L'hydrogène, carburant d'avenir pour les moteurs à gaz

Auteurs : Stephan Laiminger, Michael Url, Martin Schneider, Klaus Payrhuber, INNIO Jenbacher. Copyright : adapté de CIMACarticle

Résumé

Les moteurs à gaz offrent une grande flexibilité en matière de carburants : ils peuvent fonctionner au gaz naturel ainsi qu'à divers gaz non naturels, qu'il s'agisse de gaz à faible pouvoir calorifique (BTU) ou de gaz à forte teneur en hydrogène. Les gaz contenant de l'hydrogène peuvent être des sous-produits issus de la sidérurgie (gaz de haut fourneau) ou de procédés chimiques ; l'hydrogène peut également être produit séparément puis mélangé au gaz naturel.

Dans le secteur de la production d'électricité à moyenne échelle, les moteurs à gaz Jenbacher constituent une technologie éprouvée pour l'utilisation de combustibles gazeux à forte teneur en hydrogène. Les gaz de cokerie ainsi que les gaz dérivés de procédés chimiques, dont la teneur en hydrogène peut atteindre 70 % en volume, ont été utilisés dans divers types de moteurs et ont accumulé bien plus d'un million d'heures de fonctionnement. L'hydrogène issu de sources renouvelables, comme la gazéification du bois (dans le gaz de synthèse), peut contenir jusqu'à 50 % en volume d'hydrogène. L'hydrogène issu de l'électrolyse est généralement fourni sous forme de combustible H2 pur à 100 % en volume et est considéré comme sans carbone (H2 vert) lorsque l'électricité est produite à partir de sources renouvelables.

L'un des principaux objectifs de la production d'hydrogène vert est de l'introduire dans le réseau de gaz naturel, car ce dernier est considéré comme un immense réservoir d'énergie saisonnier, indispensable pour équilibrer la production intermittente d'électricité issue des énergies renouvelables éolienne et solaire. Lorsque l'hydrogène est mélangé au gaz naturel, sa teneur peut varier dans une large fourchette. Les moteurs à gaz sont capables de brûler des gaz présentant une large gamme de teneurs en hydrogène, mais des défis se posent également en cas de fluctuations potentiellement importantes de la teneur en hydrogène ou de variations rapides. Les avantages futurs, les défis ainsi que l'expérience acquise avec des gaz à forte teneur en hydrogène sur les moteurs à gaz Jenbacher seront abordés dans cet article.

Introduction

Le monde et son climat évoluent plus rapidement que jamais. La concentration de CO₂ dans l'atmosphère ayant déjà dépassé la barre des 400 ppm, il est impératif de réduire les émissions de CO₂ afin de limiter la hausse des températures atmosphériques induite par le réchauffement climatique. Bien qu'il existe divers scénarios concernant l'augmentation des gaz à effet de serre (GES) et l'avenir du climat, tous s'accordent à dire que nous devons abandonner les combustibles fossiles et les énergies à base de carbone.

Étant donné que la demande énergétique continuera d'augmenter, nous devons réduire les émissions de gaz à effet de serre lors de la production d'énergie ainsi que les pertes du côté des utilisateurs finaux afin de maintenir le climat mondial sous contrôle. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a élaboré un scénario sur les réductions de CO2 nécessaires (figure 1), avec pour objectif de limiter l'augmentation de la température à +2 °C d'ici 2100. Grâce à ses produits, INNIO peut soutenir ces efforts, tels que la transition vers les énergies renouvelables, le changement de combustible et l'amélioration de l'efficacité énergétique, afin d'atteindre cet objectif.

L'amélioration de l'efficacité de nos moteurs à gaz Jenbacher* est au cœur des activités quotidiennes d'INNIO, et une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre peut être obtenue grâce à une application de cogénération. Le remplacement d'une centrale à charbon par un moteur à gaz moderne de cogénération permet de réduire les émissions de CO₂ de l'ordre de 70 %. De plus, les moteurs INNIO peuvent fonctionner avec différents combustibles, y compris ceux issus de sources non fossiles. En principe, tous les gaz combustibles peuvent être convertis à l'aide de moteurs à gaz.

