Transition hydrogène dans le secteur aérien : quelles solutions proposer ?

Introduction :

L’aviation a révolutionné notre façon de voyager. Grâce à l’aviation, on peut rallier n’importe quel point sur la planète en quelques heures. Cependant, cette dernière est pointée du doigt pour ses émissions très élevée des gaz à effet de serre. On parle de 2.5 % des émissions globales qui viennent de l’industrie aéronautique. Si aucune mesure n’est prise, ce taux peut atteindre 25 % d’ici 2050. En revanche, le secteur aéronautique a pris des mesures très tôt pour atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050. Pour atteindre cet objectif, plusieurs axes sont exploités dont le déploiement de l’hydrogène comme carburant. Dans cet article, nous allons explorer comment la plateforme 3DEXPERIENCE® et le jumeau virtuel peuvent aider à accélérer le développement et le déploiement des technologies pour les avions à hydrogènes que ce soit les avions à propulsion ou à les avions à réacteurs.

Le fonctionnement des avions à hydrogène :

La taille de l’avion détermine le type de sa motorisation. Pour les petits avions, on privilégie les piles à combustible à hydrogène. Ce genre d’aéronefs peut offrir une réelle solution pour réduire les gaz à effet de serre. Les piles à combustible à hydrogène alimentant ces avions convertissent l’énergie stockée dans des molécules en électricité grâce à une réaction électrochimique. Les piles à combustibles qui fonctionnent à l’hydrogène sont neutres en carbone.

Dans le cas d’un appareil plus gros, l’hydrogène peut servir à alimenter les turbines traditionnelles à combustion. Aujourd’hui, la combustion à hydrogène, que ce soit sous forme gazeuse ou liquide, apparaît comme l’une des options les plus prometteuses pour améliorer les performances environnementales des avions. La conversion à la combustion à hydrogène nécessiterait des changements au niveau du moteur ainsi qu’au niveau des réservoirs et des éléments permettant de distribuer le carburant. Les solutions hybrides sont également à l’étude pour les avions court et moyen-courriers où les piles à combustion peuvent servir à alimenter les appareils électriques non-propulsifs ou servir de source propulsive d’énergie pour alimenter les moteurs électriques. Dans tous les cas de figure, le transport de l’hydrogène à bord représente des défis majeurs que nous évoquerons un peu plus bas.

Répondre aux défis de l’aviation à hydrogène :

Les défis du secteur aérien sont nombreux. Les clients sont de plus en plus exigeants, les contraintes réglementaires sont nombreuses et les défis sécuritaires de taille. Pour que la technologie basée sur l’hydrogène devienne fiable pour le secteur aérien, l’industrie devrait surmonter un certain nombre de défis qui concernent principalement l’architecture des appareils et du fuselage, le stockage et les certifications.

L’architecture de l’appareil :

La méthodologie de conception des avions repose sur des modèles existants d’avions propulsés avec des carburants conventionnels. La plateforme 3DEXPERIENCE peut analyser des groupes motopropulseurs conventionnels et à pile à combustible à hydrogène et comparer les performances des technologies actuelles et futures. Une fois tous les besoins de conception déterminés, l’étape suivante consiste à définir l’architecture de l’appareil avec l’allocation des espaces notamment la définition de l’emplacement des réservoirs de carburant et des piles à hydrogène.

Les ingénieurs conception peuvent explorer des milliers de concepts et d’alternatives grâce aux capacités de simulation offertes par la plateforme 3DEXPERIENCE. Grâce à un tableau de bord ergonomique, ils peuvent par la suite choisir la meilleure configuration répondant au mieux aux exigences.

Le stockage :

Dans un domaine où le poids reste la question clé, le stockage est l’un des défis majeurs de l’architecture de l’avion à hydrogène car il a une faible densité volumétrique. Qu’il soit dans son état liquide ou gazeux, l’hydrogène nécessite un volume de stockage beaucoup plus important. Il semble donc indispensable de revoir la conception de l’avion pour y intégrer des réservoirs plus importants en restant vigilent à leurs emplacements pour minimiser les échanges de chaleur.

La plateforme 3DEXPERIENCE permet aux fabricants d’observer et de tester la conception des avions dans des conditions réelles, grâce aux analyses 0D-1D et aux simulations 3D multiphysiques. En cas d’utilisation de l’hydrogène dans son état liquide, la solution offerte par la plateforme permet d’évaluer la stratification de la pression et de la température dès l’étape de la conception.

Les certifications

Afin d’obtenir les certifications nécessaires des autorités compétentes pour faire voler leurs appareils, les constructeurs doivent en démontrer la sureté. Les certifications existantes sont destinées à des avions volants avec des carburants conventionnels et sont donc insuffisantes au vu des particularités liées à l’hydrogène. Ainsi, les constructeurs se doivent d’abord d’accélérer le développement et le déploiement de nouvelles technologies afin de mieux gérer le passage à l’hydrogène.

