Toyota a déposé le mois dernier un brevet concernant une chambre de combustion pour turbine à gaz fonctionnant à l'hydrogène. Il s'agit d'un dispositif compact conçu pour produire entre 13 et 130 chevaux, mais à quoi cela peut-il bien servir ? Et s'agit-il d'un projet réalisable ou simplement d'une idée d'ingénierie farfelue ?

Retour aux années 60

En tant que fervent défenseur – et de plus en plus isolé – de l'hydrogène comme source d'énergie pour les voitures particulières, il faut reconnaître que la turbine de Toyota est une prouesse technique d'une grande élégance. C'est aussi une solution qui remonte aux années soixante.

En 1963, la « Turbine Car » de Chrysler pouvait fonctionner à la tequila, tourner à 36 000 tr/min et ressemblait à un croisement entre un avion et une voiture. Fait intéressant, l’entreprise en a construit cinquante exemplaires. Mais cette technologie n’a jamais décollé, car les turbines, une fois miniaturisées pour les voitures particulières, consomment trop de carburant et dégagent une chaleur insupportable.

Une turbine peut fonctionner avec différents carburants, mais Toyota estime que l'hydrogène change la donne. Il s'agit en fait de la troisième approche de Toyota en matière d'hydrogène. L'entreprise fabrique déjà des berlines à pile à combustible et utilise également l'hydrogène dans les moteurs à combustion interne. Le modèle qui incarne le mieux cette première approche est la Mirai ; la  Le concept Corolla Cross H2 avait été présenté il y a trois ans. Toyota avait alors déclaré que le projet était à 40% de sa commercialisation, mais trois ans plus tard, le moteur à combustion interne à hydrogène reste une curiosité du monde du sport automobile.

Le problème, c'est l'échelle

Passons maintenant à la turbine. Le brevet décrit une chambre de combustion de turbine à gaz, c'est-à-dire la chambre où l'air et le carburant se rencontrent et brûlent. Dans une turbine à gaz classique, de l’air comprimé pénètre dans une chambre en forme de boîte, le carburant y est pulvérisé, les allumeurs s’activent, et les gaz en expansion font tourner une roue de turbine. Cette roue entraîne un compresseur et, si tout se passe bien, laisse suffisamment d’énergie excédentaire pour actionner un arbre de transmission ou un générateur.

Le problème de Toyota, c’est l’échelle. Une turbine navale développe des milliers de chevaux. Toyota vise une puissance comprise entre 13 et 130. On est là dans la fourchette allant du cyclomoteur à la moto. À cette échelle, la chambre de combustion devient un véritable chaos thermique. Le brevet reconnaît qu’il faut une “ structure moins complexe ”, ce qui, en langage d’ingénierie, signifie “ nous essayons d’empêcher ce système de partir en vrille ”. 

Combustion uniforme

Et puis, il y a la question du carburant. L’hydrogène est plus léger que l’essence ou le kérosène, et il brûle à une température bien plus élevée. C’est excellent pour la densité de puissance. C’est catastrophique pour tout le reste. Dans une chambre de combustion classique, on pulvérise le carburant, on l'allume et on espère que le mélange s'enflamme de manière homogène. Avec l'hydrogène, cela ne fonctionne pas. Le carburant se disperse différemment, et les oxydes d'azote sont générés à des niveaux qui feraient rougir un ingénieur spécialisé dans le diesel.

La solution proposée par Toyota consiste en un ensemble de petits injecteurs disposés dans la chambre de combustion. Chaque injecteur reçoit de l'air comprimé et de l'hydrogène par deux conduits distincts. Les deux flux se rejoignent à l'intérieur de la buse, se mélangent intimement, puis un allumeur intégré à l'injecteur déclenche l'allumage. 

Il n'en résulte pas une seule grande flamme, mais de nombreuses flammes plus petites et réparties. Cette uniformité est importante, car elle évite la formation de zones où une quantité excessive d'hydrogène entrerait en contact avec une quantité insuffisante d'air. Elle permet également aux flammes d'atteindre les coins de la chambre de combustion qu'un seul injecteur central laisserait non chauffés. Cela entraînerait une perte de puissance et de rendement.

Pertes thermiques

Les turbines à gaz sont efficaces sur le plan thermodynamique à grande échelle et à haute température. Si on les réduit, leurs performances en pâtissent. Les pertes thermiques représentent alors une part plus importante de l'énergie totale. L'inertie de rotation qui assure le fonctionnement fluide d'une turbine dans un avion devient un véritable cauchemar dans les embouteillages. Chrysler l'a démontré en 1963. Sa voiture à turbine tournait au ralenti à des températures d'échappement capables de faire fondre le pare-chocs de la voiture qui la suivait.

L'hydrogène ne résout pas ce problème. Il modifie la chimie à l'intérieur de la chambre de combustion, mais la roue de turbine doit toujours extraire du travail du gaz chaud. L'approche à injecteurs multiples est une véritable prouesse technique. Mais la turbine elle-même est une solution à un problème que les batteries ont déjà résolu avec moins de composants. Et sans carburant exotique, sur un réseau électrique existant.

On voit mal comment cela pourrait être mis en pratique. À part dans le cadre d’une configuration EREV où elle sert de fonction génératrice, la turbine ne semble pas être la solution la plus adaptée pour favoriser la percée de l’hydrogène dans le secteur de la mobilité des voitures particulières.