Rapport

Économie, emploi - Recherche, sciences, techniques

Aircraft Electrical Propulsion — The Next Chapter of Aviation? It Is Not a Question of If, but When

Par

Aircraft Electrical Propulsion — The Next Chapter of Aviation? It Is Not a Question of If, but When
ROLAND BERGER , « Aircraft Electrical Propulsion — The Next Chapter of Aviation? It Is Not a Question of If, but When », Roland Berger LTD, 2017.

Ce rapport prospectif sur l’aviation électrique rappelle la tendance historique à l’électrification des fonctions, dans les avions comme dans l’automobile. Le tout premier aéronef électrique a fait son premier vol en 1883, quand le Français Tissandier, chimiste et aviateur, a attaché un moteur électrique Siemens à l’hélice d’un dirigeable. Mais le développement du moteur à combustion interne, de la turbine, a poussé l’aviation vers les carburants dérivés du pétrole.

Néanmoins, l’avion est de plus en plus électrique au fil des générations, depuis 1967 et le premier vol du Boeing 737 aux Airbus A320 à la fin des années 1980, puisque des équipements électriques ont progressivement remplacé des équipements ou liaisons mécaniques, hydrauliques et pneumatiques. La puissance électrique à bord des avions a considérablement augmenté sur des modèles comme le Boeing 787 (Dreamliner) sorti en 2011 pour l’aviation commerciale ou la seconde version du F35 sorti en 2015 pour l’aviation militaire.

Mais l’avion à propulsion électrique, qu’il soit comme les voitures, hybride-électrique ou tout électrique, n’en est qu’à ses débuts. Pour analyser la tendance, Roland Berger a compilé 70 programmes de développement d’avions à propulsion électrique.

Ce sont les plus petits avions ou les avions de loisir qui se sont avérés être le segment privilégié pour électrifier la propulsion. Des constructeurs leaders de ce segment comme Cessna, mais aussi de petits indépendants et des start-ups, ont lancé des programmes de prototypes d’avions électriques dans cette catégorie, Airbus également (Cri-cri puis le programme E-Fan initié en 2011 et arrêté en 2017).

Plus récemment, ce sont des projets sur des avions-taxis urbains (un à quatre passagers) qui se sont multipliés. L’objectif, sur ce type d’avion et d’usage, est une autonomie maximale de 50 kilomètres, avec un décollage et un atterrissage vertical ainsi qu’une propulsion totalement électrique ; être « zéro émission » et bénéficier de la réduction du bruit. Dans les projets les plus avancés, en Allemagne, le Volocopter VC200 a commencé ses vols dès 2013 et vient d’être autorisé comme taxi aérien autonome (pilotage automatisé) à Dubaï. De nombreux acteurs ont des projets sans beaucoup d’annonces ; dans les programmes d’avions électriques de ce segment, on notera la présence d’un fabricant de drones chinois, le fabricant automobile chinois Geely (propriétaire de la marque Volvo et de Terrafugia, compagnie américaine connue pour avoir développé la voiture volante TF-X).

Ces deux segments concentrent l’essentiel des programmes d’avion électrique. Des projets existent néanmoins pour les avions court-courriers (500-1 000 kilomètres de déplacement), de 9-10 sièges, tant en hybride qu’en tout électrique, dans l’espoir que ces prototypes permettront de passer à des avions plus gros. Une start-up, Wright Electric, créée par d’anciens personnels de la NASA (National Aeronautics and Space Administration), a annoncé son intention de construire d’ici 10 ans un avion électrique de 150 places qui viendrait concurrencer les plus petits avions des familles Boeing 737 ou Airbus A320.

