Avion à hydrogène
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Unavion à hydrogèneest un avion alimenté audihydrogène.Le dihydrogène peut alimenter soit despiles à combustiblequi génèrent de l'électricité pour alimenter desmoteurs électriques,soit directement desréacteurs.Il peut être stocké à bord soit sous forme de gaz comprimé à haute pression, soit sous forme liquide à−253°C.
Principe de fonctionnement
[modifier|modifier le code]Modèle à pile à combustible
[modifier|modifier le code]Dans un modèle àpile à combustible,l'aviondispose deréservoirs d'hydrogènesous pression qui permettent d'alimenter la pile, laquelle produit à son tour de l'électricitépar recombinaison du dihydrogène avec l'oxygène; cette électricité alimente enfin lesmoteurs électriquesde l'avion. C'est donc un type d'avion électrique.Le seul rejet en vol est de la vapeur d'eau.
Modèle à turboréacteurs
[modifier|modifier le code]Dans le cas d'un avion à hydrogène utilisant desturboréacteurs,il s'agit de remplacer lecarburant aviation(généralement du kérosène) par de l'hydrogène.
Prototypes
[modifier|modifier le code]Le premier prototype d'avion à hydrogène est leTupolev Tu-155,appareil soviétique, dont le premier vol a eu lieu en 1988. Il est capable de brûler dans ses turboréacteurs soit de l'hydrogène liquidesoit duméthane liquide.Cependant, un seul de ses trois moteurs utilise le nouveau carburant, les autres utilisant toujours le kérosène classique. Ce projet ne survit pas à ladislocation de l'URSSet à la crise économique qu'elle engendre[1],[2].
Le premier prototype d'avion à pile à hydrogène est conçu parBoeinget vole pour la première fois en 2008. L'aéronef fait 16,3 mètres d'envergure, 6,5 mètres de long et un poids de 800kg,le réservoir d'hydrogène a une contenance de34 litres[3].Le premier vol a lieu enEspagne,ne dure qu'une vingtaine de minutes, à environ100km/het atteint une altitude de 1 000 mètres[4].En plus de sa pile à combustible, l'avion emporte unebatterie lithium-ionqui apporte l'énergie nécessaire au décollage. L'engin a été construit par la société autrichienneDiamond Aircraftpuis a été modifié par Boeing Research & Technology Europe[5],[6].
Un concept d'avion biplace expérimental nomméDLR Smartfishest construit par Konrad Schafroth et vole pour la première fois en.
Le 12 avril 2022, le prototypeHY4de l'entreprise H2FLY bat un record en atteignant l'altitude de 2,2km.La veille, il a relié les aéroportsde Stuttgartetde Friedrichshafenen parcourant 124km[7].
Développement commercial
[modifier|modifier le code]En 2020,Airbusannonce qu'il souhaite lancer un programme de développement en 2028 et construire un avion à hydrogène d'ici 2035 dans un but dedécarbonerlesecteur aérienqui dépend aujourd'hui à 100 % desénergies fossiles.Trois modèles seront proposés[8],[9],[10],[11]:
- un avion àturboréacteursde conception classique, qui pourrait transporter entre 120 et 200 personnes, soit un format du typeA220ouA320;l'autonomie serait de plus de 3 500 kilomètres, il serait alimenté par des turboréacteurs fonctionnant à l'hydrogène, stocké sous pression et/ou à très basse température dans des réservoirs situés dans la partie arrière dufuselage;
- un avion régional àturbopropulseurs(hélices) pouvant embarquer jusqu'à 100 passagers sur 1 800 kilomètres;
- uneaile volanted'une capacité et d'une autonomie semblables au concept à turboréacteurs.
L'avion à hydrogène est considéré comme un « axe stratégique majeur » pour l'avionneur européen pour préparer sa transition vers un monde post-carbone[12],[9],[13].L’État françaisa décidé d'allouer1,5 milliardd'euros au développement de cet avion dans le cadre de son plan de soutien au secteur aérien à la suite de la crise sanitaire de lamaladie à coronavirus 2019[12],[14],[13].
Selon lePDGd'AirbusGuillaume Faury,l’investissement représenterait plusieurs dizaines de milliards d’euros pour faire aboutir le projet[15].
De son côté, Boeing n'aa prioripas encore ces ambitions-là, l'entreprise étant connue pour ses projets gardés secrets jusqu’à leur aboutissement[16].
