Concept d'aile volante à l'étude (Blended Wing Body, BWB) propulsé par des moteurs fonctionnant à l'hydrogène. © Airbus
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Hydrogène : l'avion décarboné changera nos habitudes de voyage

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[EN VIDÉO] Hydrogène bleu, gris, jaune et vert : quelle différence ?  L’hydrogène est souvent assimilé à une couleur, qui dépend de la façon dont il est produit. 

Dans un futur prévisible, l'avion décarboné devrait faire décoller des ailes volantes à hydrogène. Ce sera très bénéfique pour le climat. Mais, cela changera aussi nos habitudes de voyage aérien. Yves Gourinat, professeur à Supaero, chercheur en dynamique des structures UMR CNRS 5312 ICA et promoteur de nouvelles architectures structurales, nous explique tout cela.

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Si l'hydrogène figure comme le meilleur candidat pour décarboner l'avion de demain et constitue de fait la solution privilégiée par les avionneurs à l'horizon 2035 pour réduire l'impact de l'aviation sur le changement et le réchauffement climatique, son « utilisation impose de repenser totalement l'architecture, le design et la conception des avions », nous explique Yves Gourinat, impliqué dans la recherche actuelle sur les technologies nécessaires à l'aile volante.

L'utilisation d'hydrogène comme carburant nécessitera « d'immenses réservoirs impossibles à loger dans une architecture d'avion classique car l'hydrogène possède une énergie massique de combustion exceptionnelle (142 MJ/kg, trois fois celle du kérosène d'aviation). Mais comme sa masse volumique est très faible (71 kg/msous forme liquide, quatorze fois moins dense que l'eau !), son énergie volumique est 3,7 fois plus faible que celle du kérosène ». L'hydrogène sera « certes trois fois plus léger que le kérosène, mais presque quatre fois plus volumineux », nécessitant donc d'immenses réservoirs. Son utilisation nécessitera aussi de voler « moins haut et moins vite ». L'aile volante constitue donc l'architecture la plus intéressante pour un avion à hydrogène, en raison de ses capacités de stockage et la mieux adaptée pour répondre aux exigences de ces deux autres besoins.

Cela augmentera de façon assez significative la durée des voyages aériens

Afin de limiter la taille de ces réservoirs, ces ailes volantes voleront moins vite avec un « Mach moyen M qui diminuera tout comme la consommation énergétique horaire et donc les quantités d'hydrogène à embarquer ». Cela augmentera de façon assez significative la durée des voyages aériens. Concrètement, le « trajet Paris-Sydney qui représente actuellement 22 heures de vol en nécessitera 38 et un Paris-New York demandera 15 heures de vol ». Ces voyages plus longs participeront à la suppression de l'empreinte énergétique des vols long-courrier sur le climat.

Concept d'aile volante Maveric d'Airbus. De par son architecture, cet avion pourrait voler à l'hydrogène. © Airbus

L'ère des croisières aériennes

Étonnamment, ces futurs voyages aériens devraient être bien acceptés car du « fait de la mise en œuvre de la cryogénie », les ailes volantes offriront des « volumes plus grands que les avions actuels et propices à tous les aménagements intérieurs imaginables ». On parle d'un intérieur aussi « haut et large que des bâtiments de plusieurs étages » ! À partir du moment où l'habitacle de ces avions devient réellement vivable, « et non plus un alignement de sièges comme c'est le cas aujourd'hui », on peut envisager d'allonger la durée des trajets car l'aménagement intérieur de ces ailes volantes « offrira un confort accru pour les passagers mais aussi une certaine variété d'activités culturelles, ainsi qu'une offre de loisirs, de shopping et de restauration diversifiée, s'inspirant des bateaux de croisière ». On peut comparer ces futurs habitacles, toutes proportions gardées, à ceux des grands dirigeables du début du XXe siècle, « capables de transporter des dizaines de passagers avec un confort similaire aux paquebots de l'époque  », ou tout simplement aux « voyages en train, à bord de l'Orient Express par exemple ».

