L’humanité cherche à réduire drastiquement la consommation des combustibles fossiles. Néanmoins, la densité énergétique des dérivés du pétrole est tellement forte que c’est difficile de les remplacer pour propulser les avions. Par exemple, la densité énergétique des batteries au lithium et des 0,4 kW kilos, contre les 13 km par kg du kérosène. Ce qui rend les batteries et leur poids un handicap majeur pour la diffusion des avions électriques, surtout pour les moyennes et longues distances, qu’il s’agisse d’un jet privé ou de ligne.
La nécessité de concevoir des jets privés et de ligne plus écologiques
Les gens pointent du doigt de plus en plus les jets privés et de ligne pour leur impact sur le réchauffement climatique. Alors que l’aviation contribue seulement pour 3,5 % au logement climatique, contre 50 % pour le transport en général, l’opinion publique la considère parmi les principaux contributeurs à l’aggravation de la situation. Bien sûr il y a beaucoup de recherche en cours, et en 2018 Boeing a fait voler pour la première fois un jet de ligne avec 100 % de biocarburant. toujours est-il que les biocarburants posent des problèmes, dans la mesure où, afin de les produire, il faut soustraire du terrain à l’agriculture traditionnelle, accentuant ainsi la pénurie de nourriture qui déjà affecte des centaines de millions d’individus.
Le développement du moteur à hydrogène
Une autre voie à parcourir c’est le développement du moteur à hydrogène. Pour être écologique, l’hydrogène doit être produit soit par électrolyse avec des énergies renouvelables, ou alors avec le gaz naturel utilisant des technologies des captures et stockage du carbone. L’hydrogène peut être utilisé de trois manières : comme combustible de moteurs jets légèrement modifié, pour produire de l’électricité à travers les cellules à combustible et alimenter ainsi des moteurs électriques, ce qui est plus léger que les batteries. En troisième lieu, il peut être utilisé pour produire des biocarburants.
Côté européen, ACARE (Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe) s’est fixé un objectif 2050 très ambitieux qui est d’atteindre une réduction de 75% de CO2 par passager kilomètre pour les nouvelles technologies (avions / moteurs) avec de nouvelles pratiques opérationnelles ( gestion du trafic aérien, optimisation des vols) en 2050 par rapport aux aéronefs, moteurs et opérations représentatifs de l’an 2000.
Les deux plus grands avionneurs du monde, Airbus et Boeing, ont déjà élaboré des plans pour équiper leurs avions avec des moteurs à hydrogène. J’ai déjà écrit ici d’Airbus et de ses projets pour développer des jets de ligne à hydrogène, qui devrait entrer en service vers 2035. Boeing a déjà fait voler en 2008 un avion propulsés par des cellules à combustible alimentées à hydrogène.
Quatre ans plus tard, la société a dévoilé le Phantom Eye, un véhicule aérien sans pilote (UAV) fonctionnant à l’hydrogène liquide. Il a été conçu pour effectuer des missions de reconnaissance allant jusqu’à quatre jours à une altitude de 20 000 mètres. Cependant, Boeing n’a pas été en mesure de vendre le drone à l’armée et il s’agit désormais d’une pièce de musée.
Boeing estime qu’il faudra 20 ans avant que ses premiers avions à hydrogène est en service. Dans l’immédiat, l’avionneur américaine songe plutôt à un mix de solutions, dans lequel les biocarburants vont jouer un rôle important.
Poids et densité d’énergie
Le plus gros obstacle au vol propulsé à l’hydrogène est le poids supplémentaire requis pour le stockage du carburant, que ce soit sous forme gazeuse ou liquide. Pour l’hydrogène liquide, le défi consistera à fabriquer des réservoirs légers isolés sous vide qui maintiennent le carburant en dessous de son point d’ébullition de 20 K. Le gaz entraîne une pénalité de poids plus importante, car les réservoirs doivent être construits pour résister à des pressions élevées de 250 à 350 bar.
L’hydrogène nécessite des réservoirs qui pèsent quatre fois le carburant qu’ils contiennent!
Mesuré en mégajoules par kilogramme, l’hydrogène liquide offre 2,8 fois la densité énergétique du carburant d’aviation. Mais en termes de carburant combiné et de poids du réservoir, le carburant aviation a un avantage de 1,6 sur l’hydrogène. Alors que le carburant aviation constitue environ 78% du poids combiné du réservoir et du carburant, l’hydrogène liquide ne représente que 18% du total dans les conceptions de stockage actuelles. Pour concurrencer les combustibles fossiles, la fraction pondérale du combustible doit atteindre au moins 28%.
Comparé aux hydrocarbures, l’hydrogène liquide a une énergie beaucoup plus faible par unité de volume. Une solution potentielle est une conception mixte aile-fuselage.
ZeroAvia, un pionier
ZeroAvia utilisera de l’hydrogène comprimé à 350 bars sur l’avion à pile à combustible qu’elle prévoit de faire voler sur de courts trajets de 500 milles marins (environ 900 km) ou moins. Mais un système de stockage sous pression nécessite un réservoir beaucoup plus robuste et occuperait environ deux fois plus d’espace que les réservoirs contenant de l’hydrogène liquide. Ce n’est pas faisable pour les gros avions de ligne transportant 150 personnes ou plus sur des vols plus longs.
D’ici la fin de la décennie, ZeroAvia prévoit de lancer un avion à pile à combustible de 50 à 100 passagers propulsé par l’hydrogène liquide. Les réservoirs seraient fabriqués à partir de combinaisons de composites et de résines existants. Le rapport poids carburant / réservoir actuel de ZeroAvia est de 11 à 12% pour l’hydrogène gazeux. La société teste actuellement des réservoirs d’hydrogène liquide dont les ratios sont supérieurs à 50%.
L’avion à pile à combustible à six places de ZeroAvia a effectué son vol inaugural en septembre 2020 à Cranfield, au Royaume-Uni. La société affirme qu’il s’agit du plus grand avion à hydrogène au monde.