L’hydrogène dans l’avenir du transport aérien

L’hydrogène sera le carburant de l’avenir de l’aviation. Nous en sommes tous conscients et savons qu’il aura un impact considérable sur l’ensemble du secteur, qui devra être préparé à disposer des infrastructures et des procédures appropriées pour sa fabrication, sa distribution et son stockage. D’autre part, il sera un acteur de premier plan vers la décarbonisation.

Depuis la fin du siècle dernier, le secteur aéronautique est impliqué dans une course vers la réduction de son impact sur l’environnement et, en particulier, en ce qui concerne la décarbonisation du transport aérien. Les axes de travail en cours à cet effet sont nombreux et, parmi ceux-ci, la question de l’utilisation de l’hydrogène en tant que combustible est l’une des plus intéressantes et des plus prometteuses.

Bien qu’il reste des défis à relever concernant l’utilisation de l’hydrogène en tant que carburant pour l’aviation, il est certain qu’il jouera un rôle important dans la voie vers la décarbonisation.

L’hydrogène est l’élément le plus léger, le plus élémentaire et le plus courant de l’univers et sa forme moléculaire, le H2O, est une source d’énergie dont l’avenir est très prometteur, car elle ne pollue pas. L’hydrogène n’est toutefois pas une source d’énergie primaire, mais il sert à conserver l’énergie produite par d’autres sources, tant renouvelables (hydrogène vert) que non renouvelables (hydrogènes bleu et gris).

La théorie est simple. Les aéronefs sont capables de voler moyennant l’utilisation de piles à combustible d’hydrogène pour produire de l’électricité, qui peut ensuite être utilisée pour impulser les moteurs de l’avion. Les piles à combustible convertissent l’hydrogène et l’oxygène en électricité, générant juste de l’eau et de la chaleur en tant que sous-produits. Il s’agit sans aucun doute d’une alternative plus respectueuse de l’environnement que les combustibles traditionnels utilisés par les avions (la plupart sont des hydrocarbures d’origine fossile), qui libèrent des gaz à effet de serre et contribuent au changement climatique. Cependant, il existe encore des défis à relever, parmi lesquels la disponibilité limitée des infrastructures de combustible d’hydrogène (la fabrication et le stockage essentiellement).

Voici un résumé du fonctionnement de ce processus :

1. L’hydrogène est stocké à bord de l’aéronef dans des réservoirs.
2. L’hydrogène alimente une pile à combustible, où il réagit avec l’oxygène pour produire de l’électricité.
3. L’électricité produite par la pile à combustible alimente un moteur électrique, qui impulse les hélices ou les turbines de l’aéronef.
4. Les seuls sous-produits de cette réaction sont l’eau et la chaleur, qui sont expulsées de l’aéronef.

Ce processus repose sur une source d’énergie propre et efficace pour l’aéronef, sans les émissions des combustibles d’aviation traditionnels. L’utilisation de l’hydrogène dans l’aviation est cependant encore à ses débuts et il existe des obstacles à surmonter.

Parmi eux, le stockage dans l’aéronef ou dans les installations de l’aéroport, qui pose les défis suivants :

1. Faible densité: l’hydrogène est un gaz léger qui occupe un volume important par rapport à sa masse. Il est donc difficile de le stocker de façon compacte, car il requiert des conteneurs de grande taille pour entreposer une quantité importante de carburant. L’utilisation de l’hydrogène cryogénique (liquide) réduit considérablement ce problème en diminuant le volume et la pression nécessaires.
2. Haute pression: en conséquence, pour stocker l’hydrogène de forme compacte, il est nécessaire de le comprimer à de fortes pressions, ce qui requiert des citernes lourdes et spécialisées. L’état liquide permet également de minimiser ce facteur.
3. Température froide: l’hydrogène cryogénique implique une conservation à des températures extrêmement basses, généralement à environ -253 °C, afin de maintenir un volume plus faible et d’éviter l’accumulation de pression.
4. Haut niveau de réactivité: l’hydrogène est hautement réactif, ce qui signifie qu’il peut facilement se combiner à d’autres éléments et peut provoquer des réactions indésirables (voire des explosions) s’il n’est pas stocké correctement.
5. Coût: le stockage de l’hydrogène de façon sûre et efficace est actuellement onéreux en raison de l’équipement spécialisé et des infrastructures nécessaires.
6. Design des réservoirs à carburant: les exigences en matière de stockage de l’hydrogène ne permettent pas, pour le moment du moins, de penser à l’utilisation traditionnelle des ailes comme réservoir de ce carburant, mais imposeraient l’utilisation de réservoirs situés dans le fuselage de l’aéronef.

La solution pour réduire certains de ces inconvénients serait l’utilisation d’hydrogène cryogénique, c’est-à-dire liquéfié à une température d’environ -253 °C. Dans ce cas, le principal avantage est que le réservoir cryogénique sera soumis à une pression moindre, car les liquides sont moins comprimables que les gaz. Il s’agit d’une solution de stockage commune dans le secteur spatial et qui est maintenant envisagée pour intégrer l’hydrogène comme une option énergétique dans le domaine de l’aéronautique. L’utilisation de l’hydrogène cryogénique est, a priori, une alternative plus intéressante que le réservoir pressurisé pour des raisons d’espace et de sécurité.

