«Dessine-moi un avion vert.» En voilà un, 100% électrique. «Non, ses batteries ne sont pas assez performantes pour qu’il vole.» Alors voici une aile volante. «Pas assez stable.» Oui, mais comme ça, il peut stocker beaucoup d’hydrogène. «Qu’il faut refroidir comme dans une fusée…» Il serait tentant de dessiner une boîte renfermant cet avion vert, comme s’y résigne le narrateur du Petit Prince de Saint-Exupéry incapable de représenter un mouton satisfaisant. Car derrière l’expression simpliste se cache une complexe palette de technologies, dont l’industrie aéronautique va devoir s’emparer pour répondre à ses propres objectifs de réduction d’émissions de CO2 ainsi qu’aux injonctions politiques et sociétales.
Qu’importe que le transport aérien ne représente qu’à peine 3% des émissions totales. L’avion vert est devenu prioritaire.
«Il n’y aura pas un avion vert, mais des avions verts, dans la mesure où les réponses technologiques diffèrent suivant les segments de l’aviation», nuance Philippe Beaumier, le directeur aéronautique de l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera). S’esquisse en toile de fond une modification progressive du modèle économique de l’aviation.
«La tendance aux appareils toujours plus gros, tels que l’Airbus A380 et le Boeing 747, a fait long feu, analyse Jérôme Bouchard, associé au sein du cabinet Oliver Wyman. Le segment des avions de 20 à 100 places pourrait se développer en offrant des vols de courte distance plus faciles à décarboner.» Les industriels, touchés par la crise liée à la pandémie, vont devoir trouver les bons équilibres technologiques et financiers. Seules certitudes : l’avion sera d’autant plus vert qu’il sera frugal et ultra-connecté, placé au cœur d’infrastructures de communication terrestre et spatiale et de réseaux de distribution d’énergie performants. Voilà, ébauché en huit traits de plume, à quoi il pourrait ressembler…
1 - Il emploiera des matériaux plus légers
L’avion vert pourrait faire la part belle à une nouvelle génération de matériaux. «Les composites dits thermoplastiques devraient gagner du terrain dans les prochaines années face aux composites thermodurcissables, jusque-là majoritaires», prévoit Pascal Laguerre, le directeur de la technologie de Daher. Si leurs résines coûtent encore trois fois plus cher, les thermoplastiques cumulent les bénéfices : allégement accru, meilleure capacité à supporter les fortes cadences, soudage possible par induction permettant de se passer des rivets et haut niveau de recyclabilité.
Et pourquoi ne pas leur associer des fibres naturelles, comme le lin et le chanvre, pour des pièces d’aménagement de la cabine ? Autre piste : la réduction du poids du câblage, équivalent à celui de 10 à 50 passagers. «Le poids du câblage dédié à la transmission de données pourrait être divisé par dix avec la fibre optique, en remplacement des actuels câbles contenant du cuivre», assure Serge Bérenger, le directeur de l’innovation et de la recherche et technologie (R&T) de Latécoère.
De quoi se passer des grillages métalliques, présents dans les structures d’avion, destinés à protéger les systèmes contre les perturbations électromagnétiques, la fibre optique n’y étant pas sensible. Quant à la composition des sièges 50% plus légers du français Expliseat, en fibres de carbone et en titane, elle pourrait faire fureur dans les futurs appareils.
2 - Ses trajectoires de vol seront optimisées
L’un des leviers que devra mieux exploiter l’avion zéro émission est l’optimisation des trajectoires, qui pourrait réduire de plus de 10% la consommation de carburant. L’avion vert évitera les embouteillages, jouera avec les vents favorables. Le vol dit 4D, prenant en compte ces informations en temps réel, a été expérimenté par Airbus et Boeing.
Son déploiement à grande échelle passera par une collaboration – et une modernisation – accrue des infrastructures de contrôle aérien dans le monde entier. Comment aller un cran plus loin ? «Plutôt que de réduire l’utilisation des systèmes de gestion de vol à la diminution des coûts d’exploitation, il vaudrait mieux les employer à limiter l’impact écologique global des vols au-delà des émissions de CO2», suggère Bruno Nouzille, le directeur technique de l’activité avionique de Thales.
Un exemple : sachant que les traînées de condensation des avions pourraient avoir le même effet de réchauffement que les émissions de CO2 attribuées au transport aérien, les appareils éviteraient les zones favorables à leur formation. En outre, «des technologies comme le big data et l’intelligence artificielle aideraient à définir en permanence la meilleure trajectoire de chaque avion en prenant en compte les contraintes des autres appareils, de la météo et des couloirs de navigation», imagine Jean Ferré, le directeur et vice-président de l’activité contrôle du trafic aérien de Thales. Les avions verts seront ultra-connectés, communiqueront entre eux et avec leur environnement.
