Première partie
–
état des lieux de l’aviation et de son impact environnemental

1. Une évolution rapide depuis un siècle

a. Les premiers balbutiements de la conquête de l’air

Les débuts de la conquête de l’air remontent à la fin du XVIIIe siècle, avec le développement des ballons à air chaud par les frères Joseph-Michel et Jacques-Étienne Montgolfier. En 1783, le premier vol habité en ballon a lieu à la Folie Titon. Cette première incursion dans le ciel est suivie de progrès dans le domaine des engins plus légers que l’air, notamment avec les dirigeables, qui utilisent des gaz légers tels que l’hydrogène pour s’élever. Bien que prometteurs pour le transport de passagers et de marchandises comme pour les applications militaires, les dirigeables voient leur développement freiné par leurs performances limitées, leur relative fragilité et les risques mis en évidence par des catastrophes telles que l’incendie du Hindenburg en 1937.

b. Les pionniers des engins « plus lourds que l’air »

La véritable genèse de l’aviation moderne commence avec les frères Orville et Wilbur Wright. Le 17 décembre 1903, à Kitty Hawk, en Caroline du Nord, ils effectuent le premier vol contrôlé et prolongé d’un aéronef motorisé plus lourd que l’air sur le Flyer, une machine volante qu’ils ont conçue et réalisée.

Quelques années plus tôt, en 1890, près de Paris, Clément Ader est probablement déjà parvenu à faire décoller sur quelques mètres un engin plus lourd que l’air motorisé : l’avion Éole, dont les ailes sont inspirées de celles des chauve-souris. Mais la conception de l’appareil, en particulier l’absence de gouverne de direction efficace, ne permettait pas un vol stable et contrôlé.

Après l’exploit des frères Wright, les vols et les progrès s’enchaînent aussi bien en France qu’aux États-Unis. Le 25 juillet 1909, Louis Blériot effectue la première traversée de la Manche à bord d’un avion monoplan léger de sa conception : le Blériot Type XI. Cet appareil, produit jusqu’en 1931, fut le premier avion utilisé à des fins militaires, le 23 octobre 1911, durant la guerre italo-turque, pour un vol de reconnaissance au-dessus de Tripoli.

c. L’impact de la Première guerre mondiale sur l’évolution de l’aviation

La Première guerre mondiale accélère le développement des technologies aéronautiques en initiant une compétition intense entre les belligérants, qui permet d’étendre les applications militaires de l’aviation de la reconnaissance à la chasse aérienne, en passant par l’appui rapproché au sol et le bombardement. Les fragiles aéronefs du début du conflit laissent la place à des machines beaucoup plus robustes et plus puissantes, dotées d’un fuselage métallique, capables d’atteindre des vitesses relativement élevées et d’effectuer des manœuvres complexes.

d. Les années 1920-1930, âge d’or de l’aviation

Après la guerre, ces avancées technologiques sont transposées dans le domaine civil et les pilotes démobilisés sont engagés par les premières compagnies aériennes. En 1927, le vol transatlantique en solitaire de Charles Lindbergh à bord du Spirit of Saint Louis accroît l’intérêt du public pour l’aviation. Au cours de cette période, le développement de moteurs plus efficaces et l’introduction des premiers avions de ligne modernes, tels que le Boeing 247 ou le Douglas DC-3, révolutionnent le transport aérien commercial en permettant des voyages plus sûrs, plus rapides et plus confortables. Ces progrès contribuent à la croissance des compagnies aériennes, en particulier aux États-Unis.

e. La Seconde guerre mondiale, une étape décisive

Durant la Seconde guerre mondiale, des technologies aussi révolutionnaires que les radars ou les turboréacteurs sont développées. Le passage de l’hélice au moteur à réaction permet des vols à haute altitude, à des vitesses proches de 800 kilomètres par heure [2]. Ces nouvelles conditions de vol imposent aux ingénieurs de revoir intégralement la conception des avions : forme, matériaux, manœuvre de décollage, pressurisation, etc.

f. L’essor de l’aviation commerciale moderne

Après la guerre, les industriels rentabilisent les efforts financiers et technologiques fournis durant le conflit [3]. Face à ces évolutions, la première conférence internationale de l’aviation civile se tient en 1944 à Chicago. Elle voit la création de l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) qui assure, encore aujourd’hui, la coordination du secteur aéronautique mondial. Cette conférence permet également de fixer les premières normes de sécurité aérienne, ouvrant la voie à une nouvelle accélération du développement de l’aéronautique.

