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Un vol propre et vert : les vols à hydrogène vont révolutionner le transport aérien

SciTechDaily

L'hydrogène liquide nécessite un réservoir plus grand que le kérosène d'aviation actuel, mais il est en même temps plus léger et contient plus d'énergie par kilogramme de carburant. Crédit : Université de Cranfield

D’ici 2045, la quasi-totalité des vols à courte distance pourraient être alimentés à l’hydrogène, grâce à des avancées technologiques significatives en matière d’efficacité et d’autonomie. La Suède pourrait commencer à utiliser l’hydrogène en vol d’ici 2028, avec pour objectif une adoption mondiale à grande échelle d’ici 2050.

Les vols à hydrogène offriraient de nouvelles possibilités de voyage sans énergie fossile, et les progrès technologiques dans ce domaine évoluent rapidement. De nouvelles études menées par Université de technologie Chalmers En Suède, les études indiquent que d'ici 2045, presque tous les voyages aériens dans un rayon de 1 200 kilomètres pourraient être effectués avec des avions à hydrogène. De plus, grâce à un nouvel échangeur de chaleur actuellement en cours de développement, cette autonomie pourrait être encore plus importante.

« Si tout se passe bien, la commercialisation des vols à hydrogène pourrait aller très vite. Dès 2028, les premiers vols commerciaux à hydrogène pourraient avoir lieu en Suède », déclare Tomas Grönstedt, professeur à l’université de technologie de Chalmers et directeur du centre de compétences TechForH2* de Chalmers.

Ces avancées technologiques sont visibles dans les souffleries Chalmers, où les chercheurs testent les conditions d’écoulement de l’air dans des installations de pointe. Ici, des moteurs plus économes en énergie sont développés, ouvrant la voie à des vols à hydrogène sûrs et efficaces pour les véhicules lourds.

Échangeur de chaleur par les chercheurs de Chalmers

Échangeur de chaleur avec préchauffeur de gaz d'échappement, développé selon le nouveau concept. Crédit : GKN Aerospace

Le potentiel de l’aviation à hydrogène

Les vols à hydrogène de courte et moyenne distance sont les plus proches d’être réalisés. Une étude récemment publiée par Chalmers montre que les vols à hydrogène ont le potentiel de répondre aux besoins de 97 % de toutes les lignes aériennes intra-nordiques et de 58 % du volume de passagers nordiques d’ici 2045.

Pour cette étude, les chercheurs ont supposé une distance de vol maximale de 1 200 km et l'utilisation d'un modèle d'avion existant adapté à l'hydrogène. L'étude, dirigée par Christian Svensson, doctorant au sein du groupe de recherche de Grönstedt, a également présenté un nouveau réservoir de carburant capable de contenir suffisamment de carburant, suffisamment isolé pour contenir l'hydrogène liquide ultra-froid, et en même temps plus léger que les systèmes de réservoirs à carburant fossile actuels.

Tomas Grönstedt au laboratoire

Tomas Grönstedt, professeur à l'université technologique Chalmers, en Suède, et directeur du centre de compétences TechForH2. Crédit : Université technologique Chalmers | Mia Halleröd Palmgren

Hydrogène et vol à hydrogène :

  • L'hydrogène, H2, est un gaz invisible, inodore et volatil qui se liquéfie à environ -250 degrés Celsius (20 Kelvin).
  • Si l'hydrogène est produit à partir d'énergies renouvelables, il ne produit pas d'émissions de dioxyde de carbone. On parle alors d'« hydrogène vert ».
  • Les vols à hydrogène peuvent être alimentés soit électriquement, en utilisant des piles à combustible qui convertissent l'hydrogène en électricité par catalyse, soit avec des moteurs à réaction, où l'hydrogène est brûlé dans une turbine à gaz.
  • L'hydrogène contient plus d'énergie par kilogramme que le kérosène actuel et présente également l'avantage que le produit résiduel de la combustion est principalement de la vapeur d'eau.
  • Le gaz est hautement inflammable s’il est mélangé à l’air, c’est pourquoi des capteurs à haute efficacité sont nécessaires.
  • Dans l’industrie, l’hydrogène est actuellement utilisé dans la production, par exemple, d’acier sans énergie fossile.

