Certains seront peut-être surpris d’apprendre que, bien qu’il fasse l’objet d’une attention particulière dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, le secteur de l’aviation ne représente, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), que 2 % des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie. Ce secteur connaît toutefois une croissance rapide. Au cours des dernières décennies, cette croissance a dépassé celle du rail, de la route et du transport maritime, et l’AIE estime que les gains d’efficacité apportés par la modernisation des avions ne suffiront probablement pas à suivre le rythme de l’expansion du secteur. Il est donc évident que la décarbonisation du secteur aérien nécessitera des solutions plus créatives que la simple mise en service d’avions plus efficaces.
Technologies de propulsion électrique et hybride
Comme nous l’avons souligné dans un article précédent, le principal obstacle au développement de modes de propulsion aérienne plus écologiques réside dans la densité énergétique. La plupart des secteurs du transport terrestre s’orientent vers l’électricité. Cependant, la conception d’un avion de ligne entièrement électrique de taille raisonnable nécessiterait une batterie pesant environ un ordre de grandeur de plus que l’appareil lui-même. De plus, l’utilisation d’une batterie supprime l’avantage lié à l’allègement progressif de l’avion à mesure que le carburant est consommé, ce qui améliore son rendement au fur et à mesure du vol. Par conséquent, des progrès considérables doivent être réalisés dans le domaine de la technologie des batteries avant que la mise au point d’avions commerciaux entièrement électriques ne devienne ne serait-ce qu’envisageable.
Ces dernières années, le domaine de la propulsion hybride-électrique n'a cessé d'évoluer. Airbus a investi massivement dans la technologie hybride, en s'associant à Renault et à STMicroelectronics pour faire avancer ses recherches. Le « principe d'hybridation des avions » d'Airbusrepose sur l'allocation des ressources. L'avion alterne de manière dynamique entre différentes sources d'énergie, utilisées soit en combinaison, soit individuellement, au cours d'un vol. Airbus affirme que son système de gestion de l'énergie permettra de réduire la consommation de carburant jusqu'à 5 % par rapport à la technologie conventionnelle.
Il s'agit là d'un pas en avant prometteur, mais on ne peut manifestement pas compter sur des avancées de cette ampleur pour résoudre les problèmes d'émissions du secteur aérien.
Airbus a également participé au développement d’« EcoPulse », un avion hybride-électrique à propulsion distribuée mis au point en collaboration avec Daher et Safran. Ce concept a été présenté au Salon du Bourget 2023 et vise à mettre en avant les avantages de la propulsion distribuée sur les performances des avions. La propulsion distribuée consiste à répartir les besoins en poussée entre plusieurs moteurs de plus petite taille. Selon Airbus, cela permet : « d’améliorer les performances en croisière, au décollage et à l’atterrissage ; de réduire le bruit en cabine grâce à une meilleure synchronisation entre plusieurs hélices ; et de réaliser des économies d’énergie accrues grâce à une surface de queue réduite et à un meilleur contrôle de l’appareil ». La technologie en est encore à ses balbutiements, et comme le prototype n’a accumulé que 27 heures de vol, aucune donnée concrète sur son rendement n’a été publiée. Toutefois, selon Pascal Laguerre, directeur technique chez Daher: « À partir de ce programme de démonstration, nous prévoyons d’élaborer notre future feuille de route produit et, fondamentalement, de définir les spécifications de l’avion hybride que nous avons l’intention de produire d’ici la fin de notre plan quinquennal. Nous espérons être en mesure de proposer notre premier avion hybride sur le marché d’ici fin 2027 ».
Rolls-Royce a également développé son propre système de propulsion hybride-électrique. L'entreprise a mis au point un système de turbogénérateur comprenant une turbine compacte à haute densité de puissance, destinée au marché de la mobilité aérienne avancée (AAM) (par exemple, les avions de transport régional sur de courtes distances pouvant accueillir jusqu'à 19 passagers). Ce système de turbogénérateur est capable de produire une puissance comprise entre 500 kW et 1 200 kW, ce qui convient parfaitement aux applications de courte distance auxquelles il est destiné. Cependant, cette puissance reste encore de plusieurs ordres de grandeur trop faible pour les vols commerciaux long-courriers.
