Avions Hybrides : Une Réalité De Demain

Depuis les années 1950, l’aéronautique a fait d’incroyables progrès dans l’augmentation à la fois de la puissance et de l’efficacité de ses moteurs. Cependant, des études récentes suggèrent que la technologie de ces moteurs s’approcherait des limites thermodynamiques de la quantité d’énergie qu’elle est capable d’extraire d’un carburant à base de carbone à moindre coût. Cela signifie que plus il y aura de vols et d’avions, plus la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre augmenteront, à moins qu’un substitut adéquat ne soit trouvé à l’énergie fossile, tel que les avions hybrides. 

Tribune de Jérôme Bouchard et Eric Confais, Partners chez Oliver Wyman.

Aujourd’hui, l’industrie mondiale de l’aviation représente 2,4 % du total des émissions de dioxyde de carbone, et près de 12 % des gaz à effet de serre (GES) relâchés par le secteur du transport. Mais il est attendu que ces pourcentages augmentent, car l’accroissement de la demande en transport aérien, notamment en Asie, requiert des capacités supplémentaires substantielles. D’ici 2028, les passager-kilomètres payants (PKP) devraient augmenter de plus de 60 %, allant jusqu’à 12 billions de dollars, et la taille de la flotte mondiale augmentera de 43 % pour atteindre le nombre de 39 000 avions. L’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) prévoit que les émissions dues à l’aviation augmenteront de plus de 300 %. Il est également probable que sa part de la production mondiale de GES augmentera si aucune tentative significative n’est faite pour se détourner des combustibles fossiles, étant donné les efforts d’autres secteurs émetteurs de carbone, tels la production d’électricité.

Étant donné qu’une solution définitive au problème des émissions – un avion commercial entièrement alimenté par autre chose que des combustibles fossiles – ne sera probablement possible que dans plusieurs dizaines d’années, quelques entreprises de l’aéronautique empruntent une idée de l’industrie automobile et créent des avions hybrides. Comme pour les voitures, ces systèmes de propulsion qui utilisent à la fois la combustion et l’électricité pourraient être une stratégie de transition afin de réduire les émissions et la consommation d’énergies fossiles, jusqu’à ce qu’un avion entièrement durable fonctionnant à l’électricité ou à l’hydrogène soit développé commercialement. Étant donné l’accumulation de preuves démontrant que le rythme du réchauffement climatique s’accélère, l’aviation ne peut pas se permettre d’attendre encore une vingtaine d’années avant de s’attaquer à son problème d’émissions.

Bien que les automobiles hybrides ne réduisent pas autant les émissions que les véhicules entièrement électriques, elles les réduisent tout de même presque de moitié par rapport aux voitures fonctionnant à l’essence. Pour l’aviation, faire le choix de l’hybride impliquerait tout de même de relever de nombreux défis d’ingénierie, et exigerait une approbation des autorités de régulation, mais cette alternative verrait probablement le jour plus tôt qu’un avion entièrement électrique.

Un plus gros obstacle

La recherche portant sur l’électrification des transports fait partie intégrante de l’effort mondial d’empêcher une sécheresse à grande échelle et une montée significative du niveau de la mer en réduisant les émissions de gaz à effet de serre. Bien que chaque pays et industrie se soit engagés à participer à cet effort collectif, les émissions de dioxyde de carbone continuent d’augmenter – de 2,7 % l’année dernière, selon un rapport du Global Carbon Project. Des chiffres de l’Association Internationale du Transport Aérien montrent une augmentation de 26 % des émissions dues à l’aviation depuis 2013. En plus de la pression pour au moins stabiliser la situation, l’aviation devra trouver des solutions immédiates dans les années à venir, ou elle fera face à des pénalités dans le cadre de l’accord sponsorisé par les Nations Unies du nom de CORSIA (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) qui exige des compagnies aériennes qu’elles plafonnent leurs émissions aux limites établies pour 2020.

Bien que les voitures électriques et les véhicules légers devraient dominer les ventes automobiles d’ici 2040, Emissions Analytics, un spécialiste mondial de tests et de données mesurant les émissions réelles et l’efficacité des carburants, a affirmé que promouvoir les véhicules hybrides à court terme pourrait en fait être plus efficace dans la réduction des émissions à long terme. Pourquoi ne serait-ce pas le cas avec l’aviation, si l’on considère l’inaccessibilité actuelle de l’électrification du transport aérien ?

Représentant un changement progressif pour l’industrie allant vers une réduction des émissions, les hybrides sont alimentés à la fois par des moteurs à turbine fonctionnant au kérosène, et par des moteurs électriques utilisant de l’énergie « propre » stockée dans des batteries ou produite par des piles à combustible hydrogène. Ce système de propulsion à double technologie serait utilisable dans toutes les phases de vol, et en plus de réduire les émissions, il réduirait probablement la consommation de kérosène d’un avion – le deuxième coût opérationnel le plus important pour les compagnies aériennes.

S’attaquer au problème

Au moins une tentative à petite échelle d’assigner quelques fonctions électriques à des moteurs s’était révélée prometteuse, mais une conjoncture économique défavorable avait empêché sa mise en place. En 2016, Safran Landing Systems et Honeywell ont abandonné un système de taxi électrique qui aurait réduit les émissions et la consommation de carburant, notamment pour les compagnies aériennes qui se concentrent sur les vols court courrier fréquents, car des prix bas en carburant rendaient le système moins séduisant pour les transporteurs.

