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Le blog emploi de l'ESTACA

Carburants aéronautiques du futur

11 Décembre 2012, 17:53pm

Publié par Patricia VAUX

 

Les avions de transport, les avions militaires et les hélicoptères utilisent presque exclusivement des turboréacteurs, turbopropulseurs ou turbomoteurs alimentés au kérosène aéronautique (Jet Fuel pour la profession). Ce Jet Fuel conventionnel est l’une des fractions de la distillation du pétrole, entre l’essence et le gazole ; aujourd’hui environ 6 % du pétrole se retrouve sous forme de Jet Fuel. Chimiquement, le Jet Fuel est un mélange de nombreuses espèces chimiques, paraffines et aromatiques. Ses caractéristiques physicochimiques font l’objet de spécifications internationales, chaque propriété devant se trouver dans un intervalle, par exemple la densité, le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur), la température de figeage, la viscosité, … ; cette exigence est liée au souci de sécurité, priorité absolue de l’aéronautique.

La recherche de carburants aéronautiques de substitution est ancienne mais a connu un regain d’intérêt à partir de 2005, tout d’abord dans le domaine militaire (programme AFI de l’US Air Force) puis pour l’aviation commerciale. Ce renouveau est dû à la conjoncture de plusieurs facteurs :

  • Facteur énergétique : la déplétion des ressources fossiles dans les prochaines décennies est anticipée avec de plus en plus de certitude. Le trafic de l’aviation commerciale, secteur aéronautique le plus consommateur de Jet Fuel, connaît une croissance annuelle moyenne soutenue, voisine de 5 %, et la consommation mondiale, qui s’établit actuellement à 210 Mt pourrait dépasser 450 Mt à l’horizon 2050 (Commission Prospective de l’Académie de l’Air et de l’Espace). Il serait techniquement possible dans les raffineries actuelles de porter à 10 % la proportion de Jet Fuel issue du pétrole mais ce serait au détriment des autres secteurs techniques comme le routier. Il faut donc s’attendre à une forte tension sur la demande en Jet Fuel.
  • Facteur environnemental : l’impact de l’aviation sur l’environnement est, en valeur relative, supérieure à ses émissions de gaz à effet de serre. La majorité des émissions des avions se produisent à haute altitude, où elles ont un effet direct sur la chimie atmosphérique (NOx, particules, contrails). Pour répondre aux préoccupations environnementales sans freiner le développement du trafic aérien, il est nécessaire, d’une part, que les technologies aéronautiques progressent pour réduire la consommation par passager et 100 km et, d’autre part, d’imaginer des carburants dont l’analyse de cycle de vie démontre un avantage sensible par rapport au Jet Fuel.
  • Facteur géopolitique : beaucoup de pays et d’industries souhaitent devenir moins dépendants des importations de pétrole et des évolutions de Jet Fuel, le prix de ce dernier étant instable et orienté en moyenne à la hausse. Certaines solutions de remplacement existent mais sont à rejeter d’emblée, pour certaines peut-être provisoirement. Il en est ainsi de l’hydrogène ; l’hydrogène est un combustible énergétiquement intéressant (PCI de 120 MJ/kg contre 43 MJ/kg pour le Jet Fuel) mais il devrait être stocké liquide à bord des avions vers 20 K, avec une densité de 0,07, ce qui impliquerait des réservoirs très isolés et relativement volumineux et en définitive de nouveaux avions, les « cryoplanes ». En outre, l’hydrogène est aujourd’hui à peu près dix fois plus cher que le Jet Fuel par unité d’énergie et il n’existe pas pour l’instant de moyen de production massive et économique de l’hydrogène. La technologie de fabrication de carburants synthétiques à partir du charbon a été mise au point vers 1930 et est bien maîtrisée en Afrique du Sud (SASOL) mais elle ne répond pas à la contrainte environnementale : l’émission de CO2 résultant de la fabrication d’un volume donné de CTL (Coal To Liquid) est 2 à 3 fois plus importante que celle relative au Jet Fuel. Le GTL (Gas To Liquid) est au niveau du Jet Fuel du point de vue environnemental mais sa généralisation dans l’aéronautique supposeraient un arbitrage au détriment d’autres secteurs avides en gaz naturel (production d’électricité, chauffage domestique) ; au mieux le GTL pourrait être un carburant alternatif de transition.

