De l'hydrogène sur glace, c'est chouette !
L'utilisation d'hydrogène dans le moteur Tier-3 NextFuel™ fait de Wabtec un leader des carburants alternatifs
« Premier incendie » à l'hydrogène
Souvenez-vous de cette date : le 15 mai 2024.
Ce mercredi après-midi, dans une installation d'essai du campus principal du Southwest Research Institute (SwRI) à San Antonio, au Texas, les ingénieurs de recherche de Wabtec ont réalisé le « premier feu » (c'est-à-dire la combustion) d'un moteur bicarburant hydrogène-diesel.
Ils ont introduit de l'hydrogène dans un moteur Wabtec Evolution Series Tier 3 à pleine échelle de 4 500 chevaux, qui est un élément essentiel des flottes de locomotives ferroviaires du monde entier (plusieurs milliers de locomotives équipées de moteurs de la série Evolution sont en service aujourd'hui), et cela a fonctionné... dans les limites des paramètres attendus.
Soyons clairs : un moteur à combustion interne à hydrogène (H₂ ICE) ne sera disponible que dans des années. Mais atteindre le « premier feu » constitue une première étape importante de ce parcours et le fait d'en arriver là met en évidence l'esprit d'innovation de Wabtec, ainsi que son approche commerciale pratique, en tant que leader d'un secteur ferroviaire déjà économe en carburant vers un avenir net zéro.
Une approche « diversifiée » : les moteurs bicarburant
L'hydrogène en tant que source de combustible (non fossile) a captivé l'imagination du transport ferroviaire de marchandises et du monde des affaires en général, car il ne produit aucune émission de carbone. Bien que l'élément lui-même soit largement abondant dans l'univers, les grandes réserves d'hydrogène « vert » à prix compétitif et l'infrastructure requise pour le distribuer ne le sont pas. C'est également l'élément le plus léger et extrêmement inflammable, ce qui pose des défis de conception uniques aux concepteurs de moteurs de locomotives.
Malgré les nombreuses caractéristiques uniques de l'hydrogène, Wabtec pense que la solution pour en faire un carburant productif et sans émissions de carbone pour les flottes de locomotives de fret existantes réside dans ses points communs avec d'autres sources d'énergie. Autrement dit, le H₂ est un gaz, et Wabtec sait comment brûler du gaz dans un moteur à combustion interne à haute performance. Mieux encore, Wabtec sait comment brûler du gaz naturel dans un moteur bicarburant qui peut facilement revenir au diesel selon les besoins, ce qu'elle fait déjà dans un environnement commercial avec sa locomotive NextFuel™ pour la Florida East Coast Railway.
Cette distinction est importante car, une fois de plus, Wabtec innove de manière efficace, démontrant à l'industrie qu'elle n'a pas à réinventer la roue pour s'adapter à une source de carburant alternative émergente. Wabtec cherche plutôt à faire en sorte que ce carburant alternatif, en l'occurrence l'hydrogène, fonctionne efficacement au sein d'une plateforme de moteurs existante spécialement conçue pour la flexibilité (du carburant), permettant aux clients de bénéficier de nouveaux carburants à mesure qu'ils deviennent viables.
« La tentation de considérer l'hydrogène et le développement d'un moteur à combustion interne à hydrogène comme un défi nécessitant une approche radicalement nouvelle est forte, mais nous avons réussi à y résister grâce à une bonne planification et à une exécution encore meilleure », déclare Jim Gamble, vice-président des solutions de moteurs et d'alimentation chez Wabtec. « Avec nos moteurs bicarburant NextFuel™, Wabtec a modifié ses populaires moteurs diesel existants pour a) intégrer des carburants alternatifs et b) revenir au diesel de manière fluide et automatique selon les besoins. »
Cette approche de l'innovation garantit que les besoins des clients du secteur ferroviaire sont intégrés dans les technologies de réduction des émissions, en particulier leurs préoccupations concernant l'infrastructure et la disponibilité des carburants alternatifs. Par exemple, les succès de Wabtec en matière d'utilisation de carburants alternatifs dans les moteurs existants avec ses kits NextFuel, qu'il s'agisse de GNL, de biodiesel ou de diesel renouvelable, permettent aux transporteurs de changer de type de carburant en fonction de la situation sur le terrain. Cela signifie que lorsqu'un carburant alternatif n'est pas disponible sur un territoire donné, ou que l'infrastructure permettant de le fournir n'est pas prête à un moment donné, le diesel peut et continuera de faire le travail, automatiquement et tout en utilisant un seul moteur très performant.
