L’aviation verte prend son envol avec des conceptions d’avions électriques

PAR GARETH WILLMER

Alors que l’industrie aéronautique émerge de l’impact de la pandémie de COVID-19, lorsque le nombre de passagers a chuté, le nombre de vols augmente à nouveau. L’industrie se remet aux niveaux d’avant la pandémie de voyages aériens de passagers, certaines estimations prévoyant une croissance de plus de 40 % d’ici 2050.

En général, mis à part les crises, les voyages aériens de passagers ont tendance à doubler tous les 15 ans, le secteur de l’aviation s’avérant également l’une des sources d’émissions de gaz à effet de serre (GES) à la croissance la plus rapide. Il représente actuellement 2 % des émissions mondiales de GES, mais il est prévu qu’il triple potentiellement d’ici 2050 par rapport aux niveaux de 2015 sur sa trajectoire actuelle.

Étant donné que le Green Deal européen appelle à la neutralité climatique d’ici 2050, une réinitialisation verte est nécessaire pour améliorer la durabilité de l’aviation. Suivez le lien pour en savoir plus sur le mesures que l’UE préconise pour réduire les émissions de l’aviation.

L’aviation devient plus efficace grâce à l’amélioration des moteurs, mais la décarbonisation appelle des alternatives aux avions actuels gourmands en combustibles fossiles.

Les systèmes de propulsion hybrides électriques et entièrement électriques offrent une réponse. De tels groupes motopropulseurs gagnent déjà en traction sur le terrain, avec les ventes mondiales de voitures électriques ont doublé l’an dernier pour atteindre 6,6 millions.

De nombreux projets sont en cours pour que l’aviation emboîte le pas, mais ils font face à de nombreux défis, dont le poids des batteries n’est pas le moindre. Suivez le lien pour en savoir plus sur la conception d’avions durables dans Horizon Magazine.

Pourtant, trouver des alternatives respectueuses de l’environnement qui sont à la fois performantes et rentables est d’une « importance primordiale », a déclaré Fabio Russo, responsable de la recherche et du développement chez l’avionneur Tecnam à Capoue, en Italie.

Évolutivité

Russo a dirigé le H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), qui a étudié le potentiel des systèmes hybrides électriques dans les avions dits « d’aviation générale » (GA).

Couvrant plus de 400 000 avions civils dans le monde, cette catégorie comprend les avions privés, les jets d’affaires, les hélicoptères et plus, mais pas les avions de ligne commerciaux.

En tant qu’avions qui ont tendance à être relativement petits, l’initiative H3PS les considère comme une première étape vers le développement de systèmes de propulsion électrique pour des vols plus larges.

« Nous avons besoin de solutions environnementales aujourd’hui, et le projet H3PS a été réalisé pour prouver qu’il s’agissait d’une solution efficace, légère et évolutive », a déclaré Russo.

« Évolutif signifie que vous pouvez faire passer ce concept d’un avion à quatre places à un avion à 11 places ou, éventuellement, à plus de places. »

Groupe motopropulseur hybride

Le projet a également impliqué Rolls-Royce et le motoriste Rotax. L’un de ses objectifs était de piloter un avion à quatre places propulsé par ce que l’on appelle un «groupe motopropulseur hybride parallèle» – combinant à la fois un moteur à combustion interne traditionnel et un moteur électrique.

Le système de propulsion hybride peut donner un « boost » de puissance à l’avion pendant les phases de vol telles que le décollage et la montée, explique Russo. Avec un hybride, vous pouvez, par exemple, utiliser un moteur à carburant avec une puissance inférieure à la normale et combler le vide pour que l’avion décolle et monte avec un moteur électrique.

« Vous pouvez donc avoir accès à un moteur à faible consommation de carburant », a déclaré Russo.

Cette approche permet de réduire la taille et le poids du moteur, ce qui permet d’inclure la batterie du moteur électrique sans ajouter de poids significatif au système.

À la fin de l’année dernière, le projet a réussi à prendre son envol avec son avion Tecnam P2010 H3PS. En tant que premier quatre places à le faire en utilisant un système hybride parallèle, H3PS a souligné la réalisation comme « une étape majeure dans le parcours de l’industrie aéronautique vers la décarbonation et la R&D sur les groupes motopropulseurs alternatifs ».

Économie de batterie

Néanmoins, Russo a souligné que le projet visait à démontrer la faisabilité d’un tel avion plutôt que de créer un produit pour le marché. Il reste du chemin à parcourir pour en faire une réalité à grande échelle, a-t-il déclaré.

« Il y a encore beaucoup de limites en termes économiques derrière le développement de ce type de moteur et d’avion », a déclaré Russo.

L’un des principaux facteurs limitants est la façon dont les batteries se détériorent au fur et à mesure qu’elles se rechargent. Cela signifie qu’il y a un coût élevé pour continuer à les remplacer dans des délais qui, à l’heure actuelle, selon les estimations de Russo, pourraient être aussi courts que quelques mois.

Il pense que les améliorations reposent sur une véritable volonté, soutenue par le soutien de l’industrie de la fabrication de batteries, pour stimuler la technologie des batteries, tout en réduisant les coûts d’expédition et de démantèlement et en améliorant l’économie circulaire.

