Deux appareils d’Airbus se tenant à 3 km de distance durant le trajet entre Montréal et Toulouse pour profiter du sillage et de l’effet d’aspiration. Image: Airbus
Pourrez-vous bientôt prendre l’avion sans contribuer à accélérer le réchauffement climatique ? Regagnez votre siège : les solutions explorées seront difficiles à faire atterrir dans les prochaines années.
Cloués au sol durant les premiers mois de la pandémie, les avions reprennent désormais leur vitesse de croisière dans le ciel.
Alors que la planète a grandement besoin que nous réduisions nos émissions de gaz à effet de serre, ce retour à la « normale » est-il vraiment souhaitable ? Les voyages par avion représentent 4,5 milliards de passagers et de passagères par année, selon les données de 2019. Cette année-là, le trafic aérien avait relâché environ une gigatonne de CO2 dans l’atmosphère, selon l’Agence internationale de l’énergie.
« Si vous prenez un seul vol long-courrier par année, vous augmentez considérablement votre empreinte carbone », observe Seth Wynes, postdoctorant au Département de géographie, d’urbanisme et d’environnement de l’Université Concordia.
En 2017, il avait comparé les manières de réduire, sur une base individuelle, ses émissions de gaz à effet de serre (GES), des travaux parus dans Environmental Research Letters. Éviter de prendre l’avion figurait parmi les plus efficaces… tout juste derrière le fait ne pas posséder de voiture et d’avoir un enfant en moins !
La question trotte donc dans la tête de bien des voyageurs et des voyageuses : les avancées technologiques nous permettront-elles un jour de nous envoler sans mettre en péril les champs, les forêts, les océans et les glaciers contemplés par le hublot ?
Mauvaise nouvelle : « ce qui fait de l’aviation un problème fascinant, c’est à quel point elle est difficile à décarboner », prévient Seth Wynes.
Et pour compliquer les choses, sa contribution aux changements climatiques ne se résume pas à ses émissions de carbone, puisque les réacteurs rejettent d’autres composés dans l’air : oxyde d’azote, vapeur d’eau, soufre, suie… « Ce n’est pas parce que leurs concentrations sont faibles qu’ils ne peuvent pas avoir des effets importants » , insiste François Garnier, professeur de l’École de technologie supérieure (ÉTS), dont les travaux consistent à mieux comprendre la formation de ces particules dans les propulseurs.
Une fois relâchés en haute troposphère ou en basse stratosphère, ces aérosols interagissent avec l’air et entraînent des réactions complexes. En interaction avec l’oxygène et les rayons solaires, l’oxyde d’azote crée de l’ozone, un gaz à effet de serre. Quant à la vapeur d’eau et à la suie, elles génèrent dans certaines conditions météorologiques une traînée de condensation capturant les infrarouges provenant de la Terre. Résultat : une étude, parue en 2020 dans Atmospheric Environment, évalue qu’en prenant en compte ces phénomènes et d’autres, l’aviation réchauffe en fait le climat trois fois plus que ce qui est estimé quand on calcule seulement ses émissions de CO2 !
L’industrie cherche donc des moyens pour limiter l’ensemble de ces conséquences. Et les gouvernements la soutiennent. Le président français, Emmanuel Macron, a par exemple promis un investissement de 1,5 milliard d’euros (2 milliards de dollars canadiens) entre 2020 et 2022 pour la conception d’un avion « bas carbone » d’ici 2030. Aux États-Unis, le gouvernement Biden a annoncé un financement de 4,3 milliards de dollars américains consacré aux carburants plus propres. Chez nous, depuis 2010, le gouvernement du Québec a déboursé près de 135 millions pour rendre les avions plus écologiques.
Les technologies subventionnées se révèlent-elles prometteuses ou sont-elles vaines ? Présentez-vous à la porte d’embarquement pour un survol des solutions actuellement explorées.
Porte 1|L’EMBARQUEMENT : Recourir à de nouveaux carburants
Avant l’embarquement, on a généralement droit au spectacle du ravitaillement de l’avion dans lequel on s’apprête à monter. Justement, le secteur mise gros sur le recours à de nouveaux carburants au moment de remplir les réservoirs.
Depuis peu, l’industrie s’intéresse à ce qu’on appelle les « carburants d’aviation durable ». Leur viscosité et leur densité énergétique s’avèrent quasi identiques à celles du kérosène conventionnel. Cependant, certains d’entre eux (les biocarburants) sont plutôt conçus à partir de biomasses agricoles ou forestières, d’algues, d’huile de cuisson ou de graisse animale. D’autres sont carrément des produits de synthèse, comme les « électrocarburants », fabriqués à l’aide d’électricité, d’eau et de CO2.
