Recherche suisse sur le diméthyléther comme carburant alternatif pour les camions

L’Institut fédéral de recherche sur les matériaux et les technologies (Empa) étudie un nouveau concept de propulsion avec un moteur d’essai spécial. Les véhicules utilitaires devraient à l’avenir émettre moins de CO2 tout en respectant des limites d’émission de gaz d’échappement plus strictes. De nombreux experts s’attendent donc à ce que le diesel fossile soit bientôt en difficulté. Un carburant alternatif possible est le diméthyléther. Cette substance légèrement volatile peut être produite à partir d’énergie renouvelable et brûle de manière très propre.

(Dübendorf/St. Gallen/Thun) Exploiter une flotte de camions est un métier difficile. Il y a peu de place pour la romance des routiers, mais beaucoup pour la concurrence intense et la pression des prix élevée. Des lois environnementales de plus en plus strictes vont accentuer cette pression dans les années à venir, en visant une réduction des émissions de CO2 et des valeurs d’émission de gaz d’échappement strictes, notamment en ce qui concerne les oxydes d’azote (NOx). Si les opérateurs de camions ne s’engagent pas dans les dernières technologies, ils risquent d’encourir des frais de péage ou des désavantages fiscaux accrus dans de nombreux pays.

Alternative : Diméthyléther

De nombreux fabricants et opérateurs de véhicules utilitaires envisagent désormais des propulsions alternatives pour améliorer la durabilité environnementale de leur flotte. Cependant, les propulsions électriques ne conviennent guère aux véhicules utilitaires en service longue distance : les batteries seraient trop lourdes, les temps de charge trop longs et les puissances de charge requises trop élevées pour une utilisation compétitive. L’hydrogène pourrait résoudre ce problème : à partir de septembre 2020, les premiers camions à hydrogène de Hyundai seront en service commercial en Suisse. Des recherches sont également menées sur le gaz naturel synthétique à partir d’électricité excédentaire d’origine renouvelable : à partir de 2021, les premiers camions à gaz naturel seront alimentés à la station de démonstration de mobilité move de l’Empa. Mais il existe une autre alternative qui pourrait convenir aux transports longue distance et mérite une attention particulière : le diméthyléther.

Infrastructure économique, combustion propre

La substance chimique diméthyléther (DME) est produite à l’échelle de plusieurs dizaines de milliers de tonnes par an. Elle est utilisée comme gaz propulseur dans les aérosols et fait partie des réfrigérants dans les installations de refroidissement. De plus, le DME est largement utilisé comme intermédiaire dans l’industrie chimique. Son avantage : il peut être produit de manière économique et presque sans perte à partir de méthanol, qui peut lui-même être produit à bas coût à partir d’électricité solaire et éolienne. Le DME offre donc la possibilité de faire fonctionner des camions de manière neutre en CO2. Un autre avantage : le DME a des propriétés similaires à celles du gaz de pétrole liquéfié. Contrairement à l’hydrogène, il peut être transporté et stocké sous forme liquide dans des réservoirs peu coûteux à faible pression ; la technologie des stations de ravitaillement est également économique, mondialement connue et utilisée depuis des décennies. Comme l’oxygène est chimiquement lié dans le diméthyléther, cette substance brûle également de manière particulièrement propre et avec peu de formation de suie.

Essai dans un moteur de camion modifié

Dans le passé, il y a déjà eu des essais avec le diméthyléther comme carburant : Volvo Trucks mène depuis 2013 des essais pratiques en Suède et aux États-Unis avec des camions expérimentaux fonctionnant au DME. En Allemagne, un projet de recherche coordonné par le Ford Research and Innovation Center Aachen est en cours depuis 2016. Le moteur a déjà été installé et testé dans une Ford Mondeo.
Maintenant, l’Empa, en collaboration avec FPT Motorenforschung AG Arbon, le Politecnico di Milano, le fabricant de lubrifiants Motorex et d’autres partenaires, va s’appuyer sur les connaissances acquises jusqu’à présent. Un moteur d’essai est en fonctionnement depuis début juillet 2020 dans un banc d’essai du département des systèmes de propulsion de l’Empa, visant à fournir des données fiables sur les procédés de combustion, l’efficacité et l’écologie du DME dans le secteur des véhicules utilitaires.
«Nous connaissons très bien ce moteur», déclare le chef de projet Patrik Soltic. «Le bloc moteur provient d’un moteur de véhicule utilitaire Cursor 11 du fabricant FPT Industrial et nous l’utilisons depuis cinq ans pour divers projets de recherche. Au cours des derniers mois, nous l’avons converti avec notre partenaire FPT pour fonctionner au DME.» Ce n’était pas si simple : le DME, étant légèrement volatile, n’a pratiquement aucune propriété lubrifiante par rapport au carburant diesel, ce qui aurait rapidement détruit la pompe haute pression du système d’injection à rampe commune.