Les capacités de réduction sont contrebalancées par le fort potentiel de GES du méthane, ce qui signifie que les fuites de méthane doivent être maintenues au niveau le plus bas possible. Grâce aux propriétés du combustible, le passage au gaz naturel réduit directement les émissions de CO₂ de 25 % par rapport aux moteurs diesel. Le remplacement d’une ancienne centrale au charbon par une centrale moderne à gaz équipée d’un moteur de cogénération peut entraîner une réduction des émissions de CO₂ pouvant atteindre 70 %. Les moteurs à gaz étant parfaitement adaptés à la conversion des « gaz résiduels » ou des biogaz en chaleur et en électricité, une réduction de 100 % des émissions de CO₂ peut être atteinte. Le passage du diesel au gaz, l'utilisation des gaz résiduels ou l'amélioration du rendement constituent un pas dans la bonne direction.

Compte tenu de la volatilité des énergies renouvelables, nous devrons relever le défi du stockage de l'énergie. Si l'énergie électrique est stockée sous forme d'hydrogène, les moteurs à gaz seront contraints d'utiliser des gaz à forte teneur en hydrogène. Les produits INNIO sont prêts à relever ce défi.

Décarbonisation

L'abandon des combustibles fossiles, également appelé décarbonisation, est un sujet brûlant partout dans le monde. Le trafic routier étant l'un des principaux responsables des émissions de CO₂, l'électromobilité fait l'objet d'une attention et d'études approfondies. Récemment, de nombreuses études ont mis en évidence des voies possibles vers une décarbonisation à 100 %. Une étude publiée par la FVV présente trois scénarios susceptibles de mener à cet objectif. Ces scénarios sont présentés dans la figure 2. L'énergie électrique peut être fournie au véhicule par une batterie ou par de l'hydrogène converti dans une pile à combustible, ou bien le véhicule peut être alimenté de manière conventionnelle avec de l'E-Fuel. Il convient de mentionner que l'étude part du principe que les batteries de pointe actuelles ne constituent pas une option pour les camions. S'ils fonctionnent à l'électricité, ils pourraient également être alimentés par une caténaire.

 

Le scénario électrique nécessite une alimentation électrique instantanée via la recharge ou des lignes aériennes. L'hydrogène et les carburants synthétiques peuvent être stockés pour les périodes où les énergies renouvelables (hydroélectrique, éolienne ou photovoltaïque) ne sont pas disponibles. La clé d'une décarbonisation durable réside dans la possibilité de stocker l'énergie électrique de manière efficace et rentable. Du point de vue de la FVV, la solution à la décarbonisation ne réside pas dans une technologie unique, mais dans une combinaison des trois. Cela nécessitera une infrastructure H2, car l'hydrogène constitue la première étape du processus des E-Fuels et de l'utilisation directe de l'hydrogène comme carburant pour véhicules. Un scénario très probable est que l'hydrogène soit également injecté dans le réseau de gaz naturel (GN) afin de stocker les excédents avant la mise en place d'une infrastructure H2 complète. En conséquence, les clients seront contraints d'utiliser un mélange de GN et d'hydrogène.

Dans tous ces scénarios, les énergies renouvelables fournissent de l'électricité, qui devra être disponible lorsque la production éolienne et solaire sera insuffisante. La question qui se pose est donc de savoir comment stocker cette énergie électrique.

Stockage d'énergie

En raison de la volatilité des sources d'énergie renouvelables telles que l'éolien et le solaire, le stockage est la technologie clé à mettre au point. Comme l'électricité doit être fournie tout au long de l'année, il est nécessaire de stocker une grande quantité d'énergie sur une période prolongée (stockage saisonnier). Une comparaison des différentes technologies est présentée à la figure 3. Pour une transition durable vers les énergies renouvelables, un stockage saisonnier de grandes quantités d'énergie est nécessaire. Les batteries ne permettent de stocker que l'équivalent d'une journée de consommation au maximum. Le stockage saisonnier doit passer par la voie de l'hydrogène, au moins en tant que produit intermédiaire. Même avec le stockage par pompage ou par air comprimé, l'énergie solaire ne peut pas être captée en été et stockée pour l'hiver.