Comme aucune ressource fossile n’est extraite pour leur production, les émissions de CO2 qui leur sont associées sont moindres si l’on effectue une analyse de cycle de vie.
Autre atout : ils contiennent moins de soufre et de composés aromatiques précurseurs de particules comme la suie, favorable à la formation de traînées de condensation. Plusieurs expériences, dont certaines menées par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), ont détecté une plus faible concentration de ces aérosols à la queue d’aéronefs alimentés par ces carburants. « C’est très difficile à mesurer en vol et il y a beaucoup d’incertitude », nuance toutefois Pervez Canteenwalla, chef du programme Aviation à faible émission au CNRC.
Si des compagnies aériennes, dont Air Canada et Air France, ont publicisé certains vols effectués avec ces carburants de nouvelle génération, leur production actuelle ne pourrait combler que 0,05% des besoins.
Qu’à cela ne tienne, l’Union européenne a adopté un règlement en juillet 2022 pour qu’ils représentent 6 % du ravitaillement dans ses aéroports en 2030. Comme les carburants de synthèse demandent encore beaucoup de recherche et de développement, « une cible plus haute nécessiterait de se rabattre sur les biocarburants », met en garde Nikita Pavlenko, expert en la matière pour l’International Council on Clean Transportation (ICCT), un organisme indépendant publiant des avis techniques et scientifiques. « Cela exigerait l’exploitation de plus de terres agricoles et contribuerait à la déforestation. Dans certains cas, les émissions de GES pourraient devenir pires qu’avec l’utilisation du pétrole. »
Après un passage à l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), Alexandru Iordan a réalisé le même constat en effectuant des projections sur la demande anticipée en biocarburant en tant que directeur principal au Groupe Conseil Carbone.
« J’étais choqué », raconte-t-il. C’est ce qui l’a motivé à se lancer dans la production d’un électrocarburant. En 2018, il a cofondé le Consortium SAF+ et réuni autour de ce projet des partenaires comme Aéroports de Montréal, Air Transat et Polytechnique Montréal.
Dans son usine pilote de Montréal-Est, il récupère d’abord le CO2 relâché par la cheminée de l’usine d’hydrocarbures voisine. Son procédé dissocie le carbone de l’oxygène, pour ensuite le mélanger à de l’hydrogène produit grâce à l’électrolyse de l’eau. Le gaz de synthèse obtenu est alors passé dans un réacteur pour en tirer un carburant liquide.
L’avenir serait-il écrit dans l’hydrogène ?
Si ces nouveaux carburants dits « durables » sont intéressants, « on pense que ce ne sera pas suffisant », lance Stéphane Azam, gestionnaire du programme Zéro émission chez Airbus. L’avionneur français s’est donc donné une cible plus ambitieuse : mettre en service d’ici 2035 un avion de 100 à 200 sièges propulsé à l’hydrogène.
Les trois aéronefs considérés pourront parcourir de 1 800 à 3 700 kilomètres, soit au mieux la distance entre Montréal et Vancouver. Deux systèmes demeurent à l’étude. L’un consiste à injecter l’hydrogène dans une chambre à combustion, comme on le fait avec le kérosène. L’autre s’articule autour de piles à combustible, qui convertiraient l’hydrogène en énergie électrique.
Chose certaine, cet avion n’émettra aucun carbone en vol. La chambre à combustion peut toutefois générer des oxydes d’azote. L’eau, qui constituera le principal rejet, risque quant à elle de toujours former des traînées de condensation.
Un banc d’essai prévu d’ici 2026 mettra les choses au clair. Un moteur à combustion d’hydrogène sera installé sur une poutre à l’arrière d’un Airbus A380 pour voir ce qui en sera évacué, et des réservoirs et un système de distribution à l’intérieur d’un appareil seront aussi testés.
Les défis techniques, en effet, ne manquent pas. Trois fois plus léger que le kérosène, l’hydrogène prend cependant quatre fois plus de volume pour fournir la même énergie. Et ça, c’est lorsqu’on le maintient sous forme liquide, état dans lequel il occupe le moins d’espace. Pour y arriver, il faut le conserver à des températures sous -253 °C, ce qui exige des réservoirs mieux isolés et un stockage cryogénique dans les aéroports.
Autre souci : la vaste majorité de l’hydrogène reste produite à partir d’hydrocarbures. Stéphane Azam assure qu’Airbus discute déjà avec des fournisseurs pour obtenir suffisamment d’hydrogène dit « vert », c’est-à-dire fabriqué à partir d’eau et d’électricité de source renouvelable.
