Encombrant, cryogénique, explosif… L’hydrogène est loin d’être un substitut idéal au kérosène pour l’aviation. « Si nous avions proposé un concept d’avion à hydrogène il y a trois ou quatre ans, nous aurions été pris de haut », avance Philippe Beaumier, le directeur de l’aéronautique civile à l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera). Pour autant, la petite molécule a été présentée comme une solution miracle – avec les carburants alternatifs – pour réaliser le rêve de voler sans émettre de CO2. Le plan de soutien à l’aéronautique française, durement frappée par la crise du Covid-19, a fait de la décarbonation du secteur une priorité : un dixième des 15 milliards d’euros d’aides est consacré au développement d’un « avion vert ». La réponse du champion européen Airbus ? L’hydrogène.
Premier défi, stocker l'hydrogène
En septembre 2020, l’avionneur s’est engagé à mettre en service un court et un moyen-courrier à hydrogène d’ici à 2035. Cela lui laisse moins de quinze ans pour étudier des concepts, développer, certifier et commencer à produire un avion en rupture totale avec les aéronefs civils historiques. Alors qu’en moyenne la certification et le démarrage de la production requièrent à eux seuls une décennie. « Nous avons lancé la phase exploratoire en 2020 et débuterons le programme vers 2028, détaille Matthieu Thomas, ingénieur en chef des phases amont du programme zéro émission (ZEROe). Nous ne partons pas de rien. Nous explorons des pistes pour se passer du kérosène depuis des années. L’hydrogène est l’option la plus prometteuse.»
L’hydrogène peut bénéficier, en théorie, d’un cycle entièrement décarboné et concentre un pouvoir calorifique massique trois fois supérieur à celui du kérosène (120 MJ/kg, contre 43 MJ/kg). Cependant, même liquéfié à - 253°C, le dihydrogène affiche une masse volumique de seulement 71 kg/m3, contre 800 kg/m3 pour le kérosène (à 15 °C). Dit autrement, « propulser un A 320 d’une capacité de 23 tonnes de kérosène requiert seulement 9 tonnes d’hydrogène… mais cet hydrogène, sous forme liquide, occupe 150 m3 de réservoir, soit un volume quatre fois plus important que le kérosène », avance Cédric Philibert, spécialiste de l’énergie à l’Institut français des relations internationales (Ifri).
Le volume de l’hydrogène est la première difficulté à laquelle sont confrontés les ingénieurs d’Airbus. Impossible en effet de stocker ce carburant dans les ailes, trop minces, comme c’est actuellement le cas pour le kérosène. Quatre nouvelles architectures sont ainsi explorées par l’avionneur, dont une « aile volante » qui disposerait d’un fuselage très large pour stocker l’hydrogène liquide. Les autres sont plus allongées que les configurations classiques, permettant de loger le carburant dans le fuselage à l’arrière de la cabine. « Nous arrêterons notre choix sur une architecture entre 2024 et 2025 », prévoit l’ingénieur en chef d’Airbus.
Réduire la masse des réservoirs
Intégrer l’hydrogène dans l’aéronef est une chose, encore faut-il faire décoller l’appareil. Un gros effort est attendu sur la masse des réservoirs, qui doit être réduite de 50 % par rapport aux prototypes actuels, d’après l’état des lieux dressé par McKinsey (mai 2020). « Le challenge est de parvenir à faire voler un congélateur de 6 x 5 x 5 m environ, à - 250°C », résume Thierry Poinsot, du Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique (Cerfacs). Le tout en assurant la stabilité du carburant. Car l’hydrogène liquide entre en ébullition dès que la température dépasse - 253°C, et les fuites, facilitées par la petite taille de la molécule, représentent un danger. « Une faille d’isolation thermique du réservoir pourrait mener à un réchauffement de l’hydrogène qui nécessiterait de le laisser s’échapper par un évent (comme une cocotte-minute), illustre Thierry Poinsot. Un avion pourrait ainsi générer des panaches de plusieurs kilogrammes d’hydrogène par seconde.» La moindre étincelle provoquerait une explosion.