Technologie de liquéfaction du gaz (GTL)
Comme indiqué précédemment, la technologie de conversion du gaz en liquide (GTL) pourrait s'avérer être la solution la plus viable pour les gros avions commerciaux. Le procédé de conversion du gaz en liquide a été mis au point par Shell au fil de plusieurs décennies et comporte trois étapes. Tout d’abord, on produit un « gaz de synthèse », mélange composé principalement d’hydrogène et de monoxyde de carbone, obtenu par oxydation partielle du gaz naturel. Ce gaz de synthèse subit ensuite un processus de conversion catalytique qui le transforme en hydrocarbures liquides. Enfin, des techniques classiques de craquage et d’isomérisation peuvent être utilisées pour obtenir la chaîne d’hydrocarbures souhaitée.
Le marché de la conversion du gaz en liquide s'est développé ces dernières années, avec une valeur estimée à 14,8 milliards de dollars en 2022 et des prévisions de croissance indiquant que ce secteur devrait atteindre une valeur de 24,4 milliards de dollars d'ici 2030. Les besoins croissants du secteur de l’aviation commerciale ont été cités comme un facteur clé expliquant ces chiffres. Alors que les gouvernements et les organismes de réglementation accentuent la pression sur les entreprises du secteur aérien pour qu’elles réduisent leurs émissions, la technologie GTL devient une solution bien plus viable. Les avancées technologiques dans la fabrication des catalyseurs et la conception des réacteurs ont permis d’augmenter les taux de conversion et de réduire les coûts d’investissement, ce qui accroît le potentiel de rentabilité pour les investisseurs. Par exemple, Shell a mis au point un procédé d’impression 3D permettant de fabriquer le catalyseur nécessaire à la conversion GTL. Les catalyseurs imprimés en 3D peuvent permettre d’accélérer la production, de réduire le gaspillage de matières premières et d’améliorer l’efficacité du catalyseur en offrant un meilleur contrôle de la structure macroscopique et microscopique de la substance.
Alimentation du procédé GTL
Malgré ces avancées, le principal problème lié au GTL reste la recherche d’une source d’énergie durable pour alimenter le processus. Bien que l’énergie nucléaire soit par nature controversée, on ne peut nier que sa densité énergétique extrêmement élevée surpasse de loin celle de ses concurrents moins controversés, tels que l’éolien ou le solaire. La NIA a récemment publié un rapport indiquant que le Royaume-Uni dispose d’une « occasion en or » de devenir un leader mondial dans la production de carburants synthétiques sans émissions grâce à l’énergie nucléaire. Le rapport fait valoir que les modèles théoriques actuels concernant les futures émissions de carbone sous-estiment les avantages potentiels liés à un recours accru à l’énergie nucléaire. Aux États-Unis, le ministère de l’Énergie finance un projet de 20 millions de dollars géré par Oxeon Energy visant à produire des carburants synthétiques à partir de l’énergie nucléaire.
L'énergie nucléaire a maintes fois prouvé son efficacité et ne dépend pas des conditions météorologiques, ce qui permet d'assurer la production d'énergie constante nécessaire pour répondre aux besoins d'un secteur aérien en pleine évolution. De plus, tant la chaleur résiduelle du réacteur que l'électricité produite par l'énergie nucléaire peuvent être utilisées dans le processus GTL, ce qui améliore considérablement le rendement. Le développement de petits réacteurs nucléaires modulaires (SMR) par Rolls-Royce promet d’améliorer encore la viabilité de la production de GTL d’origine nucléaire, car il permettra l’installation de multiples usines de production de carburant synthétique à travers le pays. Des réacteurs SMR pourraient être mis en place dans chaque grand aéroport, fournissant à la fois du carburant synthétique pour les avions ainsi que de l’électricité et de la chaleur pour l’aéroport et la population environnante.
À mesure que le secteur aérien continue de se développer, les principaux acteurs de l'industrie seront de plus en plus poussés à adopter des solutions plus durables. Les contraintes liées à la densité énergétique laissent penser que les avions commerciaux, sous leur forme actuelle, sont appelés à perdurer. Cependant, grâce à leur évolutivité et à leur coût relativement faible, les réacteurs SMR pourraient contribuer de manière significative à un avenir plus écologique pour ce secteur.
Barker Brettell dispose d'un groupe spécialisé dans le secteur aérospatial. Si vous souhaitez discuter des différentes options pour protéger votre invention, n'hésitez pas à contacter l'auteur de cet article ou votre conseil en brevets habituel chez Barker Brettell.
« La décarbonisation du secteur aérien nécessitera des solutions plus créatives que le simple recours à des avions plus efficaces. »
