Moteurs hydrogène stationnaires : applications industrielles et retours d'expérience internationaux
Présentation de Clark Energy
Je suis Dalia Si Ahmed, chargée des applications hydrogène chez Clark Energy. Avant de rejoindre cette entreprise, j'étais chef de projet sur les piles à combustible chez Alstom Hydrogène, avec un parcours académique dans l'énergie, le procédé et la cogénération énergétique.
Clark Energy est un groupe international acteur de l'EPC — Engineering, Procurement and Construction. L'entreprise offre des solutions clés en main d'énergie ou de gaz, présente dans 27 pays, avec un siège social à Liverpool et plus de 1 400 salariés, dont plus de la moitié sont des techniciens spécialisés en mise en service et maintenance.
En termes d'installations moteur, Clark Energy représente plus de 9 GW au niveau mondial, dont 1,6 GW de moteurs alimentés au biogaz.
Les marchés couverts incluent : la cogénération au gaz, la production d'hydrogène par électrolyse, la valorisation du biogaz en biomethane et CO₂, le pompage industriel et le stockage d'énergie par batterie.
Principe de fonctionnement : le cycle à quatre temps
Le moteur à combustion interne fonctionne selon le cycle Beau de Rochas (ou cycle Otto) en quatre temps :
— Admission : la soupape d'admission s'ouvre, l'air et l'hydrogène entrent, le piston descend
— Compression : le piston remonte, la pression du mélange gazeux augmente
— Combustion-détente : une bougie d'allumage enflamme le mélange, la pression et la température augmentent, générant un mouvement mécanique
— Échappement : la soupape d'échappement s'ouvre, les gaz brûlés sont évacués
Ce mouvement mécanique est transformé en électricité et en chaleur — c'est le principe de la cogénération. Une variante, la trigénération, utilise la chaleur dans un cycle d'absorption pour produire également du froid.
Usages et types d'hydrogène compatibles
Les moteurs stationnaires s'adressent à l'industrie, aux résidences et au tertiaire pour produire chaleur et électricité.
Les types d'hydrogène bas carbone compatibles :
— Hydrogène vert : électrolyse via énergies renouvelables
— Hydrogène rose : électrolyse via nucléaire
— Hydrogène bleu : production fossile avec capture du CO₂
— Hydrogène blanc : natif ou géologique, en cours d'exploration
— Hydrogène résiduel : issu de procédés industriels, habituellement torché ou sous-valorisé
Avantages du moteur face à la pile à combustible
Le moteur à combustion interne présente plusieurs atouts distinctifs :
— Insensible à la pureté de l'hydrogène — pas de membrane sensible aux polluants
— Compatible avec des mélanges variés : gaz naturel + hydrogène, CO + hydrogène
— Coût Capex environ deux fois inférieur à celui d'une pile à combustible PEM
— Technologie mature, éprouvée depuis des dizaines d'années
— Contrats de maintenance pluriannuels bien établis
Rendement électrique : 40 à 42 %, contre environ 50 % pour une pile à combustible. En cogénération, le rendement global monte à 90 %.
Point de vigilance : la combustion produit des NOx (dus à l'azote de l'air), filtrés en sortie de catalyseur pour respecter les normes réglementaires.
Gammes de produits Jenbacher (distributeur agréé)
Clark Energy est distributeur agréé de Jenbacher (Austrian), fabricant de référence de moteurs à gaz de 0,5 kW à plusieurs MW.
— Jusqu'à 5 % H₂ : aucune modification nécessaire
— Jusqu'à 20 % H₂ : modifications mineures matériel et software
— Jusqu'à 60 % H₂ : modifications mécaniques plus importantes
— 100 % H₂ : Type 4 — 1 MW électrique + ~1 MW thermique
Pression de fonctionnement : 8 à 10 bar, similaire à une pile à combustible.
Capex moteur 100 % H₂ : ~1 600 €/kW. Opex maintenance : ~2,5 % du Capex/an, soit 150 000 à 200 000 € selon le niveau de service.
Cas pratiques et retours d'expérience
Projet Heramet — Norvège (métallurgie)
Contexte : valorisation d'un gaz résiduel composé de 60 % CO, azote et 7 % H₂, jusqu'alors torché.
Solution : moteur mélange H₂-CO installé en deux phases.
— Phase 1 (2021) : démonstrateur mono-moteur
— Phase 2 (fin 2024) : ajout de six unités
Production : 12 MW électrique + 11 MW thermique à ~100 °C.
Retour d'expérience : fonctionnement très similaire à un moteur gaz naturel. Point de vigilance : surveiller en permanence la qualité du gaz — un taux d'H₂ supérieur à 7 % élève la température du catalyseur au-delà de 600 °C et nécessite une réduction de charge ou un arrêt moteur.
Projet pétrochimie — Corée du Sud (100 % H₂)
Contexte : procédé de production de polypropylène générant un gaz riche en hydrogène, traité pour atteindre 100 % H₂.
Solution : démonstrateur Type 4 — 1 MW électrique + ~2 MW thermique, opérationnel depuis 2023.
Donnée clé : le moteur consomme 83 kg d'H₂/heure pour produire 1 MW électrique. À titre de comparaison, un électrolyseur de 2 à 2,5 MW produit environ 50 kg/heure — ce qui souligne l'importance du stockage tampon.
Projet RAG — Autriche (stockage saisonnier)
Contexte : stockage d'excédents photovoltaïques et éoliens sous forme d'hydrogène, en alternative aux batteries.
Solution : électrolyse en période de surproduction → stockage dans des cavités salines reconverties depuis le gaz naturel → restitution via moteur H₂ en période de besoin.
Production : électricité + chaleur avec un rendement global en cogénération de 90 %. Projet opérationnel, servant de démonstrateur pour le stockage souterrain d'hydrogène.
Projet data center — Pays-Bas (secours H₂)
Contexte : décarbonation des systèmes de secours d'un data center.
Solution : six moteurs Type 4 (6 MW électriques au total) en remplacement des groupes diesel. Fonctionnement principal à l'H₂, avec bascule automatique au gaz naturel en cas de rupture d'approvisionnement, sans perte de production électrique.
Comparatif moteur H₂ vs pile à combustible PEM
CritèreMoteur H₂Pile à combustible PEMRendement électrique40–42 %~50 %Capex~1 600 €/kW~3 500 €/kWPureté H₂ requiseFaibleÉlevéeÉmissions NOxOui (filtrées)AucuneMaturitéTrès élevéeÉlevée
Conclusion
Les moteurs à combustion interne hydrogène sont des technologies matures, éprouvées, offrant un large spectre d'applications : cogénération industrielle, stockage saisonnier, secours pour data centers. Leur principal avantage concurrentiel face aux piles à combustible est leur tolérance aux mélanges gazeux imparfaits et leur Capex inférieur.
Le principal frein reste la disponibilité de l'hydrogène bas carbone en volume suffisant. À mesure que la production d'électrolyse et l'exploitation de l'hydrogène blanc progresseront, ces moteurs représentent une solution de valorisation immédiatement opérationnelle.