Les besoins en énergie s’annoncent néanmoins colossaux. Dans un document publié en 2020, l’ICCT estime que la demande d’énergie pour produire les biocarburants, les électrocarburants et l’hydrogène nécessaires à l’alimentation de la flotte aérienne mondiale en 2050 équivaudra à toute l’électricité générée par des sources renouvelables en 2019 ! Ce qui soulève une question : pourquoi ne pas tout simplement électrifier les avions ?
Le moteur électrique d’un mégawatt de Pratt & Whitney. Image: Pratt & Whitney
Porte 2|LE DÉCOLLAGE : Électrifier la propulsion
Le corps qui s’enfonce dans le siège, la piste qui défile à toute vitesse par le hublot, les oreilles qui se « bouchent » et l’horizon qui disparaît sous les nuages : l’envol pourrait bientôt être propulsé à l’aide de l’électricité.
Le motoriste Pratt & Whitney Canada, installé à Longueuil, travaille à la démonstration d’ici 2024 d’un système combinant un moteur à combustion avec un moteur électrique d’un mégawatt. Ce dernier sera essentiellement sollicité lors du décollage et de la montée.
Les gouvernements provincial et fédéral ont investi plus de 78 millions de dollars dans ce projet. L’entreprise ne renonce pas à l’idée d’intégrer ce système hybride électrique à des avions transportant de 100 à 200 personnes, mais elle vise d’abord à prouver son efficacité sur un avion régional à turbopropulseur de 35 à 40 sièges. C’est dans ce genre d’appareil que cette technologie promet les gains les plus substantiels avec une baisse de 30% des émissions de CO2.
« L’équipement électrique est très léger, petit, compact et efficace pour la puissance qu’il peut livrer, affirme Jean Thomassin, directeur général, nouveaux produits et services chez Pratt & Whitney Canada. Le gros défi réside dans la densité d’énergie des batteries. » Celles utilisées dans ce projet posséderont la capacité de deux à quatre véhicules électriques de taille normale. Reste qu’elles demeureront extrêmement lourdes. Un détail loin d’être anodin quand il faut défier la gravité !
David Rancourt, professeur en génie mécanique à l’Université de Sherbrooke, a analysé par le passé d’autres systèmes hybrides pour Pratt & Whitney Canada. S’il juge que « tout le monde apprendra de l’expérience » actuelle du motoriste, il modère les attentes. « Pour tout trajet dépassant 500 kilomètres avec les technologies d’aujourd’hui et des 10 prochaines années, si je mets une batterie à bord, elle augmente en fait la consommation d’essence » en raison de son poids.
Quant à l’électrification complète des moteurs d’avion à grande échelle, « on ne verra pas ça de notre vivant », avertit-il. « S’il fallait qu’un Boeing 787 soit électrique, la puissance au décollage équivaudrait à celle fournie au complet [dans le même intervalle de temps] par Hydro-Sherbrooke », un réseau qui dessert près de 90 000 clients et clientes !
Illustration de ce à quoi pourrait ressembler un avion à fuselage intégré. Cette configuration est étudiée dans le cadre du projet EcoJet de Bombardier. Image: Bombardier
Porte 3|EN PLEIN VOL : Redessiner les avions et leurs trajets
Dans le ciel, les déplacements de l’air jouent parfois les trouble-fêtes. Ils peuvent donner la frousse en cabine – bonjour, les turbulences ! –ou souffler des vents contraires demandant à l’avion une grande poussée.
Afin d’éviter ces mauvaises conditions, Ruxandra Botez, directrice du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité à l’ÉTS, développe à l’aide de simulateurs de vol des algorithmes pour trouver les trajectoires les plus favorables. « Nous pensons qu’on peut ainsi diminuer jusqu’à 10 % la consommation de carburant », souligne la chercheuse, qui souhaite voir ces algorithmes intégrés à des logiciels de navigation embarqués dans la cabine de pilotage.
Volker Grewe, du Centre aérospatial allemand, suggère quant à lui d’éviter les zones très froides et humides propices à la formation de traînées de condensation. Selon ses simulations publiées en 2017, les vols transatlantiques diminueraient de 10% leur effet sur le réchauffement climatique en les contournant.
Et tant qu’à revoir son itinéraire, pourquoi ne pas en profiter pour voyager en groupe ? Dans le sillage d’un autre avion, un appareil peut exploiter l’aspiration de celui-ci et ménager sa poussée. Volker Grewe a modélisé l’implantation de vols en formation semblable à celle des oiseaux migrateurs entre les 50 aéroports les plus achalandés du monde. Avec une telle coordination, l’incidence des avions commerciaux sur le climat serait réduite en moyenne de 24%, tandis que la consommation en carburant chuterait de 5%.
L’idée semble passer l’épreuve du réel : Airbus a chiffré les mêmes économies en kérosène lorsqu’il a fait voler, en novembre 2021, deux Airbus A350 à trois kilomètres de distance entre Toulouse et Montréal.
