De l'hydrogène issu de déchets pour les moteurs fixes et mobiles
Des exigences de pureté moins strictes permettent d'exploiter les résidus de fermentation et les boues d'épuration comme sources d'hydrogène
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Le projet Waste2HyEngine, financé par le BMFTR, a mis au point une chaîne de procédés permettant de produire un gaz riche en hydrogène à partir de résidus biogènes. Ce gaz est utilisé dans un moteur diesel adapté, avec une teneur en hydrogène comprise entre 40 et 100 % en volume. Ses exigences de pureté moins strictes que celles des piles à combustible permettent d’obtenir des sources d’H₂ économiques à partir de résidus. Il est possible de produire directement de l’électricité dans une centrale de cogénération ou de concentrer l’H₂ pour des applications mobiles. Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer IKTS, l’université de Heilbronn et DEUTZ AG ont testé cette chaîne de procédés à l’échelle pilote.
La décarbonisation des systèmes énergétiques fixes et mobiles nécessite de nouvelles méthodes de production et d’utilisation de l’hydrogène. La fourniture d’hydrogène de haute pureté (99,999 %) produit par électrolyse pour les piles à combustible correspond à l’état de la technique, mais implique des coûts techniques et financiers élevés. Il n’existe à ce jour aucune solution économique, en particulier pour les applications décentralisées, situées en dehors du réseau central d’hydrogène prévu, par exemple dans l’agriculture ou le secteur du bâtiment. Parallèlement, ces secteurs disposent de moteurs diesel robustes qui peuvent être convertis en moteurs à combustion à hydrogène à un coût raisonnable.
Dans le cadre du projet Waste2HyEngine, les instituts Fraunhofer UMSICHT et IKTS, l’université de Heilbronn et la société DEUTZ AG poursuivent une approche adaptée à ce cas d’application : Grâce à des procédés de conversion thermochimiques tels que la pyrolyse, les résidus biogènes sont transformés en un gaz de synthèse riche en hydrogène. Ce gaz est testé en fonctionnement continu sur un moteur à combustion interne à hydrogène fixe qui a été converti. L’accent est mis sur le comportement du moteur en fonction de différentes compositions du gaz. Les résultats obtenus jusqu’à présent sont prometteurs : le moteur fonctionne de manière régulière et stable, même lorsque la teneur en hydrogène du gaz varie entre 40 et 100 % en volume. Cela ouvre la voie à deux nouveaux scénarios d’utilisation.
Piste 1 : utilisation directe sur le lieu de production
Pour une utilisation purement motrice dans des installations fixes, une concentration supplémentaire de la teneur en hydrogène dans le gaz de pyrolyse n’est techniquement pas nécessaire. Sur les sites générant d’importants volumes de résidus – tels que les stations de compostage, les installations de valorisation des biodéchets, moulins ou scieries –, on dispose ainsi, sans concentration supplémentaire de la teneur en hydrogène, d’une source de combustible économique et respectueuse de l’environnement pour les centrales de cogénération, qui fournissent l’électricité et la chaleur nécessaires à leur propre fonctionnement. Une épuration en amont du gaz visant à séparer les goudrons, les poussières et les composés soufrés reste nécessaire pour protéger durablement le moteur – l’effort de traitement est toutefois nettement moindre que pour la production d’un gaz de qualité adapté aux piles à combustible.
Voie 2 : Concentration pour les applications mobiles et le transport
Si le gaz riche en hydrogène doit être utilisé pour des applications mobiles dans des tracteurs ou des engins de chantier, une concentration de l’hydrogène s’avère judicieuse. Dans le cadre du projet, les partenaires Fraunhofer UMSICHT et IKTS ont développé et testé à cette fin différents procédés à membrane. À ce jour, une teneur en hydrogène de 90 % en volume a pu être atteinte. Cela augmente la densité énergétique massique et simplifie la logistique de l’hydrogène en termes de transport et de stockage. À terme, cela pourrait déboucher sur des solutions de ravitaillement décentralisées pour les machines agricoles et de chantier dont les moteurs sont convertis au fonctionnement à l’hydrogène – une voie qui nécessite toutefois, outre la qualité du gaz, des progrès en matière de stockage embarqué, de technologie de sécurité et d’homologation.
