Une start-up britannique spécialisée dans la fabrication de moteurs s’inspire d’un principe de thermodynamique vieux de 200 ans pour réaliser une percée significative dans la technologie des moteurs, qui promet un rendement phénoménal de plus de 70 % et zéro émission. James Devonshire , du fabricant, s’est entretenu avec George Hunter, directeur des ventes de Carnot Engine, pour en savoir plus…
Recherchez sur Google « moteur thermique Carnot » et le premier résultat que vous verrez est une entrée Wikipédia expliquant comment un homme du nom de Nicolas Léonard Sadi Carnot (Sadi Carnot) – un ingénieur militaire et physicien français – a développé le moteur thermique le plus efficace qui était théoriquement possible en 1824.
Aujourd’hui, Carnot Engines (Carnot), basé à Londres, fait entrer cette technologie de moteur dans le 21e siècle, inaugurant une avancée majeure en termes de performances tout en accélérant l’adoption de carburants décarbonés.
Comme le déclare avec audace Carnot sur son site Internet : « Notre objectif est d’avoir un impact de l’ordre du gigatonne en matière d’émissions de CO2e, en décarbonant les industries les plus polluantes, et de proposer une technologie de moteur qui puisse devenir le plus grand accélérateur pour atteindre le zéro net. »
Mais une technologie développée il y a exactement 200 ans pourrait-elle réellement permettre de faire avancer les ambitions mondiales en matière de zéro émission nette ? Comme vous le découvrirez, George le pense certainement et son enthousiasme est plutôt contagieux.
Les moteurs de la génération actuelle sont fondamentalement limités
Carnot a été fondée en 2019 par trois ingénieurs pionniers qui souhaitaient résoudre le défi de la décarbonation des applications à forte demande telles que les camions, les navires, les générateurs et plus encore.
Comme l’a souligné George : « Les piles à combustible à hydrogène couplées à des batteries constituent une combinaison brillante pour décarboner les charges légères et les trajets plus courts. Mais lorsqu’on arrive aux industries et aux applications les plus polluantes, on a vraiment besoin d’un moteur, car aucun autre produit n’offre la même densité de puissance ou la même autonomie haut de gamme. »
Cependant, selon George, la génération actuelle de moteurs est fondamentalement limitée dans la mesure où elle ne fonctionne que dans une plage de rendement de 25 à 35 %. Et lorsque l’on commence à explorer des carburants plus durables, comme l’hydrogène et l’ammoniac, qui sont généralement plus chers que les carburants fossiles, l’économie de l’exercice s’effondre.
Inspiration d’une technologie vieille de 200 ans
L’innovation de Carnot s’inspire d’un principe de thermodynamique vieux de 200 ans, connu sous le nom de cycle de Carnot.
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique théorique qui représente la manière la plus efficace de convertir la chaleur en travail (ou vice versa) à l’aide d’un moteur thermique idéalisé. Le cycle de Carnot est crucial en thermodynamique car il fixe la limite supérieure de l’efficacité que tout moteur thermique peut atteindre, en se basant uniquement sur les températures auxquelles il fonctionne.
Bien qu’aucun moteur réel ne puisse atteindre une véritable efficacité Carnot en raison de facteurs tels que la friction, les pertes de chaleur et les limitations matérielles, les ingénieurs peuvent utiliser le cycle Carnot pour améliorer les performances des moteurs réels – et c’est exactement ce que les ingénieurs de Carnot ont fait.
« Au cours des cinq dernières années, nous avons concentré nos efforts sur le perfectionnement de notre technologie pour qu’elle soit adaptée à nos besoins », a ajouté George. « Nous avons désormais prouvé que nous pouvons fabriquer un moteur basé sur les travaux de Carnot, capable de gérer les conditions auxquelles nous le soumettons. »
George a expliqué que Carnot avait réussi à faire passer le rendement des moteurs de 25-35 % à 68-72 %. « Et, bien sûr, si vous doublez le rendement, vous divisez par deux la consommation de carburant. Pour les entreprises qui dépensent des centaines de milliers de dollars en carburant chaque année, les économies de coûts peuvent être réalisées assez rapidement. »
Une approche indépendante du carburant
Comme si doubler l’efficacité du moteur n’était pas suffisant, Carnot adopte également une approche totalement indépendante du carburant.
« Nous pouvons faire fonctionner nos moteurs à l’hydrogène, à l’ammoniac, au méthanol, au biocarburant, au biogaz, au GNL, au diesel, au GPL et nous pouvons mettre à niveau le moteur avec différents carburants », a expliqué George.
« D’un côté, vous avez une efficacité considérablement accrue, ce qui permet d’économiser de l’argent et de réduire les coûts, et de l’autre, il y a une stratégie de carburant totalement flexible », a-t-il ajouté.
