Quelles motorisations pour une aviation sans CO2 ?

L’industrie aéronautique est confrontée à de nombreux défis pour relever les objectifs environnementaux fixés par l’ensemble des acteurs européens de l’aviation commerciale. Dans ce contexte, étudier et repenser les systèmes de propulsion des avions s’impose.

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    x2

    éstimation de la croissance du trafic aérien tous les 15 ans 

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    50%

    d'ici 2050, les émissions nettes de carbone de l'aviation devront représenter la moitié de celles de 2005 

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    3

    nombre d’objectifs environnementaux du programme de recherche Clean Sky (Réduction des émissions de C02, de NOx et de bruit) 

Repenser les motorisations pour diminuer l’impact environnemental

Pour atteindre ces objectifs ambitieux et réduire la consommation de carburant globale de l’avion et les émissions polluantes, tout le secteur aéronautique s’est engagé dans le développement de différentes solutions technologiques.

Dans ce contexte, les industriels étudient des configurations de systèmes propulsifs thermiques plus efficaces, comme par exemple les turboréacteurs à fort taux de dilution, ou encore les turbopropulseurs.

A plus long terme les solutions à l’étude portent sur des technologies de ruptures comme les motorisations électriques et hybrides, ou encore des nouveaux carburants comme les bio fuels ou l’hydrogène qui semble très prometteur à de nombreux égards.

Les enjeux des moteurs à très haut taux de dilution

Dans un moteur d’avion de type turboréacteur à double flux, qui sont les moteurs de dernière génération sur l’aviation commerciale, la poussée est obtenue par l’éjection du gaz chaud, issu de la combustion du carburant dans la turbomachine, ainsi que par l’air froid, accéléré par un type d’hélice, également appelée « soufflante ». Ce processus de doubles poussée, permet de considérablement réduire la consommation de carburant nécessaire.

On appelle « taux de dilution » le rapport entre cet air froid et l’air chaud brulé.  Pour aller plus loin dans la diminution de la consommation, il faut augmenter ce taux de dilution et donc augmenter le diamètre de cette soufflante, et donc le diamètre total de la nacelle du moteur. Ce qui pose de nombreuses contraintes d’intégration sous les ailes des avions.

Ces moteurs peuvent alors être très proches du sol et créer un phénomène de vortex entre le moteur et le sol. Un effet qui peut ramener des débris et causer de graves dégâts au moteurs et qu’il faut anticiper et corriger. C’est dans ce contexte que nos équipes ont lancé le projet INVIGO.

  • INVIGO

    Financé dans le cadre du programme européen Clean Sky 2, et suivi par SAFRAN, qui s’intéresse à la problématique de la formation de vortex entre les entrées d’air moteur et le sol lors des phases au sol jusqu’au décollage.  Ces vortex peuvent favoriser l’ingestion de particules sur le sol et excitent mécaniquement les aubes de soufflante. L’objectif est de pouvoir caractériser ces vortex dès les premières phases d’essai moteur, grâce à des modèles construits par des techniques de deep learning construites sur des résultats de simulations, fruit de notre expertise et des essais réalisées sur la soufflerie de notre partenaire le CSTB, l’établissement public au service de l’innovation dans le bâtiment.

SYLVAIN RAYNAL
Le projet INVIGO permet de développer des techniques très innovantes de modélisation de tourbillons à base d’IA par apprentissage profond. Le partenariat avec le CSTB permet de construire les bases de données expérimentales pour compléter nos données issues des simulations CFD*. Sylvain Raynal Responsable technique du projet INVIGO - Technology Engineering Center | Capgemini Engineering

* Mécanique des fluides numérique (MFN), plus souvent désignée par le terme anglais computational fluid dynamics (CFD), consiste à étudier les mouvements d’un fluide, ou leurs effets, par la résolution numérique des équations régissant le fluide.

Les turbopropulseurs, une solution prometteuse

Une autre solution pour diminuer l’impact des moteurs d’avions sur l’environnement est l’amélioration des moteurs dits turbopropulseurs.

Dans un moteur de type turbopropulseur, la combustion du carburant se fait par l’air rentrant dans le moteur. Elle est ensuite utilisée pour faire tourner une hélice et ainsi propulser l’avion, contrairement au turboréacteur où la poussée est générée par l’éjection des gaz brulés. Cette solution est très intéressante en termes de performance et de consommation pour l’aviation régionale ou légère du fait des altitudes et des temps de vols plus faibles.