Cela est particulièrement important dans l'évolution des moteurs à hydrogène, où la construction d'une infrastructure d'hydrogène en est à un stade aussi précoce que le développement du H₂ ICE lui-même.
« L'expérience nous a appris que ce n'est pas une bonne idée d'innover trop avant ce que nos clients du secteur ferroviaire peuvent utiliser dans la pratique », ajoute Gamble. « En progressant dans l'utilisation de l'hydrogène comme carburant dans notre plateforme opérationnelle NextFuel, nous veillons à ce que les progrès que nous réalisons se concrétisent dans le cadre d'un modèle de prestation que l'industrie a déjà adopté et peut facilement intégrer. »
Rapprocher l'hydrogène du client
Wabtec fait des progrès dans le domaine des trains à hydrogène depuis l'annonce de contrats de recherche de grande envergure avec les laboratoires nationaux d'Oak Ridge et d'Argonne du ministère de l'Énergie. Ce travail s'est concentré sur les essais de divers carburants alternatifs, y compris l'hydrogène, sur une installation de moteur de locomotive bicarburant monocylindre Wabtec au laboratoire d'Oak Ridge.
Parallèlement à la mise en place de cet important banc d'essai, la haute direction de Wabtec a mis son équipe Engine and Power Solutions au défi de rapprocher la recherche sur l'hydrogène du client et de son expérience quotidienne, en la rendant moins théorique et plus accessible à tous.
Le résultat a été un nouveau partenariat avec SwRI et un régime d'hydrogène mené sur un moteur de niveau 3 de la série NextFuel Evolution similaire à celui utilisé par le Florida East Coast Railway, avec des modifications pour l'utilisation de carburant hydrogène. Ce moteur bicarburant était « naturel » pour les premiers essais d'hydrogène, car il brûlait également un gaz, c'est-à-dire du gaz naturel, en plus du diesel.
Pourtant, mis à part les points communs, l'hydrogène n'est pas du gaz naturel. Tout d'abord, l'hydrogène est beaucoup plus léger. En fait, en tant qu'élément le plus léger du tableau périodique, il souhaite s'élever de trois étages par seconde. Il faudrait voir quel impact cela aurait sur la conception du système d'alimentation en carburant du moteur. De plus, l'énergie d'inflammation de l'hydrogène est très faible, bien inférieure à celle du gaz naturel, et sa plage d'inflammabilité est extrêmement large.
La combustion est importante
Cela dit, Wabtec a commencé ces tests en position de force. Elle avait déjà modifié son moteur de niveau 3 de la série Evolution pour brûler du gaz naturel, en apportant des modifications à la fois à son moteur et au matériel de sa locomotive.
L'objectif de Wabtec est de tirer parti de ces avancées et, dans certains cas, de les dépasser, en apportant les modifications et les changements plus importants nécessaires pour intégrer, puis optimiser, l'hydrogène en tant que source de carburant durable. Par exemple, l'architecture actuelle de la tuyauterie et du moteur est-elle suffisante pour alimenter la chambre de combustion en hydrogène, qui est 6 fois plus léger que le gaz naturel ? Serait-il préférable d'injecter de l'hydrogène directement dans la chambre de combustion (injection directe) plutôt que dans le collecteur d'admission (injection par orifice) ?
Ces questions et variables, ainsi que des centaines d'autres, font et continueront de faire l'objet de tests approfondis à la fois sur l'installation monocylindre du laboratoire national d'Oak Ridge et sur le moteur NextFuel de niveau 3 du SwRI.
« Une sacrée longueur d'avance »
« Nous sommes à un tournant passionnant de notre réflexion sur l'hydrogène, où nous pouvons passer de la théorie à la mise à l'épreuve de nos hypothèses sur des moteurs réels et performants que nos clients connaissent bien et sur lesquels ils comptent », conclut Gamble. « En écoutant nos clients et en se concentrant sur les moyens de fournir des technologies permettant de réduire les émissions rapidement, progressivement et de la manière la plus fluide possible, Wabtec a permis au secteur du transport ferroviaire de marchandises d'avoir un impact significatif sur ses objectifs de réduction des émissions aujourd'hui. »