Grâce à l’architecture Carnot, les entreprises peuvent adopter une approche opportuniste de la décarbonation, en passant d’un combustible à un autre au gré de leurs besoins. « Nous pouvons fournir aux gens la solution adaptée à leurs besoins. »
Cette approche indépendante du carburant est la clé pour décarboner les moteurs. En fonctionnant à l’hydrogène, à l’ammoniac ou au biogaz, par exemple, les entreprises peuvent atteindre un niveau d’émissions zéro.
« Certains pensent que les moteurs sont intrinsèquement mauvais du point de vue de la neutralité carbone, mais c’est une erreur. Il n’y a rien de fondamentalement mauvais avec les moteurs, ce sont les carburants que vous utilisez et la façon dont vous les utilisez qui font que les moteurs produisent des émissions », a déclaré George.
Attirer l’attention
La combinaison d’une efficacité considérablement améliorée et d’une flexibilité de carburant proposée par Carnot a attiré l’attention des investisseurs et du gouvernement.
En effet, la start-up a obtenu des millions de dollars de subventions du gouvernement britannique, dont une subvention Energy Catalyst de 1,5 million de livres sterling et plusieurs injections de financement via le concours de démonstration maritime propre du ministère des Transports.
Mitsui OSK Lines (MOL), une société de transport japonaise et l’une des plus grandes organisations de transport maritime au monde, a également reconnu le potentiel de Carnot. Le conglomérat basé à Tokyo a récemment annoncé son intention d’investir directement dans Carnot, devenant ainsi le dernier actionnaire et partenaire de l’entreprise pour le secteur maritime.
Dans le cadre de cette collaboration, Carnot et MOL développent conjointement un groupe auxiliaire de puissance (APU) maritime, optimisé pour la flotte de MOL et aligné sur sa stratégie de décarbonisation. Comme l’a souligné George : « Cela comprend l’utilisation de la technologie de moteur à haut rendement de Carnot pour réduire la consommation de carburant et les émissions tout en utilisant nos capacités indépendantes du carburant pour adopter différents carburants décarbonés, notamment l’ammoniac, le méthanol et le GNL. »
Un navire de Carisbrooke Shipping participera à un essai de moteur auxiliaire à hydrogène en janvier
Pourquoi attendre 200 ans ?
La question la plus évidente qui se pose autour de la technologie de Carnot est peut-être : pourquoi le travail de Sadi Carnot n’a-t-il pas déjà été développé par quelqu’un d’autre ?
Selon George, il y a eu plusieurs tentatives pour créer un moteur thermique avec des pertes d’énergie minimales, qui ont toutes échoué parce qu’elles ont été entreprises par des équipementiers existants.
« Dans les années 1970 et 1980, plusieurs tentatives ont été faites pour fabriquer des moteurs adiabatiques », a ajouté George, faisant référence à un procédé dans lequel aucune chaleur n’est transférée vers ou hors d’un système. « Ces moteurs, qui n’étaient pas refroidis, incorporaient des matériaux résistants aux hautes températures, comme la céramique. »
Mais le problème avec les céramiques est qu’elles se comportent très différemment des métaux. Par exemple, si les céramiques sont très efficaces pour supporter des charges de compression et des températures élevées, elles ne sont pas aussi efficaces pour supporter des charges cycliques avec des mouvements de torsion. Et si l’on considère que la plupart des moteurs sont criblés de tels mouvements, les céramiques ne peuvent tout simplement pas relever le défi.
L’autre point d’achoppement pour les constructeurs est qu’ils ont mis en place des infrastructures de fabrication qui représentent des investissements importants. Repartir de zéro pour créer ce qui est nécessaire à la construction d’un tout nouveau type de moteur n’est tout simplement pas envisageable.
Certains ont donc utilisé des revêtements et des doublures à la place des matériaux céramiques. Le problème était que ces matériaux se comportaient très différemment des métaux lorsqu’ils étaient soumis à des températures élevées. Il en résultait que les différents matériaux se rétractaient et se dilataient à des rythmes différents, ce qui conduisait inévitablement à des défaillances.
Comme l’a ajouté George, pour les constructeurs automobiles, il ne s’agit pas simplement de reprendre des conceptions de moteurs éprouvées et de les adapter. Il faut plutôt adopter une toute nouvelle approche et une toute nouvelle philosophie.
Un autre facteur à prendre en compte est que les technologies de fabrication ont également énormément progressé ces dernières années. Des innovations comme l’impression 3D permettent de fabriquer des pièces sur mesure beaucoup plus facilement et à moindre coût. De plus, la capacité des fabricants à travailler aujourd’hui avec des tolérances de l’ordre du micron rend les innovations comme celle de Carnot plus réalisables.
