Les avions électriques peuvent sembler futuristes, mais ils ne sont pas si loin, du moins pour les petits sauts.

Les Velis Electros biplaces bourdonnent déjà tranquillement en Europe, des hydravions électriques sont testés en Colombie-Britannique et des avions plus gros arrivent. Air Canada a annoncé le 15 septembre 2022 qu'elle achèterait 30 avions régionaux hybrides électriques à la société suédoise Heart Aerospace, qui s'attend à ce que son avion de 30 places soit en service d'ici 2028. Les analystes du U.S. National Renewable Energy Lab notent que le premier avion hybride électrique de 50 à 70 places pourrait être prêt peu de temps après. Dans les années 2030, disent-ils, l'aviation électrique pourrait vraiment décoller.

C'est important pour la gestion du changement climatique. Environ 3 % des émissions mondiales proviennent de l'aviation aujourd'hui, et avec plus de passagers et de vols attendus à mesure que la population augmente, l'aviation pourrait produire trois à cinq fois plus d'émissions de dioxyde de carbone d'ici 2050 qu'avant la pandémie de COVID-19.

L'ingénieur aérospatial et professeur adjoint Gökçin Çınar développe des concepts d'aviation durable, notamment des avions hybrides électriques et des alternatives à l'hydrogène, à l'Université du Michigan. Nous l'avons interrogée sur les principaux moyens de réduire les émissions de l'aviation aujourd'hui et sur la direction que prennent des technologies telles que l'électrification et l'hydrogène.

Pourquoi l'aviation est-elle si difficile à électrifier ?

Les avions sont parmi les véhicules les plus complexes, mais le plus gros problème pour les électrifier est le poids de la batterie.

Si vous essayiez d'électrifier complètement un 737 avec les batteries d'aujourd'hui, vous devriez retirer tous les passagers et le fret et remplir cet espace avec des batteries juste pour voler pendant moins d'une heure.

Le carburéacteur peut contenir environ 50 fois plus d'énergie que les batteries par unité de masse. Ainsi, vous pouvez avoir 1 livre de carburéacteur ou 50 livres de batteries. Pour combler cet écart, nous devons soit alléger les batteries lithium-ion, soit développer de nouvelles batteries qui contiennent plus d'énergie. De nouvelles batteries sont en cours de développement, mais elles ne sont pas encore prêtes pour les avions.

Une alternative électrique est les hybrides.

Même si nous ne sommes peut-être pas en mesure d'électrifier complètement un 737, nous pouvons obtenir des avantages en matière de consommation de carburant grâce aux batteries des plus gros jets en utilisant des systèmes de propulsion hybrides. Nous essayons de faire en sorte que cela se produise à court terme, avec un objectif 2030-2035 pour les petits avions régionaux. Moins de carburant est consommé pendant le vol, moins il y a d'émissions de gaz à effet de serre.

Comment l'aviation hybride fonctionne-t-elle pour réduire les émissions ?

Les avions électriques hybrides sont similaires aux voitures électriques hybrides en ce sens qu'ils utilisent une combinaison de batteries et de carburants d'aviation. Le problème est qu'aucune autre industrie n'a les limites de poids que nous avons dans l'industrie aérospatiale.

C'est pourquoi nous devons être très intelligents sur comment et dans quelle mesure nous hybridons le système de propulsion.

L'utilisation de batteries comme assistance électrique pendant le décollage et la montée est une option très prometteuse. Le roulage vers la piste en utilisant uniquement de l'énergie électrique pourrait également économiser une quantité importante de carburant et réduire les émissions locales dans les aéroports. Il y a un juste milieu entre le poids supplémentaire de la batterie et la quantité d'électricité que vous pouvez utiliser pour obtenir des avantages nets en matière de carburant. Ce problème d'optimisation est au centre de mes recherches.

Les hybrides consommeraient toujours du carburant pendant le vol, mais cela pourrait être considérablement moins que de simplement compter entièrement sur le carburéacteur.

Je considère l'hybridation comme une option à moyen terme pour les gros porteurs, mais comme une solution à court terme pour les avions régionaux.