Le secteur aérospatial pollue bien moins qu'on ne le pense

Bien que le secteur aérospatial « ne soit responsable que de 2,5 % des émissions mondiales de CO2 et au total de 5,1 % de l'ensemble des causes de réchauffement climatique» en participant à « l'effet de serre avec les traînées de condensation des avions », son impact sur le climat pourrait être réduit avec ces ailes volantes. En volant moins vite et à des altitudes plus basses que celles qu'utilise l'aviation commerciale, les « traînées de condensation de ces ailes volantes seront bénéfiques pour le climat ». L'altitude de croisière des avions actuels est celle où se fabriquent les cirrus qui sont des nuages qui retiennent les infrarouges et donc renforcent le réchauffement climatique. Mais, si les traînées de hautes altitudes favorisent l'effet de serre, celles de « basses altitudes ont tendance à refroidir la Terre à cause de leur fort albédo en réfléchissant la lumière du soleil vers l'espace ». Dit autrement, l'aile à hydrogène peut même « contribuer à augmenter l'albédo global de la Planète, sans générer de gaz à effet de serre, ce qui lui confère un effet bénéfique, à condition toutefois de voler à des altitudes favorables à cet effet ».

Voler moins haut offre plusieurs intérêts. Non seulement on économise le carburant nécessaire pour rejoindre les altitudes de croisière des avions actuels mais, et c'est plus surprenant, on « peut sous-dimensionner les moteurs car on a moins besoin de puissance pour atteindre l'altitude de croisière des ailes volantes ». Seulement deux moteurs seront nécessaires pour une aile et ses 800 passagers !

Selon les concepts d'ailes volantes à l'étude, le but est de « développer une aile volante de 100 mètres et de la mettre en service dans le courant de la décennie 2030 ». Sa taille lui permettra d'utiliser la grande majorité des aéroports internationaux, sans qu'il soit nécessaire de modifier leurs infrastructures. « Elle ne prendra pas plus de place qu'un A380 d'Airbus et sera probablement guidée au sol par des « remorqueurs », évitant le roulage au réacteur ».

Maveric, l'aile volante d'Airbus : projet de l'aviation de ligne de demain. © Airbus 

Intrinsèquement, les ailes volantes ne sont pas stables

L'absence d'empennage a un inconvénient, rendre les « ailes volantes instables en tangage notamment ». Comme leur altitude de croisière sera plus basse, les turbulences atmosphériques seront plus nombreuses. Pour gérer cette instabilité chronique, des algorithmes seront utilisés. Ils auront comme fonction de « détecter de manière prédictive les turbulences atmosphériques et de compenser ses effets avec le modèle dynamique de l'avion ». Ces évolutions vont nécessiter l'intégration effective du Contrôle prédictif généralisé pour stabiliser l'avion. Ces technologies, matures en laboratoire, nécessitent « encore des années de développement pour être certifiées, et donc passer du niveau de maturité technologique actuel (TRL) 4 à celui de la certification publique 9 ». Avec l'aile volante, on « a là une occasion unique de viser une fiabilité inédite à 10-7 par heure de vol, ce qui est largement inférieur au risque que l'on prend à chaque instant dans la vie quotidienne ». On profite de l'aile volante pour accompagner cette mutation - déjà en cours - et passer de 10-6 à 10-7, ce qui revient à passer « d'une roulette russe de 1 million de trous à 10 millions ».

Pour que les avions continuent à voler demain, les industriels sont donc contraints de s’adapter au changement climatique

On est donc à un carrefour similaire à celui de la sortie de la Seconde Guerre mondiale qui a vu « l'émergence de l'aviation à réaction, avec la réglementation associée ». Pour que les avions continuent à voler demain, les industriels sont donc contraints de s'adapter au changement climatique et si ce n'est pas la première fois que « l'on cherche à modifier l'architecture des avions », c'est la première fois que cela se fait « sans un objectif de gain de vitesse» mais dans l'unique but de « décarboner la filière, dont la production d'hydrogène ». À cela s'ajoute qu'ils ont aussi un devoir « d'exemplarité pour que les autres secteurs suivent ». On s'attend à ce que tous les progrès réalisés dans l'aéronautique bénéficient à de nombreux autres moyens de transport comme les tracteurs, les trains, les bateaux et navires de croisière ainsi qu'aux voitures. Il y aura un effet d'entraînement important. « C'est une période étonnante qui s'ouvre, un vrai tournant industriel », souligne en guise de conclusion Yves Gourinat.

Pour en savoir plus

« Nous en sommes avec l’hydrogène où nous en étions avec l’essence au début de l’aviation »

Article de Rémy Decourt publié le 01/06/2021

Si l'hydrogène figure comme le meilleur candidat pour décarboner l'avion de demain et constitue de fait la solution privilégiée par les avionneurs à l'horizon 2035, son utilisation - notamment pour propulser des ailes volantes - requiert des développements technologiques et, à l'amont, la levée de verrous scientifiques particuliers. Les explications de Yves Gourinat, professeur à Supaéro (Université de Toulouse) qui réalise aussi des recherches en dynamique des structures sur les coques et structures aérospatiales pour le CNRS. 

