Depuis des années, l’électricité investit les fonctions non propulsives des avions. Elle franchit aujourd’hui le cap de la propulsion. Si des petits avions 100 % électriques volent déjà, tout le monde s’accorde à dire qu’un A 320 tout électrique est hors de portée. Mais des avions régionaux ou des moyen-courriers qui associent des moteurs thermiques et électriques pour réduire leur consommation de carburant sont en train de voir le jour. L’E-Fan X était le projet phare d’Airbus. Lancé en 2017, il a pris fin en avril 2020, sans qu’aucun prototype ne vole. EcoPulse, son « petit frère », devrait voler en 2022. Développé en partenariat avec Safran et Daher, l’hybride de six places a passé sa revue préliminaire de design en décembre 2020. Trois mois plus tard, le toulousain Aura Aero annonçait la mise en service en 2026 d’un avion régional de 19 places capable de parcourir 400 km en tout électrique, mais muni d’un turbo-générateur pour augmenter l’autonomie et constituer une réserve de sécurité. Enfin, l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera) et ses partenaires réfléchissent depuis janvier 2020 à une feuille de route pour l’hybridation des avions régionaux et moyen-courriers dans le cadre du projet Imothep.
Réduire les émissions de CO2 de 5 à 10 %
« L’hybridation a toute sa place dans la stratégie de décarbonation de l’aviation, affirme Karim Mokaddem, le responsable de l’électrification des solutions aéronautiques chez Airbus. C’est le moyen de pousser l’amélioration incrémentale des moteurs thermiques.» Notamment avec l’hybridation légère, où une part d’électrique aide les moteurs thermiques. « Cela se fera probablement, estime Philippe Novelli, le directeur propulsion aéronautique et environnement à l’Onera. L’hybridation plus poussée, avec une utilisation importante de moteurs électriques pour la propulsion, reste encore exploratoire. »
Jérémy Caussade, le président d’Aura Aero, imagine des missions avec son hybride régional pour lesquelles la diminution des émissions de CO2 serait de plus de 60 % par rapport à un avion conventionnel équivalent. Directeur général de la division Power chez Safran Electrical & Power, Hervé Blanc estime qu’une réduction de 80 % sur ce type d’avion est atteignable. Pour un moyen-courrier aussi, « mais avec des carburants durables ». Sans eux, la baisse espérée des émissions serait plus faible. « Une hybridation légère permet de les réduire de 5 à 10 % », précise Karim Mokaddem. D’après les simulations sur tous types d’hybridation publiées dans la littérature, on ne peut pas envisager, sans ces carburants, de réductions supérieures à 20 % sur un moyen-courrier, note Philippe Novelli.
L’hybridation légère est l’option la plus en vue pour les moyen-courriers. Safran travaille sur des moteurs thermiques ultra-efficients dédiés à l’hybridation, assure Hervé Blanc. « Pour réduire leur consommation, les moteurs gagnent en taille et en inertie. Y intégrer un moteur électrique permet d’atteindre des couples instantanés suffisants pour accélérer le moteur thermique rapidement. » Pour les avions régionaux de 10 à 40 places, le tout électrique est, selon lui, aujourd’hui possible pour des missions de trente minutes à une heure. « Cela commence à avoir du sens commercialement. » Grâce à l’hybridation, on peut augmenter l’autonomie ou le nombre de passagers.
Plusieurs architectures possibles
Parmi les architectures hybrides possibles, Aura Aero a choisi l’hybride-série : les moteurs électriques sont alimentés par des batteries chargées au sol ou en vol par un moteur thermique via un alternateur. EcoPulse se rapproche de l’hybride-parallèle, qui combine des moteurs thermiques et électriques – alimentés par des batteries – pouvant fonctionner indépendamment. Une troisième architecture, dite turbo-électrique, se passe de batteries entre le couple moteur thermique-alternateur et les moteurs électriques. « Cela offre de la liberté sur l’architecture propulsive. En général, cette idée va avec la propulsion distribuée qui multiplie les hélices ou les fans », indique Philippe Novelli. Pour autant, c’est avec son hybride-parallèle qu’EcoPulse testera la propulsion distribuée : six moteurs électriques sur les ailes alimentés par une batterie, et un système thermique sur le nez de l’appareil. « Cela permet de gérer la poussée de manière différenciée sur les moteurs électriques pour optimiser l’aérodynamique », explique Karim Mokaddem.
