Comment les pays peuvent-ils développer l'hydrogène et rendre l'aviation durable ?

Lors de la 77e assemblée générale annuelle de l'IATA, le 4 octobre 2021, les compagnies aériennes membres de l'IATA ont adopté une résolution les engageant à réduire à zéro les émissions de carbone de leurs activités d'ici à 2050. Cet engagement s'accompagne de la reconfiguration la plus importante de l'industrie dans son histoire, avec des implications pour la conception des avions, l'infrastructure des carburants, les modèles commerciaux et l'infrastructure physique. Notre monde a besoin du transport aérien pour prospérer, mais la transition nécessaire ne ressemblera à rien de ce que nous avons toléré jusqu'à présent.

Tous ces changements découlent de la nécessité de transformer le mode d'alimentation des avions eux-mêmes. Trois approches complémentaires apparaissent comme des solutions plausibles pour stocker l'énergie nécessaire à bord d'un avion : les carburants aéronautiques durables (SAF), les batteries électriques et, plus récemment, l'hydrogène. Chaque technologie présente un ensemble unique d'avantages et de défis, ce qui signifie qu'aucune approche n'est une panacée pour l'aviation - mais chacune a un rôle clé à jouer dans la décarbonisation des différents secteurs de l'industrie.

L'Arup a été l'une des 50 organisations britanniques chargées par FlyZero d'apporter une contribution spécialisée à un projet de recherche intensif - dirigé par l'ATI et soutenu par le gouvernement britannique - visant à étudier les vols commerciaux à émissions de carbone nulles. Le rapport de synthèse de FlyZero vient d'être publié et indique que l'hydrogène "est le carburant à émission zéro de carbone le plus viable". Cet article examine les raisons pour lesquelles l'hydrogène est si prometteur, ainsi que certains des défis à relever pour que son potentiel soit exploité.

Pourquoi l'hydrogène ?

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L'hydrogène dans l'aviation

L'aviation englobe une large gamme d'aéronefs, depuis le transport de quelques passagers sur des vols régionaux jusqu'aux voyages intercontinentaux qui traversent la moitié du globe en une seule fois. Alors que l'industrie réfléchit à l'abandon du carburéacteur conventionnel (kérosène), les contraintes physiques et les questions de densité énergétique entrent rapidement en ligne de compte.

Les avions alimentés par batterie stockent l'énergie électrique avec peu de pertes, mais le poids actuel des batteries limite leur application à des avions de plus grande capacité et de plus grande autonomie - un défi similaire à celui auquel sont confrontés les camions électriques et qui explique pourquoi une entreprise, JCB, envisage d'utiliser l'hydrogène pour ses véhicules lourds.

Les carburants aéronautiques durables (SAF) peuvent être utilisés pour remplacer le kérosène existant et présentent l'avantage de ne pas nécessiter de modifications importantes des infrastructures et des opérations des compagnies aériennes et des aéroports. Certains FAS sont fabriqués en convertissant des déchets (par exemple, des déchets municipaux ou des huiles de cuisson usagées). Les FAS fabriquées de cette manière "réutilisent" essentiellement le carbone qui aurait pu être perdu autrement, réduisant ainsi l'empreinte carbone de l'aviation, mais il y a toujours une production nette de carbone. Si la production de FAS à partir de cultures est un processus "renouvelable", elle a néanmoins un impact sur l'environnement et entre en concurrence avec les ressources nécessaires pour nourrir le monde. La création de SAF par la capture du dioxyde de carbone directement dans l'air peut conduire à des émissions nettes de carbone proches de zéro, mais il faut une source d'hydrogène vert pour synthétiser le carburant afin qu'il soit essentiellement une option à zéro carbone.