Il y a quelques mois, la France a annoncé un objectif d'avion zéro émission carbone à l'hydrogène à moyen terme. Cet avion vert - comprenez décarboné - est aujourd'hui une priorité de la filière aéronautique à l'horizon du transport aérien, qui redémarre fortement. Parmi les solutions envisagées, Airbus et ses partenaires travaillent sur diverses technologies, dont celles liées à la réduction de la consommation de carburant, mais aussi sur des projets d'avions électriques ou fonctionnant avec des carburants neutres en carbone comme l'hydrogène.

En septembre 2020, Airbus annonçait vouloir développer un avion 100 % hydrogène d'ici à 2035. « Cette source d'énergie a le plus grand potentiel pour réduire l'impact climatique du transport aérien car elle ne réduira pas seulement les effets liés au CO», fait savoir Glenn Llewellyn, vice-président avion zéro émission d'Airbus. Comme le souligne Yves Gourinat, professeur à Supaéro (Université de Toulouse) qui réalise aussi des recherches en dynamique des structures sur les coques et structures aérospatiales pour le CNRS (UMR CNRS 5312 ICA), « il s'agit en réalité de développer une filière avec un double objectif : décarboner l'aéronautique, y compris la production de LH2 par des moyens à émissions très faibles, et d'autre part proposer un exemple qui aura un effet d'entraînement durable sur l'ensemble des véhicules terrestres : navals, terrestres, ferroviaires, agricoles ».

Airbus a dévoilé trois concepts d'avions qui pourraient être propulsés à l'hydrogène, dont une aile volante. Ce type d'avion présente l'avantage d'offrir un grand espace de stockage de l'hydrogène, raison pour laquelle Airbus met en avant cette architecture. « L'aile volante constitue l'architecture la plus intéressante pour un avion à hydrogène, en raison de ses capacités de stockage », atteste Glenn Llewellyn, le vice-président avion zéro émission d'Airbus. Telle qu'elle est abordée, l'aile standard à hydrogène possède une empreinte carbone extrêmement faible. En effet, « non seulement la production en CO et COest quasi nulle, mais les traînées de condensation sont très développées sur un moteur à hydrogène puisque la combustion ne produit que de la vapeur d'eau (à l'exception des produits de lubrification) et sont étalées par l'architecture de l'aile volante », ajoute Yves Gourinat. L'aile à hydrogène peut même « contribuer à augmenter l'albédo global de la Planète, sans générer de gaz à effet de serre, ce qui lui confère un effet bénéfique, à condition toutefois de voler à des altitudes favorables à cet effet ».

L'hydrogène, un carburant neutre en carbone pour l'aviation de demain. © Alexander Limbach, Adobe Stock

10 ans de travail nécessaire pour réaliser une aile volante à hydrogène

Cela dit, la « technologie n'est pas suffisamment mûre pour embarquer de l'hydrogène dans des avions », tient à souligner Yves Gourinat. En effet, on « n'embarque pas l'hydrogène dans un avion comme on peut le faire aujourd'hui avec du kérosène dans les réservoirs de véhicules actuels », précise Yves Gourinat.

C'est dans ce contexte que depuis plusieurs mois, le département Mécanique des structures et Matériaux (DMSM) de l'Isae-Supaéro, en collaboration avec Chantal Fualdes, executive expert d'Airbus pour les composites, travaille sur des programmes de R&D visant l'intégration des matériaux les plus adaptés à l'utilisation de l'hydrogène. « De très grands réservoirs pressurisés à réaliser avec des matériaux qui puissent supporter ces contraintes avec une masse raisonnable seront nécessaires. »

Nous en sommes avec l’hydrogène où nous en étions avec l’essence au début de l’aviation

« Nous en sommes avec l'hydrogène où nous en étions avec l'essence au début de l'aviation. En 1903, lors du premier vol des frères Wright, ils avaient un réservoir de trois litres seulement, mais pourtant l'essence d'aviation s'est ensuite généralisée en quelques années. » Pour comprendre pourquoi l'aile volante est l'architecture la mieux adaptée pour un avion fonctionnant à l'hydrogène, il faut savoir que l'hydrogène « possède une énergie massique de combustion exceptionnelle (142 MJ/kg, trois fois celle du kérosène d'aviation). Mais comme sa masse volumique est très faible (71 kg/m3sous forme liquide, quatorze fois moins dense que l'eau !), son énergie volumique est 3,7 fois plus faible que celle du kérosène ». L'hydrogène sera « certes trois fois plus léger que le kérosène, mais presque quatre fois plus volumineux », nécessitant donc d'immenses réservoirs impossibles à loger dans une architecture d'avion classique.