Le constructeur ZeroAvia annonce fin 2021 la mise en place de ses premiers vols commerciaux à hydrogène pour 2024. La première ligne aérienne devrait relier le Royaume-Uni et les Pays-Bas[17].En,ZeroAvia effectue le premier vol d'essai d'un Dornier 228 dont l'un des deux moteurs thermiques a été remplacé par un moteur électrique alimenté par une pile à hydrogène. La demande de certification de l'ensemble propulsif, associant deux moteurs électriques de 600kWchacun à deux piles à combustible et leurs réservoirs d'hydrogène gazeux, pour un avion pouvant transporter19 passagerssur une distance de 500km,sera déposée fin 2023. Les premiers vols commerciaux sont attendus en 2025. ZeroAvia annonce avoir engrangé plus de 1 500 précommandes pour des rétrofits d'avions déjà en service[18].
En 2022, la compagnie régionale françaiseAmeliaannonce vouloir convertir sesATR 72à la propulsion à hydrogène[19].
Travaux préparatoires
[modifier|modifier le code]Airbus,Air liquideet le groupe ADP signent en juin 2021 un accord afin d'anticiper l'arrivée des futurs avions à hydrogène dans les aéroports, vers 2035. Ils comptent étudier d'ici à l'automne 2021 la situation d'une trentaine d'aéroports, en particulier deRoissy-CDGet d'Orlyen Île-de-France, jusqu'à la fin de l'année. Ces études permettront notamment d'évaluer les quantités d'hydrogène à produire, à quelle date, par quel procédé et sur quel site[20].
Airbus annonce en juin 2021 la création de deux « centres de développement zéro-émission », désignés en interne sous le sigle ZEDC, situés l'un à Nantes et l'autre à Brême, qui auront notamment en charge la fabrication de l'élément le plus critique du futur avion à hydrogène: les réservoirs cryogéniques, à partir de 2023. Les essais en vol utiliseront un A380[21].
En septembre 2021, la jeune pousse californienneUniversal Hydrogen,créée par d'anciens dirigeants d'Airbus et spécialisée dans la conversion des avions à l'hydrogène, ouvre un bureau d'études à Toulouse, à proximité d'Airbus et d'ATR.Elle développe, pour les avions régionaux à hélices de 40 à70 places,comme les ATR et lesDash 8,des kits de conversion associant des moteurs électriques et une pile à hydrogène, elle-même alimentée par des capsules d'hydrogène livrables et prêtes à l'emploi. Son objectif est de proposer deux solutions prêtes à l'emploi pour des premiers vols commerciaux en 2025, l'une à hydrogène gazeux et l'autre à hydrogène liquide, cette dernière étant probablement la solution pour les avions moyen-courriers[22].
Le 22 février 2022, Airbus signe avecCFM International,coentrepriseentreSafranetGeneral Electric,un partenariat pour tester un système de propulsion à l'hydrogène liquide, susceptible d'équiper les premiers avions « zéro émissions », attendus pour 2035. Un démonstrateur technologique volant complet sera développé, associant des réservoirs et un circuit de distribution cryogénique, capable de conserver l'hydrogène à l'état liquide, à un moteurGE Passportmodifié pour pouvoir brûler de l'hydrogène au lieu du kérosène, qui devrait voler dès 2026 sur un A380[23].
Le 23 février 2022,Pratt & Whitneyest sélectionné par le ministère américain de l'énergie pour développer un nouveau concept de moteur à turbine capable de fonctionner avec de l'hydrogène liquide à la place du kérosène, le projet « HySIITE », qui permettrait à la fois d'éliminer 100 % des émissions dedioxyde de carbone(CO2) et 80 % des émissions d'oxyde d'azote(NOx) en vol et de réduire fortement lestraînées de condensationdes avions, qui participent aussi à l'effet de serre[24].
Difficultés techniques
[modifier|modifier le code]Diverses difficultés techniques sont rencontrées pour le développement de ce type d'appareil.
Délocalisation de la pollution
[modifier|modifier le code]Le dihydrogène n'existe pas ou presque dans la nature. Il faut doncle produirepour alimenter lespiles à combustible.Aujourd'hui, 96 % du dihydrogène produit provient duvaporeformaged'hydrocarbure, en particulier dugaz naturel.L'utilisation du dihydrogène produit de cette façon ne présente aujourd'hui pas d’intérêt sur le plan écologique car, bien que sa combustion ne rejette que de la vapeur d'eau, sa production est fortement émettrice dedioxyde de carbone(CO2)[25].