3 - Il sera équipé de moteurs ultra-efficaces
É. Drouin?/?Safran L’open rotor de Safran, un moteur à double hélice contrarotative non carénée, pourrait équiper de futurs avions. Et offrir 20 % de réduction de consommation de carburant. ©É.Drouin / Safran
L’avion vert mettra fin à une tendance atteignant ses limites, l’augmentation de la taille des moteurs thermiques dans le but d’améliorer leur taux de dilution, le rapport entre la masse d’air du flux froid et celle du flux chaud. La traînée des nacelles plus volumineuses devient contre-productive.
Les nouvelles architectures en vue ? L’open rotor de Safran, un moteur à double hélice contrarotative non carénée. «Grâce à la suppression du carénage, la masse est fortement réduite, ce qui permet d’augmenter le taux de dilution, avec un gain qui peut aller jusqu’à 20%», soutient Stéphane Cueille, le directeur R&T et innovation de Safran. Le motoriste a réalisé un démonstrateur à échelle 1 dans le cadre du programme européen Clean Sky, testé en 2017, démontrant qu’il ne générait pas plus de bruit que le moteur Leap actuel. Le groupe évoque l’horizon 2030 pour son éventuelle mise en service.
Autre voie, privilégiée par Rolls-Royce : l’UltraFan, un moteur de type UHBR (ultra-high bypass ratio) intégrant des composites à matrice céramique et dont on a enlevé la troisième turbine pour la remplacer par une boîte de transmission. «Sa mise en service pourrait intervenir à la fin de la décennie actuelle», précise Romain Chambard, le vice-président marketing du motoriste britannique. Les tests vont commencer en 2021. L’étape suivante sera sans conteste fondée sur une propulsion distribuée, autrement dit sur la mise en œuvre d’une multitude de moteurs, modifiant l’architecture même des avions…
4 - Son architecture cassera les codes actuels
Airbus L’aile volante présente l’avantage d’offrir un grand espace de stockage de l’hydrogène, raison pour laquelle Airbus met en avant cette architecture. ©Airbus
L’aile volante constitue l’architecture la plus intéressante pour un avion à hydrogène
— Glenn Llewellyn, Airbus
Fini l’architecture reposant sur la jonction entre un fuselage et une voilure ! L’aile volante, combinant d’un seul tenant fuselage, voilure et empennage, est l’exemple le plus frappant de ce à quoi pourraient ressembler les avions plus écolos. Un concept datant des années 1950, avec le Northrop YB-49, de nouveau dans le vent.
«L’aile volante constitue l’architecture la plus intéressante pour un avion à hydrogène, en raison de ses capacités de stockage, atteste Glenn Llewellyn, le vice-président avion zéro émission d’Airbus. Ce type d’appareil peut en outre avoir une empreinte au sol identique à celle des avions traditionnels, n’impliquant pas forcément de modification des infrastructures des aéroports.» Ses défauts de stabilité soulignés par certains experts pourraient être compensés par une propulsion distribuée et une autonomisation accrue du pilotage.
Autre scénario étudié par Airbus et Safran : une configuration de type BLI (pour boundary layer ingestion), autrement dit des moteurs intégrés contre le fuselage. L’ingestion de la couche d’air plus lente qui s’écoule contre le fuselage améliorerait le rendement propulsif. «L’écoulement en entrée du moteur devenant non stationnaire, cela peut avoir des conséquences sur les vibrations de la soufflante et le rendement du moteur», anticipe Philippe Beaumier, de l’Onera.
À moins que le concept alternatif de Boeing ne fasse florès… «Dans le cadre d’un partenariat avec la Nasa, nous avons récemment concentré nos efforts sur le concept d’ailes haubanées transsoniques TTBW [pour transonic truss-brac wing, ndlr], une voilure à très fort allongement qui permet d’augmenter l’efficience aérodynamique», s’enthousiasme Sean Newsum, le directeur de la stratégie environnementale de Boeing.
5 - Il fera appel à l’énergie électrique
Onera Le projet Dragon de l’Onera repose sur une propulsion électrique distribuée pour un avion de ligne de 150 passagers. ©Onera
Si l’électrique est au cœur de la révolution énergétique automobile, l’avion vert n’en fera usage qu’avec parcimonie. En cause ? La trop faible densité énergétique des batteries pour les besoins propulsifs des avions. Reste qu’avion zéro émission rimera bien avec hybridation. L’électrification, via des batteries ou des piles à combustible, gagnera les avions pour fournir un coup de pouce aux moteurs ou pour les besoins secondaires.