Dit autrement, si on utilisait les avions en service aujourd'hui, et que l'on se contentait de remplacer - volumiquement - le carburant par de l'hydrogène, « l'autonomie de ces avions serait divisée par quatre » sans même tenir compte des adaptations technologiques (matériaux isolants, etc.). D'où le besoin de développer une nouvelle formule capable de transporter de très grandes quantités d'hydrogène et donc, « l'architecture qui s'y prête le mieux c'est l'aile volante ». Selon les concepts d'ailes volantes à l'étude, en se basant sur l'envergure maximale admise (de l'ordre de 80 mètres) et avec des profils épais, on estime que « l'ensemble de l'aile peut abriter 1.100 md'hydrogène liquide. Par comparaison le B787 et l'A380 emportent respectivement 139 et 310 m3de kérosène ».

Demain, l'architecture des avions sera amenée à changer en raison des contraintes de stockage de l'hydrogène. © Airbus

Mais, ce ne sera pas simple car « l'hydrogène génère également des problèmes dans l'aile volante ». Le stockage de l'hydrogène liquide dans des réservoirs est très complexe, d'une part à cause de la température de -270 °C à maintenir, et d'autre part par le caractère fugace de ce liquide qui passe à travers les matériaux. L'hydrogène a une grande qualité, « sa légèreté », qui est aussi un grand défaut en raison des volumes nécessaires. Dans le domaine de l'hydrogène embarqué, tout est à « repenser, tout est à redesigner et de nouveaux matériaux sont à trouver ».

Le principal point dur concerne la structure du réservoir d’hydrogène

Matériaux, réservoirs, circuit de distribution, climatisation sont autant de points durs à franchir et incertitudes technologiques à lever car tout doit fonctionner avec de l'hydrogène et non plus du kérosène. « Dix ans de travail attendent l'industrie européenne. » Stocker un volume aussi grand d'hydrogène à -270 °C et le maintenir à cette température nécessitera l'usage d'un système cryogénique, de « nouveaux matériaux qui n'existent pas aujourd'hui et d'un liner suffisamment étanche pour éviter la fuite de l'hydrogène (fugacité) ». Le principal point dur concerne la structure du réservoir d'hydrogène : « elle devra combiner trois propriétés dont la tenue statique à basse température, l'isolation thermique et la tenue aux vibrations et aux chocs ». Prises séparément, ces propriétés sont maîtrisées. « Le défi est de les regrouper au sein d'un seul matériau à inventer. » 

« L'approvisionnement en fluides cryogéniques tels que l'hydrogène, nous contraint à définir des matériaux capables de respecter certaines caractéristiques physiques. Ils doivent être isolants, rigides, étanches, résistants. » Yves Gourinat à d'ores et déjà une idée sur la structure de ce nouveau matériau qui ne sera pas un « alliage au sens métallique du terme mais plutôt une combinaison de couches métalliques (aluminium-lithium sur la navette spatiale) avec des polymères et composites de nouvelle génération ». Ce type de matériau complexe pourrait combiner les propriétés nécessaires à la structure du réservoir. Autre contrainte, ce matériau devra être manufacturé sur des surfaces non développables sans faire de « pli » ; ce n'est pas simple sur une surface sphérique par exemple.

Le méthane, une solution de remplacement si l’hydrogène s’avère trop complexe à maîtriser

Si ces études de développement n'aboutissent pas, voire conduisent dans une impasse et montrent que l'utilisation de l'hydrogène est trop compliquée à mettre en œuvre sur une aile volante, le « méthane est une solution de repli réaliste » car nécessitant des températures moins basses, - 160 °C contre - 270 °C et d'autre part parce que « l'épaisseur de la voilure d'une aile volante autorise à utiliser des réacteurs à double flux embarqués de grand diamètre, parfaitement compatibles avec l'hydrogène ou le méthane ».

