La propulsion à l’hydrogène d’Airbus se concrétisera par des démonstrations

Les détails publiés par Airbus sur les objectifs de ses études conceptuelles sur la propulsion hybride-électrique et électrique et sur un démonstrateur de technologie supraconductrice indiquent que l’avionneur est en ordre de marche pour l’entrée en service d’un avion neutre en carbone d’ici 2035.

En septembre dernier, la société a présenté trois études conceptuelles pour des avions à hydrogène liquide. Il s’agit d’un turbopropulseur régional, d’un avion à fuselage étroit de la famille A320 et d’un avion à ailes mixtes. En décembre, Airbus a dévoilé une autre configuration potentielle pour un avion à hydrogène intégrant un réservoir, une pile à combustible, un moteur et une hélice dans chacune des six nacelles sous l’aile de l’appareil.

  • Les piles à combustible sont présentes dans toutes les études conceptuelles d’Airbus
  • La supraconductivité offre l’espoir de résoudre les problèmes clés des architectures électriques
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Source : Airbus

Les concepts hybrides-électrique d’Airbus

Les trois premiers concepts sont hybrides-électriques. « Cela signifie donc que dans les trois concepts, nous avons de l’hydrogène qui alimente des turbines à gaz« , a déclaré Glenn Llewellyn, vice-président des avions à émission zéro chez Airbus, lors d’un webinaire organisé par Eurocontrol, l’organisme chargé de la gestion du trafic aérien en Europe.

« En parallèle, nous pouvons alimenter les turbines à gaz en énergie électrique dans ce que l’on appelle une configuration hybride parallèle. » Dans une telle configuration, les turbines à gaz seraient probablement conçues pour la phase de croisière, et l’énergie électrique fournirait un coup de pouce pour le décollage et la montée. Au final, les turbines à gaz sont plus efficaces.

L’énergie électrique provient des piles à combustible. « Une fois que vous avez de l’hydrogène à bord, il est logique d’utiliser des piles à combustible pour créer votre énergie électrique par un processus efficace plutôt que de transporter des batteries« , a déclaré Llewellyn.

Le quatrième concept utilise uniquement des piles à combustible, sans aucune turbine à gaz. « Nous utilisons ce concept et certaines variantes de ce concept que nous n’avons pas rendues publiques pour vraiment comprendre l’évolutivité des piles à combustible, tant en termes de faisabilité technique que de viabilité commerciale« , a déclaré Llewellyn.

« Dans tous les cas, l’hydrogène est la solution qui nous permet d’avoir la réduction la plus significative de l’impact climatique. . . . Bien sûr, nous devons nous assurer que nous augmentons la quantité d’énergie renouvelable et la quantité d’hydrogène renouvelable disponible« , a-t-il ajouté. Les émissions de CO2 sont pratiquement éliminées lorsqu’on utilise de l’hydrogène à la place d’un carburant classique.

En outre, les effets non liés au CO2 sont de plus en plus considérés comme des facteurs importants de l’impact de l’aviation sur le climat. « Si l’on considère les oxydes d’azote et les traînées de condensation persistantes, l’hydrogène semble avoir le plus grand potentiel, par rapport à toutes les autres options, pour réduire de manière significative et potentiellement éliminer ces effets autres que le CO2« , a noté M. Llewellyn. Airbus compte sur de vastes programmes de démonstration et d’essais en vol « pour nous convaincre que ce que nous obtenons des gaz d’échappement de ces avions correspond en fait à ce que la théorie nous dit », a-t-il ajouté.

L’avionneur prévoit de prendre des décisions en 2022-23 quant au concept qu’il fera passer à la phase suivante. « Nous développons des technologies, et nous aurons des démonstrations en vol jusqu’en 2025« , a déclaré M. Llewellyn. « Ensuite, en 2025-26, nous serons en mesure d’appuyer sur le bouton des activités de développement de l’avion pour parvenir à une entrée en service en 2035. »

Airbus prévoit une amélioration majeure de l’efficacité de la propulsion électrique

Étant donné que les quatre concepts reposent (du moins pour une part importante) sur la propulsion électrique, Airbus a lancé un ambitieux programme de démonstration de l’utilisation de la technologie supraconductrice. Il vise une amélioration majeure de l’efficacité.

L’idée découle à la fois de la difficulté de concevoir une architecture de propulsion électrique avec un câblage classique et de la possibilité d’utiliser l’hydrogène liquide comme source froide. Les matériaux supraconducteurs nécessitent des températures cryogéniques.

Les technologies supraconductrices sont en service depuis des décennies dans d’autres secteurs, comme l’imagerie médicale et la physique fondamentale. Dans l’aérospatiale, la nécessité d’utiliser des fils supraconducteurs dans les systèmes électriques à haute puissance a été suggérée depuis au moins une décennie. C’est toutefois la première fois qu’un équipementier se lance dans un programme de démonstration.

L’optimisation de la supraconductivité

Les pertes électriques devraient également être divisées par deux par rapport aux technologies conventionnelles. La tension peut être réduite à moins de 500 volts, ce qui facilite la gestion de problèmes tels que les arcs électriques.

Lorsqu’on utilise la supraconductivité, la température de 20K (-424F/-253C) de l’hydrogène liquide, autrement difficile à atteindre, devient une ressource. Un système secondaire pourrait utiliser un échangeur de chaleur et un fluide neutre, plus facile à manipuler, comme l’azote, suggère M. Ybanez. Il pourrait refroidir le câblage supraconducteur à la température requise de 70-80K.

La technologie du matériau du noyau est bien maîtrisée, le câblage supraconducteur lui-même se mesurant en microns. Les supraconducteurs à base de cuprate sont un choix probable.

La mise au point d’un isolant approprié, d’un diamètre probable de 4 pouces, pour une utilisation à bord d’un avion est un objectif majeur d’Ascend, indique M. Ybanez. Des matériaux composites seront envisagés.

Quant à l’unité de commande du moteur, elle sera très innovante, affirme M. Ybanez. Alors que l’imagerie par résonance magnétique et les accélérateurs de particules utilisent la supraconductivité pour créer des champs magnétiques puissants, l’aviation visera une augmentation de la densité de puissance. Le poids du câblage (qui a récemment utilisé de l’aluminium) ne sera donc plus corrélé à la puissance qu’il transporte.

Le moteur sera compatible avec une hélice, un ventilateur ou une hélice hybride non spécifiée, précise Airbus. Les trois premiers piliers d’Ascend travailleront sur le moteur lui-même, l’unité de commande du moteur et le système cryogénique. Le quatrième pilier sera la sécurité et la protection du réseau, notamment les limiteurs de courant de défaut et les disjoncteurs.

L’hydrogène mais pas que…

Si l’hydrogène est la source froide présumée, l’équipe de 15 ingénieurs d’Ascend envisagera également d’en créer une autre dans un avion à propulsion électrique qui ne dépendrait pas de l’hydrogène. Ascend étudiera des niveaux de puissance de l’ordre de 1 à 4 mégawatts et évaluera les avantages de l’introduction de la supraconductivité et de la cryogénie qui l’accompagne. Les applications pourraient couvrir un large éventail, depuis un petit véhicule électrique à décollage et atterrissage vertical jusqu’à un avion commercial à long rayon d’action.

À la fin du programme, l’équipe Ascend émettra des recommandations afin qu’Airbus puisse prendre des décisions sur les architectures de propulsion électrique.

Safran deviendra bientôt partenaire d’Ascend, aux côtés d’autres entreprises et laboratoires de recherche.

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