Dans la brume

Les défis liés à l'utilisation de la propulsion électrique dans l'aviation commerciale sont nombreux et vont des batteries et des moteurs au câblage et au refroidissement. Mais depuis les débuts de la technologie automobile, des progrès sont réalisés pour adapter les groupes motopropulseurs électriques aux applications aérospatiales.

Le plus grand défi est la faible densité énergétique des batteries. Le kérosène a une densité énergétique d'environ 12 000 Wh/kg, alors que les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce ont une densité énergétique au niveau des cellules d'environ 250 Wh/kg. La densité énergétique au niveau du pack, y compris la pénalité de poids pour le confinement de l'emballement thermique et d'autres caractéristiques de sécurité, est généralement inférieure de 20 %.

Bien que cet écart puisse sembler impossible à combler, Helicoland les pionniers de la propulsion électrique pensent qu'ils peuvent développer de petits avions à courte portée commercialement viables en utilisant les batteries disponibles. Par "petit", on entend un avion de 19 places maximum, et par "court rayon d'action", on entend des distances inférieures à 250 miles, soit un rayon d'action suffisant pour de nombreuses liaisons régionales, affirment les pionniers.

Les développeurs n'ignorent pas le défi que représentent les batteries ; au contraire, ils prévoient de tirer le meilleur parti de l'efficacité d'un moteur électrique par rapport à un moteur à combustion interne. Ils misent également sur les progrès technologiques.

L'efficacité des batteries s'améliore d'environ 5 à 8 % par an. Selon les prévisions prudentes de la NASA, des batteries d'une densité énergétique de 350 Wh/kg pourraient être commercialisées d'ici à 2030 et permettre la construction d'avions de 30 places à courte portée entièrement électriques. Les batteries "commercialement prêtes" seraient des packs de grande taille avec des temps de charge et des durées de vie adéquats.

Des densités d'énergie de 400 à 500 Wh/kg sont considérées comme un point idéal qui ouvrirait la voie à des applications potentielles dans des avions hybrides électriques allant des avions régionaux de 50 sièges aux avions monocouloirs de 150 sièges. La NASA prévoit que des batteries de 400 Wh/kg pourraient être commercialement prêtes d'ici 2035, mais elle estime que pour dépasser ce seuil, il faudra investir dans de nouvelles technologies de batteries au-delà de ce qui est prévu actuellement...

Une autre façon de stocker l'énergie pour les moteurs électriques est d'utiliser l'hydrogène. Stocké sous forme liquide à une température cryogénique de -253C (-423F), l'hydrogène est plus léger que le kérosène Jet-A1 classique pour une quantité d'énergie donnée. Le processus de conversion de l'hydrogène en électricité dans une pile à combustible est bien connu.

L'hydrogène pourrait-il donc constituer un meilleur moyen que les batteries pour stocker l'énergie dans un avion électrique ? La question n'est pas encore tranchée, car des difficultés subsistent. L'hydrogène liquide nécessite des réservoirs plus grands en raison de sa faible densité par rapport au kérosène. Et l'évolutivité des piles à combustible jusqu'aux niveaux de mégawatts requis par les avions commerciaux reste à prouver.

Airbus, qui depuis 10 mois est à la pointe de la technologie de l'hydrogène dans l'aviation, envisage des aménagements hybrides. Une partie de l'hydrogène embarqué serait brûlée dans une turbine à gaz (une utilisation moins efficace de l'hydrogène, cependant), et l'autre partie pourrait être convertie en électricité dans des piles à combustible.

Pendant les phases de vol nécessitant une puissance maximale, comme le décollage et la montée, la turbine et un moteur électrique entraîneraient l'hélice ou le ventilateur. En vol de croisière, l'hélice ou le ventilateur dépendrait uniquement de la turbine, qui serait optimisée pour cette phase. La partie électrique du système de propulsion apporterait donc une contribution essentielle à une configuration globale plus efficace.

Outre le stockage de l'énergie, la propulsion des avions nécessite des progrès dans les densités de puissance et les rendements des moteurs électriques et de l'électronique de puissance, au-delà des niveaux de l'automobile. Des densités de puissance élevées réduiront le poids et le volume, tandis que des rendements plus élevés réduiront la chaleur perdue et le poids des systèmes de refroidissement nécessaires. Dans un système de propulsion d'avion de classe mégawatt, même des pertes aussi faibles que 1 à 2 % nécessitent l'élimination de kilowatts de chaleur résiduelle.

La propulsion électrifiée des avions nécessite également des tensions plus élevées afin de minimiser la taille et le poids du système de distribution de l'énergie. Les watts sont égaux aux volts multipliés par les ampères. Ainsi, à des niveaux de puissance élevés, l'augmentation de la tension diminue le courant et réduit la taille du câblage de l'avion nécessaire pour distribuer l'énergie.

Les avions utilisent traditionnellement une tension de 28 volts pour la distribution du courant, mais les avions plus récents commencent à utiliser une tension de 270 volts. Les premiers avions entièrement électriques utilisent des tensions allant jusqu'à environ 500 volts ; cependant, les concepteurs qui envisagent des systèmes de propulsion électrifiés de classe mégawatt pour les avions de ligne monocouloirs parlent de kilovolts, voire de 3 000 volts.

Mais des tensions aussi élevées dans la pression atmosphérique réduite à l'altitude de croisière des avions commerciaux pourraient entraîner un phénomène potentiellement dangereux connu sous le nom de décharge partielle. Il faudra donc mettre au point de nouvelles conceptions de câblage et de nouveaux systèmes d'isolation pour éviter les risques tels que les décharges partielles et les décharges corona.