« La technologie des réservoirs cryogéniques est commercialisée depuis longtemps dans d’autres industries. Même si pour l’aviation, nous repartons en dessous d’un TRL 3 [niveau de maturité correspondant à la preuve expérimentale du concept, ndlr] », tempère Matthieu Thomas, qui mise sur le fait que le savoir-faire développé dans le spatial pourrait ainsi accélérer la montée en maturité des technologies pour l’aéronautique. Mais si chacun vise les étoiles, l’avion commercial et la fusée ne sont pas comparables. Le premier, d’une durée de vie de plusieurs décennies, doit être réapprovisionné en carburant jusqu’à plusieurs fois par jour. Le second n’est rempli d’hydrogène qu’une vingtaine de minutes avant son seul et unique vol. « Le réservoir de la fusée est peu isolé car les évaporations sont capturées. Ce n’est pas grave si l’hydrogène bout, pointe Pierre Crespi, le directeur de l’innovation d’Air liquide advanced Technologies. Pour l’avion, il est nécessaire de minimiser ces évaporations en isolant le réservoir sous vide. Nous songeons à mettre en place une petite pile à combustible d’une dizaine de kilowatts qui, telle une soupape, permettrait d’éviter les épanchements d’hydrogène. »
Remplacer toute une flotte
La question du transport de l’hydrogène cryogénique depuis les installations de l’aéroport vers les réservoirs des avions pour les remplir se pose également. « Transporter de l’hydrogène à - 253°C dans des tuyaux est un autre défi technologique », remarque Thierry Poinsot. Mais l’obstacle principal n’est peut-être pas de nature technologique. « Le but n’est pas de développer un seul démonstrateur d’avion capable de voler, mais de remplacer toute la flotte», poursuit-il. Or selon McKinsey, le prix d’un billet d’avion pour un moyen-courrier à hydrogène est susceptible d’augmenter de 30 à 40 %, avec un hydrogène vert entre 2 et 3 euros le kilo (contre environ 8 euros aujourd’hui). « Toutes les compagnies aériennes n’auront pas intérêt à investir dans cet avion à moyen terme », note Armin Morabbi, senior manager chez IAC Partners.
D’autant que d’un point de vue climatique, le bénéfice d’un avion propulsé à l’hydrogène reste incertain. « Les conditions atmosphériques permettant la formation de traînées seront plus fréquentes avec un avion à hydrogène qui émet davantage de vapeur d’eau », indique Olivier Boucher, climatologue à l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL). Or le pouvoir réchauffant des traînées et nuages de condensation provoqués par l’aviation serait deux fois plus élevé que celui de ses émissions de carbone. « Mais peut-être que les cirrus induits par l’avion à hydrogène auront d’autres propriétés, comme le fait de retomber plus vite, provoquant un impact climatique moindre ? », nuance le climatologue. La capacité de l’hydrogène à vraiment faire voler vert pourrait dépendre en priorité des réponses à ce type de question.
L’écosystème aéroportuaire devra aussi se réinventer
À quoi ressemblera l’écosystème hydrogène de l’aéroport du futur ? « Nous aurons probablement une sorte de hub à proximité de l’aéroport, où l’on produira l’hydrogène liquide nécessaire à l’ensemble d’une région pour alimenter les aéroports, les stations à hydrogène gazeux, les gares », anticipe Pierre Crespi, le directeur de l’innovation chez Air liquide Advanced Technologies, dont le groupe est le premier producteur mondial d’hydrogène. Déployer une filière hydrogène vert est en effet une condition sine qua non pour que l’avion à hydrogène remplisse sa mission de décarbonation, sachant que 96 % de la production de ce gaz est aujourd’hui issue du très carboné procédé de vaporeformage.
De véritables hubs
Ce type de « hub », dont la mise en place est encouragée par l’Agence de la transition écologique (Ademe), regrouperait un parc éolien ou solaire, un électrolyseur et un liquéfacteur. L’hydrogène serait acheminé jusqu’à l’aéroport sous forme liquide par des camions-citernes d’une capacité de 3 à 4 tonnes. « Certains gros aéroports s’équiperont peut-être de pipelines d’ici à 2050. Mais dans un premier temps, il n’y aura pas suffisamment d’avions pour installer un site de production et des canalisations au sein de l’aéroport », explique Pierre Crespi. Celui de Groningue-Eelde, aux Pays-Bas, compte se doter d’un parc solaire (22 MW), ambitionnant de devenir la première valley hydrogène aéroportuaire au monde.
De tels hubs seront-ils suffisants pour répondre aux besoins en électricité ? D’après les chiffres du collectif de chercheurs de l’Atelier d’écologie politique (Atécopol), publiés par Mediapart, produire l’hydrogène nécessaire à la propulsion de l’ensemble des vols (long-courriers inclus) passant en un an par l’aéroport Roissy-Charles-de-Gaulle demanderait 16 réacteurs nucléaires, ou 5 000 km² d’éoliennes ou 1 000 km² de panneaux photovoltaïques.
