Dimethylether - le prochain éco-carburant pour les camions ?

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 24.11.2020 - À l'avenir, les véhicules commerciaux devront émettre moins de CO2 tout en respectant des limites plus strictes en matière d'émission de gaz d'échappement. De nombreux experts s'attendent à un avenir compliqué pour le diesel fossile. Un carburant alternatif possible est le diméthyléther: cette substance hautement volatile peut être produite à partir d'énergie renouvelable et brûle très proprement. L'Empa fait des recherches sur ce nouveau concept de conduite avec un moteur d'essai spécial.

L'exploitation d'une flotte de camions est une activité difficile. On ne parle plus de romance avec la route pour les camionneurs longue distance, mais plutôt d'une forte concurrence et une pression élevée sur les prix. Des lois environnementales de plus en plus strictes intensifieront encore cette pression dans les années à venir, en vue de réduire les émissions de CO2 et de fixer des valeurs strictes pour les gaz d'échappement, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOX). Si les exploitants de flotte de camions ne s'appuient pas sur les technologies les plus récentes, ils devront craindre une augmentation des péages ou des désavantages fiscaux dans de nombreux pays.

De nombreux constructeurs et exploitants de véhicules utilitaires envisagent désormais des solutions de remplacement pour améliorer la compatibilité environnementale de leurs parcs. Cependant, les moteurs électriques ne conviennent guère aux véhicules utilitaires en exploitation sur de longues distances : les batteries seraient trop lourdes, les temps de charge trop longs et les capacités de charge requises trop élevées pour une utilisation concurrentielle. L'hydrogène pourrait résoudre ce problème : À partir de septembre 2020, les premiers camions à pile à combustible de Hyundai ont été mis en service commercialement à titre d'essai en Suisse. Le gaz naturel synthétique issu du surplus d'électricité verte fait aussi l'objet de recherches : à partir de 2021, les premiers camions de gaz naturel feront le plein au démonstrateur de mobilité de l'Empa. Mais il existe une autre alternative qui conviendrait au transport à longue distance et qui mérite d'être examinée de plus près : le diméthyléther.

Des infrastructures favorables, une combustion propre

Le diméthyléther chimique (DME) est produit à une échelle de plusieurs dizaines de milliers de tonnes par an. Cette substance est utilisée comme propulseur dans les bombes aérosols et fait partie des réfrigérants des systèmes de réfrigération. Le DME est également largement utilisé comme produit intermédiaire dans l'industrie chimique. Son avantage est qu'il peut être produit de manière rentable et presque sans perte à partir du méthanol, qui à son tour peut être produit à bas prix avec de l'électricité provenant de l'énergie solaire et éolienne. Le DME offre donc la possibilité de rendre les camions neutres en CO2.
Un autre avantage est que le DME a des propriétés similaires à celles du gaz liquide. Contrairement à l'hydrogène, il peut être transporté et stocké dans des réservoirs peu coûteux sous basse pression sous forme liquide ; la technologie des systèmes de stockage est également peu coûteuse, est connue dans le monde entier et est utilisée depuis des décennies déjà. Comme l'oxygène est chimiquement lié dans le dyméthyléther, la substance brûle également de manière particulièrement propre et avec peu de formation de suie.

Essais dans un moteur de camion modifié

Il y a déjà eu des essais avec le dyméthyléther comme carburant dans le passé : Volvo Trucks mène des essais pratiques avec des camions expérimentaux fonctionnant au DME en Suède et aux États-Unis depuis 2013. En Allemagne, un projet de recherche coordonné par le Centre de recherche et d'innovation Ford d'Aix-la-Chapelle est en cours depuis 2016. Le moteur a déjà été installé et testé dans une Ford Mondeo.
L'Empa, en collaboration avec la FPT Motorenforschung AG Arbon, le Politechnico di Milano, le fabricant de lubrifiants Motorex et d'autres partenaires, va maintenant mettre à profit les connaissances acquises jusqu'ici. Depuis début juillet 2020, le moteur d'essai est en service sur un banc d'essai appartenant au département Systèmes d'entraînement des véhicules de l'Empa. Il doit fournir des données solides sur les processus de combustion, l'efficacité et le respect des normes environnementales du DME dans le secteur des véhicules utilitaires.
"Nous connaissons déjà très bien ce moteur", déclare le chef de projet Patrik Soltic. "Le bloc moteur provient d'un moteur de véhicule utilitaire Cursor 11 du constructeur FPT Industrial et nous sert déjà depuis cinq ans pour divers projets de recherche. Au cours des derniers mois, nous l'avons converti en DME avec notre partenaire FPT". Cela n'a pas été facile : contrairement au gazole, le DME, très volatil, n'a pratiquement aucune propriété lubrifiante, ce qui aurait rapidement détruit la pompe haute pression du système d'injection à rampe commune en particulier.

