Pourquoi n'avons-nous pas d'avions électriques?

Pourquoi n'avons-nous pas d'avions électriques?CC BY-ND

Les voitures électriques, les trains, les tramways et les bateaux existent déjà. Cela conduit logiquement à la question: pourquoi ne voyons-nous pas de gros avions électriques? Et les verrons-nous bientôt?

Pourquoi avons-nous des voitures et des trains électriques, mais peu d'avions électriques? La raison principale en est qu'il est beaucoup plus simple de modifier radicalement une voiture ou un train, même s'ils ressemblent beaucoup aux véhicules traditionnels alimentés aux combustibles fossiles.

Les véhicules terrestres peuvent facilement supporter la masse supplémentaire provenant du stockage d'électricité ou des systèmes de propulsion électriques, mais les avions sont beaucoup plus sensibles.

Par exemple, augmenter la masse d'une voiture de 35% entraîne une augmentation de la consommation d'énergie de 13-20%. Mais pour un avion, la consommation d’énergie est directement proportionnelle à la masse: augmenter sa masse de 35% signifie qu’elle a besoin de 35% de plus d’énergie (toutes choses étant égales par ailleurs).

Mais ce n'est qu'une partie de l'histoire. Les avions voyagent également beaucoup plus loin que les véhicules au sol, ce qui signifie qu'un vol nécessite beaucoup plus d'énergie qu'un trajet normal. Les aéronefs doivent stocker à bord toute l’énergie nécessaire pour déplacer sa masse à chaque vol (contrairement à un train connecté à un réseau électrique). Utiliser une source d’énergie lourde signifie donc qu’il faut plus d’énergie pour un vol, ce qui entraîne une masse supplémentaire, et ainsi de suite.

Pour un avion, la masse est cruciale, ce qui explique pourquoi les compagnies aériennes pèsent minutieusement leurs bagages. Les avions électriques ont besoin de batteries avec suffisamment d'énergie par kilogramme de batterie, faute de quoi ils ne peuvent tout simplement pas parcourir de longues distances.

Avions à courte portée

Malgré cela, des avions électriques sont à l'horizon, mais vous ne verrez pas de 747 électriques de si tôt.

Les meilleurs packs de batteries au lithium-ion disponibles actuellement fournissent environ 200 watts-heure (Wh) par kilogramme, environ 60 fois moins que le carburant d'avion actuel. Ce type de batterie peut alimenter de petits taxis aériens électriques pouvant accueillir jusqu'à quatre passagers sur une distance d'environ 100km. Pour des trajets plus longs, des cellules plus denses en énergie sont nécessaires.

Les avions de banlieue électriques à courte portée qui transportent jusqu’à 30 jusqu'à moins de 800 km, par exemple, ont besoin de plus de 750 à 2,000Wh / kg, ce qui représente quelque 6-17% du contenu énergétique du carburéacteur. Même les plus gros avions nécessitent des batteries de plus en plus légères. Par exemple, un avion transportant des passagers 140 pour 1,500km consomme environ 30kg de kérosène par passager. Avec la technologie actuelle des batteries, il faut presque 1,000kg de batteries par passager.

Pour rendre les avions de banlieue régionaux entièrement électriques, il faut réduire de quatre à dix fois le poids de la batterie. Le taux d’amélioration historique à long terme de l’énergie des batteries a été voisin de 3-4% par an, soit le double à peu près toutes les deux décennies. Sur la base de la poursuite de cette tendance historique, les quatre améliorations nécessaires pour un avion de banlieue entièrement électrique pourraient potentiellement être atteintes vers le milieu du siècle.

Cette attente peut sembler extrêmement longue, mais elle est cohérente avec l’évolution du secteur de l’aviation dans le temps, tant pour les cycles de vie des infrastructures que pour la conception des avions. La conception d’un nouvel avion prend environ 14 ans, et restera en service pendant deux à trois décennies. Certains avions volent encore au 5 des années après leur premier vol.

Voici les hybrides

Cela signifie-t-il que les vols longue distance seront toujours tributaires des combustibles fossiles? Pas nécessairement.

Bien que les gros aéronefs entièrement électriques nécessitent un changement majeur du stockage de l'énergie, qui n'a pas encore été inventé, il existe d'autres moyens de réduire l'impact environnemental des vols.

Les avions hybrides électriques combinent des carburants et une propulsion électrique. Cette classe d'aéronefs comprend la conception sans batteries, où le système de propulsion électrique sert à améliorer l'efficacité de la poussée, en réduisant la quantité de carburant nécessaire.

Des avions hybrides électriques avec des batteries sont également en développement, où les batteries pourraient fournir une puissance supplémentaire dans certaines circonstances. Les batteries peuvent alors, par exemple, permettre un décollage et un atterrissage propres pour réduire les émissions à proximité des aéroports.

Les avions électriques ne sont également pas le seul moyen de réduire l'empreinte carbone directe des vols. Des carburants de substitution, tels que les biocarburants et l'hydrogène, sont également à l'étude.

Les biocarburants, qui sont des carburants dérivés de plantes ou algues, ont d'abord été utilisés sur un vol commercial avec 2008 et plusieurs compagnies aériennes ont effectué des essais avec eux. Bien qu’elles n’aient pas été largement adoptées, d’importantes recherches portent actuellement sur les biocarburants durables n’ayant pas d’impact sur les sources d’eau douce ni sur la production alimentaire.

Bien que les biocarburants produisent toujours du CO₂, ils ne nécessitent pas de modifications importantes des infrastructures existantes des aéroports ou des aéroports. L'hydrogène, en revanche, nécessite une refonte complète de l'infrastructure de ravitaillement de l'aéroport et a également un impact significatif sur la conception de l'aéronef lui-même.

Alors que l'hydrogène est très léger - l'hydrogène contient trois fois plus d'énergie par kilogramme que le kérosène - sa densité est très faible, même lorsqu'il est stocké sous forme liquide à -250. Cela signifie que le carburant ne peut plus être stocké dans l'aile mais doit être déplacé vers des réservoirs relativement lourds et volumineux à l'intérieur du fuselage. Malgré ces inconvénients, les vols longue distance alimentés à l’hydrogène peuvent consommer jusqu'à 12% moins d'énergie que le kérosène.

A propos de l'auteur

Dries Verstraete, maître de conférences en conception et propulsion aérospatiales, Université de Sydney

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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