Ainsi, afin d’atteindre le niveau de sureté et de performance exigé, les constructeurs peuvent compter sur la simulation numérique afin de concevoir leurs avions à moindre coût. Ils ont la possibilité d’explorer plusieurs solutions avant de finaliser les tests sur un prototype physique. La simulation permet de faire un nombre infini de tests sur des scénarios différents. Cela représente un gain de temps et d’argent, ainsi qu’une meilleure efficacité dès les premières phases de développement.

Répondre aux défis de toutes les chaînes d’approvisionnement et des infrastructures:

Un passage à l’hydrogène va obliger les aéroports à réinventer leurs infrastructures existantes et tous leurs systèmes logistiques afin qu’ils puissent recevoir l’hydrogène dans des conditions optimales de sécurité pour la simple raison que l’hydrogène est extrêmement inflammable en présence de l’oxygène. Ainsi, les contraintes majeures sont le réseau de distribution et les réservoirs.

Par ailleurs, le transport de l’hydrogène du producteur à l’aéroport doit être pensé de façon à minimiser les coûts tout en garantissant des conditions optimales de sécurité. La simulation numérique aide à concevoir des pipelines solides et robustes, capables d’acheminer de l’hydrogène jusqu’aux aéroports sans encourir des risques de fuite et d’explosion.

De ce fait, il faut instaurer une plateforme de collaboration entre les compagnies aériennes, les constructeurs et les fournisseurs d’énergie afin de répondre à tous ces défis et construire un écosystème aérien solide qui regroupe tous les acteurs pour permettre à l’hydrogène peut jouer un rôle majeur dans la course à la décarbonation. La plateforme 3DEXPERIENCE met à disposition de tous ces acteurs les outils nécessaires afin de pouvoir mettre en place des processus de collaboration efficaces dans le respect des normes et des réglementations gouvernementales.

La transition hydrogène dans le secteur aérien en France :

L’hydrogène suscite beaucoup d’espoirs pour le secteur aérien en France qui espère remplacer une partie des carburants fossiles par de l’hydrogène vert ou de l’hydrogène jaune (un hydrogène produit à partir de l’électrolyse de l’eau faite avec une électricité qui provient du nucléaire). Plusieurs grands groupes tels que Safran et Airbus se penchent depuis plusieurs années sur le sujet de la transition énergétique et notamment sur des prototypes d’avions à hydrogène. L’industrie aéronautique dans sa globalité se penche sur la question de l’hydrogène depuis plusieurs années car ce dernier représente un candidat sérieux pour une industrie aéronautique décarbonée et respectueuse de l’environnement. Des projets sont en cours pour faire voler des avions à hydrogène dans les prochaines années. Notre client Blue Spirit Aero développe par exemple le Dragonfly, un petit avion 4 places destiné aux écoles de pilotage et propulsé à l’hydrogène.

En effet, le volet énergie et carburant est au cœur de la stratégie du secteur aérien afin d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. L’utilisation des énergies renouvelables pour faire voler les appareils est un enjeu majeur puisque cela représente une grande part des émissions carbone et c’est l’objectif des grands groupes et des startups.

Par ailleurs, la production fait partie des problématiques majeures. Le coût énergétique de sa production est très problématique puisqu’un hydrogène produit à partir de matières fossiles ou d’une électricité non décarbonée a le même impact sur l’environnement que les carburants conventionnels. En France, la production de l’hydrogène se fait à partir d’énergies fossiles ou par l’électrolyse de l’eau. L’électricité nécessaire à l’électrolyse est issue en grande partie du nucléaire. Afin d’inscrire l’hydrogène comme une énergie renouvelable, il faut parvenir à décarboner son processus de production. L’exploitation de l’hydrogène naturel peut constituer une solution mais pour l’instant l’extraction de l’hydrogène naturel reste anecdotique dans le monde entier. L’électrolyse reste donc la meilleure solution à nos jours.

Conclusion :

La décarbonation de l’aviation peut s’avérer un processus coûteux et challengeant. En choisissant les bons outils technologiques, on multiplie les possibilités et on met toutes les chances de notre côté afin de réussir la transition vers une aviation décarbonée et respectueuse de l’environnement. Grâce à la plateforme 3DEXPERIENCE, les constructeurs peuvent créer des jumeaux virtuels pour des technologies destinées aux avions à hydrogène et de les optimiser avant de les déployer sur le terrain. De plus, le jumeau virtuel permet de faire des simulations avancées en utilisant les données reçues en temps réel. Ainsi grâce à la simulation numérique, les constructeurs et les compagnies aériennes peuvent utiliser la plateforme 3DEXPERIENCE et le jumeau virtuel afin de mener à bien leurs projets de décarbonation tout en respectant les normes de sécurité en vigueur et en optimisant coûts et délais.

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