L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau constitue le point de départ de différentes stratégies de stockage. L'hydrogène peut être stocké directement, sous terre dans des cavités, ou injecté dans le réseau de gaz naturel, ce qui permet d'obtenir un mélange de gaz naturel et d'hydrogène. La concentration maximale autorisée est actuellement de 5 %, mais des pourcentages allant jusqu'à 10 % ont été proposés pour un avenir proche. Il est probable que la teneur en H₂ dans le réseau de gaz naturel augmente encore davantage à l'avenir, faute de quoi un système de distribution d'H₂ distinct devra être mis en place. Au moins pendant une période de transition, on s'attend à ce que l'H₂ soit distribué via le réseau de gaz naturel existant.

Une solution permettant de conserver l'infrastructure actuelle du gaz et du diesel sans modification consiste à transformer l'hydrogène en gaz naturel synthétique (SNG) ou en carburant liquide synthétique (E-Fuel). Il s'agit du troisième scénario FVV présenté à la figure 2, une technologie de transition facile à mettre en œuvre pour l'infrastructure de transport. Ce procédé présente toutefois des inconvénients (figure 4). Outre les coûts de production élevés, le besoin en CO₂ constitue un défi. Malgré le nouveau record de concentration de CO₂ dans l'atmosphère, celle-ci reste encore très faible pour permettre un processus de séparation efficace.

Si l'on parvenait à produire un carburant synthétique (E-Fuel) à un coût raisonnable, présentant des caractéristiques similaires à celles du diesel, de l'essence ou du gaz naturel, la plupart des obstacles à une transition vers un avenir décarboné seraient levés, car cela ne nécessiterait pratiquement aucune modification des équipements des utilisateurs finaux. À l'heure actuelle, plusieurs installations de démonstration de petite à moyenne envergure destinées à la production de carburant synthétique sont en cours de planification ou déjà en service. Une mise à l'échelle réussie permettrait une production et un stockage à grande échelle et à un coût raisonnable de ce carburant synthétique.

L'hydrogène comme carburant

Ces deux domaines technologiques, à savoir la décarbonisation du trafic et le stockage d'énergie à long terme, reposent sur l'hydrogène. Étant donné que l'hydrogène sera acheminé par gazoducs, la demande en moteurs à gaz flexibles et compatibles avec l'hydrogène va augmenter.

Étant donné que les moteurs à gaz sont déjà parfaitement adaptés à l'utilisation de différents gaz, le recours direct à l'hydrogène (H₂) ou à des mélanges d'hydrogène et de gaz naturel constitue une option viable. Bien sûr, il ne s'agit pas d'une solution toute faite : certaines technologies et optimisations sont nécessaires pour s'adapter aux variations de la qualité du gaz. Le groupe de travail 17 du CIMAC a publié un document de synthèse intitulé « Impact de la qualité du gaz sur les performances des moteurs à gaz ».

La libéralisation du marché du gaz aura un impact significatif sur les propriétés des carburants. Certains paramètres sont présentés dans les figures 5, 6 et 7.

Les valeurs proposées pour l'indice de Wobbe (Ws) varient d'un pays à l'autre. On s'attend par ailleurs à une libéralisation générale des normes de qualité du gaz. Cela ne signifie pas pour autant que tous les clients seront concernés par cette fourchette ; au niveau local, la qualité du gaz pourrait rester relativement constante.

L'indice de Wobbe n'est pas la valeur la plus critique pour les moteurs à gaz. Étant donné que les moteurs à gaz fonctionnent généralement selon le cycle Otto-SI, avec un risque de cliquetis, l'indice de méthane revêt une plus grande importance. L'indice de méthane n'est pas corrélé à l'indice de Wobbe (figure 6), mais on constate qu'un gaz présentant un indice de Wobbe de 54 a un indice de méthane inférieur à 65, ce qui est inacceptable pour la plupart des moteurs à gaz à haut rendement.

