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Enjeux et perspectives de l'hydrogène pour le secteur aéronautique

Enjeux et perspectives de l'hydrogène pour le secteur aéronautique

Le HY4 sera équipé d’une pile à combustible et d’un moteur électrique d’une puissance de 80 kW

© DR

Le centre de recherche aérospatiale allemand a présenté lors du salon World of Energy Solutions à Stuttgart le HY4, un projet d’avion de tourisme à pile à combustible utilisant l’hydrogène. La Pile à combustible fait en effet l'objet de plusieurs projets pour aller vers l'avion "tout électrique" ou du moins plus électrique. Alcimed, société de conseil en innovation et développement de nouveaux marchés, revient sur le développement de nouvelles solutions technologiques basées sur l’hydrogène pour le secteur aéronautique.

 

Dès les années 1970, l’hydrogène est utilisé sous sa forme liquide, comme carburant dans l’industrie spatiale. Depuis, il fait l’objet de nombreuses recherches et montre un fort potentiel pour le secteur aéronautique pour la production d’électricité.

Le processus de production d’électricité à partir d’hydrogène est relativement simple. L’hydrogène, stocké sous l’une de ses trois formes - solide dans des hydrures métalliques ou chimiques, liquide cryogénique à -253°C, ou gaz comprimé de 300 à 700 bar - , alimente une pile à combustible qui produit de l’électricité, de la chaleur et de l’eau.

L’hydrogène apparaît dès lors comme l’une des alternatives d’avenir aux énergies fossiles, qui permettraient de réduire de manière significative les émissions polluantes des aéronefs (NOx, CO, CO2).

L’hydrogène pourrait devenir la principale source d’énergie à bord

Les évolutions technologiques récentes permettent de considérer l’hydrogène comme une énergie d’avenir pour l’aéronautique, notamment en devenant la principale source à bord des avions pour les fonctions non propulsives. En effet, l’hydrogène est une énergie propre (lorsqu’il est produit à partir d’énergies renouvelables) qui possède une forte densité énergétique massique, 142 MJ/kg contre 43 MJ/kg pour le kérosène de type Jet A1.

Dans un premier temps, seules les sources d'énergie non propulsives (systèmes de faible puissance) seront concernées, avant d’envisager à plus long terme une éventuelle application aux sources d'énergie propulsives (systèmes de plus forte puissance) tels que les moteurs principaux.

Un intérêt croissant des principaux acteurs du secteur : Airbus, Boeing et Safran

La plupart des grands acteurs mondiaux du secteur aéronautique comme Airbus, Boeing et Safran voient en l’hydrogène une alternative intéressante. Des recherches et des projets ont été menés sur le stockage de l’hydrogène à bord ainsi que sur les piles à combustible destinées à transformer cet hydrogène en électricité.

Des vols de démonstration ont permis de confirmer le fort potentiel de l’hydrogène pour s’intégrer aux prochaines générations d’avions comme par exemple les tests menés par le centre Boeing Research & Technology Europe sur un planeur motorisé Dimona en 2008. Ce planeur a volé en croisière à 3 300 pieds pendant 20 minutes en étant propulsé uniquement grâce à une pile à combustible. La même année, des essais en vol ont été réalisés par Airbus en collaboration avec le Centre Aérospatial Allemand (DLR) et Michelin sur un A320 pour tester un système d’alimentation électrique de secours constitué d’une pile à combustible de 25 kW placée dans la soute. Ces tests ont donc démontré qu’une pile à combustible pouvait remplacer différents systèmes de génération de puissance propulsive ou non propulsive.

« De nombreux partenariats entre acteurs des secteurs de l’aéronautique et de l’hydrogène ont été conclus en 2014. On peut citer Safran et la société britannique Cella Energy sur le stockage de l’hydrogène sous forme solide ou encore Airbus et HySA Systems, sur les piles à combustible », explique Laurie Rey, responsable de mission, chez Alcimed.

Dans le domaine des drones, l’intérêt pour l’hydrogène est également très marqué comme le démontre les nombreux projets en cours sur le sujet. Nous pouvons notamment mentionner la collaboration entre Horizon Energy Systems et RaptorUAS visant à développer un drone incluant une pile à combustible à hydrogène pouvant voler 300 km.

