Les moteurs électriques sont écologiques, efficaces et fiables. Malheureusement, même les meilleures batteries sont encore trop lourdes pour soulever des avions de passagers. Les experts concentrent leurs espoirs sur les variantes hybrides.
Un jour, les voitures électriques fonctionnant à l'énergie verte remplaceront les énergivores, le CO2 téléphones portables en éruption que nous conduisons aujourd'hui. Ces alternatives propres deviennent de plus en plus abordables. Et certains pays ont déjà fixé une date à laquelle les moteurs à essence ne seront plus autorisés sur les routes.
La NASA travaille sur une batterie pouvant fournir autant d'énergie que le kérosène
L'avenir s'annonce moins rose pour l'aviation. Aujourd'hui, le trafic aérien est responsable de 2 à 3 % de toutes les émissions de CO2 d'origine humaine. Ce pourcentage ne fera qu'augmenter :chaque année, le trafic aérien augmente de 7 %. Le traité de Paris n'entrave pas le trafic aérien. Le fait que les avions utilisent plus efficacement le carburant ne suffit pas à faire pencher la balance dans l'autre sens. Le vol durable n'existe pas, comme il s'est avéré plus tôt.
Certaines organisations progressent. La Commission européenne souhaite que les avions fabriqués d'ici 2050 émettent 75% de CO2 en moins et 65% de bruit en moins que les avions sortis des usines Airbus et Boeing en 2000. Et l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) exige que les émissions totales du trafic aérien cessent d'augmenter après 2027. La question demeure alors :comment réduire ces émissions ?
Une option s'impose :l'avion électrique. Des entreprises fabriquent déjà de petits appareils – monoplaces et biplaces – qui sont propulsés par un moteur électrique.
Disons le plus gros obstacle :le poids. Même les batteries lithium-ion les plus avancées qui fournissent le plus d'énergie par kilogramme sont encore bien trop lourdes pour soulever un petit avion de ligne du sol. Après tout, une batterie lithium-ion fournit soixante fois moins d'énergie qu'une quantité équivalente de kérosène. Il y a une circonstance atténuante :un moteur électrique est trois fois plus efficace qu'un moteur à essence. Mais même dans ce cas, il faut encore vingt kilos de piles pour fournir autant d'énergie qu'un kilo de kérosène.
Considérez un instant que le poids est un facteur critique dans la conception des avions. Pour les entreprises, les batteries ne deviendront une véritable option que si elles peuvent fournir vingt fois plus d'énergie par kilo. Cela semble presque impossible d'un point de vue chimique.
Joris Melkert, maître de conférences en ingénierie aérospatiale à l'Université de technologie de Delft, souligne un autre problème pour faire voler les avions de passagers électriquement. « Avec de gros appareils électriques, vous avez besoin d'une capacité de plusieurs mégawatts. Cela signifie que vous devez travailler avec une tension d'au moins quelques kilovolts. De telles tensions créent des champs électriques autour des câbles qui peuvent interférer avec les systèmes de communication et de navigation." Selon Melkert, les experts ne savent pas encore comment résoudre ce problème.
Lorsque les avions électriques arriveront finalement là-bas, ils perdront en vitesse par rapport à leurs grands cousins. Parce qu'ils sont équipés de moteurs à réaction. «Avec un moteur à réaction, nous créons un flux de gaz chaud en brûlant un carburant. Il est pressé à l'arrière du moteur », explique Melkert. « L'utilisation de l'électricité pour chauffer un gaz est très inefficace. C'est pourquoi un avion électrique reste dépendant des hélices.» Elles s'améliorent, mais elles ne fourniront jamais la même puissance propulsive que les moteurs à réaction.
Malgré toutes les barrières technologiques, les pionniers investissent beaucoup d'argent dans le vol électrique. Ils ciblent principalement les petits appareils fonctionnant à basse tension. Un bon exemple de la première génération d'avions électriques est l'Alpha Electro. Ce biplace entièrement électrique a été construit par la société slovène Pipistrel, qui a collaboré avec l'allemand Siemens. L'Alpha Electro embarque un moteur électrique de 50 kilowatts et des batteries lithium-ion polymère de 126 kilowatts. Avec une seule hélice, il atteint une vitesse maximale de 194 km/h. Il peut rester en l'air pendant une heure. Après cela, il lui faut une heure pour se recharger.