Les nouveaux moteurs peuvent être conçus pour fonctionner avec une large gamme de qualités de gaz, au prix d'une baisse de rendement et d'autres paramètres de performance. Le véritable défi réside dans le parc existant. Les moteurs à gaz étant conçus pour fonctionner pendant plusieurs années, un changement rapide des qualités de gaz imposera le développement de kits de mise à niveau, car il n'est pas envisageable de simplement arrêter les moteurs.

The higher hydrocarbons (C4 and C4+) sometimes found in LNG fuel will lower the methane number, and the admixture of hydrogen has a comparable effect. A 10% limit for hydrogen is under discussion from the gas industry while manufacturers of gas turbines and engines have specified limits between 1% and 5%. Even with 10% admixture, the resulting density of the mixed gas will be for some base gases out of the current specification for density ratio (0.55<d<0.75), as shown in Figure 7. The admixture of bio-methane can bring additional impurities such as siloxanes and sulphur to the gas network, which would negatively impact consumers but would have especially profound effects on gas engines.

L'hydrogène étant susceptible de devenir la technologie clé de la décarbonisation, on assistera à une évolution vers des variations fréquentes de la qualité du gaz. Un scénario envisage le stockage de l'hydrogène dans les infrastructures existantes de gazoducs (figure 8). L'hydrogène sera produit dans des usines à grande échelle et distribué aux consommateurs finaux, ou fera l'objet d'une transformation ultérieure en carburants synthétiques.

Les moteurs à gaz doivent pouvoir fonctionner avec des gaz dont la teneur en H₂ varie, dans le meilleur des cas, de 0 à 100 %.

Stratégie de combustion de l'hydrogène

Les moteurs à gaz Jenbacher d'INNIO ont fait leurs preuves dans l'utilisation de toutes sortes de gaz non naturels. Certains de ces gaz, tels que les gaz de décharge et de mine de charbon, sont à base de CH₄ et présentent un comportement à la combustion similaire à celui du gaz naturel. L'autre grand groupe est constitué de gaz à base de H₂ et de CO, comme les gaz issus de la gazéification et de la production sidérurgique. La teneur en H₂ peut atteindre 70 % dans ces applications, et divers types de moteurs à gaz Jenbacher d’INNIO ont déjà dépassé le million d’heures de fonctionnement. La qualité du gaz reste stable en fonctionnement normal, ce qui permet de concevoir des moteurs capables d’utiliser ces gaz. Si l’on s’attend à de fortes variations de la qualité du gaz, des efforts supplémentaires sont nécessaires et il faut accepter des compromis sur les performances du moteur.

La figure 9 présente quelques exemples de projets impliquant des moteurs à gaz Jenbacher destinés à la valorisation des gaz résiduaires industriels. Forte de cette vaste expérience, INNIO est en bonne voie pour atteindre son objectif : un moteur entièrement flexible, capable de fonctionner avec des mélanges de 0 à 100 % d'hydrogène.

Les versions des moteurs à gaz INNIO destinées à des applications autres que le gaz naturel diffèrent des moteurs à gaz naturel standard. Citons par exemple la conception du piston d'un moteur à gaz Jenbacher de type 6 (figure 9). La conception standard prévoit une tête plate ou une cuvette très peu profonde, la turbulence étant générée par la préchambre alimentée en gaz. Un gaz à forte teneur en H₂ ne peut pas être converti en toute sécurité avec un système de combustion à préchambre.

Un système d'allumage direct est la solution privilégiée, avec un niveau de turbulence bien défini dans la chambre principale, généré par un tourbillon d'admission et un piston de forme spéciale destiné à briser ce tourbillon.

Le principal facteur déterminant pour une combustion stable de l'hydrogène réside dans la stratégie de combustion, qui va de la préparation du mélange à la stratégie de remplissage, en passant par le mouvement de la charge, l'allumage de celle-ci et le processus de combustion proprement dit.

Une chambre de combustion conçue pour des carburants à forte teneur en H₂ diffère d'une chambre destinée à des carburants composés à 100 % de gaz naturel. Un moteur monocylindre (SCE) avec différentes teneurs en H₂ a été testé ; les résultats sont présentés aux figures 11 et 12. Une augmentation de la teneur en H₂ accélère la combustion et conduit à un processus de combustion très efficace.