«L’électrification partielle sera sans doute un levier pour les vols de moins de 1 000 kilomètres, espère Stéphane Cueille, de Safran. Or ces vols ne représentent que près de 20% des émissions de CO2.» La multiplication des projets d’avions hybrides ces dernières années sert de terrain d’expérimentation aux futurs appareils, à l’image d’EcoPulse, lancé par Daher, Safran et Airbus, et du projet Dragon de l’Onera avec une propulsion distribuée. L’électrification réduirait la consommation de kérosène entre 20 et 40%.
D.R. Le cabinet d'ingénierie britannique Electric Aviation Group (EAG) a imaginé cet avion régional de 70 places, fondé sur l’hybridation électrique. ©D.R.
Pour lui faire bonne place, l’avion vert devra résoudre des contraintes physiques liées aux grandes puissances utilisées et à des tensions de plusieurs milliers de volts, avec pour conséquence des phénomènes d’échauffement, d’ionisation de l’air et d’arc électrique. «Le recours à la supraconductivité pour le transport de l’énergie électrique limiterait très fortement la tension en accroissant les courants», avance Serge Bérenger, de Latécoère. D’où l’idée de câbles supraconducteurs contenant un gainage d’azote liquide, refroidi avec un système cryogénique de faible puissance.
6 - Il consommera des biocarburants…
Les biocarburants constituent le principal levier à notre disposition
— Sean Newsum, Boeing
À défaut de pouvoir compter sur l’énergie électrique, l’avion vert pourrait s’adosser à celle issue de la biomasse. «Les biocarburants constituent le principal levier à notre disposition, admet Sean Newsum, de Boeing. Ils nous permettraient de bénéficier dans de brefs délais d’avantages importants.» Il faut dire que la substitution d’une tonne de kérosène par une tonne de biocarburants pourrait réduire jusqu’à 80% des émissions de CO2 sur la base du cycle de vie complet du carburant.
S’ils ne représentent que 0,01% de la consommation du transport aérien, le cadre est là : sept filières sont certifiées, la plupart définies avec un taux maximal de 50%. L’avion vert pourrait-il voler à 100% grâce à la biomasse ? «Il faut s’assurer que les carburants durables brûlent comme le kérosène, signale Nicolas Jeuland, l’expert carburant de Safran. Or certains peuvent avoir une moins bonne évaporation et causer des problèmes d’allumage des moteurs.»
Autre point de vigilance, les biocarburants, contrairement au kérosène, ne contiennent pas d’aromatiques, qui participent au gonflement des joints et assurent la bonne étanchéité du circuit carburant. D’où des travaux nécessaires pour mettre au point de nouveaux types d’élastomères.
Mais la limite à l’usage massif des carburants alternatifs est ailleurs. Entre trois et dix fois plus chers que le kérosène, ils doivent être accompagnés de mesures de soutien, à l’échelle européenne ou mondiale, pour éviter la distorsion de concurrence entre compagnies aériennes. Leur déploiement viendra aussi de la somme d’actions locales visant à favoriser des infrastructures de production et de distribution.
7 - … ou bien des carburants de synthèse
L’avion vert sera-t-il capable de consommer le CO2 présent dans l’atmosphère ? Et pourquoi pas ? Derrière cette possibilité, encore lointaine, un procédé presque centenaire, dénommé Fischer-Tropsch. Il consiste à combiner de l’hydrogène et du CO2 pour reconstituer des chaînes carbonées proches de celles du kérosène.
L’enjeu, pour rendre le cycle vertueux, est à la fois d’assurer une production d’hydrogène vert par électrolyse décarbonée, via les énergies renouvelables ou le nucléaire, et de capter du CO2 à grande échelle, atmosphérique ou issu de fumées industrielles. Quant au procédé Fischer-Tropsch, il est déjà certifié pour l’aviation et autorise un taux d’incorporation de 50% dans les moteurs conventionnels.
«Les carburants synthétiques auraient l’avantage de pouvoir valoriser l’hydrogène dans les avions existants, y compris dans les long-courriers, souligne Glenn Llewellyn, d’Airbus. Ils ne souffrent pas des limites que connaissent les biocarburants en termes d’approvisionnement. Reste que leur bilan économique n’est pas encore évident.»
D’autant que certaines briques technologiques, notamment la captation de CO2, ne sont pas assez matures. Sur ce sujet, rapporte le cabinet Oliver Wyman, deux sociétés se distinguent, l’allemand Sunfire et l’américain Lanzatech. Encore peu médiatisés, ces carburants pourraient assurer la jonction entre les biocarburants et l’hydrogène.
