L'industrie aéronautique est en pleine transformation, face à l'urgence de réduire son empreinte environnementale, qui se trouve au cœur de cette évolution, à savoir l'évolution de la poussée des avions, les systèmes qui propulsent les avions à travers le ciel. Les moteurs à réaction traditionnels, qui dominent l'aviation commerciale depuis des décennies, sont réinventés par la propulsion électrique, les architectures hybrides, l'hydrogène et les carburants durables avancés.Ces technologies promettent de réduire les émissions de carbone, d'améliorer l'efficacité énergétique et, à terme, de permettre un secteur de l'aviation zéro.

Le changement vers une propulsion durable

Le secteur de l'aviation mondiale contribue à environ 2,5 % des émissions de CO2 induites par l'homme, chiffre qui augmente lorsque les effets non CO2 sont inclus. La demande de transport aérien devrait augmenter, l'industrie ne peut compter uniquement sur des gains d'efficacité pour atteindre les objectifs climatiques.Les nouvelles technologies de propulsion sont essentielles. Contrairement aux améliorations graduelles de la conception des turbines à gaz au cours des 50 dernières années, les innovations actuelles visent une réduction progressive des émissions du cycle de vie.

Systèmes de propulsion électrique

La propulsion électrique utilise l'énergie stockée dans les batteries ou générée par les piles à combustible pour conduire des moteurs électriques qui tournent des hélices ou des ventilateurs. L'avantage majeur est de zéro émission directe en vol. Pour les routes à courte distance, définies comme des trajets de moins de 500 milles, les avions électriques pourraient devenir commercialement viables au cours de cette décennie.

Limitations et percées de la batterie

Les batteries au lithium-ion sont actuellement à l'heure de 250 à 300 watts-heures par kilogramme, soit beaucoup moins que le 12 000 Wh/kg de carburant pour le jet lorsqu'elles prennent en compte l'efficacité du moteur. Cette disparité limite la portée et la charge utile. Cependant, la technologie de la batterie progresse rapidement. Les batteries à l'état solide, les piles au lithium-sulfure et les nouveaux matériaux de cathode promettent des densités d'énergie de 400 à 500 Wh/kg ou plus au cours de la prochaine décennie.

Innovations en moteurs et en hélices électriques

Les moteurs électriques à haute densité, utilisant des aimants permanents, des matériaux supraconducteurs ou un refroidissement avancé, permettent des systèmes de poussée qui rivalisent avec les petites turbines en performance. La propulsion électrique distribuée, où plusieurs petits moteurs sont disposés le long de l'aile, améliore l'efficacité aérodynamique et réduit le bruit.Ces conceptions permettent également une redondance et une plus grande autorité de contrôle, particulièrement utile pour les avions eVTOL opérant en milieu urbain.

Architectures électriques hybrides

La propulsion hybride électrique combine une turbine à gaz ou un moteur à combustion interne avec un moteur électrique et un système de batteries. Cette configuration permet au moteur de fonctionner à son point le plus efficace tandis que le moteur électrique fournit une poussée supplémentaire pendant le décollage et la montée. Sur la descente, les moteurs peuvent agir comme générateurs pour recharger les batteries.

Séries vs Hybrides Parallèles

Dans une série hybride, le moteur conduit un générateur qui alimente exclusivement les moteurs électriques; il n'y a pas de connexion mécanique au propulseur. Cela permet au moteur de rouler à une vitesse constante et optimale, indépendamment de la demande de poussée. Dans une série hybride parallèle, le moteur et le moteur peuvent conduire l'hélice directement, avec l'aide du moteur pendant les phases de puissance élevée. Chaque architecture a des compromis en poids, complexité et efficacité.

Gestion thermique et distribution d'énergie

Les systèmes hybrides génèrent une chaleur importante du moteur et des composants électriques. Une gestion thermique avancée à l'aide de refroidissement liquide, de matériaux de changement de phase ou de pompes à chaleur est nécessaire pour prévenir la dégradation des performances.La distribution de puissance présente également des défis : le câblage haute tension (800V ou plus) exige une isolation et une protection attentive contre les défauts d'arc.

Hydrogène: Piles à combustible et combustion

L'hydrogène est l'une des options à long terme les plus prometteuses pour une poussée aérienne durable. Il peut être utilisé de deux façons: dans les piles à combustible pour produire de l'électricité pour les moteurs électriques, ou brûlé directement dans les turbines à gaz modifiées. Lorsqu'il est produit à partir de sources renouvelables (hydrogène vert), il produit zéro émission de CO2.

Propulsion des piles à combustible

Les piles à combustible convertissent l'hydrogène et l'oxygène en électricité, en chaleur et en eau avec un rendement élevé, soit environ 50 à 60 % par rapport à 30 à 40 % pour les petites turbines. Elles peuvent alimenter des moteurs électriques pour les hélices ou les ventilateurs canalisés. Les principaux obstacles sont le poids et le volume de stockage de l'hydrogène, ainsi que la densité de puissance limitée des piles à combustible actuelles. Pour les aéronefs régionaux, l'hydrogène liquide stocké à -253 °C est préféré au gaz comprimé parce qu'il offre une densité d'énergie plus élevée par volume.