L'équation chimiquede ce procédé est:
Pour produire du dihydrogène de façon décarbonée il est possible d'électrolyser de l'eau,ce qui dissocie lesmolécules d'eauet libère ainsi du dihydrogène et dudioxygène.Mais ce processus n'est réellement décarboné que si l'électricité qui alimente l'électrolyseur l'est aussi, autrement dit, l'électrolyseur doit être alimenté avec de l'énergie renouvelableounucléaire.Le dihydrogène produit de cette façon est nomméhydrogène vert(renouvelable) oujaune(nucléaire).
Émissions autres que le dioxyde de carbone
[modifier|modifier le code]Leforçage radiatiflié aux émissions de CO2représente actuellement 33 % duforçage radiatif total dû au transport aérien,les deux tiers restant étant dus aux émissions d'oxydes d'azote(NOx), auxtraînées de condensationetcirrusartificiels qui se forment dans certaines conditions. Si le kérosène est remplacé par de l'hydrogène, l'impact sur les émissions autres que le CO2n'est pas connu car aucune mesure n'a encore été effectuée. Il a toutefois été estimé que les émissions de vapeur d'eau seraient2,6 foisplus importantes que celles dues aux carburants fossiles, produisant ainsi plus de traînées de condensation. L'absence desuiesdans l'échappement des réacteurs pourrait avoir l'effet inverse. D'autre part, le forçage radiatif des traînées pourrait être plus faible du fait d'uneabsorbancepotentiellement plus faible. Les émissions d'oxydes d'azote devraient pouvoir être réduites à la faveur de la conception de nouveaux réacteurs[26].
Contrainte énergétique de la production d'hydrogène
[modifier|modifier le code]Laproduction d'hydrogèneparélectrolyse de l'eaualimentée par uneélectricité décarbonéeest une condition nécessaire pour que le secteur aérien soit réellement décarboné, mais cette solution nécessite beaucoup d'énergie. Une équipe de chercheurs deToulousea estimé qu'il faudrait entre 10 000 et 18 000éoliennes(soit 5 000km2), 1 000km2depanneaux solairesou 16réacteurs nucléairespour remplacer lekérosènede l'aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle[27],[28].
Ces chiffres posent la question de la faisabilité de latransition énergétiquedu secteur de l'aviation surtout dans un contexte où le secteur devrait doubler tous les 15 ans.
De plus, ces avions « zéro émission » n'auraient au mieux qu'une autonomie de 3 500km;or, 40 % des émissions du secteur ont lieu sur les vols de plus de 3 500km[29].
Contrainte économique de la production d'« hydrogène vert »
[modifier|modifier le code]Le vaporeformage est le procédé le plus économique actuel pour produire l’hydrogène industriel: son prix est d'environ 1,5€/kg.De son côté, l'hydrogène par électrolyse est 6€/kgsoit quatre fois plus cher[25].
Difficultés logistiques
[modifier|modifier le code]Pour développer son avion, Airbus devra compter sur le développement d'une filière deproduction d'hydrogèneconséquente mais aussi sur un réseau de distribution efficace dans lesaéroports[30].
Stockage de l'hydrogène dans les réservoirs de l'avion
[modifier|modifier le code]L'hydrogène liquide occupe un espace de stockage quatre fois supérieur à celui du kérosène pour une même quantité d'énergie. Les réservoirscryogéniquesdoivent être de forme cylindrique ou sphérique pour résister à la pression, ce qui complexifie leur intégration, par exemple dans les ailes[8].Pour être stocké sous forme liquide, l'hydrogène doit être refroidi à−253°C[31].
Le dihydrogène peut également être stocké sous une forme comprimée à quelques centaines de bars. La startup ZeroAvia mène ainsi en 2019 des essais sur un avion équipé de réservoirs fixés en bouts d'ailes, similaires à ceux utilisés par des voitures déjà commercialisées[32].
Voir aussi
[modifier|modifier le code]Bibliographie
[modifier|modifier le code]- (en)Fuel Cells and Hydrogen joint undertaking(partenariat public privé européen) etClean Sky2,Hydrogen-powered aviation: A fact-based study of hydrogen technology, economics, and climate impact by 2050,Union européenne,,94p.(ISBN978-92-9246-342-7,lire en ligne[PDF]).