Cela dit, l'Europe ne part pas de zéro. Avec les moteurs spatiaux des lanceurs de la filière Ariane, « elle maîtrise la chaîne de l'hydrogène utilisée comme combustible dans le secteur spatial, y compris avitaillement et réservoirs ». Cependant, adapter ce que l'on sait faire pour le transport spatial au transport aérien n'est pas simple. La durée de rétention sur un lanceur spatial n'a rien à voir avec celle d'un avion ou d'une aile volante dont la durée de vie est d'au moins 20 ans pour 100.000 heures de vol environ. À comparer avec les huit à neuf minutes de fonctionnement de l'étage principal d'Ariane 5 (et donc présence du LH2 dans le réservoir sur des durées de l'ordre de l'heure...). À cela, s'ajoute le niveau de certification qui ne sera pas le même. Passer d'un système de transport qualifié pour le spatial à un système certifié pour le transport de passager « revient à garantir une non-défaillance majeure à 10-7 par heure de vol, ce qui revient à améliorer le coefficient de sécurité d'un facteur mille par rapport au spatial. Mais les voies existent. C'est à peu près ce qui a été réalisé entre les avions à pistons d'après-guerre et les Jets modernes ».

En conclusion, « 10 ans de travail nous attendent » avec à la clé un impact majeur pour le transport aérien qui se traduira par « l'amorce d'une réduction des émissions mondiales de CO2 par le trafic aérien », voire une « nouvelle ère du vol passager » avec le retour des croisières aériennes. Nous y reviendrons.


Airbus dévoile trois avions qui seront propulsés à l'hydrogène

Article de Futura avec l'AFP Relaxnews publié le 26/09/2020

Porté par le développement de la technologie de l'hydrogène, Airbus s'est fixé comme ambitieux objectif d'être le premier constructeur à atteindre en 2035 le zéro émission avec trois concepts d'avions propulsés à l'hydrogène. L'avionneur les présentait aujourd'hui. La fin de la décennie devrait voir voler le premier prototype.

Airbus a dévoilé ce lundi 21 septembre, trois concepts d'avion propulsé à l'hydrogène et vise la mise en service d'un appareil commercial zéro émissions en 2035, un « axe stratégique majeur » pour l'avionneur, soumis comme le reste du secteur à une pression croissante de l'opinion publique.

Mis à mal par la crise due au coronavirus et dans le collimateur du mouvement flygskam (« la honte de prendre l'avion ») pour ses émissions de CO2 (2 à 3 % des émissions mondiales, selon le secteur), le secteur aéronautique met les bouchées doubles pour avancer vers la décarbonisation du transport aérien.

« Il s'agit d'un moment historique pour l'ensemble du secteur de l'aviation commerciale, et nous entendons jouer un rôle de premier plan dans la transition la plus importante que notre industrie ait jamais connue », résume dans un communiqué Guillaume Faury le président exécutif d'Airbus, qui entend se « positionner comme chef de file dans la décarbonisation de l'industrie aéronautique ». Pour le ministre des Transports Jean-Baptiste Djebbari, « c'est la meilleur réponse à cet "aviation-bashing" qu'on observe depuis plusieurs mois ».

Premier concept : le Turbofan. © Airbus

Trois concepts, un même objectif : zéro émission

L'avionneur planche sur trois concepts d'appareils, tous propulsés à l'hydrogène et désignés sous le nom de code « ZEROe » pour zéro émission. Le moteur à hydrogène n'émet pas de pollution puisqu'il ne produit que de la vapeur d'eau. Cela suppose en revanche que l'hydrogène soit elle-même « propre », c'est-à-dire produite par électrolyse de l'eau en utilisant une électricité issue de sources renouvelables ou à tout le moins faiblement carbonées.

Le premier est un turboréacteur « de configuration classique », a expliqué Guillaume Faury au Parisien. De 120 à 200 passagers, soit l'équivalent d'un A220 ou d'un A320 et d'une autonomie de plus de 3.500 kilomètres, il serait alimenté par une turbine à gaz fonctionnant à l'hydrogène, stocké dans des réservoirs situés dans la partie arrière du fuselage. « Le cœur des moteurs d'avion, c'est une turbine à gaz », dans laquelle est brûlé du kérosène vaporisé, expliquait cet été le directeur général de l'aviation civile (DGAC) Patrick Gandil. Y brûler de l'hydrogène, « presque aussi énergétique », ne nécessiterait que de légères modifications selon lui.

