Pourquoi avoir choisi le kérosène pour les avions?

Vous avez déjà entendu au moins une fois parler du kérosène. Vous savez même répondre du tic au tac que les avions fonctionnent avec du kérosène. Mais vous ne savez pas trop de lui. Pourquoi c'est lui que les avions ont choisi? Pourquoi pas du gasoil, de l'essence ou du diesel comme les véhicules? Qu'est-ce qui rend le kérosène particulier? D'où vient il?
Alors si vous êtes prêts, allons répondre à toutes ces questions.

Domaines d'utilisation et types de kérosène utilisés
Le kérosène est principalement utilisé comme carburant en aviation (alimentation des turboréacteurs et turbopropulseurs), surtout le Jet A1, le
type de kérosène le plus utilisé.
On le rencontre également dans les additifs pour automobile notamment les nettoyage injecteurs. Il est plus léger que le diesel mais plus lourd que l'essence.
Remarquez que les avions à hélices, les légers, équipés d’un moteur à piston fonctionnent avec de l’essence aviation. On l'appelle AVGAS, abréviation de aviation gazoline. Les AVGAS ont une densité moyenne de 0.72kg/L. On en rencontre le 80/87, le 100/130, le 100LL et le UL 91 qui est un peu plus dense que les autres.
Les autres aéronefs utilisent le kérosène de type JET, le plus répandu. Les carburants de type JET sont plus denses, ayant en moyenne une densité
de 0.79kg/L. On rencontre le Jet A1, qui gèle à -47 degrés, le Jet A qui est beaucoup moins onéreux sur le marché et qui a un point de congélation plus élevé, -40 degrés. On trouve aussi le Jet B, qui gèle à -50 degrés mais qui est vraiment très peu utilisé car il est hautement inflammable. Il est très important de respecter le type de carburant recommandé par le fabricant du moteur pour ne pas très vite l'endommager. Il est aussi important de savoir quel type de carburant on prend, car comme vous l'avez vu, ils ont des densités différentes et cela influence les calculs de masse et centrage.

Camion transportant du kérosène de type jet

Historique
Le kérosène était appelé autrefois pétrole lampant. En tout cas, c'est ainsi que le savant perse Al-Razi, au IXe siècle l'a appelé quand il décrivait le procédé de distillation (par alambic) du pétrole permettant d'aboutir à ce pétrole spécial. Ce n'était pas en ce moment le kérosène que nous connaissons aujourd'hui mais déjà, les prémisses étaient là. Il a fallu attendre la fin des années 1840 pour que le physicien Abraham Gesner présente la première démonstration d'un liquide d'éclairage qu'on a appelé kérosène. Le mot, emprunté à l'anglais "kerosene" vient principalement du grec "Keros" qui veut dire cire avec le suffixe anglais "ene". A l'époque, il était plus orienté vers l'éclairage des lampes en remplacement de l'huile de baleine. Avec l'avènement de l'aviation un peu plus tard, ce kérosène sera encore plus travaillé pour évoluer vers un type qui a un point de congelation très bas (-47 degrés)
car en altitude (11 000m), la température baisse drastiquement.

Le savant Al Razi dans son laboratoire de distillation

Procédé de raffinage
Le kérosène est un mélange d'hydrocarbures issu du raffinage du pétrole. Il contient des alcanes lourds de formules chimiques allant de C10H22 à C14H30.
La distillation du pétrole brut est réalisée en deux étapes. Une première, dite atmosphérique et réalisée à pression atmosphérique, permet de séparer
les gaz, les essences, le kérosène, le gazole (coupes moyennes) et les coupes lourdes. Une deuxième distillation est destinée aux résidus issus de la première. Elle est dite distillation sous vide car s'effectuant sous colonne dépressurisée. Cette dernière permet de récupérer des produits supplémentaires ayant une valeur commerciale. La distillation atmosphérique consiste à séparer les différents composants d'un mélange liquide en fonction de leur température d’évaporation.
On injecte le pétrole brut dans une grande tour de distillation, qui dans les standards est haute de 60 mètres sur 8 mètres de largeur environ. Là, il est chauffé à environ 400°C. Les différents hydrocarbures contenus dans le pétrole brut sont vaporisés; les légers d'abord, puis les moyens, et enfin juste une partie des lourds. Le principe de récupération est assez similaire. Plus on monte dans la tour, plus la température diminue. Ce qui permet à chaque type d’hydrocarbure de se liquéfier afin d’être récupéré, avec les plus légers tout en haut.
Si vous voulez plus comprendre sur les procédés de raffinage du pétrole, allez consulter cet article de
connaissancedesenergies.

