Brûler de l’hydrogène : un avenir plus propre pour les moteurs à combustion !
Publié par Sobhan Azizianamiri, le 15 septembre 2026
Brûler de l’hydrogène : un avenir plus propre pour les moteurs à combustion !
Le transport routier à la recherche de solutions plus propres
Réduire l’impact environnemental des transports est l’un des grands défis de la transition énergétique. Les véhicules routiers dépendent encore largement des énergies fossiles, et leurs émissions de dioxyde de carbone (CO₂) contribuent directement au changement climatique. En 2023, le transport routier représentait environ 30 % des émissions nettes totales de CO₂ de l’Union européenne [1].
L’électrification joue un rôle central dans la réduction de ces émissions, notamment pour les voitures particulières. Cependant, il n’existe pas une solution technologique unique adaptée à tous les usages du transport. Les besoins varient selon les types de véhicules, notamment en matière d’autonomie, de temps de ravitaillement, de charge utile et de conditions d’utilisation. En parallèle de l’électrification, les chercheurs étudient donc d’autres solutions pour réduire l’empreinte carbone du transport routier.
Une possibilité consiste à conserver une technologie développée et améliorée depuis plus d’un siècle, le moteur à combustion interne, tout en changeant le carburant utilisé. Au lieu de brûler un carburant contenant du carbone, comme l’essence ou le diesel, et si l’on faisait fonctionner le moteur à l’hydrogène ?
Pourquoi l’hydrogène ?
Le principe de fonctionnement d’un moteur à combustion interne à hydrogène est similaire à celui d’un moteur conventionnel. L’air et l’hydrogène entrent dans le cylindre, où le mélange est comprimé puis enflammé. La combustion libère de l’énergie et augmente la pression dans le cylindre, ce qui pousse le piston et produit un travail mécanique. La principale différence réside dans le carburant utilisé.
L’essence et le diesel contiennent du carbone. Lorsqu’ils brûlent, ce carbone se combine avec l’oxygène et produit du CO₂. Une molécule d’hydrogène, H₂, ne contient pas de carbone. Sa combustion idéale avec l’oxygène produit donc de l’eau plutôt que du CO₂.
L’hydrogène est ainsi particulièrement intéressant comme vecteur énergétique pour les applications où les moteurs à combustion interne peuvent rester pertinents. Cependant, qualifier un moteur à hydrogène de « moteur zéro émission » serait trompeur. L’absence de carbone dans le carburant permet d’éviter les émissions de CO₂ provenant directement de sa combustion, mais un autre polluant reste particulièrement important : les oxydes d’azote, ou NOx.
D’où viennent les NOx si l’hydrogène ne contient pas d’azote ?
Un moteur ne fonctionne pas avec de l’oxygène pur, mais avec de l’air, composé principalement d’azote et d’oxygène. Dans des conditions normales, la majeure partie de cet azote traverse simplement le moteur. Cependant, dans la chambre de combustion, l’hydrogène brûle rapidement et peut générer localement des températures très élevées. À haute température, l’azote et l’oxygène présents dans l’air peuvent réagir et former des oxydes d’azote par un mécanisme appelé formation thermique du NO, qui devient particulièrement important au-dessus d’environ 1 800 K (soit environ 1 530 °C).
Limiter les émissions de NOx est important en raison de leurs effets sur la santé humaine et la qualité de l’air. Les NOx peuvent irriter les voies respiratoires et aggraver certaines maladies respiratoires. Les oxydes d’azote participent également à des réactions dans l’atmosphère qui contribuent à la formation d’ozone au niveau du sol. Les émissions polluantes des véhicules sont donc soumises à des réglementations de plus en plus strictes. Par exemple, dans le cadre de la norme Euro 7, les limites d’émissions de NOx pour les voitures particulières et les véhicules utilitaires légers à allumage commandé varient de 60 à 82 mg/km, selon la catégorie et la masse du véhicule [2].
Refroidir la combustion : deux approches différentes
La formation thermique des NOx dépend fortement de la température. Une stratégie semble donc assez simple : réduire la température atteinte pendant la combustion.
L’hydrogène offre une possibilité intéressante, car il peut brûler avec une large gamme de mélanges air-carburant. Au lieu d’introduire uniquement la quantité d’air théoriquement nécessaire pour brûler l’hydrogène, on peut en introduire beaucoup plus dans le cylindre. C’est ce qu’on appelle la combustion en mélange pauvre. L’excès d’air dilue le mélange, absorbe une partie de l’énergie libérée et ralentit la combustion. Cela permet de réduire les pics de température et, par conséquent, la formation thermique des NOx.
