Carburants alternatifs Les engins JCB carburent à l'hydrogène

JCB a mis en route un programme de recherche et de développement d’un budget de près de 100 millions de livres (116 millions d’euros) pour proposer à sa clientèle des machines fonctionnant à partir d’énergies décarbonées. Les ingénieurs de ses bureaux d’études sont actuellement mobilisés pour étudier le comportement en bancs d’essais ou en conditions réelles à bord de de chargeurs télescopiques, de tractopelles et même d’un tracteur Fastrac de son moteur diesel quatre cylindres de 4,4 litres dans une version à carburation à l’hydrogène. Il en a déjà construit une cinquantaine d’exemplaires. Cette démarche répond aux directives de diverses politiques gouvernementales souhaitant aboutir d’ici quelques années à des niveaux d’émissions de CO2 proche de zéro. Le sujet n’est pas vraiment nouveau chez le constructeur britannique qui, depuis plus d’une décennie, étudie différents moyens de les réduire. Selon lui, il existe plus d’une solution. La première fait partie de développements qu’il a menés depuis 2010 pour rendre ses moteurs diesel plus sobres. Il affirme que depuis lors, il est parvenu à réduire les émissions de CO2 de ses machines de près de 50 %. La moyenne de celles-ci serait passée de 43 tonnes à 22 tonnes par an. Il peut à présent envisager d’autres marges de progrès en améliorant le rendement des transmissions.  Il estime toutefois que pour définitivement s’affranchir de toutes émissions il n’a pas d’autres alternatives que de développer des machines tirant leur puissance d’énergies décarbonées.

Des batteries trop limitées

 Il propose déjà dans sa gamme des minipelles et des engins de manutention compacts fonctionnant sur batteries Li-ion. Si leurs tarifs sont 1,9 fois supérieurs à ceux de leurs équivalents thermiques, ils sont appréciés pour réaliser des travaux dans des cités désireuses d’afficher une image positive. Dans les faits, ils se montrent aussi vertueux que la source d’électricité servant à les recharger. La solution des batteries trouve cependant vite ses limites dès que la machine grandit en raison de son coût, du poids et des délais de rechargement. Les ingénieurs de JCB ont calculé que s’il leur fallait imaginer un tracteur Fastrac équipé de batteries de 1 000 kWh pour offrir une autonomie de 16 heures, l’engin couterait 4,3 fois plus cher que son équivalent thermique et afficherait un surpoids de 10 tonnes. Un modèle plus raisonnable de 250 kWh alourdi de seulement 2,5t et d’un surcout de seulement 116 000 euros n’afficherait, pour sa part qu’une autonomie de 4 heures.

Une pile à combustible trop fragile

Dans la mesure où ils présentent une densité énergétique comparable à celle du fioul, les carburants décarbonés apparaissent donc comme étant une excellente solution pour animer des machines lourdes telles que des chargeurs, pelles ou tracteurs. Le choix est large. Les huiles végétales hydrogénées (HVO), le biométhane, l’éthanol, l’ammonium présentent chacun des avantages et des inconvénients en matière de disponibilité de la ressource, de coûts, d’intérêts environnementaux ou de sécurité. L’hydrogène les dépassent cependant par sa capacité à être produit en immenses quantités par électrolyse, à condition toutefois de prévoir des productions d’énergie nucléaire ou renouvelables à une échelle équivalente. Deux technologies permettent ensuite de transformer ce gaz en puissance à bord d’une machine mobile. La plus séduisante sur le papier est de le faire réagir avec l’oxygène dans un pile à combustible pour produire de l’électricité. Les ingénieurs de JCB qui ont expérimenté la solution sur une pelle hydraulique ne se montrent pas convaincus. Ils ont pour cela construit un démonstrateur à partir d’une machine conventionnelle. En plus d’y installer la pile à combustible, ils ont dû prévoir des moteurs électriques, loger des convertisseurs et des modules d’électronique de puissance pour les réguler, placer un pack de batteries capable d’assumer les pointes de puissance ainsi qu’un pack de refroidissement surdimensionné. Ce dernier est 2,7 fois plus volumineux que celui d’une machine équivalente et doit, en outre être rempli d’un liquide spécial non conducteur particulièrement onéreux. La pile à combustible réclame en effet d’être maintenue à une température ne dépassant pas les 60 °C. À l’utilisation, ils lui ont reproché une certaine mollesse. La pile s’avère lente à monter à pleine puissance. En outre, en plus du coût élevé de la technologie, ils se sont rendu compte de la grande sensibilité des membranes catalytiques aux poussières.

De la vapeur d’eau à l’échappement

L’autre solution, celle de la carburation dans un moteur thermique, plait d’autant plus aux ingénieurs et états-majors de JCB qu’elle est plus facile à mettre en œuvre. Les moteurs qu’ils ont étudiés sont basés sur le 4 cylindres 4,8 litres de 129 kW de puissance maximale fabriqué dans leurs ateliers. Ils sont alimentés directement au niveau de la chambre de combustion par de l’hydrogène sous basse pression. Le mélange avec l’air se produit en une vingtaine de milliseconde le temps de la remonté du piston. Une bougie déclenche l’explosion. Leur transformation porte donc principalement sur une culasse redessinée, sur l’alimentation et des dispositifs d’allumage adaptés. La composition des gaz d’échappement se résume à la vapeur d’eau issue de la combustion de l’hydrogène dans l’oxygène. Ceux-ci ne nécessitent donc aucun dispositif de filtration ou de retraitement. En revanche, l’humidité générée impose une qualité particulière de lubrifiants. La machine, de son coté, ne nécessite que quelques transformations limitées pour accueillir les réservoirs d’hydrogène en matériaux composite renfermant l’hydrogène sous 350 bars de pression. Elle peut conserver l’ensemble des transmissions et systèmes hydraulique de son équivalent diesel. Au niveau du comportement, les ingénieurs de JCB nous promettent des caractéristiques de puissance et couple identiques à un modèle diesel.