Siemens vient de réaliser un exploit avec le développement d'un nouveau moteur électrique. Pesant seulement 50 kilos, il est super léger. Pourtant, il délivre une puissance continue de 260 kilowatts, soit cinq fois plus qu'un moteur électrique moyen. Avec la technologie à bord, l'Extra 330LE a pu établir un nouveau record mondial de vitesse pour le vol électrique. En mars 2017, l'appareil a atteint une vitesse de pointe de 340 km/h.
Le Solar Impulse 2 ne devrait pas passer inaperçu. Cet avion tout électrique a fait le tour de la Terre une fois à l'énergie solaire en 2016. Pour accueillir 17 000 cellules solaires, les ailes étaient plus longues que celles d'un Boeing 747. L'avion pesait 2,3 tonnes au total. Un quart de ce poids est allé aux batteries embarquées, qui stockaient l'énergie pendant la journée pour voler la nuit. La vitesse moyenne était d'environ 50 km/h.
Dans un hybride, les batteries servent quand vous avez besoin d'une poussée supplémentaire, comme lors du décollage
Tous ces exemples montrent les compromis associés au vol électrique. L'avion doit avoir des constructions super légères, voler à basse vitesse et être limité à de courtes distances. Les développeurs continuent d'espérer une percée dans la technologie des batteries qui ouvrira les portes au vol électrique. Jusqu'à ce que cela se produise, les appareils électriques seront confrontés à des défis similaires.
Les possibilités pratiques de tels aéronefs sont peut-être limitées, mais ils constituent des laboratoires idéaux pour découvrir comment un système de propulsion électrique peut être intégré dans le concept de vol. Le vol électrique nécessite bien plus que de remplacer le kérosène par des batteries et le moteur à réaction par une hélice électrique. Par exemple, les concepteurs doivent nécessairement utiliser des matériaux ultra-légers, tels que les composites de carbone.
Le X-57 Maxwell, un avion électrique de l'agence spatiale américaine NASA, montre à quel point un concept électrique nécessite des ajustements. Douze petites hélices sont fixées aux ailes qui accélèrent le flux d'air sur l'aile. Chaque hélice est propulsée par un modeste moteur électrique. Ils donnent au X-57 la portance nécessaire pour monter et descendre à basse vitesse sur des pistes courtes. En divisant la puissance entre plusieurs petits moteurs, la NASA a pu économiser de l'énergie. La batterie pèse 375 kilos.
Dans les airs, les hélices du X-57 se replient en position aérodynamique. Deux hélices plus grandes à entraînement électrique situées aux extrémités des ailes assurent la propulsion. Cette position extrême réduit le frottement de l'air généralement créé par le vortex autour des extrémités des ailes. Cela garantit à nouveau des économies d'énergie. Les deux hélices aux extrémités est une innovation qui ne fonctionne qu'avec les avions électriques. Les moteurs à réaction conventionnels sont beaucoup trop lourds pour être positionnés à l'extrémité des ailes.
La NASA investit également beaucoup d'argent dans un nouveau type de batterie. Il aurait une densité d'énergie extrêmement élevée, ce qui le rendrait très adapté aux avions. "Si nous parvenons à fabriquer une batterie au lithium-air, nous aurons une batterie qui, associée à un moteur électrique, pourra fournir presque autant d'énergie par kilo qu'un kilo de kérosène", a déclaré l'expert en batteries Venkat Visnawathan, impliqué dans l'étude de la NASA.
La batterie au lithium-air est encore en cours de développement aujourd'hui. Il peut être très léger, car l'oxygène nécessaire à la réaction chimique est simplement prélevé dans l'air. Si la batterie vient, elle pourrait également être idéale pour une voiture électrique.