Une deuxième approche est la recirculation des gaz d’échappement (EGR). Au lieu d’utiliser uniquement de l’air frais, une partie des gaz sortant du moteur est récupérée, refroidie puis renvoyée vers l’admission. Ces gaz recyclés diluent le mélange frais et augmentent sa capacité à absorber la chaleur, ce qui permet de mieux contrôler les températures de combustion et la formation des NOx.
Ces deux approches ont donc un objectif similaire : contrôler les conditions favorisant la formation des NOx. Elles y parviennent cependant de manière différente, en modifiant la composition des gaz qui entrent dans le cylindre.
Réduire les NOx ne suffit pas
Une dilution excessive peut finir par affecter la vitesse et la stabilité de la combustion. Même si les deux stratégies peuvent permettre d’atteindre de très faibles émissions de NOx, une dilution trop importante peut réduire le rendement, limiter la puissance que le moteur peut atteindre ou entraîner une combustion instable ou anormale.
La question n’est donc pas simplement :
Comment réduire les NOx ?
Mais plutôt :
Comment réduire les NOx tout en maintenant un rendement élevé et une combustion stable ?
Ce compromis entre émissions polluantes et rendement est au cœur du projet HyMot et de mes travaux de doctorat.
Tester ces stratégies sur un véritable moteur à hydrogène
Mes travaux de recherche ont été menés au laboratoire LHEEA de l’École Centrale de Nantes, dans le cadre du projet HyMot, qui étudie les moteurs à combustion interne à hydrogène destinés aux véhicules utilitaires légers.
Au cœur de cette étude se trouve un moteur à hydrogène quatre cylindres, turbocompressé et à injection directe, installé sur un banc d’essai expérimental. Ce banc permet de reproduire des conditions de fonctionnement contrôlées et d’observer l’effet de la modification de différents paramètres. Au cours de la campagne expérimentale, le moteur a ainsi été testé avec différentes quantités d’air et de gaz d’échappement recyclés, ainsi que dans différentes conditions de combustion.
Les essais ont montré que la combustion en mélange pauvre permet de réduire fortement les émissions de NOx tout en maintenant un rendement élevé. Dans les conditions les plus pauvres étudiées, les émissions de NOx ont atteint des niveaux proches de zéro tout en conservant une combustion stable. Dans certaines conditions de fonctionnement, un rendement thermique indiqué proche de 44 % a également été atteint, ce qui est comparable à celui d’un moteur Diesel, mais avec des émissions de polluants beaucoup plus faibles.
L’utilisation d’EGR refroidi s’est également révélée efficace. Pour l’une des conditions étudiées, l’augmentation du taux d’EGR jusqu’à environ 22 % a permis de réduire les NOx tout en maintenant un rendement thermique indiqué d’environ 42 %. Ces résultats montrent que l’EGR peut également être utilisé pour contrôler les émissions de NOx sans nécessairement dégrader le rendement du moteur.
Du moteur réel au moteur virtuel
Les essais expérimentaux sont essentiels pour comprendre le comportement d’un moteur dans des conditions réelles de fonctionnement, mais ils présentent aussi des limites pratiques. Chaque essai nécessite des équipements spécifiques, des systèmes de mesure, de l’hydrogène, de l’énergie et du temps. C’est pourquoi une autre partie importante de ces travaux consiste à développer un modèle numérique unidimensionnel (1D) du moteur à hydrogène.
À partir des mesures obtenues sur le moteur réel, ce modèle est développé et calibré avec GT-SUITE, un logiciel conçu par Gamma Technologies [3]. Sa capacité à reproduire des grandeurs expérimentales importantes, comme la pression dans les cylindres, le phasage de la combustion et les performances du moteur, est ensuite évaluée en comparant les résultats numériques à ceux obtenus sur le banc d’essai.
Une fois validé, ce « moteur virtuel » devient un outil complémentaire aux essais. Différentes conditions de fonctionnement peuvent d’abord être étudiées par simulation avant de décider lesquelles doivent être testées expérimentalement. Il devient ainsi possible d’explorer un plus grand nombre de conditions plus rapidement et à moindre coût, tandis que les essais sur le moteur réel restent indispensables pour valider les prédictions du modèle.
Expérimentation et simulation sont donc complémentaires : le moteur réel fournit les données nécessaires pour comprendre et valider son comportement, tandis que le modèle numérique permet d’aller plus loin que ce qu’il est possible de tester en pratique sur le banc d’essai.
La combustion de l’hydrogène représente donc une piste prometteuse pour réduire l’empreinte carbone des moteurs à combustion interne, mais elle nécessite également de bien contrôler les émissions de polluants comme les NOx. Combiner les essais expérimentaux et la modélisation numérique permet de mieux comprendre ces phénomènes complexes et d’explorer différentes solutions pour améliorer les moteurs à hydrogène. Cette approche contribue au développement de technologies de combustion plus propres et plus efficaces, qui pourraient jouer un rôle dans la transition vers des transports plus durables.
Références :