Carnot tire son nom de Nicolas Léonard Sadi Carnot (Sadi Carnot) – un ingénieur militaire et physicien français – qui a développé le moteur thermique le plus efficace théoriquement possible en 1824.
Les moteurs Carnot en liberté
Alors, quand pouvons-nous espérer voir un moteur Carnot en mer ? George a déclaré qu’ils avaient prévu de livrer le premier essai en mer d’unité auxiliaire de puissance à hydrogène du Royaume-Uni en janvier.
Comme il l’a expliqué, sur la plupart des navires, les moteurs principaux assurent la propulsion tandis que les moteurs auxiliaires fournissent l’énergie électrique nécessaire aux différents systèmes et équipements du navire. Le problème avec ces moteurs auxiliaires (considérez-les comme des générateurs) est qu’ils ont tendance à fonctionner au diesel ou à l’essence et contribuent de manière disproportionnée au profil global des émissions du navire.
En janvier, Carnot et ses partenaires Carisbrooke Shipping, l’université Brunel et le Manufacturing Technology Centre vont tester un moteur à hydrogène pour une telle application. L’un des cargos de classe K de Carisbrooke Shipping sera équipé d’un démonstrateur de moteur auxiliaire à hydrogène de 50 kW à zéro émission monté sur son pont. Le navire effectuera ensuite des allers-retours entre Bristol et Belfast pour prouver que l’on peut compter sur cette technologie en cas de besoin.
Il convient également de souligner qu’un tel essai n’est pas une mince affaire. George a déclaré qu’ils travaillaient depuis un certain temps avec les régulateurs, les ports et les garde-côtes de Sa Majesté pour définir comment ces carburants peuvent être utilisés dans un contexte maritime.
En plus de cet essai, Carnot se lance également dans un projet de biogaz en Indonésie, qui utilisera les gaz produits à partir de déchets agricoles pour alimenter un mini-réseau. Avec un autre projet de biogaz aux Pays-Bas et un projet d’hydrogène en Corée, 2025 sera l’année où Carnot prouvera sa technologie en situation réelle.
Répondre à la pénurie de compétences dans le secteur manufacturier
Comme de nombreux industriels, Carnot n’échappe pas à la pénurie de main-d’œuvre qui frappe le secteur manufacturier. Pour y remédier, l’entreprise a développé son propre programme d’apprentissage et en récolte les fruits.
Mais comme l’a souligné George, les défis de recrutement de Carnot ne se concentrent pas sur le haut de gamme de leur entreprise, mais plutôt sur le niveau intermédiaire.
« Au niveau senior, nous avons réussi à nous occuper de notre personnel en nous appuyant sur un réseau de professionnels chevronnés issus de l’industrie de la Formule 1, dont sont issus plusieurs de nos collaborateurs », a-t-il déclaré. « Il s’agit de personnes ayant entre 20 et 30 ans d’expérience et ayant construit et conçu des moteurs tout au long de leur carrière. Et beaucoup d’entre eux étaient à la recherche d’un changement, que ce soit un nouveau défi ou simplement un meilleur équilibre entre vie professionnelle et vie privée. Nos relations au sein de la F1 ont rendu ce recrutement relativement simple. »
Pourvoir les postes de niveau intermédiaire s’avère toutefois un défi beaucoup plus grand pour Carnot. Le vivier de candidats possédant la bonne combinaison de compétences et d’expérience dont elle a besoin est pratiquement « inexistant », selon George.
Pour combler cette lacune, l’entreprise a largement misé sur l’apprentissage. Son approche consiste à faire venir des jeunes talents directement de l’université. « Ils passent un jour par semaine à l’école et quatre jours par semaine avec nous », explique George, « pour acquérir une expérience pratique dans l’atelier. » Cet investissement à long terme dans l’apprentissage permet à Carnot de former et de former les talents dont elle a besoin dès le départ.
Bien que ce soit un processus lent, qui prend des années pour former pleinement ces individus, George a déclaré que cette stratégie s’est avérée efficace. « Ces jeunes recrues préfèrent travailler de leurs mains plutôt que de rester assis derrière un bureau. Ils veulent être impliqués dans les moteurs et les outils. La création d’un environnement passionnant et engageant nous a également aidés à retenir ces apprentis. »
À long terme, George estime que l’ensemble du secteur doit se concentrer davantage sur les programmes d’apprentissage pour remédier au déficit de compétences. Bien qu’il s’agisse d’un engagement à long terme, avec une vision et un environnement appropriés, il « peut créer un vivier de talents durable pour l’avenir ».
source : Publié le
6 décembre 2024 par
James Devonshire
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