L'industrie aéronautique mondiale représente environ 2 à 3 % des émissions anthropiques totales de CO2, une part qui devrait augmenter à mesure que la demande de transport aérien augmente. En réponse, les carburants d'aviation durables (FAS) sont apparus comme un pilier essentiel de la stratégie de décarbonisation. Pourtant, le succès de toute technologie de carburant dépend d'une compréhension rigoureuse de la thermodynamique, la science de l'énergie, de la chaleur et du travail.

Principes thermodynamiques de base dans la propulsion aérienne

Pour comprendre comment les SAF peuvent remplacer les Jet A ou Jet A-1 classiques, il faut d'abord saisir les fondements thermodynamiques de la propulsion des avions. Les moteurs à réaction fonctionnent sur le cycle de Brayton, un processus à flux continu impliquant la compression adiabatique, la combustion à pression constante et l'expansion adiabatique. L'efficacité de ce cycle est fondamentalement limitée par les températures et les pressions que les matériaux peuvent supporter, ainsi que par la deuxième loi de la thermodynamique, qui dicte qu'aucun véritable moteur ne peut atteindre 100% d'efficacité thermique.

Densité énergétique et énergie spécifique

Un carburant d'aviation (MJ par litre) et une énergie spécifique (MJ par kilogramme) déterminent directement une gamme et une charge utile d'un aéronef. Le carburant à réaction conventionnel offre environ 43 MJ/kg. Les SAF doivent correspondre ou approcher ce nombre pour éviter une refonte importante des réservoirs de carburant et des structures d'aéronef. Les biocarburants dérivés des esters hydroprocédés et des acides gras (HEFA) obtiennent une énergie spécifique similaire, mais ont souvent une densité légèrement inférieure.

Efficacité de la combustion et émissions

L'analyse thermodynamique de la combustion tient compte de la température de la flamme, de la cinétique de la réaction et des profils de dégagement de chaleur. Les températures de la flamme plus élevées améliorent l'efficacité thermique mais augmentent également la formation de NOx par le biais du mécanisme Zeldovitch. Les SAF à faible teneur en aromatiques peuvent réduire les émissions de suie et de particules, tout en fournissant suffisamment d'énergie pour maintenir une flamme stable.

Il est essentiel de comprendre ces compromis pour mélanger les CAF avec les carburants conventionnels ou les utiliser proprement. Chaque point d'efficacité obtenu en combustion réduit la combustion des combustibles et les émissions du cycle de vie, raison pour laquelle la modélisation thermodynamique demeure un outil central dans les laboratoires de développement des carburants et les programmes de certification des moteurs.

Principales catégories de carburants d'aviation durables

Le terme SAF couvre une gamme de voies de production et de matières premières, chacune ayant des propriétés thermodynamiques distinctes.Les trois grandes catégories sont les biocarburants, les électrocarburants (e-carburants) et l'hydrogène, chacun offrant des avantages et des limitations uniques.

Biocarburants: HEFA, ATJ et FT-SPK

Les CAF bio dominent l'offre actuelle. La voie la plus mature est celle des esters hydroprocédés et des acides gras (HEFA), qui utilisent des huiles végétales, des graisses animales ou de l'huile de cuisson utilisée. Les combustibles HEFA sont chimiquement très semblables à ceux des combustibles à réaction conventionnels – les alcanes dont la chaîne de carbone est comprise entre C8 et C16 – de sorte qu'ils s'intègrent parfaitement à l'infrastructure existante jusqu'à un mélange de 50 % (ASTM D7566).

L'alcool-jet (ATJ) convertit l'éthanol ou l'isobutanol en hydrocarbures par déshydratation, oligomérisation et hydrogénation. Les combustibles ATJ ont tendance à avoir des concentrations plus élevées de composés ramifiés et cycliques, ce qui modifie légèrement les caractéristiques de combustion. Fischer-Tropsch synthétise le kérosène paraffinique (FT-SPK) issu de biomasse ou de déchets gazifiés offre une pureté élevée et des aromatiques faibles, fournissant un excellent comportement de combustion mais nécessitant une importante apport énergétique pour la gazéification et la synthèse.

D'un point de vue thermodynamique, les biocarburants présentent généralement des rapports énergétiques nets (énergie de sortie/énergie de source) plus faibles que les combustibles fossiles en raison de l'énergie nécessaire à la production, au transport et à la conversion des matières premières.