Pour 2030 à 2035, nous nous concentrons sur les turbopropulseurs hybrides, généralement des avions régionaux de 50 à 80 passagers ou utilisés pour le fret. Ces hybrides pourraient réduire la consommation de carburant d'environ 10 %.

Avec les hybrides électriques, les compagnies aériennes pourraient également utiliser davantage les aéroports régionaux, réduisant ainsi la congestion et le temps que les gros avions passent au ralenti sur la piste.

Qu'attendez-vous à court terme de l'aviation durable ?

À plus court terme, nous verrons davantage d'utilisation de carburants d'aviation durables, ou SAF. Avec les moteurs d'aujourd'hui, vous pouvez vider du carburant d'aviation durable dans le même réservoir de carburant et le brûler. Des carburants à base de maïs, d'oléagineux, d'algues et d'autres graisses sont déjà utilisés.

Les carburants d'aviation durables peuvent réduire les émissions nettes de dioxyde de carbone d'un avion d'environ 80 %, mais l'offre est limitée, et l'utilisation de plus de biomasse pour le carburant pourrait entrer en concurrence avec la production alimentaire et entraîner la déforestation.

Une deuxième option consiste à utiliser des carburants d'aviation synthétiques durables, qui consistent à capturer le carbone de l'air ou d'autres processus industriels et à le synthétiser avec de l'hydrogène. Mais c'est un processus complexe et coûteux qui n'a pas encore une grande échelle de production.

Les compagnies aériennes peuvent également optimiser leurs opérations à court terme, comme la planification des itinéraires pour éviter de faire voler des avions presque vides. Cela peut également réduire les émissions.

L'hydrogène est-il une option pour l'aviation ?

L'hydrogène comme carburant existe depuis très longtemps, et lorsqu'il s'agit d'hydrogène vert, produit avec de l'eau et de l'électrolyse alimentée par des énergies renouvelables, il ne produit pas de dioxyde de carbone. Il peut également contenir plus d'énergie par unité de masse que les batteries.

Il existe deux façons d'utiliser l'hydrogène dans un avion :soit à la place du carburéacteur ordinaire dans un moteur, soit combiné avec de l'oxygène pour alimenter des piles à hydrogène, qui génèrent ensuite de l'électricité pour alimenter l'avion.

Le problème est le volume - l'hydrogène gazeux prend beaucoup de place. C'est pourquoi les ingénieurs étudient des méthodes telles que le garder très frais afin qu'il puisse être stocké sous forme liquide jusqu'à ce qu'il soit brûlé sous forme de gaz. Il prend encore plus de place que le carburéacteur et les réservoirs de stockage sont lourds, donc comment le stocker, le manipuler ou le distribuer à bord des avions est encore en cours d'élaboration.

Airbus effectue de nombreuses recherches sur la combustion de l'hydrogène à l'aide de moteurs à turbine à gaz modifiés avec une plate-forme A380 et vise à disposer d'une technologie mature d'ici 2025. La compagnie aérienne australienne Rex prévoit de commencer à tester un avion électrique à hydrogène de 34 places pour de courts sauts dans le prochaines années.

En raison de la variété des options, je considère l'hydrogène comme l'une des technologies clés pour une aviation durable.

Ces technologies permettront-elles d'atteindre les objectifs de l'industrie aéronautique en matière de réduction des émissions ?

Le problème avec les émissions de l'aviation n'est pas leurs niveaux actuels, c'est la crainte que leurs émissions augmentent rapidement à mesure que la demande augmente. D'ici 2050, nous pourrions voir trois à cinq fois plus d'émissions de dioxyde de carbone provenant de l'aviation qu'avant la pandémie.

L'Organisation de l'aviation civile internationale, une agence des Nations Unies, définit généralement les objectifs de l'industrie, en examinant ce qui est faisable et comment l'aviation peut repousser les limites.

Son objectif à long terme est de réduire les émissions nettes de dioxyde de carbone de 50 % d'ici 2050 par rapport aux niveaux de 2005. Pour y parvenir, il faudra un mélange de différentes technologies et une optimisation. Je ne sais pas si nous pourrons l'atteindre d'ici 2050, mais je crois que nous devons tout faire pour rendre l'aviation du futur écologiquement durable. + Explorer plus loin

Analyse des performances des avions évolutifs à hydrogène

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.