Principe de fonctionnement d'une tour de distillation de pétrole brut credit:Connaissancedesenergies.org

Raisons d'utilisation en aviation
Les avions ont besoin de ravitaillement en carburant presqu'à chaque fois qu'ils atterrissent dans un aéroport et ce dans de brefs délais. Il faut donc un carburant facile d'accès et disponible partout. Le kérosène lui est relativement facile à produire par presque toutes les raffineries, car il est peu raffiné. Ce qui fait qu'il est facile de s'en approvisionner dans les aéroports à travers le monde. Et comme je le disais plus haut, il a un point de congélation vraiment très bas, ce qui est un critère de sélection de plus pour les avions qui passent le plus de temps en altitude où la température tourne autour de -50 degrés. Une des principales raisons est que le kérosène contient plus d'énergie que les autres. Ce qui permet d'en emporter une masse moindre pour une même production d'énergie. Ce rapport énergie/poids est vraiment très crucial. Notez que l'avion dépense déjà 30% de l'énergie pour transporter son propre carburant. Plus il en prend, plus il en consomme, et plus cela coûte cher aux compagnies aériennes. Le kérosène lui permet de trouver le bon milieu entre masse et énergie fournie.

Tableau de propriétés du jet A1

Localisation du kérosène dans l'avion et procédé de remplissage
Dans un avion, le kérosène est en grande partie logée dans les ailes. Un système de compartimentation permet de diviser l'intérieur des ailes en plusieurs sous-répertoires afin de recevoir le carburant. Une quantité peut importante est aussi ajoutée à l'arrière, au niveau de l'empennage horizontal. En fonction de la taille, la capacité des ailes peut aller de 3000L à 400 000L pour les gros porteurs. L'approvisionnement en carburant se fait pour les avions de ligne, exclusivement au sol, au niveau des aéroports. Après que le pilote ait calculé la quantité nécessaire en fonction de la distance, de la charge utile, en plus de la réserve de sécurité ( un avion prend toujours plus de carburant que nécessaire), le personnel au sol sur l'apron commencent l'opération de "refueling". Généralement, les réservoirs de kérosène dans les aéroports sont souterrains. Cette opération se passe par la droite de l'avion pendant que les passagers embarquent par la gauche. Un système de centrage permet de pomper et repartir le carburant uniformément dans les ailes afin d'éviter un déplacement important du centre de gravité de l'avion. Sinon plus de carburant serait encore requis pour lutter contre le moment de force que ce déplacement va induire sur les moyens de vol.

Schéma explicatif de la distribution du kérosène dans le gros porteur airbus A380, credit:Airbus

Le kérosène dans le futur_ orientation vers le nucléaire
A l'échelle mondiale, il y a au moins un décollage chaque seconde qui passe.
L'empreinte carbone d'un avion est très élevée dans ce sens que le kérosène émet environ 20g de CO2 par kilomètre et par passager. Même si les ingénieurs travaillent sur du "kérosène plus vert", il faut reconnaître que le nombre de vols qui ne cesse d'augmenter va rester un énorme facteur limitant.
De nos jours, on pense pour les avions "du futur", une énergie non plus d'hydrocarbures, mais nucléaire. Cela permettrait d'effacer la pollution en vol, mais
aussi d'accroître considérablement l'autonomie des avions. Accroître reste encore un euphémisme si je vous parle de ce projet fou de
l'avion sky-cruise, un avion hôtel à propulsion nucléaire, pouvant accueillir 5000 passagers et qui n'atterit 'jamais'.

prototype de l'avion à propulsion nucléaire sky cruise