Les deux géants, Airbus et Boeing, ont adopté des stratégies différentes vis-à-vis de l’avion électrique. Airbus a opté pour une approche holistique en développant des projets dans ses divisions comme le CityAirbus (avion-taxi urbain) chez Airbus Helicopters, mais aussi en créant une organisation dédiée A3 (A cube), basée dans la Silicon Valey, qui développe Vahana, un avion monoplace autonome. Ce prototype a fait son premier vol d’essai fin janvier 2018 et Airbus espère le commercialiser en 2020. En parallèle, Airbus Ventures reste à l’affût d’investissements potentiels dans des start-ups. Boeing a pour sa part choisi une approche plus opportuniste en dédiant sa filiale de capital-risque Horizon X à l’achat de start-ups innovantes et prometteuses.

Nombre de programmes de développement d’avions électriques par date du premier vol

Le principal verrou technique de l’avion électrique est évidemment la puissance massique de la batterie. Pour qu’un avion électrique soit commercialement viable, il faudrait que la densité énergétique de la batterie atteigne 500 wattheures par kilogramme (Wh/kg). Les meilleures batteries du marché atteignent 150-250 Wh/kg, la dernière née de Tesla affiche 250-320 Wh/kg. L’analyse de Roland Berger est que compte tenu de leur trajectoire de progrès, les batteries pourraient atteindre 400-450 Wh/kg au milieu des années 2020. Mais une nouvelle étape ou une nouvelle chimie (lithium-air ?) des batteries sera nécessaire pour atteindre la cible de 500 Wh/kg. Même en atteignant ce niveau, la densité de stockage d’énergie est 25 fois plus faible que celle délivrée par le kérosène (environ 12 kWh/kg) : malgré les pertes du moteur thermique à transformer le kérosène en poussée efficace, la densité énergétique du kérosène reste six à huit fois plus avantageuse que celle de batteries.

Au-delà des enjeux de densité énergétique, l’avion doit donc progresser en allègement, en efficacité énergétique, augmenter la tension électrique… Dans les airs, la sécurité de fonctionnement des batteries elles-mêmes est aussi un enjeu.

Quatre scénarios de développement de l’avion électrique sont ensuite proposés dans ce rapport ; ils vont croissant en matière d’électrification :

• Dans le scénario 1, « Évolution », l’électrification des fonctions dans les avions se poursuit, la capacité installée de puissance électrique augmente de 8 %. Les avions ont plus de fonctions électrifiées mais ne sont pas des avions à propulsion électrique.

• Dans le scénario 2, « Application de niche », la propulsion électrique ou hybride se développe sur des marchés de niche où cela présente un avantage par rapport aux avions classiques (le bruit par exemple). Les avions qui passeraient à des propulsions hybrides ou électriques seraient les court-courriers (100-500 miles / 160 -800 kilomètres) pas très rapides mais qui pourraient être équipés de batteries de 300 à 400 Wh/kg. Des motorisations hybrides pourraient être viables pour des « régionaux » ou moyen-courriers jusqu’à 30 places.

Le scénario 3, « Révolution à petite échelle », envisage un fort développement des avions-taxis urbains, et implique surtout un changement de réglementation et une adaptation de l’urbanisme. L’exemple du Volocopter, à Dubaï, s’étendrait à de nombreuses villes. Le transport urbain serait concurrencé par ce type de déplacement aérien.

Le scénario 4, « Révolution à grande échelle », implique que les batteries de densité supérieure à 500 kW/h soient disponibles, en plus des progrès techniques accomplis dans les autres scénarios. Les nouveaux avions de taille moyenne, type Boeing 737 ou Airbus A320 (entre 100 et 200 places), pourraient passer à des motorisations hybrides ou tout électriques. Néanmoins, compte tenu de la longévité des programmes d’avions, le basculement vers ces motorisations pourra prendre des décennies.

L’horizon de ces scénarios n’est explicite que pour le premier : 2030. Les auteurs estiment néanmoins que les scénarios 2 et 3 sont techniquement possibles à cet horizon, même si le rythme de changement réglementaire et d’urbanisme risque de retarder le scénario 3.

Site web
https://www.rolandberger.com/publications/publication_pdf/roland_berger_aircraft_electrical_propulsion.pdf