Développement d'échangeurs de chaleur innovants

Les échangeurs de chaleur sont un élément essentiel de l'aviation à hydrogène et ils sont un élément clé des avancées technologiques en cours. Pour que les systèmes de carburant restent légers, l'hydrogène doit être sous forme liquide. Cela signifie que l'hydrogène est maintenu à une température extrêmement basse dans l'avion, généralement autour de -250 degrés Celsius. En récupérant la chaleur des gaz d'échappement chauds des réacteurs et en refroidissant les moteurs à des endroits stratégiques, ils deviennent plus efficaces. Pour transférer la chaleur entre l'hydrogène surfondu et le moteur, de nouveaux types d'échangeurs de chaleur sont nécessaires.

Pour relever ce défi, les chercheurs de Chalmers travaillent depuis plusieurs années à la mise au point d'un tout nouveau type d'échangeur thermique. Cette technologie, dont le brevet a été déposé par le partenaire GKN Aerospace, exploite la faible température de stockage de l'hydrogène pour refroidir les pièces du moteur, puis utilise la chaleur résiduelle des gaz d'échappement pour préchauffer le carburant de plusieurs centaines de degrés avant son injection dans la chambre de combustion.

Carlos Xisto

Carlos Xisto, professeur associé, division de mécanique des fluides, département de mécanique et de sciences maritimes, université de technologie Chalmers. Crédit : Sören Håkanlind

« Chaque degré d’augmentation de la température réduit la consommation de carburant et augmente l’autonomie. Nous avons pu démontrer que les avions court et moyen-courriers équipés du nouvel échangeur de chaleur pouvaient réduire leur consommation de carburant de près de 8 %. Sachant qu’un moteur d’avion est une technologie mature et bien établie, il s’agit d’un très bon résultat obtenu à partir d’un seul composant », déclare Carlos Xisto, professeur associé à la Division de mécanique des fluides de Chalmers et l’un des auteurs de l’étude.

Les chercheurs notent également qu'avec davantage d'optimisation, ce type de technologie d'échangeur de chaleur dans un avion commercial Airbus A320 ordinaire pourrait offrir une autonomie améliorée jusqu'à dix pour cent, soit l'équivalent de la route Göteborg-Berlin (environ 450 miles).

Thomas Grönstedt

Tomas Grönstedt, professeur à l'université technologique Chalmers, en Suède, et directeur du centre de compétences TechForH2. Crédit : Université technologique Chalmers | Anna-Lena Lundqvist

Efforts de collaboration et perspectives du secteur

Les efforts visant à développer des solutions pour l’aviation à hydrogène du futur se font sur un vaste front, avec la collaboration des gouvernements, des universités et des entreprises privées. En Suède, le pôle d’innovation Swedish Hydrogen Development Centre (SHDC) rassemble des acteurs clés, notamment des chefs de file de l’industrie et des experts du monde universitaire. Lors d’un récent séminaire du SHDC, des chercheurs de Chalmers ont présenté leurs travaux et plusieurs entreprises commerciales ont témoigné des investissements majeurs dans les vols à hydrogène au cours des prochaines années. Si la technologie est bien avancée, les défis résident plutôt dans les investissements importants nécessaires et dans le développement d’infrastructures, de modèles commerciaux et de partenariats pour pouvoir produire, transporter et stocker l’hydrogène afin de rendre possible la transition vers les vols à hydrogène. Une transition totale devrait nécessiter environ 100 millions de tonnes d’hydrogène vert par an.

« L’industrie s’attend à ce que 30 à 40 % de l’aviation mondiale soit alimentée à l’hydrogène d’ici 2050. Il est probable que pendant un certain nombre d’années encore, nous aurons besoin d’un mélange d’avions fonctionnant à l’électricité, de kérosène moins nocif pour l’environnement et d’hydrogène. Mais chaque avion pouvant être alimenté à l’hydrogène issu d’une énergie renouvelable réduit les émissions de dioxyde de carbone », explique Grönstedt.

Au sein de TechForH2, les conditions sont bonnes pour relever le défi de l'hydrogène, et avec un budget de 162 millions de SEK (équivalent à 15,5 millions de dollars), le centre de compétences peut contribuer au développement d'un certain nombre de domaines de recherche différents qui relient l'hydrogène et le transport lourd.

Financement : Agence suédoise de l'énergie, programme-cadre Horizon 2020, Conseil suédois de la recherche

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