Le défi des avions de ligne électriques

(Seattle) L’aviation est le saint Graal du transport électrique. Mais les ingénieurs aéronautiques n’ont pas encore découvert comment construire des batteries assez puissantes et légères pour alimenter les avions de ligne, qui émettent une portion de plus en plus importante des gaz à effet de serre. Quelles sont donc les perspectives ?

Avions électriques : de timides progrès

« Je ne vois pas comment on y arrivera avant 30 ans »

L’aviation représente 2,5 % des émissions humaines de GES et cette proportion est appelée à augmenter à moyen terme, même s’il faudra plusieurs années pour que le transport aérien revienne à son niveau prépandémique. À un congrès international à Seattle en février, le chef de l’innovation chez Airbus a expliqué que les avions électriques étaient la solution, mais qu’il faudrait plusieurs décennies pour qu’ils remplacent le carburant traditionnel.

L’avion du futur

L’avion électrique est l’avion du futur, selon Mark Cousin, directeur d’Acubed, la division innovation d’Airbus. « On parle vraiment du futur, même pas du moyen terme », expliquait M. Cousin à la réunion annuelle de l’Association américaine pour l’avancement des sciences (AAAS), à la mi-février à Seattle. Et ce, même si la Norvège s’est donné l’an dernier comme objectif d’avoir des avions de ligne électriques pour ses vols internes d’ici 2030. « Je ne vois pas comment on y arrivera avant 30 ans, dit M. Cousin. Mais ça sera vraiment une révolution. Par exemple, avec les moteurs électriques on peut avoir des dizaines de moteurs, donc plus besoin de la configuration actuelle. On peut avoir des avions-ailes [comme le bombardier B-2], des sièges loin des hublots mais beaucoup moins bruyants. » M. Cousin a donné un aperçu de certains des problèmes terre-à-terre que doivent affronter les ingénieurs d’Airbus pour leur court-courrier E-Fan X, dont un des quatre réacteurs sera électrique et dont le vol d’essai était alors prévu pour l’an prochain. « Le voltage nécessaire est tellement élevé que les câbles sont trop lourds et trop volumineux. Il y a des interférences électriques avec les autres systèmes et avec le fuselage. Et les propriétés des câbles changent énormément avec l’altitude. » E-Fan X, mis sur la glace début mai, est un projet conjoint d’Airbus, Rolls Royce et Siemens.

La densité des batteries

La « densité énergétique » des batteries, ou la quantité d’énergie emmagasinée en wattheures par rapport à leur poids en kilogrammes, est le cœur du problème. « Nous ne sommes même pas au niveau d’un avion de ligne hybride, dit M. Cousin. Certaines des batteries automobiles ont une densité presque acceptable, de l’ordre de 250 wattheures par kilo, mais elles ne fournissent pas assez de puissance pour un avion de ligne. On pense qu’il va falloir attendre le saint Graal des batteries, les batteries solides. » Les batteries actuelles ont des solutions liquides. Un autre participant à la séance du congrès de l’AAAS où M. Cousin faisait sa présentation, Igor Perkon de la PME d’aviation électrique slovène Pipstrel, estime qu’il faudra au moins une densité de 450 wattheures par kilo pour des vols électriques court-courrier, soit pour des trajets de 250 à 300 km.

Aviation et COVID-19

Il faudra au moins trois ans pour que le transport aérien revienne au niveau prépadémique, a indiqué l’Association internationale du transport aérien (IATA) dans un rapport à la mi-mai. Cela signifie que les prévisions pour 2025 doivent être diminuées de 10 %. En 2019, 4,4 milliards de passagers ont voyagé en avion, soit deux fois plus qu’en 2004 (pour une croissance annuelle de 7 %). Le nombre de passagers en 2021 sera de 33 % à 40 % inférieur à celui de 2019.

Imiter les oiseaux migrateurs

M. Cousin estime qu’à court terme, plusieurs avenues sont aussi prometteuses que l’avion électrique pour diminuer les émissions de GES. « En attendant l’avion électrique, nous devons avoir des stratégies permettant de faire le pont vers la carboneutralité réelle, dit l’ingénieur d’origine britannique. Nous pensons tout d’abord qu’une gestion plus serrée du trafic aérien, avec une réduction de la distance entre les avions, diminuera de 10 % les émissions par passager. Cette automatisation permettra d’atténuer la pénurie de pilotes, parce qu’on pourra se passer du copilote. Ensuite, d’ici quelques années, on pourra imiter les formations des oiseaux migratoires, ce qui permet de diminuer l’énergie perdue dans le sillon derrière l’avion. Notre programme Fellow Fly estime que des avions volant en V à 2 km de distance les uns des autres consommeraient 5 % moins de carburant. Enfin, on va pouvoir utiliser d’ici quelques années du carburant produit à partir de la biomasse, probablement des algues, et éventuellement à partir du CO₂ capté dans l’atmosphère. On parle d’un horizon de 10-15 ans. » Ces chiffres sont-ils réalistes ? « Nos plans pour la décennie 2010-2020 prévoyaient une diminution des émissions de 1,5 % par année par passager, pour nos nouveaux modèles, répond M. Cousin. Nous avons atteint 2 %. Donc je suis optimiste. »

La piste hydrogène

Une autre avenue discutée par M. Cousin est l’avion de ligne à hydrogène qui, s’il est possible, arrivera plus vite selon lui que l’avion entièrement électrique. À la fin des années 1980, cette technologie avait été testée par le constructeur soviétique Tupolev. Mais après quelques vols d’essai montrant qu’une utilisation sécuritaire était possible, le programme Tu-155 a été relégué aux oubliettes. En 2017, un premier projet moderne d’avion à hydrogène, ENABLEH2, a été lancé par l’Université de Cranfield, en Angleterre, avec du financement de l’Union européenne. Pour le moment, ENABLEH2 ne prévoit que de la modélisation et, d’ici 2025, des tests en laboratoire de systèmes de combustion et de gestion de chaleur dans les turbines.