Des exigences de pureté moins strictes ouvrent la voie à de nouvelles matières premières
Ce projet de recherche combine deux avantages. Les moteurs à combustion à hydrogène fonctionnent de manière fiable même en présence de gaz d’accompagnement et de gaz inertes tels que l’azote, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone ou le méthane – contrairement aux piles à combustible, dont les catalyseurs réagissent déjà de manière sensible à des traces d’impuretés de l’ordre du ppm. Parallèlement, il existe une multitude de résidus d’origine biogène qui ne pouvaient jusqu’à présent pas être utilisés comme source d’hydrogène, par exemple les résidus de fermentation issus des installations de biogaz, les déchets verts, les boues d’épuration ou les biodéchets municipaux. Ces flux de matières sont générés au niveau régional et font aujourd’hui l’objet d’une valorisation principalement de faible valeur ; leur transformation en hydrogène de haute pureté n’est pas viable économiquement. Grâce aux exigences moindres du moteur modifié en matière de qualité du gaz, ils deviennent pour la première fois exploitables comme source d’hydrogène stationnaire ou mobile.
« Nous combinons la conversion thermochimique des résidus avec l’utilisation de l’hydrogène dans les moteurs pour former une chaîne de procédés continue », explique le Dr.-Ing. Christopher Graf-Kick, coordinateur de projet au Fraunhofer UMSICHT. « La clé réside dans la flexibilité du moteur vis-à-vis de la composition du mélange gazeux : cela permet d’exploiter des résidus qui, jusqu’à présent, n’étaient pas envisageables pour la production d’hydrogène. La concentration supplémentaire, par exemple grâce à des technologies de membranes innovantes, est également prometteuse. Elle permet des applications dans la mobilité ou la logistique de l’hydrogène. »
Au cours de la première phase du projet, les limites de tolérance d’un moteur à hydrogène en termes de composition du gaz ont été systématiquement déterminées. À cette fin, différents mélanges gazeux ont été reproduits et testés dans le moteur sur le banc d’essai de l’université de Heilbronn. Le moteur d’essai est basé sur un moteur diesel à 4 cylindres produit par DEUTZ AG. Lors de la conversion au fonctionnement à l’hydrogène, le nouveau système d’injection de gaz à commande mécanique mis au point par l’université de Heilbronn constitue un élément clé. « Il permet un dosage précis du débit de gaz, même en cas de variations extrêmes de la composition du gaz, et peut être intégré à pratiquement n’importe quel moteur diesel », explique le professeur Karsten Wittek, directeur du laboratoire des machines à pistons de l’université de Heilbronn.
Au cours de la deuxième phase du projet, l’ensemble de la chaîne de processus a été testé chez Fraunhofer UMSICHT avec du gaz de pyrolyse réel, issu de résidus, et la production d’électricité dans le moteur à gaz nouvellement développé.
Georg Töpfer, docteur en ingénierie chez DEUTZ AG, déclare : « Depuis de nombreuses années, DEUTZ propose des solutions de motorisation fiables pour l’agriculture et le secteur du bâtiment. En leur offrant la possibilité de convertir leurs moteurs en moteurs à combustion à hydrogène, nous ouvrons à nos clients la voie vers la décarbonisation. Si l’hydrogène est produit à partir de résidus régionaux, ils peuvent s’engager dans cette voie sans avoir à attendre le développement des infrastructures d’hydrogène. »
L’application stationnaire comme point de départ
L’objectif immédiat du projet est de démontrer la faisabilité de la chaîne de processus pour les centrales de cogénération stationnaires. À terme, cette technologie s’adresse également aux applications mobiles. Le gaz étant d’origine biogénique, l’approvisionnement en énergie serait, d’un point de vue du bilan carbone, pratiquement neutre pour le climat. De plus, la conversion thermochimique génère un carbonisat contenant du carbone. Si celui-ci est stocké de manière durable, par exemple sous forme de charbon végétal dans le sol, l’ensemble du procédé a le potentiel d’afficher un bilan CO₂ négatif. En Allemagne, l’utilisation d’hydrogène biogénique dans le secteur des transports est prise en compte dans le quota de gaz à effet de serre (quota GES) en vertu du 37e BImSchV (règlement relatif à la prise en compte des carburants à base d’électricité et des matières premières biogéniques co-transformées).
Waste2HyEngine est un projet collaboratif financé par le BMFTR (référence de financement 03SF0754A) doté d’un budget total de 3,3 millions d’euros et s’étendant de mars 2024 à septembre 2026. Le PtJ (Projektträger Jülich) est l'organisme chargé de la gestion du projet.
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