L’industrie aéronautique se trouve à un carrefour critique dans l’effort mondial de lutte contre le changement climatique. Alors que la demande de transport aérien continue de croître, la pression s’accentue pour réduire les émissions de l’aviation et minimiser la dépendance du secteur aux carburants d’aviation traditionnels et autres combustibles fossiles. Les aéronefs durables sont au premier plan de cette transformation, stimulant la recherche, les investissements et l’innovation en vue d’une aviation zéro émission nette. Dans l’objectif d’un ciel plus propre, l’industrie explore un large éventail de solutions rentables et écoénergétiques pour décarboner l’aviation, allant de la propulsion électrique aux alternatives de carburants à faible émission de carbone. Ces efforts offrent non seulement des avantages environnementaux significatifs, mais remodèlent également l’avenir de l’aviation internationale, redéfinissant la manière dont les compagnies aériennes opèrent et dont les aéronefs sont conçus, propulsés et entretenus.
Trois options prometteuses ont émergé : les aéronefs entièrement électriques, les aéronefs hybrides-électriques et les piles à combustible hydrogène/électriques. Chaque option peut réduire la consommation de carburant d’aviation conventionnel et les émissions de carbone. Cependant, chacune présente des défis uniques, nécessitant une réinvention de la conception des aéronefs et des normes opérationnelles, ainsi qu’une évaluation complète de leur impact environnemental.
L’équipe ESDU d’Accuris apporte plus de 80 ans d’expertise en données de conception technique validées, offrant une base de connaissances inégalée qui aide les ingénieurs à prendre des décisions de conception éclairées et fiables. Nos connaissances approfondies en aérodynamique, propulsion et conception innovante d’aéronefs constituent une base essentielle pour l’évaluation des technologies d’aviation durable. Dans cet article, nous abordons trois options durables pour le transport aérien civil, ainsi que les considérations à prendre pour s’assurer que ces technologies émergentes sont à la fois techniquement et opérationnellement fiables.
Aéronefs entièrement électriques
En raison de la limitation d’autonomie des propulsions électriques alimentées par batterie et des divers défis liés aux aéronefs propulsés à l’hydrogène, les aéronefs de transport régional à court rayon d’action respectueux de l’environnement seront probablement les premiers types d’aéronefs civils durables à entrer en service. Actuellement, la compagnie aérienne régionale canadienne Harbour Air a effectué plus de 90 vols avec un de Havilland Canada DHC-2 Beaver à propulsion électrique et devrait obtenir sa certification complète auprès de l’autorité de réglementation canadienne en 2026-2027. Le développement des aéronefs entièrement électriques est encore à ses premiers stades.
Il est probable que les premiers aéronefs entièrement électriques seront des avions à hélice où des moteurs électriques remplaceront le groupe motopropulseur. Diverses entreprises sont impliquées dans le développement et la certification de ces aéronefs électriques. Il convient de se demander si cela débouche sur une conception efficace. Quel est l’impact de l’échange du groupe motopropulseur et du carburant contre des batteries sur la charge utile/l’autonomie ? En tant que point de départ, cela stimulera le développement de moteurs électriques et de batteries plus efficaces et donnera un aperçu de la manière d’opérer des avions respectueux de l’environnement.
Avions électriques hybrides
Pour le remplacement des aéronefs moyen-courriers, tels que l’A320 et le Boeing 737, il est probable que la propulsion hybride-électrique sera privilégiée en premier lieu, suivie des turbofans à hydrogène pour le remplacement des aéronefs long-courriers.
L’inconvénient de la propulsion hybride-électrique est la nécessité de brûler du carburant pour générer de l’électricité, soit pour alimenter directement le moteur électrique et/ou charger les batteries. Le changement de source d’énergie d’une à l’autre tend à être inefficace, sans compter la pénalité de poids supplémentaire due au transport de l’unité de puissance auxiliaire (APU). Par conséquent, la propulsion hybride-électrique nécessiterait une meilleure version d’APU pour générer l’électricité destinée aux hélices/hélices carénées ou aux soufflantes. Cela impliquerait le développement des systèmes et de l’architecture nécessaires pour filtrer les émissions de la turbine génératrice d’électricité.
Une approche globale est essentielle pour intégrer la propulsion hybride-électrique dans le secteur de l’aviation, englobant le développement technologique, la recherche et le déploiement de solutions durables.