Le premier des défis technologiques de l’avion hybride-électrique concerne la densité énergétique des batteries. L’aéronautique espère profiter des efforts déployés dans l’automobile, notamment avec l’arrivée espérée des batteries tout-solide et leurs 400 Wh/kg (le double du Li-on actuel). « Avec ces densités, l’autonomie des avions régionaux permettra une exploitation commerciale efficace », insiste Hervé Blanc. « Elles nous feront progresser sur la sécurité et la gestion de l’emballement thermique », ajoute Karim Mokaddem.
Ruptures technologiques
Philippe Novelli craint cependant que l’industrie automobile se contente du tout-solide, dont la densité d’énergie restera insuffisante pour électrifier fortement la propulsion de plus gros avions. Des ruptures technologiques seront nécessaires, comme le passage aux batteries lithium-air (1 000 Wh/kg théoriques). Mais cette perspective reste incertaine. « Il y a des verrous qu’on ne sait pas lever », pointe Patrice Simon, le directeur adjoint du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie.
Enfin, électrifier la propulsion requiert de fortes puissances électriques, et donc des hautes tensions pour alléger les câbles. Des tensions de 3 000 volts (V) sont évoquées, contre les 230 à 540 V actuels. Avec ces tensions, et d’autant plus en altitude, des décharges partielles ou des arcs électriques peuvent apparaître. Les circuits devront les empêcher ou les détecter. « Les verrous sont à notre portée, estime Guillaume Belijar qui étudie ces phénomènes au sein du projet Highvolt à l’IRT Saint-Exupéry. Des solutions existent pour les trains et les véhicules électriques. L’enjeu est de les adapter à l’aéronautique et de les miniaturiser. » Pour alléger les câbles, Airbus explore la piste de la supraconductivité avec le projet Ascend, lancé en mars. Certains champs de la R&D pourraient, eux aussi, profiter d’un coup de pouce donné par la propulsion électrique des avions.
Un concept toujours d’actualité
Les moteurs électriques n’ont pas attendu les avions 100 % électriques ou hybrides pour décoller. Avec le concept d’avion « plus électrique », les fonctions non propulsives, réalisées traditionnellement de façon pneumatique ou hydraulique, se sont progressivement électrifiées. « L’intérêt est de remplacer des réseaux qui pèsent lourd, sont chers et nécessitent beaucoup de maintenance », indique Hervé Blanc, le directeur général de la division Power chez Safran. Sur l’A 380, les commandes de vol et le système de freinage étaient déjà électrifiées. Comme sur le Boeing 787, où le démarrage moteur, la gestion de l’air de la cabine (ECS) et le dégivrage sont aussi tout électriques. « Le 787 est l’avion le plus électrifié avec 1,5 mégawatt à bord », souligne Jean-Paul Berger, le directeur technique de Thales Avionics Electrical Systems. Cela a nécessité une montée en tension pour réduire la taille des câbles. « Alors que le réseau de courant alternatif de l’A 380 est à 150 volts (V), celui du 787 est monté à 230 V, poursuit Jean-Paul Berger. Du courant continu à 540 V est aussi utilisé là où de fortes puissances sont nécessaires, comme sur l’ECS ou le démarrage électrique. » Le train d’atterrissage et la trappe d’ouverture sont encore actionnés de façon hydraulique, mais pourraient l’être de façon électrique demain. « Nous travaillons également sur l’électrification du roulage au sol pour éviter d’utiliser les moteurs thermiques qui ne sont pas du tout dimensionnés pour ça », conclut Hervé Blanc.