Moteurs à combustion d'hydrogène

La combustion d'hydrogène dans une turbine à gaz modifiée est une voie plus simple que les piles à combustible, en tirant parti de l'expertise existante en matière de fabrication de moteurs. Les turbines à combustion d'hydrogène peuvent atteindre des rendements thermiques comparables aux moteurs à kérosène, mais elles nécessitent des combustibles redessinés pour contrôler la température des flammes et réduire la formation d'oxyde d'azote (NOx). L'hydrogène a une plage d'inflammabilité beaucoup plus large que le carburant à réaction, de sorte que les systèmes de distribution de carburant doivent être soigneusement conçus pour prévenir les flashbacks et les fuites. CFM International et Rolls-Royce ont déjà testé la combustion d'hydrogène dans de petits moteurs démonstrateurs.

Stockage de l'hydrogène et infrastructure

Pour pouvoir surmonter cet obstacle, il faut des réservoirs à haute pression (350 à 700 bar) ou des réservoirs à liquides cryogéniques. L'hydrogène liquide offre une meilleure densité énergétique en masse, mais nécessite des systèmes cryogéniques sophistiqués pour maintenir la température. Les réservoirs sont lourds, ajoutant actuellement 20 à 30 % au poids vide de l'aéronef par rapport aux réservoirs de kérosène. Au sol, les aéroports devront construire des infrastructures de production, de liquéfaction et de ravitaillement en hydrogène.

Les carburants d'aviation durables (FSA) et leur rôle

Les technologies électriques et hydrogène sont les principales sources d'énergie, mais les carburants d'aviation durables (FAS) sont la solution la plus immédiatement déployable pour réduire les émissions de carbone des aéronefs existants. Les FAS sont des carburants d'alimentation à base de matières premières renouvelables, comme l'huile de cuisson usée, les résidus agricoles ou les déchets municipaux. Ils peuvent être mélangés avec le Jet A-1 conventionnel jusqu'à 50% (et bientôt 100% avec l'approbation de l'ASTM) sans aucune modification moteur.

Voies menant à la production de la FAS

Les deux principales voies sont les Esters hydroprocédés et les acides gras (HEFA) et l'Alcool-to-Jet (ATJ). L'HEFA est la plus mature, utilisant des huiles et des graisses. L'ATJ convertit l'éthanol ou l'isobutanol en carburant à réaction. Les voies plus avancées comprennent la synthèse Fischer-Tropsch à partir de biomasse gazifiée ou de CO2 capté et Power-to-Liquid (PtL) qui utilise de l'électricité renouvelable pour produire du kérosène synthétique. PtL a des émissions de cycle de vie presque nul, mais est actuellement coûteuse en raison des coûts élevés de l'électricité et de la faible efficacité de la conversion.

Compatibilité et certification

Les SAF sont certifiés « immersion » parce que leurs propriétés chimiques sont presque identiques au carburant à réaction classique. Cela signifie qu'aucun changement n'est nécessaire aux moteurs, aux systèmes de carburant ou aux réservoirs de stockage. Cependant, les SAF à haute teneur ou à 100 % nécessitent des essais supplémentaires pour assurer la compatibilité des matériaux et les propriétés du flux froid. Les organismes de réglementation comme ASTM International ont approuvé plusieurs voies, et d'autres sont en cours d'examen.

Conceptions de moteurs de prochaine génération

Même sans changer le type de carburant, les fabricants de moteurs repoussent les limites de l'efficacité de la turbine à gaz.La dernière génération de turbofans à haut régime, comme Pratt & Whitney GTF[ et CFM LEAP[, produisent 15 à 20 % de plus de combustion que les moteurs des années 1990.

Eventails ouverts et ventilateurs non déduits

Les concepts de ventilateurs ouverts éliminent la nacelle entourant le ventilateur, permettant des diamètres plus grands et des rapports de contournement plus élevés sans le poids et la traînée d'un conduit. Cet arrangement peut atteindre des gains d'efficacité propulsifs proches de ceux des turbopropulseurs tout en conservant la vitesse et le confort des turbofans. CFM International développe le programme RISE (Innovation révolutionnaire pour moteurs durables), qui comprend une conception de ventilateurs ouverts qui devrait entrer en service d'ici le milieu des années 2030. Les principaux défis comprennent la réduction du bruit, le confinement des pales et l'intégration avec la cellule. CFM RISE information du programme.

Améliorations du turbofan en vitesse

L'architecture de turbofans orientés utilise une boîte de vitesses de réduction pour permettre au ventilateur et à la turbine basse pression de tourner à leur vitesse optimale. Cela améliore l'efficacité et réduit le bruit. Pratt & Whitney , les modèles GTF Plus et GTF Advantage de nouvelle génération intègrent l'aérodynamique avancée, les composites céramiques à matrice et la fabrication additive pour réaliser des économies de carburant supplémentaires.