Articles connexes
[modifier|modifier le code]- Avion électrique
- Hydrogène vert
- Hydrogène jaune
- Nuisance aérienne
- Impact climatique du transport aérien
- Stockage de l'hydrogène
Sources et références
[modifier|modifier le code]- «15 avril 1988, l'avion de ligne soviétiqueTu-155est le premier avion à voler avec des réacteurs utilisant de l'hydrogène liquide»[PDF],Chronique aérospatiale,surInstitut de recherche stratégique de l'École militaire(consulté le).
- (en)«Tu-155 testbed for cryogenic fuel system, A.A.Tupolev»,.
- «Premier vol à l'hydrogène d'un avion»,Le Parisien,(consulté le).
- «Boeing troque le kérosène pour de l'hydrogène»,Le Figaro,(consulté le).
- «Le premier vol d'un avion propulsé par une pile à hydrogène»,Les Échos,(consulté le).
- «Boeing: vol d'1 avion à pile à hydrogène»,Le Figaro,(consulté le).
- MatthieuLauraux,«H2fly repousse les limites de l’avion à hydrogène», surMobiwisy,(consulté le).
- «Airbus dévoile trois avions qui seront propulsés à l'hydrogène», surFutura,(consulté le).
- «Airbus veut commercialiser un avion à hydrogène en 2035, annonce son président»,Le Monde,(consulté le).
- Jean-Michel Bezat, «Airbus ambitionne de commercialiser un avion à hydrogène en 2035»,Le Monde,(consulté le).
- Erick Fontaine, «L’hydrogène, le futur kérosène vert des avions Airbus ZEROe», surLes Numériques,(consulté le).
- «Airbus présente trois concepts d'avions volant à l'hydrogène», surLe HuffPost,(consulté le).
- 6medias, «L'avion à hydrogène, la priorité d'Airbus»,Capital,(consulté le).
- Thierry Blancmont, «Airbus annonce un avion à hydrogène décarboné pour 2035», surAir Journal,(consulté le).
- «Airbus dévoile trois concepts d’avions à hydrogène», surLa Dépêche du Midi,(consulté le).
- «Airbus: un avion à hydrogène en 2035», surLa Dépêche du Midi,(consulté le).
- «ZeroAvia lancera des vols commerciaux avec ses avions à hydrogène en 2024», sur20 Minutes(consulté le).
- Bruno Trévidic, «ZeroAvia, la start-up qui promet un vol commercial en avion zéro émission dès 2025»,Les Échos,.
- Bruno Trévidic, «La petite compagnie Amelia veut être la première à voler à l'hydrogène en France»,Les Échos,(consulté le).
- Bruno Trévidic, «Comment la France prépare le décollage des avions à hydrogène»,Les Échos,.
- Bruno Trévidic, «Airbus testera ses réservoirs à hydrogène à bord d'un A380»,Les Échos,.
- Bruno Trévidic, «Accélérer la course à l'avion hydrogène, le pari fou d'anciens dirigeants d'Airbus»,Les Échos,.
- Bruno Trévidic, «Airbus embarque Safran et GE dans son projet d'avion à hydrogène»,Les Échos,.
- Bruno Trévidic, «Pratt & Whitney se lance à son tour dans la course à l'avion à hydrogène»,Les Échos,.
- «Production de l'hydrogène», surconnaissancedesenergies.org,(consulté le).
- (en)«Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change»[PDF],surGIEC,(consulté le),p.10-59, 10-62.
- «Toulouse: des chercheurs critiquent Airbus pour sa promotion de l'avion à l'hydrogène», surFrance 3 Occitanie,(consulté le).
- «Des chercheurs toulousains font planer le doute sur l’avion vert d’Airbus», sur20 Minutes,(consulté le).
- Nicolas Mathé, «L’avion à hydrogène d’Airbus sera t-il vraiment vert?»,Le Journal toulousain,(consulté le).
- Hélène Ménal, «Pourquoi Airbus mise sur l'avion à hydrogène pour assurer son avenir», sur20 Minutes,(consulté le).
- «Avion à hydrogène: de nombreux défis technologiques à relever»,Les Échos,.
- Frédéric Bergé, «Une start-up américaine parie sur un avion propulsé à l'hydrogène», surBFM TV,.