Fonctionnement sans additifs dans le carburant

Les chercheurs veulent faire fonctionner leur moteur expérimental 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 commun lubrifiée à l'huile a donc été développée. En outre, les soupapes et les sièges de soupapes ont été transformés en matériau adapté au DME. Un compresseur électrique est également utilisé pour la recirculation précise des gaz d'échappement. Enfin, les chambres de combustion et le taux 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 Politechnico di Milano. Le projet de recherche est cofinancé par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN).

Simulation d'un voyage sur l'autoroute

"Maintenant, nous voulons apprendre à connaître la machine avec le nouveau carburant", dit Patrik Soltic. Les chercheurs partent d'une plage de charge moyenne lors de voyage sur une autoroute, où le moteur doit fournir une puissance de 100 kW. "Ensuite, on modifie, entre autres, le moment et la pression de l'injection, on regarde les valeurs des émissions de gaz d'échappement et la consommation de carburant."
Le grand avantage du fonctionnement du DME, selon Patrik Soltic, est la possibilité de transférer une très grande proportion des gaz d'échappement à la charge suivante du cylindre dans presque toutes les conditions de fonctionnement, grâce à ce que l'on appelle la recirculation des gaz d'échappement (EGR). Cette technologie permet d'éviter l'émission de beaucoup de NOX, ce qui soulage le système de purification des gaz d'échappement derrière le moteur et permet de respecter en toute sécurité les futures limites plus strictes. Avec le diesel fossile, les taux élevés de recirculation des gaz d'échappement entraînent une augmentation des émissions de particules ; ce n'est pas le cas du DME.
Pendant la phase d'essai, les chercheurs de l'Empa prélèvent à plusieurs reprises des échantillons d'huile moteur afin de retracer les modifications chimiques. Les résultats aboutissent chez le partenaire du projet, Motorex, qui utilise les données pour développer une nouvelle huile moteur spécialement adaptée au fonctionnement du DME.

Recherche conjointe entre concurrents

"Nous sommes actuellement encore dans la phase pré-concurrentielle des travaux de recherche", explique Patrik Soltic. Les résultats du projet sont en partie publics et sont discutés conjointement entre les concurrents de l'industrie de la construction de véhicules. 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 à un moment donné, tout le monde voudra garder ses résultats pour soi", dit le chercheur de l'Empa. "Il est alors important que nous maîtrisions la technologie afin de pouvoir apporter une contribution précieuse à l'industrie en tant que partenaire de recherche".

Le carburant de l'usine écologique
L'diméthyléther (DME), l'éco-carburant pour les moteurs à allumage par compression, peut être produit à partir d'hydrogène et de CO2. Si l'hydrogène utilisé est produit avec une énergie renouvelable et que le CO2 est extrait de l'atmosphère, les camions pourraient être conduits avec pratiquement aucune émission de gaz à effet de serre.
Le chercheur de l'Empa Andreas Borgschulte et son équipe étudient les processus chimiques qui peuvent être utilisés pour produire du DME de manière aussi efficace que possible. La méthode de la catalyse assistée par sorption est considérée comme très prometteuse : les deux gaz hydrogène et CO2 doivent entrer en contact avec des particules de cuivre actives pour se combiner et former du méthanol ou du diméthyléther. L'eau est un sous-produit. Si l'eau est maintenant extraite du mélange réactionnel, l'équilibre chimique se déplace dans la direction du produit. En d'autres termes, ce n'est qu'à ce moment-là que les grandes quantités souhaitées de méthanol et de diméthyléther sont produites. Pour éliminer l'eau, les chercheurs de l'Empa utilisent de la zéolite, un minéral qui absorbe l'eau.
Lors d'expériences en laboratoire, l'équipe de Andreas Borgschule a découvert qu'à une certaine température, le diméthyléther en particulier se forme à partir de CO2 et d'hydrogène, et seulement d'une quantité relativement faible de méthanol. "La production par cette méthode est donc théoriquement possible", déclare Andreas Borgschulte, qui ajoute : "Malheureusement, le processus n'est pas encore très productif pour l'instant. L'étape suivante consisterait donc à affiner le processus chimique et à mettre en place des installations appropriées. Ce n'est qu'alors qu'il sera possible d'évaluer si la production de DME par catalyse assistée par sorption est économiquement compétitive. Les travaux de recherche ont été menés en collaboration avec l'Université de Zurich et font partie du projet "LightChEC".

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