« Une économie locale pour la fabrication de batteries est essentielle », a déclaré Russo. « Cela signifie également que le CO2 n’est pas économisé uniquement pendant le fonctionnement, mais bien avant et après l’utilisation de la batterie dans un avion. »

Il a ajouté que pour les composants d’avions dans leur ensemble, il fallait se concentrer sur le cycle de vie complet de bout en bout et sur l’impact des produits.

Hybrides viables

Russo pense que ces avions hybrides pourraient devenir plus viables économiquement d’ici 2030 environ, avec le potentiel d’économiser considérablement sur les émissions dans certaines phases de vol.

Un test effectué par son équipe a indiqué une réduction potentielle de 50 % des émissions de carbone lors du décollage et de la montée initiale, et de 20 % pendant l’ensemble du trajet de trois heures, suggérée par la moindre quantité de carburant utilisée.

« A la fin du vol, lorsque nous avons mesuré le carburant que nous avons consommé, la différence était remarquable », a déclaré Russo.

D’autres projets étudient comment optimiser différents composants pour les futurs systèmes d’aviation à propulsion électrique afin de les rendre aussi légers que possible, ainsi que sûrs et efficaces.

Interférence électromagnétique

Par exemple, le Projet PLUS FACILE conçoit des systèmes pour limiter les interférences électromagnétiques (EMI) entre les composants qui peuvent affecter le fonctionnement d’un avion.

L’équipe étudie également des méthodes thermiques pour mieux dissiper la chaleur générée par les composants électriques. Tout cela en essayant de garantir que l’avion reste léger, en tenant compte de la taille et du poids des batteries actuelles.

Le Dr Ignacio Castro, ingénieur principal senior chez Collins Aerospace, basé à Cork, en Irlande, est le coordinateur d’EASIER. Il a déclaré que le projet examinait les options de filtrage et de câblage EMI avec un volume et un poids inférieurs pour les groupes motopropulseurs électriques dans les avions, ainsi que des systèmes de refroidissement «biphasés» et des méthodes pour améliorer les taux de transfert de chaleur vers l’extérieur d’un avion.

Il a expliqué qu’il est nécessaire de se préparer dès maintenant à l’avenir à long terme des systèmes électriques. «Toute modification que nous apportons à un avion pour le rendre plus écologique pourrait potentiellement augmenter le poids de l’avion», a déclaré le Dr Castro.

«Cela augmente également la quantité de carburant consommée, de sorte que nous pourrions ne pas avoir un avion entièrement prêt pour le vol. Nous devons rendre les choses plus petites.

Certains des travaux à venir d’EASIER impliquent une enquête plus approfondie sur les compromis entre les méthodes. «L’idée est que nous verrons comment les systèmes thermiques affectent l’EMI et vice versa, pour voir quelles sont les implications», a déclaré le Dr Castro.

Compromis

Il y a toutes sortes d’autres compromis à comprendre lorsqu’il s’agit de fabriquer des avions électriques. Par exemple, tout en réduisant le poids des objets, cela peut également les faire chauffer plus rapidement, tout comme une petite maison se réchauffe plus rapidement lorsqu’elle est chauffée. « C’est le genre de compromis entre le poids, la taille et l’efficacité, et ce n’est pas si simple », a déclaré le Dr Castro.

Il a ajouté que l’intégration de toutes les technologies individuelles dans un système d’avion global qui fonctionne bien sera la clé des recherches futures.

«Il s’agit de comprendre à quoi les architectures doivent ressembler pour être rendues aussi efficaces que possible», a déclaré le Dr Castro.

En le comparant à la construction, il a souligné que vous ne pouvez pas simplement assembler des briques de quelque manière que ce soit pour créer un bâtiment. « Vous devez assembler les choses d’une manière intelligente dans le contexte de la fourniture d’énergie », a-t-il déclaré.

Bonne direction

Bien qu’il y ait de nombreux problèmes complexes à résoudre dans l’aviation électrique, le Dr Castro pense que les choses commencent à évoluer dans la bonne direction. « Je pense que nous prenons la bonne voie vers l’aviation hybride-électrique, et il y a beaucoup d’intérêt et de nombreux programmes », a-t-il déclaré. « Ce serait la première étape pour commencer à réduire les émissions de carbone. »

Il est également essentiel de garantir le bon fonctionnement et la sécurité de ces nouveaux systèmes. La sécurité est primordiale et un seul accident suffit à générer de gros titres et beaucoup de peur.

Cela signifie qu’il faut faire très attention aux développements. «Il y a un risque de dire que les choses vont être formidables, en particulier lorsque les choses doivent être extrêmement fiables pour les avions», a souligné le Dr Castro. « C’est un changement de paradigme dans la technologie. »

Il y a aussi beaucoup d’investissements nécessaires et de nombreuses questions à résoudre dans les décennies à venir, a-t-il déclaré. « Le défi d’atteindre des émissions nettes nulles dans l’UE d’ici 2050 est un énorme défi, et je ne pense pas qu’à l’heure actuelle, quiconque ait une réponse définitive », a déclaré le Dr Castro. « C’est la question à un million de dollars. »

La recherche dans cet article a été financée par l’UE et publiée à l’origine dans Horizonle magazine européen de la recherche et de l’innovation.

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