Ingestion de la couche limite (BLI)

L'ingestion de la couche limite est un concept de propulsion où le moteur ingère l'air lent près de la surface de l'aéronef. Cela réduit l'énergie nécessaire pour accélérer l'air, améliorant ainsi l'efficacité globale de propulsion jusqu'à 10%. BLI est déjà utilisé sur le Boeing 787 (sous une forme limitée) et est une caractéristique centrale de conceptions expérimentales comme NASA X-57 Maxwell et Airbus E-Fan X. Les défis comprennent une distorsion accrue au visage du ventilateur, qui peut causer des vibrations et un décrochage, et la nécessité de lames de ventilateur plus légères et plus robustes.

Infrastructure et obstacles réglementaires

Les avions électriques ont besoin de bornes de recharge de haute puissance, souvent équipées de chargeurs de mégawatts pour permettre un virage rapide. Les avions à hydrogène ont besoin d'installations de liquéfaction, de zones de stockage, de camions de ravitaillement cryogéniques ou de bornes fixes. Les installations de production de la SAF doivent être construites près des aéroports ou reliées par pipelines.

Normes de certification et de sécurité

Des organismes de réglementation comme FAA[ et EASA[[ élaborent de nouvelles directives pour les systèmes de propulsion électrique et à hydrogène. Par exemple, des conditions particulières doivent être établies pour les systèmes à haute tension, la détection des fuites d'hydrogène et l'intégrité cryogénique des réservoirs. Le processus de certification des nouvelles architectures de moteurs peut prendre de 5 à 10 ans.

Main-d'œuvre qualifiée et formation

Pour maintenir et exploiter de nouveaux systèmes de propulsion, il faut des ingénieurs et des techniciens spécialisés dans les systèmes électriques, la manutention de l'hydrogène et les matériaux de pointe. L'industrie doit investir dans des programmes de formation et des partenariats avec les universités pour constituer cette main-d'oeuvre.

Le chemin vers l'aviation Net-Zero d'ici 2050

Des organismes internationaux tels que l'IATA et l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) ont fixé un objectif de zéro émission nette de carbone provenant de l'aviation d'ici 2050. Ce calendrier est agressif et exige un portefeuille de solutions : renouvellement de la flotte avec des aéronefs efficaces, utilisation accrue des SAF, introduction d'aéronefs électriques et à hydrogène pour les courts-courriers et compensations carbone pour les émissions résiduelles. Aucune technologie ne suffira.

Les étapes clés à suivre

  • 2024–2025: Premiers vols commerciaux avec 100% de SAF sur des avions à large bande. Vols de démonstrasseurs à pile à hydrogène pour des routes régionales de 50 places.
  • 2026-2028:[ Entrée en service d'aéronefs tout électrique (9-19 sièges) pour les courtes routes d'entraînement et de navette. Premiers vols d'essais hybrides-électriques régionaux.
  • 2030–2032: Introduction commerciale d'aéronefs hybrides-électriques de 100 places. Vols d'essais de combustion d'hydrogène sur des aéronefs de 200 places. Les mandats de mélange de la SAF en Europe et en Amérique du Nord atteignent 5-10 %.
  • 2035-2040: Le premier aéronef à corps étroit à moteur à hydrogène commercial (Airbus ZEROe ou similaire) entre en service. Les échelles de production SAF répondent à 30 à 50 % de la demande.
  • 2045-2050: La propulsion électrique et l'hydrogène représentent la majorité des nouvelles livraisons pour les courts et moyens-courriers. SAF couvre les longs-courriers. Les émissions nettes-zéro obtenues par une combinaison de technologie et de compensations.

La transition ne sera pas linéaire et les revers sont inévitables — les percées de batteries peuvent prendre plus de temps que prévu, le poids de stockage de l'hydrogène ne diminuera pas assez rapidement, et les coûts de production des FAS peuvent rester élevés sans un solide soutien politique. Cependant, l'élan des technologies de poussées aériennes durables est sans précédent.

Le rôle des politiques et des investissements

La réglementation ReFuelEU de l'aviation de l'Union européenne prévoit une augmentation des concentrations de mélange de SAF de 2 % en 2025 à 70 % d'ici 2050. La loi américaine sur la réduction de l'inflation prévoit des crédits d'impôt pour les producteurs de SAF et la production d'hydrogène. La Chine et le Japon financent des recherches sur la combustion de l'hydrogène et la propulsion électrique.Ces politiques réduisent les risques financiers pour les investisseurs privés et créent une certitude sur le marché.

Conclusion : Un avenir multi-technologies

L'avenir de la poussée dans l'aviation durable n'est pas un seul gagnant, mais un mélange soigneusement orchestré de solutions électriques, hybrides, hydrogène et à base de carburant. La propulsion électrique servira les missions les plus courtes et les plus légères; les hybrides couvriront les routes régionales; l'hydrogène alimentera les jets à simple essieu; et les carburants d'aviation durables garderont des corps de large bande long-courriers volant avec des émissions considérablement plus faibles. Le rythme des changements dépend de la maturation des technologies de batterie, de la construction d'infrastructures hydrogènes, de la réduction des coûts de la FSA et de l'agilité réglementaire.