Décarbonisation du transport aérien: Les avions quittent le kérosène pour les SAF

La pollution, les gaz à effet de serre, le réchauffement climatique, on en parle depuis des décennies. Beaucoup mettent en garde, mais peu agissent.
Le sujet est revenu sur la table en Novembre dernier, au sommet du COP27 en Egypte, et cette fois-ci avec plus de vigueur. Il a renforcé les politiques qui avaient commencé à émerger en matière de développement durable, et de l'objectif zéro carbone.
Le secteur de l'aviation est particulièrement et beaucoup de fois, pointé du doigt en terme de pollution, surtout avec le comportement paradoxal des chefs d'Etat qui se rendent aux sommets à bords de jets privés polluants pour parler de décarbonisation. Normal. Mais en rappel, le transport aérien ne contribue qu'à hauteur de 2% des émissions de CO2 liées aux activités humaines. Ce n'est pas pour jeter des fleurs au secteur aérien, mais juste pour montrer que ce taux est encore très faible au regard des 36% liées aux transport routier et aux grandes industries. Malgré cela, l'aviation reste l'un des domaines où il y'a relativement plus de vocation à emprunter le chemin du bio et à abandonner les énergies fossiles. Les ingénieurs aéronautiques travaillent sur d'autres sources d'énergie qui pourraient permettre aux avions d'être le plus "green" possible. Certains projets sont nouveaux, d'autres font l'objet de perfectionnement. Voyons ensemble les alternatives développées pour se débarrasser du kérosène classique, de sources fossiles, jugé trop polluant.

Sustainable Aviation Fuels (SAF)

Je peux vous assurer qu'actuellement, tous les regards et la majorité des efforts sont tournés vers le "carburant bio". Les SAF qu'on pourrait traduire littéralement comme carburants d'aviation durable, sont vus comme l'issue de secours, la voie pour réduire et pourquoi pas effacer complètement l'empreinte carbone liée au transport aérien malgré l'augmentation du trafic aérien (on tourne actuellement à au moins un décollage/atterrissage toutes les 2 secondes à travers le monde).
C'est quoi au juste? Les SAF sont des types de carburant, renouvelables ou dérivés de déchets et qui respectent les règles de développement durable.
On peut en effet les fabriquer à partir des déchets alimentaires, des restes d' huiles de cuisine, des déchets plastiques ou même par synthèse de
carbone prélevé dans l'air (mais cette dernière méthode n'est pas encore au point).

Le plus grand avantage est qu'on n'a pas besoin de modifier le fonctionnement des moteurs actuels pour s'adapter aux SAF, ils conviennent parfaitement. La seule grande différence est qu'ils proviennent de sources différentes par rapport au carburant classique.
L' ICAO (International Civil Aviation Organization) et l'IATA (International Air Transport Association) travaillent à faciliter l'accès et la production de ces types de carburant à travers le monde par le biais d' accords internationaux, de politiques d'accompagnement, et de subventionnement. Selon les études, cela permettrait de réduire l'empreinte carbone de l'aviation de plus de 80%.
De nos jours, plus de 450 000 vols utilisant ce carburant ont déjà été effectués. D'ailleurs, le nombre de compagnies aériennes qui adhèrent au projet des SAF ne cesse d'augmenter. Par exemple, le 05 Novembre dernier, Egypt Air a réalisé son tout premier vol alimenté par du carburant bio. Le Boeing 787 dreamliner de la compagnie a décollé de l'aéroport international Charles de GAULLE de France, transportant des passagers qui se dirigeaient en Egypte pour participer au COP27

Le défi qui se présente maintenant pour le carburant bio, le principal, c'est de pouvoir le produire en quantité, des milliards de litres par an, pour pouvoir
satisfaire la demande et espérer remplacer un jour le kérosène classique.

Un autre exemple de vol opéré avec du carburant bio, cette fois-ci on est en Asie.
Le vol MH603 de malaysian Airlines du 5 Juin 2022, départ: Aéroport International de Kuala Lumpur, Arrivée: Singapour

ET SI L'ON ALLAIT ENCORE PLUS LOIN? POURQUOI NE PAS SE PASSER COMPLETEMENT DU FUEL?

LE SOLAIRE

En matière d'énergie renouvelable, le solaire n'est pas du tout nouveau, mais parler d'avion fonctionnant à l'énergie solaire, là ça change la donne.
L'intention derrière est bonne. Il est bien de se tourner vers du carburant bio, qui pollue le moins possible, mais c'est encore mieux si l'on pouvait carrément se passer de carburant. Mais comment ça marche?
Basiquement, un avion solaire fonctionne comme la plupart des panneaux solaires que nous connaissons. Les ailes, et le fuselage si possible sont faits d'un matériau léger (généralement la résine) recouvert de cellules photovoltaïques.