Le second concept est un avion régional turbopropulseur (à hélices) pouvant embarquer jusqu'à 100 passagers sur 1.800 kilomètres. Le troisième concept est une aile volante d'une capacité et autonomie semblable au concept de turboréacteur.

Le deuxième concept : le Turbopropulseur. © Airbus

De la contrainte des réservoirs cryogéniques naîtra l'innovation

« Le fuselage exceptionnellement large offre de multiples possibilités pour le stockage et la distribution d'hydrogène, ainsi que pour l'aménagement de la cabine », explique Airbus. Car c'est dans son stockage et son transport à bord que réside la difficulté de l'hydrogène, selon M. Gandil. L'hydrogène nécessite un espace de stockage à peu près quatre fois supérieur à celui du kérosène et surtout doit être liquéfié à -250 degrés. Les réservoirs cryogéniques doivent en effet résister à la pression et être de forme cylindrique ou sphérique, donc « on ne peut pas en loger partout dans les ailes comme on le fait aujourd'hui », explique Patrick Gandil. Cela ouvre la voie à de nombreux changements possibles dans la forme de l'avion, au-delà de moteurs accrochés sous des ailes.

Troisième concept : Blended-Wing Body (BWB). L'apparence visuelle de l'avion sera amenée à changer en raison des contraintes de stockage de l'hydrogène. © Airbus

Troisième concept : Blended-Wing Body (BWB). L'apparence visuelle de l'avion sera amenée à changer en raison des contraintes de stockage de l'hydrogène. © Airbus

Airbus, le motoriste Safran, leur co-entreprise Arianegroup, et l'Onera, réunis en consortium, planchent depuis le début de l'année sur l'utilisation de l'hydrogène pour l'aviation. Le choix et la maturation des technologies prendront cinq ans, puis deux pour celui des fournisseurs et sites industriels, selon Guillaume Faury. « Donc, la mise en programme est prévue aux environs de 2028. Notre ambition est d'être le premier constructeur à mettre en service un tel appareil en 2035 ».

Ce calendrier correspond à l'objectif d'un « avion neutre en carbone », fixé début juin par le gouvernement français, qui a prévu d'y consacrer 1,5 milliard d'euros d'ici à 2022 dans le cadre de son plan de soutien au secteur aéronautique. Les États ont fait de l'hydrogène un axe majeur de développement : l'Allemagne a prévu un plan de 9 milliards d'euros pour développer ses usages, la France prévoit 7 milliards d'euros.

 Infographie des trois avions concept zéro émission connus sous le nom de ZEROe dans cette infographie. Ces configurations à double flux, turbopropulseur et corps à voilure mixte sont tous des avions hybrides à hydrogène. © Airbus

Présentation de l'animation ZEROe. © Airbus


Les Airbus de demain voleront-ils à l’hydrogène ?

Article de Rémy Decourt, publié le 24 juin 2020

Parmi les mesures du plan de soutien à l'aéronautique du gouvernement francais, figure l'objectif de lancer dès 2035 un avion volant à l'hydrogène sans émettre de CO2. Luis Le Moyne, directeur de l'Institut supérieur de l'automobile et des transports, nous explique la difficulté de la tâche.

Il y a quelques jours, lors de l'annonce du plan gouvernemental de relance de l’aéronautique, la France a indiqué vouloir un avion zéro émission carbone à l'hydrogène dès 2035. En annonçant l'octroi d'un financement d'1,5 milliard d'euros sur 3 ans au Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), l'État souhaite amorcer un programme de Recherche et Développement dans les technologies de réduction de la consommation de carburant, les technologies d'électrification des avions et les expérimentations de carburants neutres en carbone comme l'hydrogène.

Ce financement a aussi pour but d'éviter aux industriels concernés tout risque de retard, voire d'être dépassés par leur concurrents si les compagnies aériennes, poussées par leurs clients, se faisaient plus insistantes et réclamaient un avion zéro émission carbone dès le début de la décennie 2030.

Si Elisabeth Borne, ministre de la Transition écologique et solidaire s'est dite confiante dans la réalisation d'un tel avion à cet horizon, des spécialistes de l'aviation commerciale et du secteur des transports sont plus nuancés. C'est le cas de Luis Le Moyne, directeur de l'Institut supérieur de l'automobile et des transports.

