1. Le défi de la décarbonisation de l’aviation
Le secteur de l’aviation représente 2,5 à 3 % des émissions mondiales de CO2. Depuis les années 1960, l’efficacité énergétique s’est améliorée, mais la croissance du trafic aérien a augmenté les émissions. En réponse, l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) et des organismes industriels tels que l’IATA ont fixé des objectifs de réduction nette des émissions de carbone pour 2050.
En 2022, l’OACI a adopté l’objectif ambitieux à long terme de zéro émission nette d’ici à 2050, grâce aux améliorations technologiques des aéronefs, aux innovations dans les systèmes de propulsion électrique, aux carburants d’aviation durables (Sustainable Aviation Fuels = SAF) et à l’amélioration de la gestion du trafic aérien. Le programme « Fit for 55 » de l’Union européenne vise à réduire les émissions de gaz à effet de serre de 55 % d’ici à 2030. La suppression progressive des quotas gratuits dans le système d’échange de quotas d’émission de l’UE (SEQE-UE) et des initiatives telles que RefuelEU Aviation visent à accroître l’utilisation des SAF et l’électrification.
Source : ICAO
L’Agence de l’union Européenne pour la Sécurité Aérienne (AESA) et l’Agence Fédérale de l’Aviation américaine (FAA) s’emploient activement à adapter les réglementations aux nouveaux systèmes de propulsion tels que l’électricité et l’hydrogène. L’AESA a introduit des « conditions spéciales » pour s’assurer que les réglementations sont indépendantes de la technologie, ouvrant ainsi la voie à l’entrée sur le marché d’aéronefs électriques et hybrides.
Des acteurs clés comme Airbus font avancer des projets tels que l’avion à hydrogène ZEROe et les avions compatibles SAF. L’Europe se positionne en tant que leader dans le domaine de l’aviation à zéro émission, sous l’impulsion d’initiatives telles que l’Alliance for Zero-Emission Aviation (AZEA), qui cherche à aligner l’industrie et les décideurs politiques pour atteindre des objectifs de décarbonisation. Pour parvenir à une décarbonisation complète d’ici à 2050, il faudra relever des défis, notamment les coûts des SAF et les progrès technologiques en matière de propulsion et d’efficacité. Les SAF et l’hydrogène ne peuvent à eux seuls réduire totalement les émissions de CO2 ; une combinaison d’électrification, de systèmes hybrides et d’améliorations opérationnelles sera nécessaire. Les efforts collectifs des régulateurs, des constructeurs, des compagnies aériennes et des gouvernements sont essentiels pour atteindre les objectifs de décarbonisation.
2. Décarbonisation par segment de marché
Aviation générale :
L’aviation générale comprend tous les vols autres que les vols militaires et commerciaux, tels que les vols privés et les sports aériens. En raison de la taille réduite des appareils et de leur flexibilité, l’aviation générale est bien placée pour mener la décarbonisation grâce à l’électrification et aux technologies hybrides. Par exemple, l’avion électrique Pipistrel est déjà utilisé pour la formation des pilotes et les vols de loisir, démontrant ainsi le potentiel de la propulsion électrique. Les écoles de pilotage utilisent encore aujourd’hui de vieux avions, dont certains sont même plus vieux que leurs pilotes. D’ici 2035, un certain renouvellement de la flotte sera nécessaire et de nombreux aéronefs de l’aviation générale devraient être entièrement électriques ou hybrides.
Aviation professionnelle :
L’aviation professionnelle, qui comprend les jets d’affaires et personnels, se concentrera sur les SAF comme solution à court terme, avec l’électrification et les technologies hybrides intégrées d’ici 2040. L’intégration des batteries lithium-ion et des systèmes de propulsion électrique sera cruciale pour les vols de courte durée, car elle permettra de réduire les émissions sans sacrifier la commodité.
Aviation régionale :
L’aviation régionale, qui dessert des itinéraires courts et moyen courrier en embarquant 20 à 100 passagers, représente une opportunité de choix pour les aéronefs électriques hybrides et les systèmes de propulsion à l’hydrogène. La propulsion électrique et à l’hydrogène pourrait réduire considérablement les émissions de CO2 de l’aviation sur les vols courts et moyens courriers, offrant une solution rentable par rapport à d’autres options. D’ici 2035, des avions régionaux fonctionnant à l’hydrogène devraient être en service et, d’ici 2050, de nombreux vols régionaux seront à faibles émissions. Des projets tels que le concept EVO d’ATR visent à réduire la consommation de carburant et les émissions de 20 %, en intégrant une hybridation légère. La propulsion électrique et à l’hydrogène pourrait réduire les émissions sur les vols court et moyen-courriers de 43 mégatonnes de CO2 par an d’ici à 2050, ce qui aurait un impact significatif sur l’aviation régionale. Les itinéraires de vol plus courts rendent l’aviation régionale idéale pour la propulsion hybride-électrique, qui permet d’utiliser des batteries plus petites et de les recharger fréquemment.
Source : ATR
Mobilité Aérienne Urbaine (MAU) :
La MAU, qui comprend des avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL), vise à fournir une nouvelle couche de transport urbain à faibles émissions. L’exploitation commerciale devrait débuter à la fin des années 2020. Ces aéronefs reposent sur des modèles de batteries d’aviation compactes et légères, utilisant les chimies lithium-ion les plus denses, telles que les NMC à forte teneur en nickel. Les défis à relever sont l’approbation réglementaire, le développement de l’infrastructure et l’acceptation par le public. Le CityAirbus NextGen, présenté en 2024, se veut un eVTOL pionnier pour les déplacements urbains durables, avec une autonomie de 80 km et une vitesse maximale de 120 km/h.