Le démonstrateur européen de turbopropulseur, le Tech TP, développé dans le cadre du programme de recherche européen Clean Sky 2 vise ainsi une réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2 de 15% par rapport aux turbopropulseurs actuels.

  • SALAMANDER

    Nos équipes coordonnent un projet nommé SALAMANDER.

    Ce projet réalisé en partenariat avec Dassault Systems a pour objectif de caractériser le phénomène dit de retour de chaleur (soak-back) qui survient dans un moteur après l’arrêt de celui-ci, et pouvant entraîner des défaillances de fonctionnement.

L’électrique, une piste à ne pas négliger

L’électrification de la propulsion des avions permet de réduire drastiquement les émissions directes de CO2 mais est pour l’instant limitée aux avions de très petite taille et pour des petites distances du fait de la masse importante des batteries qui est demandée pour fournir la puissance et l’autonomie des vols commerciaux. L’avion 100% électrique pour des longues distances n’est donc pas envisageable.

Pour des avions de taille moyenne, les industriels travaillent donc plutôt sur une hybridation de la fonction propulsive, c’est-à-dire son électrification partielle. Différentes solutions sont à l’étude pour la propulsion hybride et peuvent aller d’un mélange entre des moteurs thermiques et des moteurs électriques ou des systèmes propulsifs mariant des turbines à gaz et des génératrices électriques.

Les piles à combustibles sont également étudiées comme source d’énergie électrique mais posent encore de nombreux problèmes liés au stockage de l’hydrogène, ou à son refroidissement pour maintien en température opérationnelle.

L’électrification et l’utilisation de l’électroniques de puissance, induisent aussi des problématiques évidentes de refroidissement des composants. Il faut alors penser ces systèmes de refroidissement pour qu’ils soient plus efficaces et légers.

Dans le cadre du programme Clean Sky 2, nos équipes réalisent le projet P(HP)² qui vise à développer des solutions de refroidissement de type « caloduc pulsés », et s’attache en particulier à mettre au point les modèles physico-mathématiques pour le dimensionnement et la conception de ces systèmes.

filipe
Le projet Pulsating Heat Pipes for Hybrid Propulsion systems vise à caractériser les performances thermiques des caloducs oscillants à la fois par la simulation numérique mais également grâce à des méthodes d’apprentissage profond basés sur des résultats expérimentaux. L’utilisation de ces méthodes est une approche innovante et prometteuse dans le secteur de l’ingénierie thermique permettant de déterminer les performances de systèmes technologiques de refroidissement très complexes. Filipe MANCIO Responsable technique du projet P(HP)² - Technology Engineering Center | Capgemini Engineering

D’autres pistes à l’essai

Nous savons que les vols de plus de 1000 km représentent 80% des émissions de CO2 de l’aviation. Or l’électrification de ces gammes d’avions n’étant pas possible, elle ne permet pas d’atteindre les objectifs d’ici 2050.

L’utilisation de carburants alternatif est donc avancée comme la seule voie possible et 2 solutions se dessinent. La première consiste à utiliser des carburants synthétiques formés à base d’hydrogène vert (dit Power to liquid) combinés à du CO2 pour obtenir un kérosène utilisable comme du carburant.

La deuxième solution consiste à brûler l’hydrogène directement dans les moteurs mais cette solution nécessite d’embarquer l’hydrogène liquide dans de très volumineux réservoirs et obligerait à reconcevoir complètement les formes des avions.

Nous travaillons également sur des solutions de turbines à gaz pouvant fonctionner avec des carburants alternatifs. C’est l’objectif de notre projet HyPROPe qui vient d’être retenu pour un financement dans le cadre du plan de relance de l’industrie aéronautique.

 

Découvrez Hyprope et toute notre expertise hydrogene

Toutes ces nouvelles pistes de recherche sur les systèmes de propulsion nous poussent, entre autres, à revisiter la forme même de l’avion.

Assurément, l’avion de demain arborera un nouveau visage.

gregory millot
Nos équipes sont impliquées dans de nombreux projets de recherche et développement dans le domaine de la propulsion et de la modélisation avancées des systèmes énergétiques. La participation à 3 projets européens du programme Clean Sky 2 démontre la valeur des expertises que nous avons développées depuis de nombreuses années. Grégory Millot Architecte et expert en propulsion - Technology Engineering Center | Capgemini Engineering