Comme nous l'explique cet enseignant-chercheur et professeur des universités, en l'état, la « technologie n'est pas suffisamment mûre pour embarquer dans des avions commerciaux ». La mise au point d'un moteur à hydrogène, « que ce soit une pile à combustible qui produit l'électricité nécessaire pour entraîner une hélice ou qui brûle de l'hydrogène dans un turboréacteur », se heurte à plusieurs problèmes techniques et de production d'hydrogène « nécessitant une augmentation massive de la production d'énergie éolienne et solaire ».

Concept d'aile volante Maveric d'Airbus. De par son architecture, cet avion pourrait voler à l'hydrogène. © Airbus

Concept d'aile volante Maveric d'Airbus. De par son architecture, cet avion pourrait voler à l'hydrogène. © Airbus

Hydrogène : des fusées aux avions

Cette idée de faire voler des avions de ligne à l'hydrogène est à l'étude depuis une dizaine d'années chez les constructeurs d'avions. Tous sont convaincus que l'hydrogène est une des alternatives énergétiques la plus prometteuse du futur. Le principal avantage de l'hydrogène, outre le fait qu'il s'agit d'un carburant sans émission de carbone, « c'est sa densité énergétique massique », ce qui explique son utilisation dans l'industrie des lanceurs.

Mais un avion de transport de passager de type A320 aura besoin de grande quantité d'hydrogène à des niveaux de pression très élevés, voire liquéfiés pour limiter son volume, car la masse volumique de l'hydrogène à basse pression est très faible. Dans tous les cas, de « très grands réservoirs à haute pression et très légers -- à réaliser avec des matériaux qui puissent supporter ces contraintes -- avec un poids très faible seront nécessaires ». L'architecture des avions sera à repenser complètement, car les « réservoirs actuels ne sont pas adaptés pour embarquer de l'hydrogène ». Leur taille et leur forme sont à revoir tout comme leur nombre et leur position dans l'avion. « Plus que les moteurs, ces réservoirs d'hydrogène sont le principal verrou technologique. »

Cela dit, si les compagnies aériennes et les constructeurs d'avions sont bien conscients de la nécessité de réduire leur empreinte carbone et de réaliser un avion neutre en carbone grâce au recours de l'hydrogène, encore faut-il que ce « carburant » soit produit à partir d'électricité décarbonée ou d'énergies renouvelables. Sinon, on déplace le problème !

Il faut savoir qu'il n'y a pratiquement pas de « mine » d'hydrogène de sorte qu'il doit être fabriqué. Il sera donc nécessaire de se doter « d'infrastructures de production d'hydrogène vert utilisant de l'électricité decarbonée de type éolienne ou solaire ». Aujourd'hui l'hydrogène est essentiellement produit « à partir d'hydrocarbures, comme le pétrole, le charbon ou le gaz ». Il peut également être produit à partir de l'électrolyse de l'eau, c'est-à-dire une réaction chimique qui sépare l'hydrogène et l'oxygène de l'eau grâce à un courant électrique.

Mais, si cette solution apparait comme la plus écologique, elle peut poser problème si l'eau à l'état liquide est « mise en concurrence entre la consommation humaine et faire voler les avions ». Pour rappel, la production de biocarburants est accusée d'entraîner des augmentations de prix des matières premières agricoles et d'augmenter la faim dans le monde.

Des infrastructures de production d'hydrogène vert seront nécessaires

Si l'idée de faire voler un avion commercial neutre en carbone en 2035 semble réalisable, « pour peu que l'on s'en donne les moyens financiers », se pose aussi la question du modèle économique que l'on souhaite appliquer à ce type d'avions commerciaux. Or, avec un pétrole qui ne coûte pas cher, et qui pourrait durablement le rester à des niveaux très bas, l'hydrogène « s'annonce comme un combustible assez cher à fabriquer », notamment du fait que toutes les étapes de sa production devront être décarbonées. « Tout cela est plus compliqué que pomper le pétrole et le raffiner. »

Tout cela est plus compliqué que pomper le pétrole et le raffiner

Dans ce contexte, le modèle économique d'aujourd'hui « n'est évidemment pas reproductible tel quel pour l'hydrogène ». Faire des projections à un horizon aussi lointain, notamment pour déterminer le nombre d'avions nécessaire à fabriquer pour un retour sur investissement qui définira le prix des billets, n'est pas réaliste, selon Luis Le Moyne. Pour cet enseignant-chercheur et professeur des universités, le modèle économique « devra tenir compte de l'état des marchés pétroliers et des demandes clients qui, aujourd'hui, sont focalisés sur des billets toujours moins chers et un besoin de confort en termes de bruit et d'espace ». Demain, ces mêmes clients pourraient se focaliser sur la pollution.