Cela nous amène à considérer l'hydrogène comme un carburant à part entière. S'il peut être utilisé directement dans un avion, pour brûler dans une turbine à réaction ou pour alimenter une pile à combustible afin de produire de l'électricité, alors, sous réserve qu'il soit produit par électrolyse en utilisant de l'électricité renouvelable, il y a peu de carbone impliqué dans sa production et son utilisation. Créé de cette manière, l'hydrogène est à la fois vert et durable. Par kilogramme, l'hydrogène contient environ trois fois l'énergie du kérosène et environ 200 fois celle d'une batterie lithium-ion actuelle. Son inconvénient est que, malgré son faible poids, même lorsqu'il est liquéfié, il nécessite environ quatre fois plus d'espace par unité d'énergie que le kérosène. (Cela dit, c'est encore 20 fois mieux que la technologie actuelle des batteries).

Il est clair qu'il faudra plus d'espace physique que dans les avions conventionnels, mais les travaux d'Airbus et de FlyZero ont montré des concepts d'avions qui peuvent couvrir toutes les gammes actuelles, de l'avion régional à l'avion intercontinental. D'autres travaillent à la conversion d'avions existants plus petits pour qu'ils fonctionnent à l'hydrogène, en tant que démonstrateurs technologiques. Airbus estime que son nouvel avion ZEROe pourrait entrer dans les flottes d'ici 2035.

Alors... problème résolu ?

Le défi de la production

Le véritable défi consiste à augmenter la production d'hydrogène et à le faire d'une manière compatible avec les objectifs environnementaux. FlyZero estime qu'il faudrait entre deux et quatre millions de tonnes d'hydrogène par an d'ici à 2050 pour la seule aviation britannique. Récemment, la production totale d'hydrogène du Royaume-Uni ne s'élevait qu'à 0,7 million de tonnes par an (et il s'agissait en grande partie d'hydrogène gris - émettant du dioxyde de carbone dans l'atmosphère - utilisé pour la production d'ammoniac et d'engrais). À l'échelle mondiale, la demande d'hydrogène pour l'aviation d'ici 2050 pourrait atteindre 70 millions de tonnes par an - ce qui, par coïncidence, correspond à peu près à la production annuelle récente d'hydrogène dans le monde.

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Hydrogène et carburants durables

Pour éliminer le carbone, l'hydrogène doit être produit soit par une filière "bleue" (conversion du gaz naturel en hydrogène et séquestration du dioxyde de carbone qui en résulte), soit par une filière "verte" (électrolyse de l'eau utilisant de l'électricité à faible teneur en carbone - idéalement à partir de ressources renouvelables telles que des générateurs solaires ou éoliens). Au Royaume-Uni, l'électricité d'origine éolienne représentait 89 TWh en 2020. Pour produire l'énergie nécessaire à la production d'hydrogène pour la seule aviation britannique en 2050, il faudrait environ le double. Bien entendu, il existe d'autres demandes d'électricité renouvelable, comme en témoignent les "scénarios énergétiques futurs" de National Grid, par exemple, qui, bien qu'ils reflètent un éventail de priorités différentes, ont tous en commun l'hypothèse d'une augmentation considérable de l'électricité éolienne au Royaume-Uni - entre 400 TWh et plus de 525 TWh d'ici à 2050 (soit quatre à six fois les niveaux de 2020). Ainsi, si la transition dans le secteur de l'aviation peut sembler décourageante, elle doit être envisagée dans le contexte d'un changement national d'une ampleur bien plus grande qui est déjà en cours.

Construire une nouvelle industrie des carburants

Les systèmes de transport et les industries des carburants ou les réseaux électriques coexistent dans une sorte de relation d'interdépendance, presque de poule et d'œuf. Les compagnies aériennes ne commanderont de nouveaux avions à hydrogène que si l'industrie des carburants a déjà établi que l'hydrogène sera disponible à l'échelle nécessaire pour soutenir leurs opérations - et ce à un coût compétitif.

Aussi élevé que puisse paraître cet obstacle, il y a des raisons d'être optimiste. D'autres secteurs de l'économie commencent déjà à mettre en œuvre des solutions fonctionnant à l'hydrogène - bus, trains, camions, chauffage domestique - et la demande que ces utilisateurs suscitent devrait contribuer à attirer des investissements dans l'industrie de l'hydrogène. L'Arup aide déjà des pays comme l'Australie à développer des stratégies nationales pour accélérer ce processus.

