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Carburants alternatifs pour l'aviation

septembre 2015

Le secteur du transport aérien, comme le secteur automobile, doit réduire son empreinte environnementale et trouver des solutions pour voler plus propre et consommer moins d’énergie.

Pierre Porot

 

 

   
Entretien avec Pierre Porot, directeur adjoint du centre de résultats Procédés d'IFP Energies nouvelles (IFPEN), sur les solutions en développement.

 

Quel est l'impact du trafic aérien sur la pollution et les émissions de gaz à effet de serre ? 

P.P. : Pour le moment, le trafic aérien a un impact modéré et bien moins important que celui du secteur routier.
  
Au niveau mondial, il représente environ 8 % de la consommation de pétrole et 2 à 3 % des émissions de CO2.
    
Mais avec un taux de croissance annuel moyen du trafic aérien compris entre 4 % et 5 % depuis le milieu des années 80, cet impact pourrait doubler à l'horizon 2025.
   
Cette augmentation du trafic a également un impact sur notre environnement proche, notamment dans les zones urbaines situées à proximité des aéroports : émissions de NOx, de particules de suies, d'hydrocarbures imbrûlés, bruit, etc.
   
Si le transport aérien a été exclu du protocole de Kyoto et s’il n’est pas concerné par la COP21, les acteurs de l'industrie aéronautique, regroupés au sein de l'IATA (International Air Transport Agency), se sont néanmoins fixés des objectifs ambitieux : réduire en 2050 les émissions de CO2 de 50 % par rapport à leur niveau de 2005.

 

Vers quelles solutions s'oriente le secteur aérien ?

P.P. : Pour atteindre ces objectifs, les industriels portent leurs efforts sur deux leviers :

  • La réduction de la consommation des appareils par l'amélioration de l'efficacité des turbines et de l'aérodynamisme, l'allègement des avions et l'optimisation du trafic aérien.
      
  • Le développement de biocarburants. Il s’agit de remplacer une partie du kérosène d'origine pétrolière, qui assure aujourd'hui 100 % de l'avitaillement des avions, par des carburants fabriqués à partir de végétaux au bilan environnemental plus avantageux. Leur utilisation réduit de 50 à 90 % les émissions de gaz à effet de serre par rapport au kérosène actuel. Des vols d'essai avec des carburants issus de la conversion d'huiles végétales ont d'ores et déjà été réalisés avec succès. Mais leur utilisation à grande échelle se heurte aux contraintes très spécifiques du transport aérien et au coût du biojet.

 

A quels critères doivent répondre ces carburants alternatifs ?

P.P. : Dans le domaine aéronautique, les contraintes sont très fortes (sécurité, logistique, température, etc.). Tout nouveau carburant doit offrir de larges garanties :

  • Le kérosène doit pouvoir être utilisé partout dans le monde : c'est le seul carburant doté de spécifications harmonisées à l'échelle internationale.
      
  • En termes de spécifications, il doit pouvoir subir sans dégradation des changements importants de température (de – 60°C en très haute altitude à + 50°C lors du stationnement sur le tarmac) et de pression (de la pression atmosphérique au sol à une pression de l'ordre de 0,3 bar en haute altitude).
      
  • Enfin, et surtout, les carburants pour l'aéronautique doivent démontrer leur compatibilité avec l'ensemble des organes moteur et des matériaux en contact avec le carburant, notamment les élastomères utilisés dans les joints.

Compte tenu de ces contraintes et des quantités très importantes de carburant nécessaire au transport aérien, aujourd'hui le choix se porte sur des carburants alternatifs dits "drop-in". Il s'agit de carburants pouvant être directement incorporés au kérosène d'origine fossile, en quantité importante (jusqu’à 50 %), sans en perturber les propriétés et sans nécessiter de modifications des organes moteur des avions.

 

Quels carburants alternatifs sont envisagés ?

P.P. : De nombreuses pistes sont étudiées dans le monde. À court et moyen termes, deux types de biocarburants apparaissent comme les mieux adaptés au transport aérien et permettent de réduire sensiblement les émissions de CO2.

  • Les huiles végétales hydrotraitées
      
    Cette voie consiste à utiliser des huiles végétales pour produire des hydrocarbures (HVO ou Hydrogenated vegetable oil). En leur faisant subir une opération d'hydrotraitement, il est possible de transformer ces huiles en carburants, et en particulier en kérosène, via un traitement complémentaire assurant une bonne tenue à froid des produits.
      
    Un premier carburant constitué de 50 % de HVO et de 50 % de kérosène pétrolier a été certifié par l'ASTM (American society for testing and materials) en 2011. De nombreux vols ont démontré la viabilité de ce carburant. Une autre possibilité à l’étude est l’ajout de la coupe gazole issue du procédé HVO directement dans le pool kérosène à hauteur de quelques %.  
      
