256 ans après la découverte de l’hydrogène par le britannique Henry Cavendish, le groupe JCB a mis au point un moteur à combustion interne à hydrogène techniquement abouti dont 50 unités ont déjà, à ce jour, été produites. Des développements qui interviennent d'ailleurs près d’un an après l’investissement de 100 millions de livres sterling destiné à industrialiser la production de ce type de motorisation. Car, si le constructeur a développé une gamme électrique comprenant six engins compacts et un groupe électrogène, il est convaincu que cette motorisation alternative n’est pas la solution unique pour opérer la transition énergétique des matériels du BTP, et plus particulièrement celle des modèles de la gamme lourde. « Entre 2010 et 2020, nous sommes parvenus à réduire les consommations de carburant de nos machines de 50 %. Et, nous prévoyons, notamment avec nos développements hydrogène d’aller plus loin en matière de réduction de nos émissions de CO2. D’autant que nos gammes intermédiaire et lourde représentent 95 % de notre empreinte carbone », détaille Tim Burnhope, directeur de l'innovation chez JCB.
De la pile à combustible…
En juillet 2020, au terme de six mois de travail, les ingénieurs du groupe ont présenté à leur président un prototype de pelle 220X de 22 t alimentée avec des piles à combustible.« Il a fallu repenser toute la structure de la machine », indique Tim Burnhope. Outre l’apport d’un convertisseur DC-DC, d’onduleurs, de réservoirs à hydrogène et de batteries, la pelle intègre un ventilateur moteur plus puissant aux dimensions 2,7 fois plus imposantes que sur la version thermique. Un design qui impacte directement le coût de la machine, quatre fois plus cher que son équivalent thermique. « Le liquide de refroidissement déionisé coûte à lui seul 200 pounds », précise même le directeur de l'innovation.
Autre désavantage de la pile à combustible, elle n’est pour l’instant pas adaptée aux équipements lourds qui évoluent généralement dans des milliers poussiéreux et requièrent des puissances différentes selon les tâches à effectuer. Lors des opérations d’excavation, par exemple, une pelle nécessite beaucoup d’énergie rapidement pour fournir des performances maximales.
… au moteur à hydrogène
Pour développer une solution plus adaptée aux conditions terrain rencontrées par ses clients, les ingénieurs de JCB ont donc planché sur le développement d’un moteur à combustion interne à hydrogène de 55 kWh. Après avoir étudié près de 76 projets techniques sur le sujet, ils sont arrivés à la conclusion que tous les développements avaient été opérés sur la base d’une conversion de moteur thermique vers l’hydrogène, ce qui a pour effet direct de réduire les performances de la machine. Ils ont donc décidé de concevoir un tout nouveau moteur. « Les propriétés de combustion uniques de l'hydrogène permettent au moteur à hydrogène de fournir la même puissance, le même couple et le même rendement que les machines JCB actuelles, mais sans émission de CO2 », assure Lord Bamford, le président de JCB.
« Il nous a fallu relever plusieurs défis techniques. Tout d’abord, comme la densité énergétique de l’hydrogène est plus basse que l’air, nous avons équipé notre moteur d’un turbocompresseur spécifique pour obtenir un mélange homogène », précise Ryan Ballard, directeur de l’ingénierie moteur chez JCB. Par ailleurs, le moteur est modifié au niveau de la culasse et est dépourvu d’injecteur. C’est donc une bougie d’allumage qui assure la combustion. La gestion de la vapeur d’eau, seul élément dégagé par le moteur, est un autre aspect technique relevé par les équipes.
Des tests à valider avant la commercialisation
Au sein de son centre de R&D, situé dans son usine de moteurs, JCB a d'autre part fait installer 18 cabines de simulations afin de soumettre son innovation à toutes les situations possibles. Celle-ci équipe déjà plusieurs matériels dont des chargeuses-pelleteuses et des chariots télescopiques, tel qu'un modèle 532.70 opéré au sein de la carrière du constructeur. Le ravitailleur dévoilé il y a quelques mois par JCB, se charge d’ailleurs de réapprovisionner les engins. Une opération qui ne prend qu’une dizaine de minutes. L’hydrogène y est injecté à une pression de 350 bars.
En février prochain, des matériels JCB équipés du moteur à hydrogène seront testés en conditions réelles en Finlande. Le constructeur ambitionne de démarrer la production de ses moteurs fin 2023. Une ligne de production est réservée à l’innovation. La capacité maximale de l’usine JCB Power Systems est de 250 moteurs par jour. Le coût d'une machine équipée d'un moteur à hydrogène devrait être entre 10 et 20 % plus cher que le modèle thermique équivalent.
Charlotte Divet