Infrastructures et aéroports

Au-delà du développement de nouveaux avions et d'une capacité de production d'hydrogène, il y a des implications pour l'acheminement de l'hydrogène vers les aéroports, ainsi que pour le stockage et la distribution dans ces derniers. Pour tout ce qui n'est pas un petit avion, l'hydrogène doit être refroidi et liquéfié afin d'atteindre une densité volumétrique suffisante pour le stockage à bord. Il s'agit d'un processus spécialisé qui consomme beaucoup d'énergie et qui, par conséquent, se déroulera dans des lieux disposant d'un accès facile à l'électricité renouvelable. L'hydrogène liquéfié ainsi obtenu sera transporté vers les aéroports par camion-citerne. Cela peut suffire pour les petits aéroports, mais à mesure que la demande d'hydrogène augmente dans les grands aéroports, la livraison par camion-citerne peut devenir impraticable. On voit donc que la livraison d'hydrogène gazeux par pipeline permettra de transporter de grandes quantités d'énergie vers un aéroport, mais des installations de liquéfaction sur place seront nécessaires, ainsi qu'une alimentation électrique suffisante.

Le stockage et la distribution de l'hydrogène liquéfié dans un aéroport varieront, allant des camions-citernes et des camions-citernes à l'installation d'un système de "bouches d'incendie", analogue à ceux utilisés pour le carburéacteur dans les grands aéroports - bien que l'ingénierie et la technologie requises soient très différentes, reflétant les propriétés spécifiques de l'hydrogène liquide.

Ces questions devront être prises en compte dans les plans directeurs des aéroports et ne peuvent être remises à plus tard. Considérons un horizon de planification et de durée de vie des actifs de 25 ans à partir d'aujourd'hui. Cela nous mène à 2047 - et les avions à hydrogène pourraient être en service depuis plus d'une décennie à ce moment-là. Les plans d'investissement élaborés aujourd'hui devraient donc commencer à prendre en compte l'hydrogène (et d'autres "nouveaux" carburants).

Leadership gouvernemental, questions géopolitiques

Lorsque l'on envisage une transition industrielle de cette ampleur, il est clair que les organismes nationaux et internationaux doivent à la fois façonner et encourager son développement. L'ambition du gouvernement britannique de créer une capacité de production d'hydrogène de 5 GW d'ici 2030 (comme indiqué dans la stratégie sur l'hydrogène) est un bon début, même s'il ne s'agit que d'une première étape pour créer la capacité nécessaire à l'aviation à moyen et à long terme, sans parler de celle nécessaire aux autres utilisateurs potentiels de l'hydrogène.

Pour l'approvisionnement en hydrogène, deux facteurs devront être pris en compte par les décideurs politiques britanniques. Le premier est la probabilité que l'hydrogène "bleu" soit intrinsèquement moins cher à produire que l'hydrogène "vert", du moins à court et à moyen terme. Le second est que la production d'hydrogène à l'étranger sera également moins chère dans les régions disposant de ressources abondantes (qu'elles soient renouvelables ou non). Il est évident que les forces du marché à elles seules ne permettront pas nécessairement de mettre en place le type de chaîne d'approvisionnement en hydrogène qui correspond aux objectifs et aux intérêts nationaux du Royaume-Uni. Il pourrait bien y avoir une prime à payer pour la production locale et verte d'hydrogène en échange d'une plus grande sécurité énergétique et de références véritablement à faible teneur en carbone. Les prix des hydrocarbures étant actuellement très élevés, nous payons déjà cette prime, mais sans bénéficier des avantages de la sécurité d'approvisionnement.

S'engager

Le Premier ministre britannique a annoncé qu'il établirait une stratégie britannique de sécurité énergétique et il a également identifié l'hydrogène comme étant le carburant à faible teneur en carbone ayant "le plus grand potentiel de tous" (bien qu'il semble s'appuyer sur l'hydrogène "bleu"). Il s'agit peut-être d'une solution provisoire, mais nous devrions être ambitieux et viser à terme l'hydrogène "vert" pour créer un avenir propre et durable pour l'aviation.

Image de l'en-tête © FlyZero 2022