Airbus a également expérimenté le vol électrique. Il y a quelques années, l'avionneur français a développé l'E-Fan. L'avion est équipé de deux hélices et du même nombre de moteurs électriques, qui fournissent ensemble 60 kilowatts. Le point culminant de la publicité est venu lorsque l'avion a traversé la Manche entre la France et l'Angleterre, atteignant une vitesse de pointe de près de 220 km/h. Cependant, Airbus a décidé de renoncer pour le moment à un avion entièrement électrique. En 2017, la société a abandonné le projet de mise en production de l'E-Fan. Au lieu de cela, il veut se concentrer sur le développement d'avions à propulsion hybride.
Pendant longtemps, l'industrie automobile s'est montrée incapable de passer du moteur essence à la voiture électrique. Cela était principalement dû au fait que les VE (véhicules électriques) devaient déjà se recharger longtemps après des distances relativement courtes. Le coupable ici était également la densité d'énergie limitée des batteries. La solution provisoire de Toyota, la propulsion hybride, s'est avérée être un succès retentissant. La Prius, qui est apparue pour la première fois sur la route en 1997, dispose d'un petit moteur à essence en plus d'un moteur électrique. Il aide à la propulsion et peut recharger les batteries en cours de route via un groupe électrogène.
De même, la plupart des experts estiment qu'une propulsion hybride dans l'aviation est une suite logique. Melkert :« Dans une propulsion hybride, vous pouvez faire fonctionner un moteur à essence de manière très efficace. Un tel moteur est actuellement ajusté à la puissance qu'il doit délivrer au démarrage. Dans une propulsion hybride, vous utilisez les batteries pour les moments où vous avez besoin d'un coup de pouce supplémentaire, comme au décollage. » En pratique, cela signifie que vous pouvez vous contenter d'un petit moteur à essence qui produit beaucoup moins de puissance et fonctionne donc beaucoup plus. économiquement.
Les plans les plus ambitieux pour un avion hybride viennent de Zunum Aero, une société américaine qui reçoit le soutien financier de Boeing et de JetBlue. Le PDG Assisi Kumar veut faire un vol en 2020 avec un prototype d'avion électrique hybride. L'avion peut transporter dix à cinquante passagers sur une distance de 1 000 kilomètres. Les moteurs électriques délivreront leur pleine puissance, notamment lors du décollage. Une fois à l'altitude de croisière, un moteur conventionnel peut alimenter un générateur qui charge les batteries. Tout comme la Toyota Prius.
Kumar est très optimiste quant aux économies qu'un tel modèle apportera. Il prédit que l'avion de Zunum émettra 80% de CO2 en moins sur les trajets courts qu'un avion comparable à propulsion conventionnelle. Lorsque le prix de l'électricité est bas, les vols court-courriers peuvent être de 40 à 80 % moins chers, selon Kumar. Un avantage agréable est que l'avion produit très peu de bruit lors du décollage et de l'atterrissage.
Il n'est pas clair quel type de batteries Zunum a l'intention d'utiliser. Selon le site Web technologique Ars Technica, l'entreprise poursuit une stratégie agnostique. Cela implique que les moteurs électriques et autres systèmes électriques à bord peuvent être facilement adaptés aux nouveaux développements de la technologie des batteries. Les ingénieurs pourront facilement remplacer les batteries vieillissantes par des alternatives avec une densité d'énergie plus élevée.
Alors combien de temps avant de partir Bruxelles et Amsterdam avec soixante-dix autres passagers vers Rhodes ou Tenerife dans un avion électrique ou hybride ? Longtemps, pense Melkert. "Le vol électrique est en route, mais ne vous y attendez pas encore avec la prochaine génération d'avions."
Selon Melkert, les modèles que Boeing et Airbus développent actuellement n'ont pas de propulsion électrique ou hybride. « Les carnets de commandes de ces entreprises sont remplis à ras bord. Ils ne ressentent pas le besoin de faire quoi que ce soit de nouveau », déclare Melkert. "Boeing et Airbus veulent juste faire de l'argent avec les produits qu'ils ont."
Melkert s'attend à voir un premier prototype d'avion de taille moyenne à propulsion hybride dans dix ans. Bien qu'il puisse encore s'écouler plusieurs années avant qu'un tel appareil n'entre en production.