En raison des défis mentionnés ci-dessus, le stockage de l’hydrogène est un processus complexe et coûteux, ce qui a limité jusqu’à présent son utilisation généralisée comme source de combustible. Cependant, des efforts de recherche et de développement sont en cours pour améliorer la technologie de stockage de l’hydrogène afin de la rendre plus accessible et moins onéreuse.

Mais avant d’arriver à ce point, il est également nécessaire d’évaluer les difficultés de production. La méthode la plus courante utilisée pour produire de l’hydrogène est actuellement celle du reformage de méthane à vapeur, qui consiste à convertir le gaz naturel en hydrogène. Cette méthode est relativement peu chère, mais elle présente comme grand inconvénient la production de dioxyde de carbone en tant que sous-produit, ce qui contribue au changement climatique et nous ramène à la case départ. Lorsque l’énergie nécessaire au processus d’électrolyse est obtenue par des combustibles fossiles, l’émission de CO2 dans l’atmosphère est appelée « hydrogène gris ».

L’« hydrogène vert » est une alternative plus respectueuse de l’environnement. La méthode utilisée pour le produire recourt au courant électrique pour séparer l’hydrogène de l’oxygène présent dans l’eau, et donc, si l’électricité nécessaire provient de sources renouvelables, il est enfin possible de produire de l’énergie sans émettre de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Si l’hydrogène produit dans le monde entier était « vert », nous éliminerions les 830 millions de tonnes de CO2 émises par an dans l’atmosphère lors de la production des combustibles fossiles. Le problème de fond est que le remplacement de l’ensemble de l’hydrogène gris mondial par l’hydrogène vert correspondrait à une demande d’énergie renouvelable d’environ 3 000 TWh supplémentaires par an, ce qui équivaut à la demande européenne totale enregistrée actuellement. Le coût devrait diminuer à mesure que les technologies et les infrastructures s’améliorent, ce qui rendra l’hydrogène plus abordable par rapport aux combustibles traditionnels.

L’utilisation de l’hydrogène comme source de carburant dans l’aviation devrait évoluer comme suit :

1. Augmentation de son utilisation: l’utilisation de l’hydrogène dans l’aviation devrait se généraliser au fur et à mesure de la disponibilité des infrastructures de combustible d’hydrogène, ce qui devrait conduire à une réduction des émissions de gaz à effet de serre et à une amélioration de la qualité de l’air.
2. Amélioration de la technologie: le développement des piles à combustible d’hydrogène devrait les améliorer et les rendre plus efficaces. Les progrès réalisés dans le domaine du stockage et du transport de l’hydrogène faciliteront l’utilisation de l’hydrogène comme source de carburant pour l’aviation et la rendront plus rentable.
3. Nouveaux modèles d’aéronefs: l’utilisation de l’hydrogène comme source de carburant pourra conduire à l’élaboration de nouveaux modèles d’aéronefs optimisés pour les systèmes de piles à combustible d’hydrogène. Le secteur évoluera vers la fabrication d’avions plus légers et plus efficaces.
4. Réduction des coûts: à mesure de l’amélioration des technologies et des infrastructures de l’aviation, le coût de l’hydrogène devrait diminuer, ce qui devrait en faire une alternative plus abordable pour l’aviation.
5. Nouvelles configurations et systèmes aériens de transport. Ces dernières années, un nouveau type de mobilité a vu le jour, qui contribuera également au développement de l’utilisation de l’hydrogène dans le transport aérien en apportant de nouveaux concepts, au-delà de l’aviation traditionnelle. Il s’agit de la mobilité aérienne avancée, AAM. L’énergie produite par les piles à hydrogène peut changer les règles du jeu pour les éVTOL (aéronefs électriques au décollage et atterrissage vertical). La propulsion électrique distribuée permet d’obtenir de nouvelles configurations d’aéronefs qui devraient être plus efficaces, plus sûres et plus silencieuses. En effet, les modèles d’éVTOL alimentés par les HFC devraient être nettement plus performants que ceux qui sont alimentés par des batteries électriques classiques.

Enfin, il convient de mentionner les implications de l’hydrogène pour les aéroports. La gestion de sa fabrication, de son stockage et de sa distribution dans un aéroport sera également un défi à relever dans les prochaines années. Elle ne sera certainement pas aussi simple qu’avec le combustible fossile d’aujourd’hui, traité à température ambiante.

Il est probable que des aéroports disposeront d’installations de fabrication d’hydrogène pur qui serviront directement les aéronefs. La tendance actuelle visant à agrandir les installations d’énergies renouvelables dans les aéroports du monde entier devrait permettre de produire un grand volume d’hydrogène vert. Toutefois, d’autres aéroports devront l’acheter et devront recourir à des procédures de distribution et à des installations appropriées pour son stockage.

En général, l’évolution de l’aviation vers l’hydrogène est susceptible de réduire l’impact de l’industrie sur l’environnement et de créer de nouvelles opportunités d’innovation dans la conception des aéronefs et des systèmes de carburant. De nombreux défis restent à relever, mais l’hydrogène promet l’obtention d’une énergie abondante, propre et durable, avec la vapeur d’eau comme seul sous-produit. Tentant, n’est-ce pas ?