IESF Magazine n°3 jan/fév/mar 2019
IESF Magazine n°3 jan/fév/mar 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°3 de jan/fév/mar 2019

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Ingénieurs et Scientifiques de France

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,9 Mo

  • Dans ce numéro : aéronautique, un secteur vigoureux et plein d'avenir.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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DOSSIER 32 AÉRONAUTIQUE Peut-on rêver d’avion électrique ? Des petits avions à propulsion électrique et très court rayon d’action volent depuis des années. La traversée de la Manche par l’E-FAN d’Airbus et le tour du monde de Solar Impulse représentent-ils les prémices d’une aviation commerciale à propulsion électrique ? Quelques chiffres Les moyens et gros porteurs de l'aviation commerciale génèrent 91% de ses émissions de CO 2, les jets régionaux 7%, les turbopropulseurs et l'aviation d'affaire le reste… Une réduction de la consommation de kérosène et des émissions à l’aide d'une propulsion électrique passe donc par celle des avions de la classe des A320 jusqu'à l'A380. Diapositive 1. Que peut-on espérer ? Le générateur de puissance thermique du système propulsif sera remplacé par un moteur électrique à vitesse variable, entraînant par l’intermédiaire d’un réducteur une hélice ou un fan caréné sans oublier les variateurs de tension et de fréquence, l’ensemble devant être refroidi. Les moteurs électriques seront alimentés par des packs-batteries dont la masse sera fonction des types de composants chimiques utilisés et de la mission de l’avion. La Diapositive 1 illustre l’évolution des densités énergétiques nominales à tous les stades de l’intégration jusqu’à celle du pack-batterie dans le véhicule. Ces valeurs sont données pour une température de 25°C. La décharge complète n’est pas recommandée pour ne pas limiter sa durée de vie. Donc la charge sera maintenue entre 20 et 90%. Par ailleurs, la charge des batteries n’est possible qu’entre 0 et 40°C et la décharge qu’entre -20 et +50°C. L'énergie massique des packsbatteries Lithium-Polymère, sans management thermique, qui ont équipé le démonstrateur E-Fan d'Airbus était de 147Wh/kg. Il a pu voler, traverser la Manche à basse altitude et parcourir 74 km en 37 minutes. Le programme a été arrêté depuis. En supposant que l’on soit capable d’utiliser de tels packs, il devraient peser plus de 50 tonnes pour fournir l’énergie nécessaire à un avion de transport régional de 16 tonnes effectuant une mission de 1000km avec les réserves règlementaires. Le même raisonnement conduit à des chiffres encore plus irréalistes pour un A320. Général Electric anticipait en 2011 que les ensembles propulsifs « électriques » auraient une masse légèrement supérieure à celle des ensembles thermiques. Il devrait être possible de définir, au prix de quelques tonnes supplémentaires, un avion régional de même rayon d’action sous réserve de disposer de packs-batteries de l’ordre de 3000- 3500Wh/kg. Des packs-batteries vraiment plus performants, une possible réalité ? A partir des mêmes composants chimiques, la densité énergétique des packs-batteries dépendra de la fiabilité visée et des conditions d’installation. Si ces dernières, pour les avions d’aéroclubs et à très faibles rayons d’action, ne devraient pas être trop différentes de celles de véhicules terrestres, il n’en va pas de même pour l’aviation commerciale.
Les contraintes règlementaires et de sécurité, notamment dans des conditions extrêmes (températures  : -80°C en vol ; -50°C à +55°C au sol) imposent des systèmes de réchauffage et de refroidissement, outre les redondances nécessaires pour satisfaire l'exigence de fiabilité des sous-systèmes d'un avion commercial, soit moins d'une panne majeure par milliard d'heures de vol. Il existe des formules plus énergétiques que Lithium-Ion et Lithium- Polymère, comme Li-SO2 et Li-Air, que la chimie situe respectivement à 2567 et 3505 Wh/kg donc 6,6 à 9 fois plus performantes que la Li-Ion. Mais la Li-Air n'en est qu'au stade de la R&D et on ne sait même pas si elle est vraiment cyclable et la Li-SO2 pour l'instant ne démontre en pack que 350Wh/kg... Le niveau technologique des composants autres que chimiques des packs-batteries est mature et ne permettra pas des gains de masse très importants. On ne voit donc pas comment se rapprocher des 3000-3500Wh/kg. Il manquera près d’un ordre de grandeur. La réduction de CO 2, un objectif encore lointain Pour revenir à l’objectif écologique, il faut s'intéresser aux énergies primaires qui fournissent l'électricité sachant que le « mix » électrique mondial provient pour près de 66% de centrales à énergie fossile carbonée. L’énergie électrique à produire dans les centrales devra prendre en compte les pertes jusqu’à l’hélice et être supérieure d’environ 65% à l’énergie utile au vol. Ainsi, alors que les moteurs thermiques récents génèrent de 650 à 750 g/kWh de CO 2 en croisière, la propulsion électrique en produirait plus de 870g/kWh pour le « mix » mondial. Le jour est encore loin où la propulsion électrique des avions réduira les émissions de CO 2 dans le monde. En outre, la propulsion électrique n’apportera aucune réduction de bruit au décollage car ce dernier est entièrement généré par le bruit des hélices (ATR) ou des jets et fans (A320, A350). Pour quand le tout électrique ? Pour conclure, le transport aérien de masse, qui consomme près de 98% du kérosène aéronautique civil, n'est pas à la veille d'un virage vers le tout électrique pour de multiples raisons. La première est le facteur de l’ordre de 10 qu'il faudrait gagner sur l'énergie spécifique (Wh/kg) des batteries, tout en maintenant le niveau de fiabilité des avions. L’amélioration L'E-Fan d'Airbus. AÉRONAUTIQUE DOSSIER prévisible permettra l’utilisation de petits aéronefs sur de faibles distances. Quant à l’énergie solaire, compte tenu des surfaces disponibles pour installer les panneaux photovoltaïques, il faudrait que l’irradiance du soleil soit supérieure de 3 ordres de grandeur à l’existante pour fournir l’énergie nécessaire à l’avion régional afin de voler 24 heures comme Solar Impulse. Sans parler de la masse des pack-batteries nécessaires pour voler de nuit ! Bio Express Membre de l'Académie de l’Air et de l’Espace, Gérard Théron est ingénieur (Arts et Métiers et ESTAe). Il participe pendant 37 ans à l’installation des moteurs sur les Airbus et ATR, de l’évaluation de leurs performances à leur intégration globale comme Chef du Centre de Compétence Propulsion d’Airbus. 33



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