Comment un moteur de navire pourrait produire de l'hydrogène en mer et contourner les problèmes de stockage
infohightech ·
Chaque année, le transport maritime international achemine plus de 80 % du commerce mondial et émet environ un milliard de tonnes de gaz à effet de serre. Le fioul lourd demeure le carburant principal du secteur, apprécié pour sa fiabilité et sa densité énergétique, mais tristement célèbre pour son empreinte carbone. Alors que l'Organisation maritime internationale s'efforce d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, la recherche de carburants viables sans carbone est lancée.
Parmi les candidats, l'ammoniac a été particulièrement étudié. Dépourvu de carbone, il se liquéfie facilement pour le transport et peut être produit à grande échelle grâce à des procédés industriels bien établis. Il transporte également une forte concentration d'hydrogène par volume, une propriété qui en fait un vecteur d'hydrogène intéressant. Cependant, l'ammoniac est difficile à enflammer, brûle lentement et a tendance à laisser des résidus de combustible imbrûlé et des oxydes d'azote qui nuisent à l'efficacité et à l'environnement.
L'hydrogène, en revanche, brûle rapidement et proprement, et son mélange avec de l'ammoniac améliore à la fois les performances et réduit les émissions. Cependant, ses exigences de stockage constituent son principal inconvénient. L'hydrogène doit être refroidi à -253 °C ou comprimé à haute pression, ce qui nécessite des réservoirs volumineux et coûteux, peu pratiques pour les longs voyages en mer.
Ce dilemme de longue date — comment tirer le meilleur parti des deux carburants sans leurs inconvénients — est ce que le professeur agrégé Yang Wenming et le chercheur principal Zhou Xinyi, du département de génie mécanique du Collège de conception et d'ingénierie de l'Université nationale de Singapour, ont entrepris de résoudre.
Leur étude, publiée dans Joule , présente un nouveau concept de moteur à ammoniac-hydrogène alimenté par une seule source d'ammoniac. Concrètement, le moteur produit son propre hydrogène en fonctionnement, évitant ainsi d'avoir à transporter une réserve supplémentaire.
Transformer le carburant en son propre catalyseur
La plupart des concepts de moteurs à ammoniac-hydrogène actuels reposent sur des reformeurs externes : des réacteurs séparés qui chauffent l’ammoniac à environ 550 °C et utilisent des catalyseurs tels que le ruthénium pour le décomposer en hydrogène et en azote.
Ces systèmes consomment de l'énergie supplémentaire pour le chauffage, complexifient la mécanique et occupent un espace précieux. Ils présentent également des compromis entre coût, rendement et durabilité, autant de facteurs essentiels pour les moteurs de navires destinés à fonctionner en continu pendant des décennies.
« Au lieu de traiter l'ammoniac à l'extérieur du moteur, nous avons pensé que nous pouvions produire de l'hydrogène à l'intérieur même du cylindre du moteur », explique le professeur associé Yang.
Selon le concept de l'équipe, un cylindre d'un moteur multicylindre fonctionne avec un mélange d'ammoniac riche en carburant . Sous l'effet de la température et de la pression intenses de la combustion, une partie de l'ammoniac se décompose en hydrogène. Ces gaz d'échappement riches en hydrogène sont ensuite recirculés vers les autres cylindres, enrichissant ainsi leur combustion et améliorant leur rendement, le tout avec le même carburant.
Pour stabiliser ce procédé, les chercheurs ont introduit un système d'allumage actif par préchambre. Ce système enflamme un petit mélange facilement combustible dans une préchambre, puis projette des jets turbulents à haute température dans la chambre principale afin d'enflammer le carburant riche en ammoniac. Ceci garantit un allumage fiable sans recourir au gazole pilote, évitant ainsi les émissions de dioxyde de carbone liées aux carburants d'allumage fossiles.
« Plus important encore, l'intégration de la technologie de préchambre active permet d'étendre la limite de concentration en ammoniac de la chambre principale, augmentant ainsi la production totale d'hydrogène », explique le Dr Zhou.
Les premières expériences et simulations suggèrent que cette approche de reformage dans le cylindre pourrait améliorer l'efficacité thermique, réduire l'ammoniac imbrûlé et diminuer considérablement les émissions d'oxyde nitreux, qui constituent l'un des principaux défis environnementaux pour les moteurs à ammoniac, car les oxydes nitreux sont environ 273 fois plus puissants que le dioxyde de carbone en termes de réchauffement climatique.
« Ce concept simplifie également le système. Pas de reformeurs encombrants, pas de catalyseurs coûteux et moins de pertes d'énergie », ajoute le professeur associé Yang.
Explorer de nouveaux horizons
Les travaux du professeur associé Yang et du docteur Zhou constituent un pas en avant vers une utilisation pratique de l'hydrogène en mer. L'analyse de son équipe révèle également un équilibre important : une plus grande quantité d'hydrogène n'est pas toujours synonyme d'amélioration. Dès que la part d'hydrogène dépasse environ 12 % de l'énergie consommée par le moteur, les gains d'efficacité se stabilisent tandis que les températures de combustion, et par conséquent les émissions d'oxyde nitreux, augmentent.
La configuration proposée, dans laquelle un cylindre de reformage alimente trois cylindres de combustion, permet d'obtenir un mélange d'hydrogène efficace sans incidence sur les émissions.
Les chercheurs ont également souligné certains défis importants qui restent à relever. La physique à l'intérieur du cylindre de reformage est complexe et régie par des flux qui évoluent rapidement, des réactions turbulentes et des variations de température et de pression. Comprendre comment l'hydrogène se forme et se comporte dans ces conditions transitoires sera essentiel pour optimiser la conception.
Ils ont également souligné plusieurs pistes d'avenir. Par exemple, la combustion enrichie en oxygène pourrait étendre les limites du fonctionnement avec un mélange riche en ammoniac, d'autant plus que les navires sont déjà équipés de systèmes de séparation d'air. L'injection directe d'ammoniac liquide à haute pression pourrait contribuer à améliorer le rendement de conversion près des parois des cylindres.
De plus, le couplage du système avec un petit reformeur supplémentaire en aval — alimenté par la chaleur des gaz d'échappement du moteur — pourrait encore augmenter l'efficacité globale sans augmenter la taille du système.
Pour faire progresser leurs recherches, l'équipe prévoit de construire le premier prototype de moteur à recirculation de gaz par reformage dans le cylindre avec le soutien d'un projet majeur du Singapore Maritime Institute (SMI), puis de valider cette voie technologique lors de démonstrations en laboratoire et à bord, et d'en faire progresser la commercialisation.
« La décarbonation du transport maritime nécessitera de nombreuses solutions complémentaires », explique le professeur associé Yang. « Mais si nous parvenons à concevoir des moteurs qui produisent de l'hydrogène à partir du carburant qu'ils brûlent, nous pourrons surmonter l'un des principaux obstacles pratiques – le stockage de l'hydrogène – et tracer la voie vers un secteur maritime zéro carbone. »