Il convient de rappeler que la chambre de combustion a été modifiée par rapport à la conception d'origine afin de pouvoir fonctionner avec un carburant contenant de l'hydrogène. La puissance a été maintenue constante lors de cette expérience, ce qui a entraîné une augmentation de la « pression maximale de combustion » du moteur. La structure de base doit être capable de supporter cette pression, ou bien la puissance de sortie doit être réduite.

L'influence sur le moteur dans son ensemble est illustrée à la figure 12. Les principaux paramètres de performance sont calculés à partir des résultats de la simulation SCE. La combustion très rapide obtenue avec une teneur en H₂ de 50 % ne peut pas être transposée telle quelle pour obtenir un très bon rendement global du moteur. Pour maintenir les émissions de NOx au même niveau, il est nécessaire d'appauvrir le mélange de charge. Cela entraîne une augmentation de la pression de suralimentation requise et, en fin de compte, une hausse des pertes de pompage.

L'avantage d'une combustion rapide est largement compensé par l'augmentation des pertes. Pour une teneur en H₂ plus élevée, une nouvelle modification de la conception de la chambre de combustion s'impose. Cependant, comme cela a été démontré, la faible quantité d'H₂ présente dans le gaz combustible permet d'améliorer le rendement et d'assurer un fonctionnement stable du moteur avec des émissions de NOx réduites.

Mais c'est surtout avec des gaz à forte teneur en H₂ et/ou en CO que nous avons observé des phénomènes de combustion anormaux. Certains cycles accélèrent la combustion et passent à l'auto-allumage sans cliquetis. La figure 13 présente une courbe de pression dans le cylindre pour différents cycles de combustion. De plus, le signal de tension d'allumage est représenté (ligne verte), et on voit clairement que la combustion du « cycle rouge » commence par une combustion précoce par auto-allumage. Cette combustion précoce est suffisamment rapide pour que toute la charge soit convertie et qu'aucun cliquetis ne se produise, ce qui conduit à une pression de combustion maximale très élevée. L'inconvénient est que, comme il n'y a pas de cliquetis, le système de commande standard du moteur ne peut pas détecter ces phénomènes. Cela peut causer de graves dommages au moteur. Avec un système de commande basé sur la pression dans le cylindre, ces phénomènes peuvent être détectés, ce qui permet un fonctionnement sûr et stable du moteur. Chez INNIO, ce système est utilisé depuis des années sur bon nombre de nos versions non fonctionnant au gaz naturel.

Une autre solution pour éviter ces phénomènes de combustion anormaux consiste à adopter un système de combustion avec injection directe d'hydrogène dans la chambre de combustion principale. Il est également possible de procéder à un allumage classique à l'aide d'une bougie d'allumage ou, comme le montre la figure 14, à l'aide d'une petite quantité de diesel.

Ce concept, qui combine l'injection directe d'hydrogène et, en alternative, l'allumage par injection pilote de diesel, est un projet de recherche mené par la société Large Engines Competence Center GmbH (LEC). Il s'inscrit dans le cadre du programme de recherche et d'innovation « Horizon 2020 » de l'Union européenne, au titre de la convention de subvention n° 768945.

Bien sûr, il existera d'autres solutions pour utiliser l'hydrogène dans un moteur à essence. Les premiers prototypes ont déjà vu le jour, et d'autres sont à venir.

Exemples et développement

INNIO exploite de nombreuses installations fonctionnant avec des gaz contenant de l'hydrogène. La figure 15 présente une installation de démonstration P2G en Argentine. L'énergie renouvelable provenant d'un parc éolien est stockée sous forme d'H2, et en période de forte demande, l'H2 est reconverti en électricité dans un moteur à gaz. Le moteur n'est pas conçu pour fonctionner avec une teneur en H2 de 100 % ; le combustible de base est le GN et jusqu'à 40 % d'H2 peut y être mélangé avec une légère perte de puissance. Cette installation est en service depuis environ 10 ans et fonctionne toujours.

