Comment les carburants alternatifs se comportent dans le froid extrême

Récemment, Power Progress a fait état d'une recherche effectuée par l'Alberta Motor Transport Association (AMTA) du Canada concernant l'utilisation de l'hydrogène comme carburant dans des températures extrêmement froides.

Il s’avère que lorsque le mercure baisse, d’autres carburants alternatifs sont confrontés à des défis similaires.

Jeffrey D. Naber, professeur Richard & Elizabeth Henes en systèmes énergétiques à l'Université technologique du Michigan, a utilisé le diesel fossile dans les moteurs à allumage par compression comme point de référence.

« Le carburant diesel a une volatilité relativement faible », a déclaré Naber. « Cela signifie qu'il est difficile de le vaporiser et de le mélanger à basse température. Il contient des paraffines, donc il commence généralement à cirer à basse température. »

Selon Matt Leuck, directeur technique du transport routier renouvelable en Amérique du Nord pour le fabricant de carburants durables Neste, le fonctionnement par temps froid du carburant diesel dépend des types de molécules que contient le carburant.

« Si vous avez des molécules de diesel plus lourdes et à chaîne plus longue, elles vont se gélifier plus rapidement », a-t-il déclaré. « Si vous avez des molécules de diesel plus légères et à chaîne plus courte, elles resteront liquides plus longtemps. »

Les additifs permettent au carburant diesel de circuler à des températures plus basses pour un fonctionnement par temps froid tout en n'étant pas trop volatil pour une utilisation en été, a déclaré Naber, ainsi que d'autres méthodes pour favoriser l'allumage.

« Nous nous appuyons sur la chaleur de compression et potentiellement sur d’autres mécanismes pour obtenir des températures dans le cylindre telles que le carburant s’enflamme automatiquement », a-t-il déclaré.

HVO et biodiesel

Une alternative au diesel fossile dans les moteurs à allumage par compression est le diesel renouvelable, également connu sous le nom d'huile végétale hydrotraitée (HVO). Leuck a déclaré que même si les températures froides ne peuvent pas vraiment être traitées une fois le diesel renouvelable produit, beaucoup peut être fait dans le processus de raffinage pour gérer le fonctionnement par temps froid.

Le diesel renouvelable Neste MY au relais routier de KW Rastall Oil à North Brunswick, dans le New Jersey. Neste a récemment annoncé un partenariat avec la municipalité de North Brunswick pour permettre à tous les véhicules et équipements diesel de la municipalité de passer au diesel renouvelable. (Photo : KW Rastall Oil)

« Nous pouvons dire que nous voulons fabriquer telle ou telle qualité de carburant », a déclaré Leuck. « Nous pouvons dire que nous voulons fabriquer un point de trouble de X, Y ou Z, et nous pouvons y parvenir n’importe quel jour de la semaine grâce à la technologie dont nous disposons dans le processus de production. »

Leuck a ajouté que le point de trouble est le point auquel les cristaux de cire commencent à se former.

Le biodiesel est une autre alternative au diesel fossile. Il est lui aussi produit à partir de matières premières similaires au diesel renouvelable, mais selon un procédé de raffinage différent. Selon Naber, il ne se comporte cependant pas très différemment du diesel fossile dans les conditions de froid intense.

« Le biodiesel a tendance à avoir de longues chaînes [d'hydrocarbures] et a tendance à cirer comme le carburant diesel, il pose donc un problème à basse température », a déclaré Naber.

Leuck a déclaré que contrairement au diesel renouvelable, le processus de raffinage du biodiesel, associé aux types de matières premières, limite ce que les producteurs peuvent faire pour l'adapter aux températures extrêmement froides.

« Ils ne peuvent que décomposer la matière première, mais ils ne peuvent pas réintroduire plus d’hydrogène dans cette molécule de carburant », a déclaré Leuck, faisant référence au processus d’hydrotraitement du diesel renouvelable qui crée des hydrocarbures paraffiniques. Il a ajouté que le processus de biodiesel ne permet pas l’isomérisation des molécules, qui est l’étape du processus de raffinage du diesel renouvelable qui définit réellement ses propriétés par temps froid.

Naber a déclaré que les composés paraffiniques – ceux à longue chaîne, à chaîne droite ou isoparaffiniques – ont un indice de cétane élevé.

« L'indice de cétane est sa capacité caractéristique à s'auto-enflammer », a-t-il déclaré. « C'est donc une bonne chose. Plus j'ai de cétanes, plus j'ai de paraffiniques, plus la température à laquelle l'auto-enflamme est basse. »

Il a ajouté : « En fonction de la manière dont le diesel renouvelable est produit, en général – encore une fois, cela dépend du processus – il a tendance à contenir davantage d’hydrocarbures à longue chaîne qui ont un indice de cétane plus élevé. Ils ont également une capacité de formation de suie moindre. Mais ces carburants ont généralement des points de cirage plus élevés. »

Options d'allumage par étincelle

Il existe également des carburants alternatifs pour les moteurs à allumage commandé. L'éthanol est souvent utilisé, car il « a une faible volatilité, ce qui le rend moins adapté aux démarrages à froid », selon Naber.

Il a ajouté : « Nous pourrions passer aux carburants gazeux. L’avantage d’un carburant gazeux est que je n’ai pas besoin de le vaporiser. »

Le gaz naturel liquéfié (GNL) et le gaz de pétrole liquéfié (propane ou GPL) continueront de se vaporiser dans des conditions normales, même à basse température, a déclaré Naber.

Un réservoir de stockage de gaz naturel liquéfié (GNL). (Photo : Adobe Stock)

« L’un des problèmes du gaz naturel est que, comme l’air, lorsqu’il se dilate, il refroidit », explique Naber. « Je dois le dilater à partir du réservoir haute pression, donc le refroidissement peut être assez important. »

Il a ajouté que les échangeurs de chaleur peuvent garantir que le carburant entrant dans le cylindre n'est pas trop froid.

Dans les moteurs à combustion interne, explique Naber, l'hydrogène fonctionne de manière similaire.

« J'ai besoin de stocker de l'hydrogène liquide de manière cryogénique, ou je pourrais le mettre dans un réservoir comprimé », a-t-il expliqué. « Il ne refroidit pas autant lorsqu'on le dilate. Il a des propriétés thermodynamiques différentes. »

Cependant, comme le gaz naturel et le GPL, il n’a pas besoin d’être vaporisé.

« Il me suffit de le mélanger, d’obtenir la bonne quantité avec de l’air et de l’allumer avec une étincelle », a déclaré Naber.

Le défi avec les moteurs à allumage par étincelle à basse température est d'obtenir le bon mélange stoechiométrique de carburant et d'air au moment de l'allumage par étincelle, a déclaré Naber.

Malgré ces défis, les moteurs sont plus performants que de nombreuses autres technologies pour fonctionner dans des conditions de froid extrême.

« Si vous pensez à un moteur, il peut fonctionner à des températures extrêmes par rapport à n’importe quel autre appareil auquel vous pouvez penser », a déclaré Naber. « Les batteries ont des difficultés à basse température. Les piles à combustible ont des problèmes à basse et haute température. Un moteur est donc assez résistant à la température dans son ensemble. »

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