Fonctionnement sans additifs dans le carburant

Les chercheurs souhaitent faire fonctionner leur moteur d’essai avec du DME pur, sans ajout d’additifs lubrifiants, comme cela était courant dans les projets précédents. En collaboration avec un grand fournisseur européen, une nouvelle pompe à rampe commune lubrifiée à l’huile a donc été développée. De plus, les soupapes et les sièges de soupapes ont été adaptés à des matériaux compatibles avec le DME. Un compresseur électrique pour un recyclage précis des gaz d’échappement est également utilisé. Enfin, les chambres de combustion et le rapport de compression de l’ancien moteur diesel ont également été adaptés. La nouvelle forme des chambres de combustion a été calculée à l’aide de simulations mathématiques au Politecnico di Milano. Le projet de recherche est cofinancé par l’Office fédéral de l’énergie (BFE).

Exploitation simulée sur autoroute

«Nous voulons maintenant nous familiariser avec la machine utilisant le nouveau carburant», déclare Soltic. Les chercheurs commencent par une plage de charge intermédiaire courante en exploitation autoroutière, où le moteur doit fournir 100 kW de puissance. «Ensuite, nous modifions notamment le moment et la pression de l’injection, et nous examinons les valeurs d’émission et la consommation de carburant.»
Le grand avantage du fonctionnement au DME, dit Soltic, est la possibilité de reprendre une très grande proportion de gaz d’échappement dans le prochain remplissage du cylindre, grâce à ce qu’on appelle le recyclage des gaz d’échappement (AGR). Cette technique permet d’économiser beaucoup de NOx, ce qui soulage le traitement des gaz d’échappement derrière le moteur et permet de respecter en toute sécurité les futures limites plus strictes. Pour le diesel fossile, des taux de recyclage des gaz d’échappement élevés entraînent une augmentation des émissions de particules, ce qui n’est pas le cas avec le DME.
Au cours de la phase de test, les chercheurs de l’Empa prélèvent régulièrement des échantillons d’huile moteur pour détecter d’éventuels changements chimiques. Les résultats sont transmis au partenaire de projet Motorex, qui utilise les données pour développer une nouvelle huile moteur spécialement adaptée au fonctionnement au DME.

Recherche conjointe entre concurrents

«Nous sommes actuellement encore dans la phase pré-compétitive des travaux de recherche», explique Soltic. Les résultats du projet sont en partie publics et sont discutés conjointement entre les concurrents dans le secteur de la construction automobile. La plateforme pour cela est l’«International DME Association», fondée en 2001, qui compte actuellement 50 membres issus de l’industrie et de la recherche. «Mais un jour, chacun voudra garder ses résultats pour lui», sait le chercheur de l’Empa. «Il est donc important que nous maîtrisions la technologie pour pouvoir fournir des contributions précieuses en tant que partenaires de recherche pour l’industrie.»

Carburant de l’usine écologique

Le diméthyléther (DME), le carburant écologique pour moteurs à allumage par compression, peut être produit à partir d’hydrogène et de CO2. Si l’hydrogène utilisé est produit à partir d’énergie renouvelable et que le CO2 est extrait de l’atmosphère, les camions pourraient fonctionner pratiquement sans émissions de gaz à effet de serre.
Le chercheur de l’Empa, Andreas Borgschulte, et son équipe étudient des processus chimiques permettant de produire le DME de manière aussi efficace que possible. La méthode de catalyse assistée par adsorption est considérée comme prometteuse : les deux gaz, hydrogène et CO2, doivent entrer en contact avec des particules de cuivre actives pour se combiner en méthanol ou en diméthyléther. De l’eau est produite comme sous-produit. En retirant l’eau du mélange réactionnel, l’équilibre chimique se déplace vers le produit. En d’autres termes : ce n’est qu’à ce moment-là que les quantités souhaitées de méthanol et de diméthyléther sont produites. Pour éliminer l’eau, les chercheurs de l’Empa utilisent des zéolithes, un minéral absorbant l’eau.
Dans des expériences en laboratoire, l’équipe de Borgschulte a découvert qu’à une certaine température, le diméthyléther se forme principalement à partir de CO2 et d’hydrogène, avec seulement une quantité relativement faible de méthanol. «La production de cette manière est donc théoriquement possible», déclare Borgschulte, tout en soulignant : «Malheureusement, le procédé n’est pas encore très productif pour le moment.» Dans une prochaine étape, le processus chimique devra donc être affiné et des installations appropriées développées. Ce n’est qu’alors qu’il sera possible d’évaluer si la production de DME par catalyse assistée par adsorption est économiquement compétitive. Les travaux de recherche ont été réalisés en collaboration avec l’Université de Zurich et font partie du projet «LightChEC».

Photo/Graphique : © Empa

www.empa.ch