La flexibilité du carburant accélère la mobilité durable
La flexibilité du carburant au cœur du nouvel Eco-Runner
Le 27 mai, l'Eco-Runner Team XVI de la TU Delft présentera une nouvelle voiture durable équipée d'une microturbine à gaz. Celle-ci permet à la voiture de fonctionner avec différents carburants durables, notamment le (bio)éthanol ou le (bio)méthanol. L'idée sous-jacente est que la flexibilité du carburant peut jouer un rôle important dans la transition énergétique et l'avenir de la mobilité. Surtout dans un monde où les prix de l'énergie, la disponibilité des sources d'énergie et les conditions géopolitiques ne sont pas particulièrement stables.
Présentation
L'Eco-Runner Team Delft a été créée il y a plus de 20 ans pour participer, en tant que TU Delft, à l'Eco-marathon Shell. L'objectif: concevoir la voiture à hydrogène la plus économe en carburant possible. Au cours des années qui ont suivi, la voiture a été constamment améliorée jusqu'à ce que l'équipe actuelle estime qu'il était temps d'innover. Isabel van der Brug a décroché son diplôme de bachelier en sciences mathématiques appliquées et a pris place l'année dernière dans l'équipe Eco-Runner pour la saison 2025/2026 avant d'entamer son master. "Après 20 ans de développement continu, la plupart des améliorations et optimisations ont été apportées. De plus, nous vivons à une époque où l'hydrogène seul n'est pas le Saint-Graal, mais où il est nécessaire d'avoir plus de "flexibilité en matière de carburant."
Isabel Van der Brug fait référence au fait que plusieurs carburants renouvelables sont disponibles à l'heure actuelle. Cependant, ils ne conviennent pas à la combustion dans un moteur à combustion interne standard. Le nouveau défi consistait donc à développer un nouveau moteur et à l'intégrer dans une nouvelle voiture. Koen Mohr, étudiant en physique appliquée, se concentre spécifiquement sur cette partie de la voiture et ajoute: "Bien sûr, nous ne développons pas un moteur à combustion interne entièrement nouveau, mais nous utilisons une microturbine à gaz standard que nous voulons adapter à différents types de carburants durables.
Eco-Runner en un coup d'œil
Le projet Eco-Runner a démarré en 2005, lorsque la première équipe a participé à l'Eco-marathon Shell au Rockingham Speedway. Les étudiants de Delft ont obtenu un résultat de 557 km/l, ce qui les a placés dans les cinq premiers. Dans les années qui ont suivi, un nouveau véhicule a été présenté d'abord tous les deux ans, puis tous les ans, toujours avec le même objectif: inspirer le monde en faveur de la mobilité durable.
Chaque équipe suivante s'est appuyée sur le travail de ses prédécesseurs. Au cours de ses 20 premières années d'existence, l'équipe Eco-Runner s'est concentrée sur le développement de la voiture à hydrogène la plus efficace au monde, mais l'année dernière, elle a innové en lançant un nouveau cycle d'innovation visant à assurer la flexibilité du carburant dans les voitures utilisant des carburants renouvelables.
L'Eco-Runner Team Delft 2025/2026 se compose de 26 étudiants de l'Université technique de Delft répartis en cinq départements. Chaque département travaille sur son propre sous-système.
Flexibilité du carburant
L'importance de ce développement revêt plusieurs aspects. Tout d'abord, la mobilité durable reste une question importante dans le contexte de la réduction des émissions de CO2. Cependant, dans le secteur de la mobilité, un large éventail d'équipements de transport doit être décarbonisé, ce qui nécessite des solutions multiples. Et bien qu'il existe déjà des technologies prometteuses, aucune solution unique ne peut répondre aux besoins de tous les véhicules: une plus grande flexibilité est donc nécessaire.
"Ne pas choisir entre les sources d'énergie, mais les combiner intelligemment: tel est le cœur de la flexibilité du carburant"
Isabel Van der Brug: "C'est précisément cette flexibilité qui peut accélérer la durabilité du secteur de la mobilité. En développant un moteur unique pouvant fonctionner avec plusieurs carburants durables, nous montrons que l'innovation ne consiste pas à choisir entre l'électricité, l'hydrogène ou les biocarburants, mais à combiner intelligemment les solutions."
Enfin, l'époque actuelle, avec ses tensions géopolitiques qui ont notamment entraîné une hausse des prix des combustibles fossiles, a encore accentué la nécessité de devenir moins dépendant de ces combustibles. En utilisant plusieurs combustibles renouvelables, la demande de sources d'énergie individuelles est répartie et il n'est pas nécessaire de maximiser l'utilisation d'un seul combustible.
Ces conclusions ont suffi à la nouvelle équipe pour décider de développer le prochain Eco-Runner en gardant à l'esprit cette flexibilité du carburant. Bien entendu, le choix se porte exclusivement sur des carburants durables tels que le bioéthanol ou le biométhanol (voir aussi l'encadré).
Carburants renouvelables
Le bioéthanol est un carburant renouvelable produit à partir de biomasse telle que la betterave sucrière, le maïs ou les déchets agricoles. Lorsque le bioéthanol est produit de manière durable, il réduit considérablement les émissions de CO2 au cours de son cycle de vie par rapport aux combustibles fossiles.
Le biométhanol est produit à partir de sources renouvelables telles que la biomasse ou le CO2 capturé, combiné avec de l'hydrogène vert. Il s'agit d'un vecteur énergétique polyvalent à haute densité énergétique, dont les applications sont prometteuses dans le secteur du transport et le secteur maritime.
L'hydrogène est un vecteur énergétique qui peut être produit à partir d'électricité renouvelable par électrolyse. Lorsqu'il est utilisé dans une pile à combustible ou un moteur à combustion d'hydrogène, la seule émission directe est l'eau.