Piles à combustible hydrogène/électriques
Boeing a utilisé des piles à combustible hydrogène/électriques pour propulser un avion biplace Dimona construit par Diamond Aircraft Industries en Autriche. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l’hydrogène directement en électricité et en chaleur, sans aucun des sous-produits de la combustion tels que le dioxyde de carbone. Outre la chaleur, l’eau est le seul échappement produit par une pile à combustible. Pour le décollage et la montée, une combinaison de batterie et de pile à combustible est utilisée pour alimenter le moteur électrique connecté à l’hélice. Une fois au-dessus de 3 000 pieds, les batteries sont déconnectées et le vol en palier est maintenu en utilisant uniquement des piles à combustible pour alimenter le moteur électrique. On envisage que cette technologie a le potentiel de propulser de petits véhicules aériens habités ou non habités destinés à la surveillance.
La technologie des piles à combustible pourrait être appliquée aux APU des grands avions commerciaux et pour une autonomie de vol plus longue. Cependant, on estime que les piles à combustible elles-mêmes ne seront pas en mesure de fournir la puissance principale pour les grands avions commerciaux. Airbus a développé et fait voler une série d’aéronefs légers entièrement électriques au cours de la dernière décennie et étudie actuellement divers concepts de propulsion à hydrogène pour alimenter les futurs aéronefs civils dans le cadre du projet zéro émission nette.
Considérations de conception pour les aéronefs durables
L’impact des aéronefs électriques ou à hydrogène sur la conception nécessitera une approche différente de la conception aéronautique actuelle. Les nouvelles conceptions pour les aéronefs civils actuels s’appuient fortement sur les aéronefs existants, car un changement radical est coûteux à développer jusqu’aux normes de certification complètes. L’utilisation de la propulsion électrique ou à hydrogène constitue un changement radical, et de nombreuses configurations possibles doivent être évaluées, y compris des architectures non conventionnelles comme le « Blended Wing Body » (BWB) ou fuselage intégré. Une nouvelle infrastructure sera essentielle pour soutenir l’intégration des aéronefs électriques et à hydrogène au sein des installations aéroportuaires existantes.
Par exemple, la conception des aéronefs électriques doit tenir compte de l’emplacement des batteries, du fuselage et de l’aile, ainsi que des exigences de sécurité. Le refroidissement et la surchauffe doivent être pris en compte (les incendies de batteries du Boeing 787 ont été un problème récent). Les concepteurs doivent décider si l’aéronef doit transporter des packs de batteries de rechange, au cas où un ou deux deviendraient inutilisables. Si les batteries sont dans le fuselage, la conception doit renoncer aux avantages de la flexion de l’aile, ce qui peut entraîner une augmentation du poids. Avec les aéronefs actuels, le carburant est transporté dans l’aile et son poids offre un soulagement (structurel) grâce à la flexion de l’aile et à la portance.
Dans les conceptions entièrement électriques, le poids au décollage est identique au poids à l’atterrissage, ce qui est différent des conceptions d’aéronefs actuels. Quel sera l’impact sur la masse structurelle, en particulier si des batteries supplémentaires doivent être transportées ?
La question de la charge utile et de l’autonomie nécessitera également une nouvelle approche. Actuellement, le poids du carburant est arbitré en fonction de la charge utile et de l’autonomie. Pour les aéronefs à hydrogène, l’accent sera mis sur les questions de sécurité concernant le transport et l’impact sur la conception. Cela génère le besoin de nouvelles normes de sécurité internationales, de pratiques recommandées et de directives de conception fiables.
Du point de vue des opérations aéroportuaires, les installations devront être adaptées pour supporter les nouveaux types d’aéronefs, en tenant compte de la charge, du stockage et du remplacement des batteries. Les batteries seront-elles retirées et remplacées par des batteries entièrement chargées ? Si oui, quel impact cela aura-t-il sur le temps de rotation ? La conception de l’aéronef permettra-t-elle un changement rapide ? L’approvisionnement en électricité proviendra-t-il du réseau national ou sera-t-il local à l’aéroport ? Sera-t-il généré à l’aide de technologies vertes ? De plus, des dispositions devront être prises pour le stockage et l’approvisionnement en hydrogène.
Enfin, la fabrication de nouveaux aéronefs doit prendre en compte l’impact sur l’environnement. Des considérations doivent également être prises concernant l’impact environnemental de la fabrication et de l’élimination des batteries.
L’avenir de l’aviation durable
Le chemin vers une aviation durable progresse avec des développements prometteurs dans les aéronefs hybrides-électriques, la propulsion entièrement électrique et la technologie des piles à combustible à hydrogène. Bien que chacune de ces solutions soit confrontée à des obstacles techniques et opérationnels uniques, leur potentiel de réduction de la consommation de carburant et des émissions les rend vitales pour l’avenir de l’industrie aéronautique.
À mesure que la recherche et le développement progressent, ces alternatives durables promettent de transformer l’aviation, en offrant de nouveaux niveaux de performance et en ouvrant la voie à des cieux plus propres. Avec une innovation et une collaboration continues, l’avenir du vol est appelé à devenir à la fois plus efficace et plus durable.
