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Nellen Christian

Professeur HES associé

Main skills

Professeur HES associé

Phone: +41 26 429 68 46

Desktop: HEIA_E00.08

Haute école d'ingénierie et d'architecture de Fribourg
Boulevard de Pérolles 80, 1700 Fribourg, CH

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Completed

Conversion d'un moteur thermique pour un fonctionnement à l'hydrogène

AGP

Role: Main Applicant

Financement: HES-SO Rectorat

Description du projet : Le remplacement des énergies fossiles dans les transports se heurte à la difficulté induite par les technologies développées actuellement sur les plans économiques, environnementaux et sociétaux. Ils nécessitent d'une part des matières premières rares et difficilement recyclables et, d'autre part, manquent de fiabilité en restant onéreux malgré la production en série, ce qui limite leur progression et leur adoption à large échelle. La combustion de l'hydrogène offre de multiples avantages, dont la possibilité de réduire les émissions de CO2 jusqu'à zéro `du puits à la roue'. Hors, c'est justement l'impossibilité de réduire les émissions de CO2 dans le transport qui empêche la Suisse de respecter ses engagements pris à Kyoto. Dans ce contexte, l'utilisation de l'hydrogène dans les moteurs à combustion aurait un grand intérêt pour une réduction à court terme du CO2, tant ces machines sont largement répandues, fiables et de technologie éprouvée et peu coûteuse. La faisabilité avait été démontrée dans le passé (p.ex. BMW), mais on parlait alors peu du réchauffement climatique et d'économie d'énergie et ces moteurs étaient peu optimisés pour l'hydrogène. L'objectif de la recherche proposée est de convertir un moteur à combustion existant pour un fonctionnement à l'hydrogène, tout en optimisant son rendement et ses émissions de NOx pour pouvoir l'appliquer à n'importe quel moteur en tirant avantage des progrès réalisés récemment en matière de stockage de l'hydrogène et de sécurité. Le but principal de ce projet est donc d'étudier, simuler et concevoir les modifications à apporter, de les implanter sur un moteur, et de l'utiliser comme démonstrateur. La méthodologie développée ainsi que la démonstration devraient permettre d'intéresser des industriels, p.ex. Liebherr, des compagnies de transport, des entreprises qui convertissent des moteurs pour carburants gazeux, dans un but de déboucher sur des projets financés et de communiquer. Les enjeux sont ainsi de pouvoir transformer avec des investissements faibles, un gigantesque parc de véhicules routiers suisses dans un temps très court et vers des solutions durables. Notons qu'à pleine charge, les performances d'un moteur à combustion peuvent être supérieures à celles d'une pile à combustible tout en offrant des gains significatifs en fiabilité, volume, masse et coût. Les compétences clés réunies par les requérants de ce projet sont les moteurs à combustion et les carburants alternatifs (HEIA-FR), la chimie de la combustion de l'hydrogène et des émissions (HEIA-FR), les méthodes d'usinage (perçage & structuration) par EDM (electrical discharge machining) et laser utilisées pour les injecteurs, ainsi que la simulation (HEPIA). Ces compétences sont nécessaires pour traiter la problématique interdisciplinaire de l'optimisation de la préparation du mélange et de la combustion, ainsi que des méthodes de fabrication permettant de réaliser les pièces spécifiques requises par l'optimisation.

Research team within HES-SO: Wälder Georg , Gillioz Simon , Allemann Christophe , Nellen Christian , Kurz Leo , Bouchardy Loïc , Monney Nils , Varisco Massimo , Haas Patrick , De Lucia Gianni , Corpataux Dominique , Bourgeois Jean-Pascal , Horsky Mathieu

Partenaires académiques: hepia inSTI; FR - EIA - Institut ChemTech; FR - EIA - Institut SeSi; Nellen Christian, FR - EIA - Institut SeSi

Durée du projet: 01.06.2019 - 31.03.2022

Montant global du projet: 250'000 CHF

Statut: Completed

2023

I.C. engine conversion for hydrogen combustion and near zero NOx emissions

Scientific paper ArODES

Nils Monney, Leo Kurz, Simon Gillioz, Christian Nellen

Preprints.org, To be published.

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Summary:

The purpose of this project was to demonstrate the potential of converting an existing internal combustion engine for hydrogen operation at relatively low cost and to optimize the combustion process for ultra-low NOx emissions. The conversion has been carried out on a 450cc naturally aspirated single cylinder engine. The first baseline measurements and setup have shown lower NOx emissions than the baseline gasoline engine (without catalytic converter) for similar power output and engine efficiency. Further optimization of the combustion process allowed to achieve Euro VI and (latest European Commission proposal) Euro VII heavy-duty NOx limits without exhaust gas aftertreatment system (EATS) in steady state conditions. The concept is very promising and the knowledge gained should allow for further optimization to achieve near zero NOx emissions at high engine efficiency and power output with supercharging. It should also allow an efficient conversion of other engine types for different applications. In particular, a project with the aim to convert a heavy duty 6 cylinder engine intended for public transport buses has started. It follows a feasibility study which has shown the competitiveness of the hydrogen engine for this application.