Dans la perspective d'une application future, le programme de recherche et d'innovation « Horizon 2020 » de l'Union européenne, HyMethShip, constitue un concept de pointe. Le stockage de l'énergie est assuré par la production de méthanol (CH₃OH) à partir d'hydrogène issu de sources d'énergie renouvelables et d'un cycle fermé du CO₂. Un schéma fonctionnel général est présenté à la figure 16.

Le défi de la production de méthanol consiste également à obtenir du CO₂ à partir de sources renouvelables. Dans ce concept, le CO₂ est capté à bord du navire puis acheminé vers l'usine de méthanol, ce qui permet de boucler le cycle complexe du CO₂.

La figure 17 présente un schéma plus détaillé du fonctionnement de l'infrastructure du navire. L'un des piliers de ce concept est un moteur à gaz fonctionnant à l'hydrogène (H₂) ou à tout mélange d'hydrogène et de méthanol. Il s'agit d'un projet de démonstration technologique qui, s'il s'avère concluant dans le domaine maritime, pourrait également servir d'unité de stockage d'énergie dans le secteur de la production d'électricité.

Les principales étapes du processus sont les suivantes :

• L'énergie est stockée dans un réservoir de méthanol à bord du navire.
• À bord du navire, le méthanol est transformé en H₂ et en CO₂.
• Le H₂ et le CO₂ sont séparés à l'aide d'un reformeur à membrane intégré.
• Le CO₂ est condensé et stocké sous forme liquide, puis renvoyé vers l'usine de méthanol.
• Dans un moteur à gaz, l'hydrogène est transformé en énergie de propulsion, tout en produisant très peu d'émissions.

Le projet HyMethShip permettra de démontrer la viabilité et la fonctionnalité de ce concept à l'échelle du laboratoire, l'évaluation des performances restant toutefois à réaliser. Une présentation détaillée du projet par le LEC est également disponible (document CIMAC n° 104).

Conclusion

Pour atteindre l'objectif d'une décarbonisation à 100 %, il est nécessaire de stocker l'énergie renouvelable pendant plus d'une journée. Pour le stockage saisonnier en particulier, il est avantageux d'opter pour le stockage d'énergie chimique. L'hydrogène et/ou le gaz naturel synthétique (SNG) peuvent être injectés dans l'infrastructure existante de gaz naturel, notamment les gazoducs et les cavités de stockage. Lorsque la production d'énergie renouvelable est insuffisante, les mélanges H₂-GN peuvent alors être convertis de manière flexible en électricité et en chaleur via un moteur à gaz. Il est donc nécessaire de développer un moteur entièrement flexible, capable d'utiliser des mélanges contenant de 0 à 100 % d'H2. Chez INNIO, nous disposons des technologies permettant de répondre à ces exigences pour les nouvelles unités. La question est de savoir comment gérer le parc existant.

Définitions, acronymes, abréviations

CAES: stockage d'énergie par compression d'air
CCS: Captage du carbone
CHP: cogénération
GHG: gaz à effet de serre
IEA: Agence internationale de l'énergie
NG: gaz naturel
NNG: gaz autre que le gaz naturel
P2G: Power to Gas
P2G: Power to Gas
PFP: pression de combustion maximale
SCE: moteur monocylindre
SNG: gaz naturel synthétique

* Jenbacher est une marque déposée.

Remerciements

Nous tenons à remercier tout particulièrement nos collègues de LEC GmbH, partenaire d'INNIO dans les projets de développement liés à la combustion. LEC GmbH est également le coordinateur du programme HyMethShip, qui s'inscrit dans le cadre du programme de recherche et d'innovation «Horizon 2020» de l'Union européenne, au titre de la convention de subvention n° 768945.

Références et bibliographie

Document de synthèse du CIMAC n° 07/2015 : Impact de la qualité du gaz sur les performances des moteurs à gaz

« Feuille de route de l'AIE – Hydrogène et piles à combustible »

FVV – Options pour une mobilité neutre en carbone à l'horizon 2050 ; Scénarios énergétiques pour le transport routier de demain

NREL ; Laboratoire national des énergies renouvelables

Programme de recherche et d'innovation «Horizon 2020» de l'Union européenne, dans le cadre de la convention de subvention n° 768945.

AIE « Suivi des progrès en matière d'énergie propre 2017 »