Il y a aussi eu des vols tests de petits avions hybrides. Voici quelques exemples : l’avion e-Genius de l’Université de Stuttgart a effectué au moins deux vols réussis au-dessus des Alpes en utilisant un système de propulsion relativement complexe consistant en un moteur électrique, des batteries, un générateur, et un moteur à combustion. De la même manière, Diamond Aircraft Industries et Siemens ont annoncé le premier vol d’un avion électrique hybride multi-moteurs à la fin de l’année dernière.

Des expérimentations hybrides plus ambitieuses sont également en cours. Dernièrement, SAS et Airbus ont annoncé une collaboration pour la création d’un avion électrique hybride pour un usage commercial à grande échelle. Au salon de l’aviation à Paris en juin dernier, des projets hybrides ont été dévoilés par Airbus, Safran, Daher, et Eviation, une start-up israélienne. Rolls Royce a également annoncé son intention d’acquérir l’entreprise eAircraft de Siemens au Bourget, une autre indication d’engagements croissants pour un futur électrique.

Batterie VS. pile à combustible

Même avec les hybrides, il reste un choix à faire : utiliser des batteries lithium-ion, de nos jours communément utilisées dans les véhicules électriques et les smartphones, ou des piles à combustible hydrogène. Chaque solution possède ses avantages et ses inconvénients.

Le plus gros obstacle des batteries est la taille qu’elles doivent avoir pour fournir assez d’énergie à un avion de ligne, si l’on considère la technologie actuelle. C’est là où le bât blesse : les batteries lithium-ion ont une densité d’énergie par unité de masse relativement basse par rapport au carburant actuel à base de kérosène. Dans un avion hybride, bien entendu, ce désavantage est compensé par le fait que la batterie est soutenue par un moteur à combustion conventionnel.

Une batterie dernière génération est également nécessaire pour améliorer le temps de rechargement si elle est utilisée sur un avion qui ne dispose souvent que de 30 minutes entre deux vols. Bien qu’une option de charge rapide ait été privilégiée pour les voitures électriques, les chercheurs tentent encore de développer une capacité de changement de batterie, malgré des problèmes antérieurs avec cette technologie. Tesla continue discrètement de la tester, et le constructeur automobile électrique chinois Nio en est également un adepte. Si la technologie de l’échange de batterie est un succès sur les voitures – malgré certains problèmes économiques et environnementaux à surmonter – cela permettrait à une batterie complètement chargée de se substituer à une batterie déchargée dans le temps nécessaire pour remplir le réservoir d’une voiture à énergie fossile. Cela retirerait de plus un des obstacles à l’utilisation de batteries par un avion.

Les batteries lithium-ion ont d’autres inconvénients, tels que le fait que la Chine contrôle 61 % de la capacité mondiale des batteries. La Chine est également le troisième pays minier de leur matière première, le lithium – souvent appelé « pétrole blanc » à cause de son importance économique croissante – et a racheté des réserves au Chili, le deuxième producteur mondial de lithium.

Hydrogène

Les piles à combustible hydrogène sont une autre alternative sur laquelle se penche la recherche. Élément le plus abondant sur terre, l’hydrogène possède une plus forte densité d’énergie par unité de masse que le kérosène ou les batteries – soit quelque 33 300 wattheures par kilogramme contre 11 900 pour le kérosène traditionnel, et seulement quelques centaines pour les batteries. Les piles à combustible hydrogène ont été utilisées sur chaque vol spatial américain habité, depuis Apollo jusqu’à la navette spatiale.

Il y a trois ans, le HY4 – un avion quatre places utilisant uniquement un moteur électrique alimenté par une pile à combustible hydrogène – avait décollé avec succès de l’aéroport de Stuttgart en Allemagne, restant en vol pendant 10 minutes. À Singapour, le premier avion commercial régional fonctionnant à l’hydrogène et à l’électricité avait été dévoilé en octobre 2018. Bien qu’il ait été considéré comme ambitieux par une grande partie de l’industrie, l’entreprise aurait apparemment déjà reçu des demandes de la part de compagnies aériennes régionales

À l’intérieur de ces piles, l’hydrogène et l’oxygène sont combinés électro-chimiquement afin de produire de l’électricité. Leurs seuls déchets sont la chaleur et la vapeur d’eau. Mais aujourd’hui, la plupart de l’hydrogène est produit en le séparant du gaz naturel, un processus qui produit ensuite du méthane, un autre gaz à effet de serre. L’hydrogène peut également être produit à partir de l’eau, mais ce processus est quant à lui relativement coûteux. Au final, la technologie des piles à combustible est assez coûteuse – un autre de ses inconvénients.

De nombreux dirigeants de l’aéronautique discutent de l’hydrogène liquide comme dénouement potentiel pour l’aviation, qui imite le principe de propulsion que la NASA utilise depuis des années pour alimenter ses fusées. Récemment, la NASA a financé un programme à l’Université de l’Illinois visant à développer une plateforme aérienne entièrement électrique qui utiliserait de l’hydrogène liquide cryogénique comme méthode de stockage de l’énergie. Mais cela fait plusieurs années que l’agence spatiale fait également des recherches dans le développement d’un avion hybride fonctionnant à l’hydrogène.

Vraisemblablement plus d’efforts sont nécessaires dans ce domaine, et l’un des plus gros avantages d’une stratégie hybride est que cela pourrait faire gagner à l’industrie aéronautique le temps dont elle a besoin pour concevoir un nouveau genre de machine volante n’utilisant aucune énergie fossile. Étant donné la nécessité absolue de réduire les émissions, une stratégie industrielle hybride se concentrant sur des solutions progressives promet un réel progrès dans la réduction des émissions à court-terme, même si la demande en transport aérien continue d’augmenter.

Par Jérôme Bouchard et Eric Confais, Partners Chez Oliver Wyman.