En conclusion, si un avion volant à l'hydrogène, transportant plus ou moins 250 personnes, est envisageable en 2035, les avions de ligne conventionnels ne disparaîtront sans doute pas encore avant plusieurs décennies. Les premiers avions à hydrogène qui voleront ne seront pas « bon marché » mais on peut tout à fait imaginer que les arguments de vente de ces premiers avions à hydrogène « mettront l'accent sur l'écologie et le confort » plutôt que sur le prix. Ce n'est pas sans rappeler la mise en service du Concorde capable de rejoindre New York en seulement 3 h 30 contre plus de 8 h pour un avion conventionnel, mais au prix d'un billet aller-retour à plus de 8.000 dollars.

Ce futur avion à hydrogène pourra voler plus vite que les avions actuels mais, pour des raisons d'un « compromis à trouver entre le rapport consommation et stockage de l'hydrogène », sa vitesse de croisière devrait être moins élevée.


Element One, le premier avion de ligne électrique à hydrogène ?

Article de Marc Zaffagni publié le 05/10/2018

HES Energy Systems, une entreprise basée à Singapour spécialisée dans les piles à combustible pour drones, veut développer ce qu'elle annonce comme le premier avion électrique à hydrogène destiné à desservir des lignes inter-régionales. Il pourrait emporter quatre passagers avec une autonomie de vol comprise entre 500 et 5.000 kilomètres selon le type d'hydrogène utilisé. Un premier prototype est censé prendre l'air en 2025.

Le premier vol piloté d'un avion électrique alimenté à l'hydrogène a eu lieu en 2008 à l'initiative de Boeing. Il y a eu depuis assez peu d'initiatives dans ce domaine, la plus aboutie étant celle de l'avion électrique HY4 quadriplace qui effectua son premier vol en 2016. Porté par Airbus, Siemens et une vingtaine d'universités, ce projet a pour ambition de concevoir un avion de transport régional de 19 places « zéro émission ». Une idée que l'entreprise HES Energy Systems vient de reprendre à son tour.

Spécialisée dans la fabrication de piles à combustible pour drones, cette société installée à Singapour vient d'annoncer un ambitieux projet d'avion de transport inter-régional. L'Element One, c'est son nom, sera un avion quadriplace à pilotage autonome dont les moteurs électriques seront alimentés par des piles à combustible.

HES promet une autonomie en vol comprise entre 500 et 5.000 kilomètres selon que l'hydrogène sera gazeux ou liquide. L'idée est d'utiliser l'appareil pour des trajets de courtes et moyennes distances entre de petits aéroports et aérodromes. Un marché aujourd'hui occupé par les vols privés réservés aux voyageurs les plus fortunés. Le ravitaillement en hydrogène de l'Element One ne prendrait pas plus de 10 minutes à l'aide d'un système de nacelles automatisées, similaires à celles qu'utilisent déjà Alibaba et Amazon dans leurs entrepôts, précise HES. La production d'hydrogène se ferait sur site en faisant appel à des énergies renouvelables.

HES Energy Systems imagine un système de ravitaillement automatisé assuré par des nacelles qui pratiqueraient la permutation des piles à combustible en une dizaine de minutes. © HES Energy Systems

Une collaboration avec le service de coavionnage français Wingly

Dans son communiqué, HES indique avoir travaillé avec plusieurs start-up et PME françaises sur ce projet et réfléchir à une possible localisation du développement dans le pôle de compétitivité Aerospace Valley à Toulouse. Par ailleurs, HES s'est associée avec le service de coavionnage français Wingly qui permet aux pilotes de loisir de proposer des sièges sur leurs vols à partir d'aérodromes. « La France offre à elle seule un réseau de plus de 450 aérodromes, mais seuls 10 % d'entre eux sont reliés par des compagnies aériennes régulières. Nous allons simplement connecter les 90 % restants », assure Emeric de Waziers, P.-D.G de Wingly. Naîtrait alors un service de taxis volants zéro émission inter-régional.

Mais tout ceci est encore assez lointain puisque le premier prototype opérationnel de l'Element One n'arrivera pas avant 2025. S'en suivront alors toute une série de vols d'essais et de certifications avant qu'une exploitation commerciale soit envisageable. Mais Futura suivra tout cela de près !

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