Aviation commerciale :
L’aviation commerciale se concentrera sur les systèmes de propulsion à l’hydrogène et hybrides-électriques pour les vols régionaux, tandis que les avions plus grands s’appuieront sur les SAF. Airbus prévoit d’avoir 100 % d’avions compatibles avec les SAF d’ici 2030 et d’introduire des avions fonctionnant à l’hydrogène d’ici 2035. Les SAF, bien que cruciaux, doivent être complétés par d’autres technologies en raison de leur disponibilité limitée et de leur coût élevé. Les avions hybrides et à hydrogène devraient progressivement augmenter leur part dans les vols régionaux au fur et à mesure que les infrastructures se développent.
L’électrification commencera avec des avions plus légers sur des trajets courts. Pour les avions plus gros, l’hydrogène et les SAF joueront un rôle clé en raison de leur plus grande densité énergétique. Les solutions hybrides combinant la propulsion électrique et conventionnelle seront des technologies de transition importantes au cours de la prochaine décennie. Le développement de l’infrastructure, y compris les stations de recharge et les installations de ravitaillement en hydrogène, sera vital. La collaboration entre les gouvernements, l’industrie et les institutions de recherche est nécessaire pour créer un écosystème favorable. En outre, les avions électriques et à hydrogène offrent la possibilité de réduire les effets de réchauffement autres que le CO2, tels que la formation de traînées de condensation, qui contribuent de manière significative à l’impact de l’aviation sur le climat.
3. Exigences en matière de batteries pour l’électrification
Les batteries sont essentielles pour l’électrification de l’aviation, en particulier pour les petits aéronefs. Toutefois, il est difficile de parvenir à une électrification efficace en raison de la nécessité de disposer d’une densité d’énergie et de puissance élevée tout en garantissant la sécurité et la longévité. L’augmentation de la densité énergétique compromet souvent la sécurité, car les cellules à haute densité sont plus sujettes à l’emballement thermique. Le poids des systèmes de batteries affecte également l’efficacité et l’autonomie de l’avion, d’où la nécessité d’équilibrer le stockage de l’énergie et le poids.
La technologie de refroidissement par immersion apparaît comme une solution supérieure aux méthodes de refroidissement traditionnelles, réduisant efficacement les risques associés à la haute densité énergétique des systèmes de batteries. Contrairement au refroidissement traditionnel par air ou par liquide, qui peine souvent à gérer la chaleur de manière uniforme et à éviter les points chauds localisés, le refroidissement par immersion submerge les cellules dans un fluide diélectrique, ce qui permet une gestion thermique cohérente et efficace. Cette approche réduit considérablement les points chauds qui entraînent des défaillances, améliore les performances et simplifie le système de refroidissement en éliminant le besoin d’échangeurs de chaleur complexes. En outre, le refroidissement par immersion arrête efficacement la propagation de l’emballement thermique des cellules au lithium, ce qui constitue un avantage majeur en termes de sécurité.
Chez EXOES, nous avons démontré que le refroidissement par immersion maintient les batteries à des températures optimales, ce qui améliore la sécurité et prolonge leur durée de vie. Grâce à sa grande expérience, à ses essais et erreurs et aux projets de ses clients, EXOES a pu minimiser la quantité de fluide utilisée et atteindre le poids des conceptions traditionnelles, tout en conservant les avantages de l’immersion en termes de performances et de sécurité. Une densité de puissance élevée permet de fournir rapidement de l’énergie pour le décollage et les manœuvres, et le refroidissement par immersion répond à ces exigences en toute sécurité, ce qui en fait une innovation clé pour l’électrification de l’aviation. Le refroidissement par immersion présente l’avantage supplémentaire d’égaliser les températures dans les batteries et de réduire les températures moyennes des cellules, ce qui se traduit par des durées de vie plus longues, réduisant encore l’impact en termes de CO2 par rapport aux conceptions traditionnelles.
Les avancées en matière de technologie des batteries sont essentielles pour l’aviation sans émissions. De nouvelles chimies et des techniques de refroidissement avancées seront nécessaires pour répondre aux exigences du secteur. L’infrastructure devra également être développée, l’électrification des pistes étant essentielle pour l’adoption d’avions entièrement électriques. La collaboration entre les entreprises aérospatiales, les concepteurs et fabricants de batteries et les instituts de recherche permettra d’accélérer les progrès. En outre, les investissements publics et privés dans les infrastructures d’électrification, telles que les systèmes de recharge des pistes, ouvriront la voie à l’adoption généralisée de l’avion électrique. En relevant les défis liés à la densité énergétique, à la sécurité et au poids, il sera possible à l’avenir de voler à l’électricité de manière économiquement viable, ce qui contribuera à réduire les émissions de manière significative.
Conclusion
Le secteur de l’aviation est à l’avant-garde de la transition mondiale vers un transport sans émission, et EXOES s’engage à rendre le ciel plus propre. Notre expertise dans le domaine du refroidissement par immersion et de la technologie des batteries nous positionne comme un leader dans le soutien des objectifs de décarbonisation de l’industrie.