Les autres avions électriques

L’E-Fan X d’Airbus est dérivé du monoplace bimoteur électrique X-Fan, qui a volé au-dessus de la Manche en 2015.

Hydravion électrique de l’entreprise Harbour Air

Depuis décembre, la compagnie Harbour Air à Vancouver offre des vols d’hydravion électrique vers Victoria.

Yuneec E430

Une compagnie chinoise, Yuneec, a été la première a faire voler un avion électrique habitable non solaire, en 2009 (des petits avions télécommandés à moteur électrique volent depuis les années 1950). Yuneec a toutefois préféré se concentrer sur une ligne de drones.

X–57

La NASA prévoit tester un petit avion électrique, le X-57, d’ici la fin de l’année. Muni de 14 hélices mues par autant de moteurs, le X-57 pourrait transporter quatre passagers.

City Airbus

Avions-taxis : Airbus planche aussi sur des avions-taxis électriques, le monoplace Vahana et le City Airbus, à cinq places, qui a fait un vol d’essai l’an dernier. Une dizaine de projets d’avions-taxis électriques sont en développement dans le monde, selon l’OACI.

Le Solar Impusle 2

Solar Impulse : Les avions propulsés par l’énergie solaire ont été les premiers à être complètement électriques. Des prototypes ont volé dès les années 1970, mais il a fallu attendre 2010 pour qu’un avion solaire, le Solar Impulse, ait des batteries suffisantes pour voler durant la nuit.

Drones : Les premiers avions télécommandés, ou drones, propulsés par des moteurs électriques sont apparus à la fin des années 1950. Il s’agissait alors de jouets pour les amateurs de modélisme. Une controverse existe à propos de plans pour un avion télécommandé électrique publiés en 1909 dans la revue britannique Model Engineer.

80 %

Objectif de réduction des émissions de gaz à effet de serre par passager des avions de ligne d’Airbus en 2070. L’entreprise espère aussi réduire le bruit au décollage des appareils de 75 % à cette date. Source : Airbus

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Nombre de projets d’avions électriques recensés par l’OACI dans un rapport cet automne Source : OACI

Une version précédente de ce texte ne précisait pas que le programme E-FanX d'Airbus a été mis sur la glace à cause de la pandémie.

La question des élèves

Écoutez la question posée par Emma Schauenberg, Lilirose Nantel-Dupont et Chelsey Rimpel-Morel, élèves de deuxième secondaire au Collège Notre-Dame, dans la classe de sciences de Benoît Delamarre.

Question : Est-ce que l’empreinte écologique des avions électriques est vraiment moins grande que celle des avions à combustibles fossiles de taille comparable ?

Réponse : Comme pour les voitures électriques, le gain environnemental de l’utilisation des avions électriques dépend de la source de l’électricité.

Dans les pays où l’électricité est produite à partir du gaz naturel ou, pire, du charbon, les avions électriques représentent un gain très minime par rapport aux avions les plus avancés et efficaces, selon une étude publiée en 2016 par le centre de recherche bavarois Bauhaus Luftfahrt. Étant donné la nature du transport aérien, il serait impossible de s’alimenter en électricité seulement dans les pays « propres » au niveau des GES, par exemple alimentés par l’énergie solaire, éolienne, nucléaire ou hydroélectrique.

L’analyse de Bauhaus Luftfahrt estimait que la production de batteries doublerait les émissions de gaz à effet de serre durant la construction de l’avion, autre facteur désavantageant les avions électriques faisant le plein dans un pays alimenté par les centrales au charbon, comme l’Allemagne, l’Inde ou la Chine. Mais si les émissions liées à la production de batteries ne s’améliorent pas aussi vite que leur puissance, elles pourraient être trois fois plus importantes, pour un total des émissions de GES liées à la fabrication d’un avion de ligne qui serait quatre fois plus élevé que maintenant.

Une étude publiée en 2019 dans le Journal of Aircraft par des ingénieurs de l’Université de l’Illinois se penche aussi sur les émissions de GES dues à la production de batteries, en s’intéressant à la période de transition où les avions de ligne seront hybrides, avec du carburant traditionnel et des moteurs électriques. Si seulement 12,5 % de l’énergie utilisée par un avion de ligne est électrique, la diminution en émissions de GES sera infime, moins de 1 %.

Le rapport de Bauhaus Luftfahrt prévoit qu’en 2035, les nouveaux avions de lignes à carburant traditionnel seraient 35 % plus efficaces que ceux de 2014. Les avions de ligne électriques, eux, auront une efficacité supérieure de 42 %. La différence est mince, mais il faut bien commencer quelque part, soulignent les analystes bavarois.

Dans le cadre d’un projet spécial, des écoles québécoises ont soumis des questions scientifiques à notre journaliste, qui y répondra d’ici à la fin de l’année scolaire. Si votre école désire participer au projet, où que vous soyez au Québec, écrivez-nous !

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