De la combustion du diesel à celle de l'H2 :

Professional paper ArODES

étude de faisabilité

Christian Nellen, Nils Monney, Leo Kurz, Laura Aumaudruz-Andres

bulletin.ch = Fachzeitschrift und Verbandsinformationen von Electrosuisse und VSE = Bulletin SEV/AES : revue spécialisée et informations des associations Electrosuisse et AES, 2023, vol. 3, pp. 44-48

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Summary:

L’abandon des énergies fossiles est une nécessité évidente. Or, dans le secteur des transports publics, il n’est pas aisé de trouver une alternative neutre en CO2 aux bus diesel utilisés pour les trajets extra-urbains. Une étude réalisée par la HEIA-FR montre que le moteur à combustion à hydrogène pourrait représenter une solution très compétitive et rapide à mettre en œuvre.

2022

Rapport “Motorisation à l’hydrogène des bus de transport public”

Scientific paper

Etude P-155

Couty Philippe, Nellen Christian, Antoine Maltey

OFT, 2022

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Summary:

A côté de la mobilité électrique, les véhicules fonctionnant à l’hydrogène sont un instrument également susceptible de contribuer à la décarbonation du trafic. L’Office fédéral des transports (OFT) a récemment donné son feu vert à des essais avec un bus à hydrogène. Il a aussi mandaté des études pour faire le point sur les perspectives de cette technologie dans les transports publics.

2001

La cogénération :

Professional paper ArODES

une contribution au développement durable

Roger Röthlisberger, Daniel Favrat, Christian Nellen, Konstantinos Boulouchos

Ingénieurs et architectes suisses, 2001, vol. 127, no. 24, pp. 7-12

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Summary:

La cogénération se définit comme un système très efficace qui produit simultanément de l'électricité (ou de la puissance mécanique) et de la chaleur à partir d'un seul combustible («combined heat and power», CHP en anglais). En d'autres termes, l'utilisateur génère à la fois de la puissance et une chaleur exploitable dans nombre de procédés industriels. Plutôt que d'être rejetée dans l'atmosphère, la chaleur devient ainsi source d'énergie avec des avantages économiques et environnementaux majeurs. Car si l'efficacité d'un système de conversion conventionnel est en général inférieure à 35%, un système de cogénération peut quant à lui atteindre 80%'. Les émissions de gaz à effet de serre, tout comme la dépendance en matière d'approvisionnement s'en trouvent réduites d'autant. Lorsque ces unités décentralisées sont de surcroît alimentées par du biogaz, les bénéfices environnementaux s'accroissent encore. Après la mise en œuvre des premières installations dans les années septante, les réalisations se sont surtout étendues à la fin des années quatre-vingt et au début des années nonante. Elles reviennent en force actuellement car, pour les pays soucieux de respecter le protocole de Kyoto et les récents accords de Marrakech, un plus large recours à des centrales chaleur-force apporterait une solution permettant une diminution marquée des émissions de C02 et d'autres polluants.

2024

Hydrogen engine for buses – a highly competitive CO2-neutral solution which could be quickly implemented

Conference ArODES

Nils Monney, Christian Nellen, Laura Aumaudruz-Andres

Proceedings of the 10. Internationaler Motorenkongress 2023, 28 February - 1st March 2023, Baden-Baden, Germany

Link to the conference

Summary:

The future renewal of bus fleets with the licensed public transport companies will be significantly affected by Switzerland’s 2050 energy strategy. The energy source, operation, maintenance and TCO will be completely different in the future and will make for a challenging replacement of an existing bus fleet. A detailed feasibility study [1], funded by the Swiss Federal Office of Transport (FOT) and carried out in close collaboration with the Transports Publics Fribourgeois (TPF), evaluates the technical and economic feasibility of replacing the Diesel buses in the TPF fleet with buses equipped with a hydrogenpowered combustion engine (H2ICE). An extensive measurement campaign on various bus lines of the TPF network was carried out and served as a basis for the simulations used to define the TCO of the future Hydrogen Bus with Internal Combustion Engine (H2BICE). In parallel, an engine base was identified in Fiat Powertrain Technologies (FPT) range to be converted to hydrogen combustion and a vehicle base was selected from the bus manufacturer HESS. The conditions necessary for the integration of the various components required for the realisation of a bus equipped with an H2ICE were considered to verify the feasibility of the vehicle. The work carried out has shown that the realisation of such a vehicle is possible both technically and in terms of safety, and that it is for extra-urban journeys economically very competitive compared to the CO2-neutral technologies known to date.

Achievements

PEOPLE@HES-SO
Directory and Skills inventory

Nellen Christian

Professeur HES associé

Main skills

Highly efficient I.C. Engines

Alternatives fuels

Hydrogen I.C. Engines

Professeur HES associé

PEOPLE@HES-SO Directory and Skills inventory

Nellen Christian

Professeur HES associé

Main skills

Highly efficient I.C. Engines

Alternatives fuels

Hydrogen I.C. Engines

Professeur HES associé

PEOPLE@HES-SO
Directory and Skills inventory