Microturbine à gaz
L'équipe construit le système comme "démonstration de faisabilité" dans une citadine compacte développée en interne. Parallèlement, elle cherche à déterminer si cette approche présente également un potentiel plus large. Par exemple, pour des applications dans des secteurs où l'électrification complète est plus difficile, comme le transport lourd, les applications maritimes ou l'aviation.
Structure et fonctionnement
Le cœur du système à carburant flexible est une microturbine à gaz (MGT) composée de cinq éléments principaux: le compresseur, le récupérateur, la chambre de combustion, la turbine et le générateur (voir figure 1).
Le processus commence au niveau du compresseur, qui aspire l'air frais et le comprime. L'air comprimé est ensuite acheminé vers l'échangeur de chaleur, où il est préchauffé avec la chaleur des gaz d'échappement. Le flux d'air est ainsi préparé de manière optimale pour une combustion efficace. Une fois dans la chambre de combustion, le carburant est injecté et pulvérisé par une buse, puis il est enflammé. Les gaz chauds (jusqu'à 900 °C) riches en énergie qui en résultent se dilatent dans la turbine, ce qui la fait tourner et atteindre des vitesses allant jusqu'à 180 000 min-1, une vitesse normale pour un e-turbo. Par l'intermédiaire d'un arbre divisé, le mouvement est utilisé pour entraîner à la fois le compresseur susmentionné et le générateur. Ce dernier convertit l'énergie de rotation en énergie électrique qui est stockée dans des batteries et alimente finalement la voiture. Après l'ensemble du processus, les gaz d'échappement repassent par l'échangeur de chaleur avant d'être rejetés dans l'atmosphère.
Un moteur, plusieurs carburants renouvelables: une étape pragmatique vers une mobilité robuste
Koen Mohr: "La flexibilité du carburant est plus facile à obtenir avec une MGT qu'avec un moteur alternatif standard. En effet, dans une turbine à gaz, les carburants s'enflamment en continu dans un flux d'air chaud, alors que dans un moteur à piston, la quantité de carburant par cylindre et le moment de l'allumage sont très proches. En outre, la combustion n'a pas lieu directement dans la turbine elle-même, ce qui permet de mieux contrôler la température et la vitesse de combustion. Il est donc plus facile de brûler différents combustibles, chacun ayant ses propres caractéristiques de flamme et son propre contenu énergétique, dans le flux d'air de la turbine à gaz."
Par ailleurs, une microturbine à gaz est compatible avec une pile à combustible à oxyde solide (SOFC). L'intégration d'une SOFC dans le système MGT peut porter l'efficacité et la flexibilité du carburant à un niveau supérieur. Koen Mohr: "Nous étudions actuellement cette extension prometteuse à long terme: une architecture hybride MGT-SOFC."
Défis au cours du développement
Le manque d'espace constitue un défi majeur pour la réalisation de la voiture. Une solution partielle pour utiliser au mieux cet espace consiste à monter la turbine, le compresseur et le générateur sur le même arbre. Koen Mohr: "Cela a constitué l'un de nos plus grands défis: trouver un générateur capable de produire environ 3 kW d'électricité, de résister au transfert de chaleur de 900 °C de la turbine et d'atteindre une vitesse de 180 000 min-1. Avec l'aide de l'industrie, nous y sommes parvenus."
La taille compacte du système complique également le maintien d'un rendement élevé. Par rapport au volume du système, la surface exposée à l'air ambiant est relativement importante, ce qui entraîne des pertes de chaleur proportionnellement plus élevées. C'est la raison pour laquelle l'échangeur de chaleur évoqué plus haut a été utilisé. Isabel Van der Brug: "Le choix de l'échangeur de chaleur était également un défi, car il ne devait pas chauffer trop rapidement lors du démarrage. Cela se produit dans notre conception, et nous étions donc confrontés à un choix: allions-nous apporter une modification pour que les gaz d'échappement soient refroidis en premier ou prenions-nous le risque que l'échangeur de chaleur tombe en panne plus tôt? Nous avons opté pour cette dernière solution pour des raisons de temps et parce qu'il s'agit d'une 'démonstration de faisabilité'."
M. Mohr ajoute: "L'année dernière, lorsque nous avons travaillé avec une turbine à gaz à combustion externe, nous avons utilisé de l'air comprimé pour démarrer le système, ce qui s'est avéré très difficile. Cette année, nous adoptons une approche différente. Nous prévoyons d'utiliser le générateur comme moteur électrique pour démarrer le système jusqu'à environ 70 000 tr/min. À partir de ce moment, la chambre de combustion est suffisamment chaude et le processus de combustion suffisamment stable pour que la turbine à gaz prenne le relais. Le générateur passe alors du mode moteur au mode production d'électricité. Le développement d'un générateur capable de supporter ces vitesses de rotation extrêmes tout en conservant un rendement élevé et une grande stabilité mécanique reste un défi majeur à relever."
Journées d'essai
Plusieurs journées d'essai ont déjà eu lieu. Dans un premier temps, l'équipe a allumé la flamme et expérimenté la conception optimale. Par exemple, elle doit être aussi bleue que possible en ce qui concerne la production de NOx, de suie et d'autres émissions. Koen Mohr: "Et bien sûr, il reste encore de nombreuses optimisations à faire, par exemple pour mieux contrôler la flamme. De surcroît, une nouvelle chambre de combustion sera fabriquée en acier inoxydable spécial. Nous travaillons donc tous d'arrache-pied sur une démonstration de faisabilité qui sera présentée fin mai au Koninklijke Schouwburg de La Haye. En juin, nous espérons faire notre premier tour de piste sur le circuit de Zandvoort."