Électrocarburants: Puissance à l'eau (PtL)

Les électrocarburants, également appelés carburants électroniques ou énergie vers le liquide (PtL), sont des hydrocarbures synthétiques produits en combinant le CO2 capturé avec l'hydrogène vert par les voies Fischer-Tropsch ou méthanol-à-jet. L'hydrogène de la matière première est généré par électrolyse de l'eau alimentée par l'électricité renouvelable. Le brut synthétique résultant est ensuite raffiné en carburant jet. Le défi thermodynamique ici est immense: chaque étape — électrolyse, capture du CO2, synthèse — est exquise et intensive en énergie.

Les carburants électroniques présentent pourtant un avantage particulier : la composition chimique peut être adaptée avec précision. En choisissant les conditions de réaction et les catalyseurs, les producteurs peuvent créer des carburants avec des propriétés de combustion optimales, des aromatiques minimes et une très faible teneur en soufre. De plus, les carburants électroniques sont des substituts à l'entrée – aucune modification de moteur ou d'infrastructure n'est nécessaire.

Hydrogène: Combustion et piles à combustible

L'hydrogène contient l'énergie spécifique la plus élevée de tout combustible (120 MJ/kg vs 43 MJ/kg pour le kérosène) mais présente des inconvénients considérables sur le plan thermodynamique et pratique. Sa densité d'énergie volumétrique n'est qu'environ le quart de celle du kérosène à température cryogénique (20 K) et même inférieure en tant que gaz comprimé. Pour stocker suffisamment d'hydrogène pour un vol long-courrier, les réservoirs doivent être quatre fois plus grands en volume, ajoutant traînée et poids structural.

Les piles à combustible offrent une voie alternative : la conversion électrochimique en électricité avec un rendement théorique plus élevé (jusqu'à 60 % contre ~35 % pour une turbine à gaz), mais les densités actuelles de puissance des piles à combustible sont beaucoup trop faibles pour la propulsion primaire dans les aéronefs. Les modèles thermodynamiques montrent que pour les vols régionaux ou à courte distance, la combustion de l'hydrogène peut être pratique, mais pour les missions à longue distance, les carburants électroniques ou les biocarburants avancés demeurent plus économes en énergie au niveau du système.

Défis thermodynamiques dans le développement et le déploiement des CFS

Au-delà des propriétés de combustion de base, les développeurs de SAF doivent relever les défis thermodynamiques de niveau système qui affectent la production, le stockage et l'utilisation finale, notamment les pertes d'énergie dans la synthèse, l'analyse exergique des voies de production et le coût thermodynamique des changements d'infrastructure.

Intensification de l'exercice et du processus

L'exercice, le travail le plus utile qu'on puisse obtenir d'un système à mesure qu'il atteint l'équilibre, est une mesure thermodynamique puissante pour évaluer les voies de production de SAF. Une matière première à haute exercise comme le pétrole brut nécessite un traitement minimal pour devenir du combustible à réaction.

Les chercheurs travaillent sur l'intensification des processus : combiner plusieurs étapes de réaction en une seule unité pour réduire les pertes de chaleur et améliorer l'intégration thermique. Par exemple, l'intégration directe du captage du CO2 au réacteur de synthèse peut exploiter la chaleur résiduelle et réduire le besoin d'intrants énergétiques externes.

Rendement énergétique des investissements (EROI)

Le concept connexe est le rendement énergétique de l'investissement (EROI), qui compare l'énergie totale fournie par un combustible à l'énergie nécessaire pour le produire. Le pétrole conventionnel a généralement un EROI de 20 à 30:1. L'éthanol de maïs, par contre, a un EROI autour de 1,2 à 1,5:1. Pour HEFA à partir de l'huile de cuisson usagée, EROI peut atteindre 5 à 8:1 selon la logistique de collecte. Les carburants E utilisant de l'électricité renouvelable ont souvent un EROI < 1:1 lorsqu'on considère l'énergie électrique, c'est-à-dire que plus d'énergie électrique est consommée que l'énergie de combustible est produite.

Contraintes des matériaux et gestion de la chaleur

La combustion de carburants de substitution peut imposer des charges thermiques différentes aux composants du moteur. Les SAF à faible teneur en hydrogène (plus aromatiques) peuvent produire plus de suie, ce qui irradie la chaleur aux parois du combustible. Inversement, des combustibles très propres comme le kérosène paraffinique synthétique pur peuvent réduire le rayonnement de suie, mais peuvent nécessiter des modifications de la géométrie de l'injecteur de carburant pour maintenir une ancrage stable de la flamme.

Technologies émergentes et orientations futures de la recherche

Les principes thermodynamiques ne sont pas seulement une contrainte, mais aussi un guide pour l'innovation. Plusieurs technologies prometteuses à l'horizon visent à accroître l'efficacité de la production, à améliorer les performances de combustion et à réduire les émissions du cycle de vie.