L’entreprise est donc inspirée par les oiseaux, mais aussi par les… raies mantas! C’est du moins la silhouette d’une configuration fusionnant les ailes avec l’habitacle explorée par Airbus. L’avionneur n’est pas le seul à voir dans ces avions-mantas un potentiel pour l’aviation civile. La NASA a estimé que cette forme, sur laquelle travaille également Boeing, permettrait de se déplacer avec 20% de kérosène en moins.
Appelé « avion à fuselage intégré », ce concept déjà utilisé dans l’aviation militaire est en ce moment aussi étudié par Bombardier pour d’éventuels jets d’affaires.
L’avantage ? Ce design pourrait optimiser la portance et mieux déjouer la force de résistance de l’air. Améliorer l’aérodynamisme des engins constitue ainsi la clé pour réduire la consommation en carburant et les émissions de GES, selon Kathleen Dussault, spécialiste en ingénierie chez Bombardier. « Il y a un effet boule de neige », indique-t-elle. L’appareil requiert alors moins de poussées, ce qui permet dans la foulée de diminuer la taille des moteurs, donc le poids de l’avion.
Sans revoir la forme entière de l’aéronef, Ruxandra Botez s’est plutôt demandé si l’aérodynamisme pouvait s’adapter en plein vol selon les conditions rencontrées. Dans un coin de son laboratoire se dresse une partie d’aile. À l’intérieur de celle-ci, des actionneurs électriques peuvent déformer sa surface. Muni de capteurs de pression au moment d’être testé en soufflerie, le système favorisait un écoulement laminaire, soit un glissement de l’air plus ordonné.
Reste à voir si cela se traduit comme prévu en économies d’essence. « J’aimerais que ce soit testé en vol. Mais d’ici là, il reste un grand pas à franchir », admet la chercheuse. Une percée lui semble difficile à court terme, notamment pour des raisons de faisabilité manufacturière. Comme quoi les technologies doivent aussi affronter des vents contraires avant de se rendre sur le terrain.
Des modèles d’avions à hydrogène d’Airbus. Image: Airbus
Porte 4|L’ATTERRISSAGE : Atteindre les objectifs
Rêver à des solutions, c’est bien, mais atteindront-elles leur objectif ? Voici venue l’heure de redescendre sur terre.
Volker Grewe, chercheur au Centre aérospatial allemand, s’est étonné des cibles que s’est données le milieu de l’aviation, notamment par l’entremise de l’OACI, pour atteindre la carboneutralité d’ici 2050. Il flairait un écart entre ces cibles et les ambitions de l’Accord de Paris.
Il a donc mis à l’épreuve la croissance anticipée du trafic aérien avec un déploiement optimiste des technologies « vertes » plausibles dans les prochaines décennies, dont l’avion à fuselage intégré et les carburants d’aviation durable. Ses projections, publiées en 2021 dans Nature Communications, refroidissent l’enthousiasme.
« On voit une légère augmentation des émissions de l’ensemble de la flotte aérienne à travers le temps » , explique le chercheur. Trois pistes étaient toutefois absentes de son étude : l’optimisation des trajectoires de vol, l’électrification et l’avion à hydrogène.
Reste que, tant dans la conception de nouveaux carburants que dans celle de nouveaux moteurs, « il faut considérer les répercussions sur toute la chaîne d’approvisionnement : le stockage, la logistique, la production » , rappelle Samira Keivanpour, professeure à Polytechnique Montréal. La chercheuse, qui étudie l’économie circulaire dans l’industrie aéronautique, se demande aussi qui payera les coûts de l’adoption de ces nouvelles technologies. Elle pressent que cela induira un nouveau modèle d’affaires des compagnies aériennes et une hausse du prix des billets.
Pour Seth Wynes, augmenter les frais constitue en fait une mesure indispensable, puisqu’« il n’y a pas de bonne solution technologique dans un avenir prévisible ». Dans ce contexte, il lui apparaît juste d’imposer dès le deuxième vol d’une personne durant une année une taxe, qui augmenterait à chaque voyage supplémentaire. « Nous devons réduire de manière draconienne et urgente nos émissions. Il est donc vraiment important de regarder les façons de diminuer le plus possible la demande pour le transport aérien. »
Et pourquoi ne pas conserver nos bonnes habitudes pandémiques ? Dans un article publié dans Environmental Science & Technology en 2021, le chercheur s’est penché sur celles du sport professionnel. Si les ligues nord-américaines continuaient de limiter le mouvement de leurs équipes comme elles l’ont fait en 2020, pour des raisons sanitaires, elles abaisseraient de 22% les émissions dues à leurs déplacements par la voie des airs. L’avenir se joue peut-être dans les avions cloués au sol.