Les Universités aussi

Les universités et les centres de recherches travaillent également sur le développement de l’hydrogène pour l’aéronautique et apportent des résultats intéressants. Aux Etats-Unis, plusieurs universités sont actives sur ce sujet comme par exemple Purdue University sur le stockage de l’hydrogène et Penn State University sur les piles à combustible qui collaborent notamment avec deux grands centres de recherche spécialistes de l’hydrogène, le Sandia National Laboratory sur les activités aéronautiques et le National Renewable Energy Laboratory sur les infrastructures.

D’autres centres de recherche sont très actifs dans d’autres pays. On peut citer le centre national de recherche sur l’hydrogène en Afrique du Sud (HySA) ou encore le DLR en Allemagne qui a participé à des projets de démonstration en vol (projet Antares en 2009) et au sol (pile à combustible pour le roulage, en collaboration avec Airbus en 2011). Pour ce dernier projet, les réductions d’émissions polluantes observées lors des tests peuvent atteindre les 27 % et presque 100 % pour les émissions de bruit. (cf. DLR : « Emission-free airports - DLR develops a fuel cell-powered electric nose wheel for commercial aircraft », 01/02/2011)

Des défis à relever pour un développement à grande échelle

Parmi les différentes solutions envisageables, il semble que le stockage de l’hydrogène sous forme de gaz comprimé et l’utilisation de piles à combustible de type Proton Exchange Membrane (PEM) soient aujourd’hui les technologies les plus avancées en termes de performance et de maturité pour répondre aux besoins du secteur aéronautique. Cependant, le stockage d’hydrogène sous forme liquide dans des réservoirs cryogéniques semble être la seule solution envisageable pour embarquer des quantités supérieures à 10 kg. Ce choix technologique a déjà été fait pour plusieurs projets, notamment pour le drone Phantom Eye développé par Boeing depuis 2012.

La principale difficulté technique pour stocker de l’hydrogène à bord d’un avion est de respecter les contraintes en termes de masse et de volume. En effet, les réservoirs doivent être légers et compacts, ce qui influe fortement sur leur géométrie et leur intégration. Les recherches menées actuellement pour développer de nouveaux systèmes de stockage permettront à l’avenir de répondre de manière satisfaisante à ces contraintes.  

Parallèlement à ces difficultés d’architecture, la sécurité du système doit être garantie afin de prévenir d’éventuelles fuites pouvant conduire à un risque d’explosion. Des progrès ont été réalisés ces dernières années et les industriels travaillent actuellement sur de nouvelles améliorations, comme par exemple de nouveaux matériaux tels que les composites pour alléger les réservoirs.

Enfin, rendre l’hydrogène accessible et économiquement viable dans le secteur aéronautique est l’affaire de tous car toute la chaîne de valeur est impactée, des constructeurs jusqu’aux compagnies aériennes et aux aéroports. Les barrières économiques à lever se situent à deux niveaux : d’une part au niveau des systèmes eux-mêmes et d’autre part au niveau de l’infrastructure de production et de distribution.

Les systèmes de stockage (hydrures ou réservoirs) et d’alimentation (piles à combustible) restent chers comparés aux systèmes classiques fonctionnant au kérosène. A titre d’exemple dans le secteur automobile, la Toyota Mirai, équipée d’une pile à combustible de 114 kW (153 ch), est proposée à partir de 57 500 US$, contre environ 23 000 US$ pour la Toyota Camry, son équivalent en version essence. La Toyota Mirai est aujourd’hui proposée en Europe, avec un coût de 77 800 € en Allemagne.

Des investissements et une structuration de la filière sont essentiels

« Afin de proposer un environnement favorable à une utilisation massive de l’hydrogène, l’infrastructure de production, de stockage et de distribution doit être disponible pour le transport aérien. Des investissements importants sont ainsi nécessaires afin d’équiper les aéroports de ces infrastructures. C’est pourquoi, l’ensemble du secteur aéronautique, emmené notamment par les constructeurs, doit se structurer afin de promouvoir ce vecteur énergétique d’avenir et mettre en place des réalisations concrètes pour tous les acteurs de la chaîne », conclut Alexandre Savin, Responsable du bureau d’Alcimed à Toulouse.

 

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