Développement spécifique de moteurs dédiés à la combustion de l’hydrogène.
| Ce projet relève de la cellule territoriale du plan de relance R&D Auvergne Rhône Alpe | |
| Durée ► | 24 mois |
| Démarrage ► | Janvier 2022 |
Contexte
Le 14 juillet 2021, la commission européenne a adopté un ensemble de propositions volontaires et ambitieuses afin d’adapter la politique de l’Union notamment dans le domaine du climat, de l’Energie de l’agriculture et du transport afin de réduire ses émissions nettes de gaz à effet de serre de 55% d’ici 2030 par rapport aux émissions de 1990 et d’atteindre la neutralité climatique d’ici 2050. Cette feuille de route nommée « FIT for 55 » envisage de réduire les émissions moyennes de gaz à effet de serres des véhicules particulières et des véhicules utilitaires légers de 55% à partir de 2030 et de 100% à partir de 2035 par rapport aux niveaux de 2021. Ainsi seuls les véhicules électriques ou utilisant l’hydrogène pourrons être commercialisés. Pour assumer l’approvisionnement, le réseau de distribution sera renforcé notamment grâce à des bornes de recharge d’au moins 300kW tous les 60 km et de station de ravitaillement et Hydrogène tous les 150 km et dans chaque nœud urbain d’ici 2030.
L’hydrogène vert est donc une des solutions retenues permettant de répondre à ces objectifs ambitieux et peut être converti en électricité grâce à une pile à combustible ou en énergie mécanique si l’hydrogène est utilisé dans un moteur à combustion interne. Ainsi dans un contexte de transport, d’industrie et de production d’énergie (groupe électrogène), la valorisation optimale de l’hydrogène doit être privilégié tout en maitrisant le coût d’investissement et de fonctionnement du convertisseur d’Energie (pile à combustible ou moteur à combustion interne).
Ainsi en tenant compte des performances, de l’investissement (CAPEX) et du coût d’exploitation (OPEX), le moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène est une solution élégante permettant de répondre aux enjeux environnementaux futurs.
Objectifs
Le projet Clean ICE a pour ambition de développer et valider des motorisations dédiées à la combustion de l’hydrogène tout en tenant compte des usages spécifiques au mode de transport.
Par une approche numérique puis un design adéquat, des prototypes de motorisation seront conçus puis validés par des essais moteurs. L’approche numérique permettra d’optimiser la boucle d’air afin de maximiser le remplissage en air du moteur. En effet, afin de limiter les émissions de Nox et l’apparition du cliquetis, le fonctionnement à très faible richesse du mélange est nécessaire mais impose une admission conséquente en air. Grace au bureau d’étude de Pipo Moteurs, des designs de moteurs seront conçus puis validés par des calcul 3D. Notamment, des géométries de chambre de combustion et des stratégies d’injection seront calculés afin d’optimiser la préparation du mélange hydrogène-air dans le but de réduire les émissions de Nox et l’apparition du cliquetis.
Cette approche numérique sera complétée par une approche expérimentale réalisée sur banc moteur afin de confirmer les performances en émissions et rendement des moteurs.
Les partenaires
Le projet Clean ICE ne s’inscrit pas dans une continuité de projet mais vient initier une collaboration nécessaire au déploiement accéléré de la technologie combustion de l’hydrogène.
Déroulement
Le projet sera réalisé chez Pipo Moteurs pour une durée de 24 mois à partir du 1er janvier 2022. Les moyens complémentaires seront ceux du laboratoire PRISME. Un suivi de l’université d’Orleans sera assuré en distanciel et des réunions sur le site industriel seront programmées périodiquement. Enfin des séjours de courtes durées au sein de l’Université d’Orleans mais également chez des industriels partenaires, seront programmés.
Les travaux débuteront par le dimensionnement de la boucle d’air par une modélisation 0D/1D du moteur. Ce dimensionnement permettra de définir le design des tubulures d’admission et le choix du turbocompresseur au regard des contraintes de remplissage du moteur lié à la combustion de l’hydrogène (très fort excès d’air). Puis l’optimisation de la géométrie des chambres de combustion sera réalisée par une étude CFD sous Converge afin d’optimiser l’aérodynamique interne et la préparation du mélange au regard de la position de l’injecteur et de ses caractéristiques ainsi que de l’aérodynamique interne. Enfin, après avoir réalisé les prototypes, les performances moteurs seront déterminées et adaptées en fonction des applications de mobilités.
Les taches numériques seront réalisées au sein du laboratoire PRISME. Elles s’appuieront notamment sur le centre de calcul de la Région Centre Val de Loire. Le design, la fabrication et la mise au point des prototypes seront réalisés au sein de Pipo Moteurs. Le laboratoire PRISME apportera son expertise pour l’analyse de la combustion. L’utilisation éventuelle d’un moteur de recherche monocylindre à PRISME permettra de réaliser des études en avance de phase et de valider des concepts proposés par la tâche numérique.
Résultats attendus
Pour atteindre ces objectifs, le projet adoptera une approche numérique visant à :
- Réaliser des modélisations 0D/1D sous Amesim et 3D sous le logiciel Converge afin de définir de nouveaux concepts de chambre de combustion et de nouvelles stratégies d’injection de l’Hydrogène.
- Définir des méthodologies afin d’optimiser les paramètres influents du contrôle et de la calibration des moteurs pour respecter les objectifs de performances et d’émissions de NOx
- Réaliser et analyser les tests nécessaires à la compréhension de la combustion de l’Hydrogène et à son optimisation incluant les essais spécifiques à l’amélioration des méthodologies
- Adapter les techniques de calibration afin d'améliorer la pertinence des méthodes connues sur des motorisations essence notamment en améliorant le code numérique Amesim développé par Siemens.
Cette approche numérique sera complétée par une approche expérimentale réalisée sur un moteur monocylindre. Le design des chambres de combustion sera testé expérimentalement et permettra de valider la diminution des émissions de Nox et de l’apparition du cliquetis.
Valorisation
L’étude est en parfaite adéquation avec les objectifs visant à soutenir la transition vers des technologies à faibles émissions de carbone. Elle vise également à maintenir l’emploi sur le territoire national grâce à une diversification de l’offre de produit de la société Pipo Moteurs notamment pour s’ouvrir à de nouveaux marchés qui sont le maritime et l’aéronautique légère.
Par le déploiement de technologies permettant l’utilisation rationnelle de l’hydrogène, le projet Clean ICE permettra de répondre à l’objectif d’abaisser notable des émissions de CO2 dans le domaine du transport.
Contact : Fabrice FOUCHER ⇒ fabrice.foucher@univ-orleans.fr