Avec la croissance rapide et globale du transport aérien, la conception des avions est mûre pour la décarbonation, mais le vol électrique généralisé nécessite de meilleures batteries et des systèmes légers.

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 les 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. Ces groupes motopropulseurs gagnent déjà du terrain sur le terrain, les ventes mondiales de voitures électriques ayant 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.

Pourtant, trouver des alternatives respectueuses de l'environnement, à la fois performantes et rentables, est "d'une importance capitale", a déclaré Fabio Russo, responsable de la recherche et du développement chez l'avionneur Tecnam à Capoue, en Italie.

Évolutivité

Russo a dirigé le projet 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 encore, 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 qu'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 plus 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 quadriplace à le faire en utilisant un système hybride parallèle, H3PS a souligné cette réalisation comme "une étape majeure dans le cheminement de l'industrie aéronautique vers la décarbonisation 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 signifiera également que le CO₂ n'est pas sauvegardé 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.

Interférences électromagnétiques

Par exemple, le projet EASIER a conçu 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 principal chez Collins Aerospace, basé à Cork, en Irlande, est le coordinateur d'EASIER. He said the project has been looking into EMI filtering and wiring options with lower volume and weight for electrical powertrains in aircraft, plus "two-phase" cooling systems and methods to improve rates of heat transfer to an aircraft's exterior.

He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.

"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."

Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.

Trade-offs

There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.

He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.

"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.

Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.

Right direction

Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."

Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.

That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."

There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Explorer plus loin

Sustainable electric aircraft