8 - Il volera grâce à l’hydrogène
Airbus Fin 2020, Airbus a dévoilé un nouveau design envisageable d’avion à hydrogène : il possède 6 nacelles, chacune équipée de 8 hélices et alimentée par une pile à combustible. ©Airbus
C’est l’horizon du transport aérien, impulsé par Airbus en septembre dernier : développer un avion 100% hydrogène d’ici à 2035. «Cette source d’énergie a le plus grand potentiel pour réduire l’impact climatique du transport aérien car elle ne réduira pas seulement les effets liés au CO2», fait savoir Glenn Llewellyn, d’Airbus.
Les émissions de NOx et les traînées de condensation seraient moindres. C’est face au constat des faibles progrès des batteries électriques qu’Airbus s’est penché sérieusement sur l’hydrogène, dès 2018. L’avionneur européen a lancé trois projets parallèles le temps de la phase exploratoire, comprenant la combustion directe de l’hydrogène dans les turbines et l’utilisation de pile à combustible pour les besoins en énergie non propulsive.
De nombreux obstacles restent à franchir, comme ceux de l’encombrement, l’hydrogène étant quatre fois plus volumineux, et du maintien à une température de -253°C pour assurer son stockage, imposant l’usage d’un système cryogénique. «Cela nécessite d’adapter le moteur, mais aussi tout le circuit carburant, qui sera plus complexe, pour assurer la gestion de l’hydrogène dans le réservoir sous forme liquide, puis le vaporiser et le comprimer avant de l’injecter dans le moteur», détaille Stéphane Cueille, de Safran.
Ce qui s’apparente à ce qui est mis en œuvre dans le lanceur spatial Ariane. Et conduit à d’importants enjeux de démonstration de sécurité pour la certification. L’emploi de l’hydrogène suppose aussi une infrastructure de production verte et de distribution, qui pourrait s’appuyer sur le déploiement du transport routier.
«Un très petit avion alimenté par une pile à combustible à hydrogène existe, nous l’avons réalisé, lance Sean Newsum, de Boeing. Mais peut-on réaliser un avion de ligne motorisé par un système de propulsion à hydrogène ?» L’avion vert promet de déplacer en partie le duel Airbus-Boeing sur le terrain énergétique…
L'Usine Nouvelle
Une feuille de route ambitieuse
Le secteur aéronautique n’a pas attendu la récente pression sociétale et politique pour s’efforcer de réduire son impact CO2. La raison en est simple : l’objectif va de pair avec l’obsession des compagnies aériennes de réduire leur consommation de carburant, qui pèse environ un tiers de leur coût d’exploitation. Dès 2008, dans la foulée de l’entrée en vigueur du protocole de Kyoto, le secteur aérien s’engage à diviser par deux ses émissions de CO2 en 2050, par rapport à 2005. Alors même que le trafic double environ tous les quinze ans. Pour y parvenir, le secteur doit atteindre la neutralité carbone durant la période 2020-2035, misant sur le renouvellement des flottes, sur les technologies, mais aussi sur le système de compensation Corsia, piloté par l’Organisation de l’aviation civile internationale (Oaci), via le financement de projets de type reforestation. À partir de 2035, les carburants alternatifs et autres solutions de rupture, comme l’hydrogène, devront prendre le relais...
Des étudiants plus sensibles à l’environnement
Priorité des industriels, l’avion vert devient une préoccupation majeure des étudiants. «Lorsque j’étais étudiant ingénieur, il y a une trentaine d’années, on pensait surtout à faire des avions plus rapides, plus performants, témoigne Jean-Marc Moschetta, professeur d’aérodynamique au sein de l’école aéronautique Isae-Supaero. La sensibilité environnementale des étudiants ingénieurs devient de plus en plus forte depuis plusieurs années.» Pour preuve, l’apparition de deux mouvements, SupAero for earth et SupAero-Decarbo, prônant une aviation décarbonée et qui regrouperaient environ 200 personnes.
Alors que certains étudiants seraient prêts à se diriger vers le ferroviaire, d’autres lorgneraient les métiers du bilan carbone et du conseil. «La crise sanitaire liée au Covid-19 a amplifié le phénomène, remettant aussi en cause le modèle économique du secteur aérien et de l’industrie aéronautique», souligne l’enseignant.
D’où l’attrait, pour certains étudiants, du concept de low tech, valorisant l’existant pour innover. Depuis plusieurs années, les formations de l’Isae-SupAero ont commencé à prendre ce virage. Des modules sur la transition énergétique, la climatologie et la low tech en première année, un autre sur les enjeux environnementaux en deuxième année, un certificat aéronautique et environnement en troisième année...
«Il faut reconnaître que le contenu va devoir davantage prendre en compte les besoins de l’industrie en la matière, en particulier concernant les nouvelles sources d’énergie», reconnaît Jean-Marc Moschetta. Une évolution de la formation qui pourrait par ailleurs relancer l’attractivité du secteur chez les jeunes.
