UN VIRAGE MONDIAL VERS L’AVIATION BAS-CARBONE

L’hydrogène fait figure de solution d’avenir pour un secteur aéronautique en pleine mutation. Dès 2022 en effet, les acteurs du secteur aérien se sont réunis à Toulouse au Sommet Européen de l’aviation consacré au transport aérien. Cet événement a abouti à l’adoption de la Déclaration de Toulouse par 42 États et de nombreuses parties prenantes du secteur, s’engageant vers un objectif zéro carbone d’ici 2050.
Parmi les pistes de décarbonation explorées, les carburants d’aviation durables sont amenés à jouer un rôle clé. En particulier, l’hydrogène se profile comme une solution majeure. Depuis 2005, SEGULA s’est résolument engagée sur cette voie. Une démarche rare pour les entreprises d’ingénierie, où peu d’acteurs disposent d’un service de R&D dédié.

DEUX VOIES TECHNOLOGIQUES : COMBUSTION DIRECTE OU PILE À COMBUSTIBLE

« Dès 2018, j’ai réalisé des essais de piles à combustible sur un drone. Il s’agissait simplement de montrer qu’il pouvait décoller, voler et atterrir grâce à l’hydrogène, » se souvient Frédéric Claude. Dans l’aéronautique, deux technologies dominent aujourd’hui : la combustion directe d’hydrogène et les piles à combustible.
La combustion directe, qui consiste à brûler de l’hydrogène liquide dans les turbines d’avion, est le principe déjà éprouvé pour les lanceurs spatiaux Ariane. Elle présente les avantages d’être compatible avec l’architecture actuelle des avions, de produire une puissance comparable aux moteurs classiques de longs courriers et de réduire les émissions carbone de 100 %, et celles des oxydes d’azote (NOx) de 80 %.
Frédéric Claude concentre davantage ses travaux sur les piles à combustible, qui transforment l’hydrogène en électricité pour alimenter des moteurs électriques. « C’est une énergie très propre parce que les piles à combustibles ne rejettent rien d’autre que de l’eau et qu’elles sont particulièrement efficaces. Leur capacité de conversion énergétique est 2 à 3 fois supérieure à la combustion, réduisant l’impact climatique de 75 à 90 %. Elles sont particulièrement adaptées aux aéronefs de petite puissance. »

Frédéric Claude, Responsable Recherche et Développement

UN DIFFICILE ÉQUILIBRE ENTRE PUISSANCE, AUTONOMIE ET LÉGÈRETÉ

Depuis ces premiers travaux, Frédéric Claude et son équipe ont lancé de nombreuses autres recherches pour mieux maîtriser les systèmes hydrogène. « La difficulté pour l’intégration de l’hydrogène dans l’aéronautique, plus encore que dans d’autres secteurs, est d’atteindre le délicat équilibre entre puissance, efficacité énergétique et poids du système hydrogène, poursuit Frédéric Claude. Par exemple, les avions de technologie «hydrogène en combustion» nécessite 10 à 30 % d’énergie supplémentaire par rapport au kérosène, notamment du fait du poids des réservoirs cryogéniques, qui maintiennent l’hydrogène sous forme liquide à très basse température ». SEGULA cherche donc à relever l’enjeu de produire avec l’électricité une poussée équivalente à celle des moteurs thermiques, sans augmenter le poids et pénaliser la charge de l’avion.
Le stockage de l’hydrogène représente aussi un défi, parce qu’il faut embarquer à bord de l’avion autant d’énergie sous forme d’hydrogène que celle fournie par le kérosène, sans augmentation de la masse globale. Et si le système pile à combustible a une bonne efficacité énergétique, son poids reste un frein majeur.

ALLÉGER POUR VOLER PLUS PROPRE

Concrètement, l’équipe R&D de Frédéric Claude travaille au dimensionnement de systèmes hydrogène complets, du réservoir au convertisseur, pour des drones, des zeppelins ou des avions légers, selon les besoins des entreprises clientes.
Elle les accompagne jusqu’à la réalisation d’un prototype et de la preuve de concept. « Nous oeuvrons sur l’utilisation de nouveaux matériaux pour alléger les piles à combustible, confie-t-il. Et nos recherches nous ont déjà permis d’obtenir des piles à combustible de petite puissance pesant un kilogramme par kilowatt. C’est un véritable bond technologique, car la norme aujourd’hui est de cinq kg/kW. Certaines piles dépassant même 5 kg/kW, pour celles de la gamme de deux KW ! » Parmi leurs innovations les plus marquantes, l’équipe effectue des recherches sur des réservoirs «souples» pour stocker de l’hydrogène sous forme gazeuse basse pression à bord d’un ballon dirigeable zeppelin. Elle développe aussi des convertisseurs pour adapter le courant continu produit par des petites piles à combustible qui fonctionnent à fort courant et faible tension. Ils servent à délivrer une tension selon les exigences des équipements. « Nous ne trouvions pas chez les fabricants des convertisseurs capables de répondre à nos besoins sans occasionner trop de perte d’énergie et sans être trop lourds. Nous avons donc décidé de l’inventer ! » .

UNE RECHERCHE TOURNÉE VERS L’EXCELLENCE

Pour être en permanence à l’avant-garde, Frédéric Claude et ses collaborateurs ne travaillent pas seuls. Ils s’entourent de doctorants, dont ils coordonnent les thèses, et collaborent avec des laboratoires académiques de renom, comme le Femto-ST, un laboratoire de recherche d’envergure mondiale associé au CNRS, et le FC-LAB, un centre de service et de recherches dédié aux systèmes Hydrogène. Cette structure, localisée à Belfort, dépend du CNRS, de l’université Bourgogne Franche-Comté, de l’université de Technologie Belfort-Montbéliard et de l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques. « Nous coopérons aussi avec des start-ups, poursuit-il. Nos expertises croisent mécanique, Intelligence Artificielle, contrôle-commande ou encore génie électrique. »
Leur dernier challenge porte sur le développement et la mise en service d’un banc d’essais pour tester en interne les piles à combustible de petite puissance. « Il sera opérationnel dans sa salle dédiée d’ici la fin de l’année 2025, conclut Frédéric Claude. Nous avons même prévu de produire notre propre hydrogène pour ces essais, à partir d’un électrolyseur, de manière à garantir une qualité optimale et une disponibilité continue. C’est un énorme atout vers un avenir prometteur de l’hydrogène dans l’aéronautique ! »