  • Les carburants de synthèse issus de la biomasse
      
    Il s'agit d'un biokérosène de type BtL (Biomass to Liquid), fabriqué à partir de biomasse lignocellulosique (résidus de bois, pailles de céréales, déchets forestiers). La biomasse est convertie en biokérosène de synthèse par gazéification suivie d'une synthèse Fischer-Tropsch. Ces carburants sont certifiés en mélange jusqu'à 50 % depuis 2009.
      
    Contrairement à la première voie, la ressource est dans ce cas plus vaste et moins onéreuse. La difficulté majeure réside dans le coût d'investissement des unités BtL.
      
    Un autre biokérosène, récemment certifié par l’ASTM, a été développé par Total et Amyris. Il s’agit de farnésane, une molécule issue de la transformation de sucres. Il peut être ajouté à hauteur de 10 % maximum dans le jet fossile. Un vol hebdomadaire utilisant ce biocarburant entre Paris et Toulouse est actuellement opéré par Air France jusqu’à cet automne. Une autre voie basée sur la conversion hydrothermale des huiles végétales est en développement par ARA (Applied research Associates) et CLG (Chevron Lummus Global). Cette voie est aussi en cours de certification ASTM.
      
    Des voies dites Alcohols to Jet sont aussi proches de la certification ASTM. La voie dite APR (Aqueous Phase Reforming), développée par Shell et Virent, pourrait aussi être proposée à la certification ASTM. A plus long terme, d'autres voies sont également à l'étude dont la pyrolyse rapide de la biomasse, catalytique ou pas, avec ou sans hydrogène permettant de produire une bio-huile de synthèse qui est ensuite raffinée pour produire des biocarburants et du biokérosène.
      
    Mais, comme je l’ai déjà évoqué, le coût de ces différentes technologies reste très élevé par rapport au kérosène fossile, ce qui limite leur pénétration sur le marché. Par ailleurs, l’utilisation du kérosène obéit aux règles internationales du transport aérien. Or, il n’existe pas, à ce jour, de taxes ou autres mesures à l’échelle internationale incitant les industriels à utiliser ces carburants alternatifs.

 

Quels sont les travaux conduits par IFP Energies nouvelles ?

P.P. :  En s'appuyant sur nos compétences dans le domaine des procédés de fabrication des carburants "bas carbone" et sur notre expertise en adéquation moteurs/carburants, nous avons engagé des recherches sur les solutions alternatives au kérosène pétrolier.
  
Nos travaux visent :

  • à définir les qualités optimales des carburants pour assurer le bon fonctionnement des avions (analyse des carburants, essais de combustion et de modélisation),
  • à développer les procédés de production de ces carburants,
  • et à définir les stratégies d'incorporation.

IFPEN conduit des recherches sur diverses voies, dont les HVO et le biokérosène de type BtL. Nos travaux sont menés en partenariat avec les principaux acteurs du domaine aéronautique (Airbus, Dassault, EADS, Onera, Safran, Total et Turbomeca) dans le cadre de différents projets européens et nationaux (CoreJetFuel, CAER, etc.).

 

Quelles sont les voies sur lesquelles vous travaillez ?

P.P. : IFPEN a mis au point, avec Axens, un procédé d'hydrotraitement d'huiles, mis sur le marché en 2011 sous le nom de Vegan™. Celui-ci permet de produire des biodiesels et des biokérosènes.
  
Dans le cadre de la transformation de son site de La Mède avec l’installation d’une bioraffinerie de taille mondiale (500 000 t/an), Total a choisi d’utiliser cette technologie innovante.
  
Nous sommes aussi partenaire du projet BioTfueL, qui va développer à l'horizon 2018 des technologies BtL permettant d'obtenir du kérosène bas CO2 de très haute qualité.

 

Et dans le domaine des motorisations aéronautiques ?

P.P. : IFPEN travaille avec les industriels à la fois sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des motorisations existantes et sur la conception de nouvelles architectures moteurs en rupture.
  
IFPEN s’appuie sur son offre de simulation pour étudier les problématiques telles que la combustion dans les turbomachines, l’électrification et l’hybridation des aéronefs et la motorisation Diesel à piston.

 

En savoir plus :

> Les grands débats > Quel avenir pour les biocarburants

 

Liste de liens externes

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Le transport aérien dans le monde

1 700 compagnies aériennes
27 000 avions civils
3 600 aéroports
80 000 vols par jour
 
On estime ainsi qu'il y a en permanence entre 500 000 et
1 million de personnes en vol