Acteur engagé pour une décarbonation forte de l’aéronautique, NAE axe sa feuille de route technologique sur les systèmes de propulsion selon le type d’énergie : biocarburants, hydrogène et électrique.

Décarbonation autour des systèmes de propulsion

La décarbonation de l’aéronautique est une ambition coordonnée au niveau international : l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) a fixé l’objectif de réduire de 50% les émissions de gaz à effet de serre d’ici 2050 par rapport à 2005.

Des efforts vont être faits en fonction des types d’avions : jusqu’à 2040 via l’incorporation des SAF^[1] (Sustainable Aviation Fuel) dans les aéronefs ancienne génération et à horizon 2040, le remplacement des aéronefs devrait permettre des réductions d’émissions de l’ordre de 30 à 50%. Pour le marché intra européen, l’avion à hydrogène pourrait quant à lui permettre un zéro émission nette.

NAE a adopté une feuille de route en cohérence avec ces enjeux, en axant ses travaux sur les systèmes de propulsion selon le type d’énergie et les verrous technologiques à lever :

Biocarburants :

Les biocarburants aériens peuvent être utilisés en substitution du kérosène, jusqu'à 50% d'incorporation dans le kérosène fossile. Les SAF (Sustainable Aviation Fuel) notamment peuvent être injectés avec du kérosène sans modification technologique des avions existants. L’objectif est d’augmenter le taux d’incorporation de biocarburant, celui-ci étant aujourd’hui limité à 50%. Or, on se heurte à certains verrous technologiques parmi lesquels une propriété physico-chimique différente des carburants traditionnels, l’absence d’hydrocarbures aromatiques dans les biocarburants qui empêche la dilatation des joints dans les circuits et peut provoquer des fuites ou encore l’absence de soufre dans les biocarburants qui limite la lubrification des pompes.

Hydrogène :

La récupération de l'énergie à partir du dihydrogène renouvelable ou bas-carbone préalablement stocké se fait de deux façons :

• combustion directe du dihydrogène dans un moteur thermique
• pile à combustible qui fournit de l’énergie à des moteurs électriques (piste privilégiée pour l’aviation légère)

Les principaux verrous technologiques résident dans le stockage de l’hydrogène sous forme de gaz comprimé ou sous forme liquide dans des réservoirs cryogéniques. Par ailleurs, il existe un risque d’auto-allumage de l’hydrogène en injection directe dans le moteur et un risque de propagation des flammes lors de la mise en contact de l’oxygène et l’hydrogène.

Electrique

La propulsion de l’Aeronef est assurée par un ou des moteurs électriques, alimentés par des batteries ou des piles à combustible. La piste de l’hybride électrique – biocarburant (ou e-fuel) est privilégiée par la plupart des acteurs du secteur.

Un compromis poids et autonomie des batteries (multiplié par 2 à horizon cinq ans) doit être trouvé, de même qu’une prise en compte des problématiques thermiques et d’interférences électromagnétiques pour assurer la fiabilité des systèmes électroniques.

Ainsi, les priorisations technologiques de NAE pour les systèmes de propulsion portent sur :

• Les nouveaux matériaux (contamination bactériologique dûe aux biocarburants, liner, composite hybride, revêtement graphène, procédé sol-gel…). Notons que NAE a lancé un concours pour permettre l’émergence de nouveaux matériaux éco-composites. Celui-ci récompensera en avril prochain la solution composite la plus respectueuse de l’environnement par rapport à un composite carbone résine époxy.
• La fabrication additive (développement de l’impression 3D pour les injecteurs pour l’hydrogène, les échangeurs thermiques, les nouveaux revêtements/alliages). NAE, en collaboration avec ses partenaires ^[2], structure la dynamique FAN (Fabrication Additive en Normandie) qui regroupe l’ensemble des acteurs régionaux de la chaîne de valeur : la matière (sous différentes formes), les méthodes (ingénierie de conception et maîtrise des procédés), les moyens (fabricants et revendeurs d’équipements et de logiciels) et les activités transverses, telles que le contrôle et la caractérisation, la R&D et les expérimentations, la formation et la normalisation
• Le management thermique pour des échangeurs thermiques plus performants (stockage hydrogène, batterie, moteur électrique, échangeurs, isolation basse T°, tenue statique à basse T°..)
• La fiabilité des systèmes et composants entrant dans l’alimentation des moteurs électriques (tenue choc, vibratoire, biocarburant, composants SiC (carbure de silicium) – GaN (nitrure de gallium). NAE s’appuie sur le Centre Français de Fiabilité (CFF) qui concourt à une meilleure fiabilité des systèmes de plus en plus complexes et intégrés, et développés dans des temps de plus en plus courts
• L’expérimentation & la modélisation (combustion hydrogène, SAF…)