Synthèse électrochimique et conversion par plasma

Au lieu d'utiliser l'électrolyse pour produire de l'hydrogène et ensuite synthétiser les hydrocarbures par un procédé catalytique à haute température séparé, certains chercheurs étudient en une seule étape la conversion électrochimique directe du CO2 et de l'eau en hydrocarbures. Cette approche pourrait contourner les pertes thermodynamiques associées à la compression et au stockage intermédiaires de l'hydrogène.

Bio-raffinage avancé avec intégration de chaleur in situ

Une conception prometteuse combine une pyrolyse rapide (composition thermique de la biomasse en l'absence d'oxygène) avec une hydrodésoxygénation (élimination de l'oxygène du bio-huile) en utilisant la chaleur libérée par les réactions exothermiques pour stimuler l'étape de pyrolyse endothermique. L'analyse de Pinch, méthode permettant de réduire au minimum la consommation d'énergie en échangeant la chaleur entre les flux chauds et froids, a été appliquée à plusieurs voies de production de la FAS, ce qui a entraîné une réduction de 15 à 30 % de la demande extérieure d'énergie.

Stockage de l'hydrogène et gestion des déchets de pétrole

Pour jouer un rôle important dans l'aviation, la gestion de la thermodynamique du stockage cryogénique devient primordiale. L'hydrogène liquide (LH2) à 20 K nécessite des réservoirs hautement isolés qui empêchent l'ébullition. Les chercheurs étudient des systèmes de refroidissement cryoactif qui recondense l'hydrogène évaporé à l'aide de la chaleur résiduelle du moteur ou des piles à combustible. Les modèles thermodynamiques indiquent qu'un réservoir bien conçu avec une isolation multicouche et une technologie ZBO (zéro-bouil) pourrait maintenir les pertes en dessous de 1% par jour, rendant techniquement possible le vol d'hydrogène à longue distance.

Jumeaux numériques et apprentissage de la machine pour l'optimisation de la combustion

La complexité des interactions combustible-combusteur a stimulé l'utilisation de jumeaux numériques – des répliques virtuelles de systèmes physiques qui intègrent des données de capteurs en temps réel et des modèles thermodynamiques. En simulant la dynamique de combustion, la stabilité de la flamme et le transfert de chaleur, les ingénieurs peuvent optimiser la composition des mélanges de carburant et les paramètres de fonctionnement du moteur sans campagnes de test coûteuses.

Politiques, infrastructures et réalités thermodynamiques

La thermodynamique limite considérablement les performances de toute technologie de combustible. Aucun appui politique ne peut surmonter le fait que la conversion de l'électricité en combustible liquide perd intrinsèquement une grande partie de l'énergie d'entrée. Pourtant, ces pertes peuvent être acceptables si les solutions de rechange – batterie électrique ou hydrogène – font face à des obstacles thermodynamiques et logistiques encore plus importants pour l'aviation longue distance.

Les cadres réglementaires tels que le mandat ReFuelEU Aviation de l'Union européenne et le Sustainable Aviation Fuel Grand Challenge des États-Unis conduisent les investissements dans les installations de production. La performance thermodynamique de chaque voie déterminera d'abord quelles technologies seront mises à l'échelle. HEFA, avec son EROI relativement favorable et sa compatibilité avec les raffineries existantes, devrait dominer l'offre à court terme (cible ~10% du jet mondial d'ici 2030).

Conclusion : Une voie thermodynamique guidée vers l'avant

La première loi (conservation de l'énergie) nous rappelle que la teneur énergétique du combustible doit venir de quelque part; la seconde loi (augmentation de l'entropie) met en garde contre le fait que chaque étape de conversion entraîne un péage en énergie indisponible. En appliquant rigoureusement l'analyse thermodynamique, des vérifications exercises des voies de production à la modélisation de la combustion dans les moteurs de prochaine génération, l'industrie peut prioriser les routes les plus efficaces, éviter les impasses et réaliser des réductions significatives de CO2.

Les compagnies aériennes, les producteurs de carburant, les constructeurs de moteurs et les décideurs politiques feraient bien d'investir dans la littératie thermodynamique : comprendre que l'avenir du vol ne se limite pas à ce que nous brûlons, mais qu'il est efficace de convertir l'énergie en mouvement. Cette efficacité, mesurée en joules par kilomètre, déterminera en fin de compte si l'aviation peut respecter ses engagements nets-zéro sans compromettre la connectivité dont la société moderne a besoin.