentant une pile à combustible générant de l’électricité embarquée pour les véhicules électriques,
- hydrogène utilisé comme carburant dans un moteur à combustion interne,
- intégration d’hydrogène décarboné dans la production de biocarburants avancés, sous forme d’e-biofuels utilisables par les transports lourds (terrestre ou maritime), l’off-road et le secteur aérien.
IFPEN disposera en 2023 de 2 bancs d’essais pile à combustible (dont le plus puissant de France 210KW) et 4 bancs moteurs thermiques hydrogène.
La pile à combustible (PaC) pour les véhicules électriques
Pour la propulsion électrique, la pile à combustible constitue une alternative aux batteries, dont l’intérêt principal par rapport à ces dernières consiste en sa plus forte densité énergétique de stockage associé à un temps de recharge beaucoup plus rapide.
IFPEN et ses partenaires travaillent sur une approche du système PaC dans l’environnement véhicule et notamment sur l’optimisation de la gestion de l’énergie du système et la réduction des coûts en se basant notamment sur des moyens numériques et expérimentaux uniques.
Plus spécifiquement, les travaux d’IFPEN portent sur différents aspects :
- Les méthodologies de caractérisation fine du fonctionnement sur véhicules en laboratoire (banc à rouleaux).
- La caractérisation de systèmes PaC
- Le contrôle commande et l’électronique de puissance spécifiques à ce type de système
- La modélisation, avec notamment la mise au point de modèles de vieillissement du système.
- La caractérisation d’organes du système global comme les e-compresseurs par exemple, permettant d’optimiser les systèmes PaC sur des moyens d’essais dédiés.
- L’analyse économique et de cycle de vie de la filière hydrogène.
Le moteur thermique à hydrogène
La conversion de l’hydrogène en travail décarboné peut venir de la combustion directe de l’hydrogène dans un moteur thermique. Cette solution permet d’accélérer le déploiement à court/moyen terme d’une mobilité sans émission de CO2 et à moindre coût.
IFPEN travaille ainsi à optimiser son système de combustion afin d’en maximiser le rendement et d’atteindre des émissions d’oxydes d’azote quasi-nulles.
Les différents sujets sont abordés le plus souvent en partenariat avec des acteurs industriels par exemple dans le cadre d’un consortium dans le domaine du poids lourd.
Les travaux en cours portent en particulier sur l’optimisation et le design des systèmes de combustion hydrogène : l’optimisation de l’homogénéisation du mélange hydrogène – air et la maitrise des points chauds pour éviter les combustions anormales de type pré-allumage, ou encore le niveau de turbulence et de richesse du mélange pour atteindre de très hauts rendements proches des 50 % sans émissions significatives de polluants. Les résultats obtenus confirment le potentiel de cette solution technologique.
En parallèle, IFPEN est également impliqué dans les domaines technologiques suivants :
- Le design de la boucle d’air du moteur et en particulier le système de suralimentation, en s’appuyant notamment sur les outils de simulation système.
- Le contrôle des émissions de NOx, à la fois par systèmes de post-traitement des gaz d’échappement (SCR) et par les technologies d’injection d’eau en amont de la combustion.
- La compatibilité des matériaux du moteur avec l’hydrogène.
- Les propriétés des lubrifiants et la maitrise de leur impact potentiel sur les émissions de particules.
- L’analyse du cycle de vie et le calcul de prix de revient des véhicules.
Les carburants de synthèse e-biofuels
Les e-fuels, carburants de synthèse fabriqués à partir d’électricité « verte », regroupent différents produits. Certains sont issus d’une synthèse Fischer-Tropsch alimentée par de l’hydrogène vert. IFPEN travaille sur ce procédé et sur les catalyseurs associés, en particulier pour la production de biocarburants.