Quelques exemples de compétences en Normandie

NAE propose ici une première liste des compétences disponibles et des travaux en cours chez ses membres, concourant au développement de l’hydrogène et de l’électrique :

Solutions / Produits

• MF Tech (Arentant, Orne), référence mondiale dans l’enroulement filamentaire,  conçoit et fabrique des machines et robot à enroulement filamentaire pour la fabrication des réservoirs H2 pour le stockage haute pression ;
• Thermocoax (Caligny, Orne) développe des capteurs de température et de transmission de données en environnement sévère et va permettre l’instrumentation au plus près des nouvelles générations de motorisation hydrogène ;
• Maugars Industrie, spécialiste dans l’usinage, permet la co-conception de systèmes intégrant des nouveaux matériaux dédiés à la décarbonation ;
• SAB (Gasny, Eure) déploie son projet « SAB Hydrogène» pour structurer une offre autour de la chaîne de valeur du fluide hydrogène et également des carburants alternatifs pour l’aéronautique ;

Bancs d’essais

• Areelis Technologies (Saint Etienne du Rouvray, Seine-Maritime) dispose d’équipements d'essais et d’un savoir-faire dans les essais fluidiques et cryogéniques (gaz et liquide) pour tout organe mécanique utilisé pour des applications hydrogène (pompe, vanne, liaison mécanique, …). L’entreprise peut assembler en environnement propre tout organe mécanique et les préparer (instrumentation,) pour des essais en environnement cryogénique ;
• Ariane Group (Vernon, Eure), expert dans l’usage de l’hydrogène pour la motorisation de lanceurs spatiaux, met à disposition des banc d’essais sur les moteurs hydrogène mais aussi sur la fragilisation des matériaux par l’hydrogène ;
• CALIP Group (, grâce à sa maîtrise de la technologie de soudure par friction malaxage (FSW), développe des packs batterie innovante intégrant un échangeur thermique performant pour les véhicules électriques ;
• 6NAPSE (Val de Reuil, Eure), bureau d’études en ingénierie et expertises en laboratoires multi environnement (thermique, vibratoire.), développe notamment des bancs d’essais batteries électriques et piles à combustible,  vérifie la performance des nouvelles technologies au service de l’allègement des aéronefs pour la réduction de leur consommation et étudie le vieillissement des matériaux en interaction avec l’hydrogène ;
• FEV (Saint Etienne du Rouvray, Seine-Maritime), développe des banc d’essais de l’ensemble de chaîne de traction thermique fonctionnant à l’hydrogène ;

Unités de recherche

• CORIA (UMR CNRS 6614 – Université Rouen Normandie – INSA Rouen) expérimente et modélise la combustion de combustibles décarbonés (hydrogène, SAF,…) et mène des recherche sur le stockage cryogénique d’hydrogène et la sécurité de l’hydrogène ;
• GPM  (UMR CNRS 6634 – Université Rouen Normandie – INSA Rouen) travaille sur la fiabilité et l’analyse physique des défaillances des transistors et nouveaux composants de puissance (SiC – GaN), ces derniers étant indispensables pour développer l’électrification des avions.

^[1] Un SAF est un carburant alternatif certifié dont les considérations sociales, environnementales et économiques assurent un avantage par rapport au kérosène.

^[2] NAE, en partenariat avec CCI Normandie, Cosmetic Valley, NextMove, Normandie Energies, Normandie Maritime, Pôle ATEN – CMA Normandie et Pôle Pharma, structure la dynamique Fabrication Additive en Normandie (FAN).