 

En ce qui concerne les agrocarburants de première génération développés pour le routier, la communauté aéronautique a fait le constat qu’ils ne conviennent pas : l’éthanol possède un PCI de 35 % inférieur à celui du Jet Fuel, ce qui diminuerait de façon inadmissible le rayon d’action des avions, le biodiesel a quant à lui des propriétés à froid insatisfaisantes. Par ailleurs, ces agrocarburants n’ont pu éviter le débat carburant contre nourriture et l’Union Européenne s’apprête à en limiter la production. La durée de vie d’un avion moderne peut atteindre quarante ans et le développement d’un nouvel avion de transport long courrier nécessite un investissement d’une dizaine de milliards d’euros, ce qui ne milite  pas pour le développement d’avions adaptés à un carburant exotique.

 

Ces différentes considérations ont conduit progressivement la communauté aéronautique internationale à adopter la stratégie suivante :

  • Les futurs carburants aéronautiques seront du type « drop-in », ce qui signifie qu’ils seront pratiquement indiscernables du Jet Fuel et susceptibles d’être mélangés à ce dernier en proportions variées, ce qui limitera au maximum les modifications à apporter aux avions existants ou en développement.
  • Ces carburants devront être renouvelables et obéir à des critères de développement durable : leur production ne devra pas entraîner une compétition avec la production de nourriture humaine ou animale, ni avec l’usage de l’eau, ne devra pas induire de déforestation et d’atteinte à la biodiversité, devra permettre un gain environnemental sensible et devra contribuer au bien être des populations impliquées.

 

Seuls les biocarburants, c’est-à-dire les carburants produits à partir de matière organique terrestre ou maritime, peuvent satisfaire l’ensemble de ces critères. Des objectifs très ambitieux les concernant ont déjà été fixés par nombre d’organismes et d’associations internationales tels que OACI, UE, IATA.

 

Les dernières années ont prouvé la faisabilité de ces biocarburants « drop-in », qui ont donné lieu à de nombreuses démonstrations réussies. Diverses voies de production ont été identifiées, soit schématiquement :

  • La voie BTL (Biomass To Liquid) consistant à transformer par le procédé Fischer-Tropsch les résidus de culture et les déchets forestiers.
  • La voie HRJ (Hydrotreated Renewable Jet) utilisant l’hydrogénation d’huiles produites par des plantes non comestibles dédiées (jatropha, cameline, pongamia, salicorne, …) voire par des micro-algues.
  • La voie ATJ (Alcohol To Jet), pour laquelle des sucres ou de l’amidon sont d’abord transformés en alcool, puis l’alcool en hydrocarbures.

 

Ces différentes voies de production font appel à des procédés thermochimiques et/ou à des procédés biochimiques. Des usines pilotes sont en voie de construction.

 

De nombreux problèmes subsistent néanmoins, et restent à résoudre dans les prochaines années, pour parvenir à un niveau de TRL (Technology Readiness Level) qui soit à la hauteur de la demande, c’est-à-dire pour atteindre une production de masse de l’ordre de 100 Mt en 2050. Une liste non exhaustive de ces problèmes est la suivante :

  • Pourra-t-on, en respectant les critères de développement durable, dégager les surfaces de culture et les gisements de biomasse nécessaires à la production de biocarburants aéronautiques, sachant que d’autres secteurs économiqiques seront concurrents ?
  • Pourra-t-on parvenir au gain environnemental espéré, en prenant en compte dans les analyses de cycle de vie les changements direct et indirect d’utilisation des sols ?
  • Des prix compétitifs avec celui du Jet Fuel seront-ils atteints en optimisant les cultures et les moyens de transformation ?
  • Qui fera les investissements nécessaires pour les moyens de transformation (bioraffineries), à la hauteur des prévisions dont l’ordre de grandeur est quelques centaines de milliards d’euros pour le monde ?

 

Dans ces conditions, il est très probable que l’introduction des futurs carburants dans les flottes se fera progressivement, avec en parallèle l’utilisation du Jet Fuel et de mélanges 50/50 Jet Fuel/biocarburant. Le défi technique et économique qui est posé est immense et le développement de l’industrie aéronautique européenne en dépend. Cette industrie devrait mieux faire connaître ses besoins auprès des décideurs politiques.


Lettre 3AF de décembre 2012

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