De jour, l'avion augmente son altitude pour capter le maximum d'énergie. Le surplus est stocké dans des batteries, généralement au lithium. Durant les vols de nuit, il redescend vers les basses altitudes et l'énergie stockée dans les batteries est redistribué au moteur. Le principal souci, comme souligné dans cet article Techno-Science, est lié à l'instabilité de cette énergie. On ne peut rien contre le mauvais temps, et un jour nuageux ne devrait pas empêcher un avion de voler, surtout avec ce développement incessant du transport aérien. De plus, pour optimiser l'absorption, il faudrait que les cellules soient à chaque fois orientées vers la lumière quelle que soit la rotation de l'appareil. Cela serait difficile avec beaucoup de courbures sur les ailes, alors que c'est la tendance actuelle avec les progrès en aérodynamisme (notamment les winglets, les profils d'ailes plus fins et des courbures plus prononcées). Les cellules photovoltaïques ont d'ailleurs un prix à couper le souffle, mais cela n'est pas en réalité un problème. Si tout le monde s'y met, les prix vont baisser.

Cellules photovoltaiques

Je finis cette section avec l'exemple d'un avion solaire qui a fait parler de lui à travers le monde, Solar impulse.
C'est un défi technologique, un projet fou, réalisé par le psychiatre et aéronaute suisse Bertrand Piccard, qui s'est associé en 2003 avec
le pilote de chasse André Borschberg. Ils ont mis au point un avion solaire qui a fait le tour du monde sans consommer la moindre goute de carburant.

L'avion solar impulse2 dans sa tournée mondiale

Tout le fuselage a été couvert de panneaux solaires pour optimiser l'absorption de l'énergie solaire. Il a également fallu songer à réduire le poids de l'avion autant que possible. Solar impulse ne pesait que 2 tonnes. Cela a été rendu possible grâce au recours aux structures en nids d'abeille. Pour ceux qui ne savent pas ce que c'est, c'est une structure très utilisée en ingénierie, tout d'abord pour son extrême rigidité, mais aussi et surtout pour sa légèreté et sa souplesse.
Le voyage de Solar Impulse2 a débuté le 9 Mars 2015, et a duré 14 mois, pour un parcours de 40000km.
Bien vrai que c'est un exploit à saluer, il ne faut pas non plus masquer le fait que l'avion se déplaçait beaucoup trop lentement.
Une vitesse de croisière avoisinant 80km/h, pour un avion relativement léger, ne transportant que 2 passagers, en comparaison aux avions de ligne actuels qui vont à 900km/h avec des centaines de passagers et leurs bagages. Comprenez pourquoi il parait difficile d'abandonner le carburant fossile.

Un tour dans le cockpit de solar impulse avec Bertrand Piccard

L'HYDROGENE

Une autre alternative, c'est l'avion à hydrogène. Mais rassurez vous, il ne sera pas stocké et utilisé comme le classique mélange LOX-LH pour la propulsion des fusées. Ce serait quand même violent. Pour le cas de l'avion, le dihydrogène pour être plus précis peut alimenter des piles à combustible générant de l'électricité pour alimenter les moteurs, non plus mécaniques mais électriques. Il est possible de le stocker sous forme de gaz, et dans ce cas il doit être comprimé à haute pression.

Pile à combustible de la NASA au méthanol

Il est aussi possible de le stocker sous forme liquide, et là, il faut amener sa température à -253°C pour le garder à cet état. Airbus est beaucoup intéressé par ce projet et est bien en avance par rapport aux autres grands constructeurs, notamment avec son prototype Zero Emission (ZEROE).
Airbus pense à soit utiliser la combustion directe de l'hydrogène dans une turbine, ou soit opter pour la pile à combustible. Cette dernière option a l'avantage de ne pas produire de trainées de condensations. Le principal problème est lié au stockage et les éventuelles modifications majeures qu'il faudrait apporter sur la morphologie de l'appareil. Regardez par exemple le prototype ZEROe de Airbus.

Airbus présente ses modèles d'avions à hydrogène.

Parlant toujours du stockage, l'utilisation du dihydrogène va exiger d'immenses réservoirs, qu'il ne serait pas possible de loger dans les avions de ligne classique. Pourquoi? En fait, la masse volumique de l'hydrogène sous forme liquide est très faible, comparée à celle du Jet A1 par exemple. Elle est de 71kg/m3, 14 fois moins dense que l'eau. Et même si l'hydrogène a une très grande énergie massique de combustion (142MJ/Kg) par rapport au kérosène, son énergie volumique elle est 3,7 fois plus faible.
Qu'est-ce que cela veut dire en terme de volume. Tout simplement, l'hydrogène sera trois fois plus léger que le kérosène, mais 3,7 fois plus volumineux. Il a un avantage côté masse, pourtant, on parle plus de volume que de masse en terme de stockage du carburant. Avec le niveau actuel, les réservoirs ne pourraient permettre que des vols régionaux, et là encore, il faudrait s'habituer à des vols moins rapides et basse altitude.

Un réservoir cyrogénique à hydrogène pour l'aéronautique

La machine du renouveau est lancée, des avions nouveaux et sympas sont en route. Il est clair que c'est difficile d'abandonner le carburant classique avec tous ses avantages, tels la puissance fournie, la vitesse des avions actuels, le coût relativement abordable des carburants fossiles, etc. Mais il va falloir continuer sur cette lancée si l'on veut sauver la planète. Ces nouvelles sources d'énergie peineront à se faire accepter, mais elles vont y arriver, et elles vont s'installer un jour. Qui aurait cru qu'un jour les voitures électriques s'imposeraient, ou que les trains pourraient passer du charbon à la lévitation magnétique?

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