En effet, les progrès techniques et le nouveau cadre réglementaire international permettent le développement à grande échelle du marché du transport commercial, en particulier de passagers. Les chocs pétroliers de la décennie 1970 incitent les compagnies aériennes à densifier les vols et les routes aériennes, afin de contenir les coûts et améliorer la rentabilité.

À la fin des années 1970, le trafic aérien croît à un rythme annuel moyen de 5 %, porté par une baisse constante des coûts par kilomètre et par passager. Cette évolution permet la démocratisation du voyage aérien, qui constitue la troisième révolution de l’aéronautique.

L’indicateur ASK ou « available seat kilometers » correspond à la capacité aérienne disponible
(produit du nombre de sièges disponibles et du nombre de kilomètres parcourus).
L’indicateur RPK ou « passenger seat kilometers » désigne le nombre de kilomètres réellement parcourus par les clients.

Évolution du trafic aérien depuis les années 1930 (unité en ordonnées : « T » = « tera » = 1012).

g. Une baisse drastique de la consommation unitaire de carburant compensée par une hausse plus rapide du trafic aérien

Pour résister à la concurrence et abaisser la consommation de carburant des appareils, les avionneurs innovent constamment. Ils proposent des modèles de plus en plus légers et performants, en modifiant la taille ou la forme des ailes, les matériaux ou encore en améliorant les performances du moteur.

Ainsi, depuis les premiers avions à réaction du début des années 1970, la consommation de carburant par kilomètre et par passager a baissé de 80 %. Avec la mise en service des avions de dernière génération (familles Airbus A320 neo, A330 neo, A350, Boeing B737 MAX et B787), elle est inférieure, par passager, à 3 litres aux 100 kilomètres.

Cependant, sur la même période, le trafic aérien a été multiplié par 13. Les émissions de CO2 du trafic aérien ont donc quasiment triplé depuis les années 1970.

Il est généralement admis que l’aviation commerciale (avions de ligne et avions cargo) représente à ce jour environ 2 % à 3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, soit l’équivalent de celles d’un pays comme l’Allemagne ou de la production industrielle mondiale d’un gaz tel que l’hydrogène.

Émissions mondiales de gaz à effet de serre par secteur en 2016
(Source : Hanna Ritchie d’après des données de Climate Watch, de World Ressources Institute)

2. L’état actuel du trafic aérien

a. Usage commercial, militaire et privé

Le transport commercial de passagers représente 71 % de la consommation de carburant de l’aviation. En 2019, en France, l’avion était utilisé pour 9 % de l’ensemble des voyages et 79 % des voyages de 900 kilomètres ou plus [4].

Le fret aérien consomme 17 % du carburant d’aviation au niveau mondial. Ce mode de transport présente de nombreux avantages : il permet d’éviter certaines frontières, de se rendre dans des endroits inaccessibles autrement ; il est rapide et sûr. Cependant, il reste très onéreux, si bien qu’il est réservé au transport de marchandises à haute valeur ajoutée (équipement électronique, œuvres d’art, produits de luxe, etc.). Il représente 35 % des échanges de marchandises en valeur mais seulement 1 % en volume.

L’aviation militaire contribue à 8 % de la consommation de kérosène mondiale. En France, les forces armées disposent d’une composante aérienne (armée de l’air), et des avions militaires sont également affectés à la force marine, dotée d’une aéronautique navale.

L’aviation d’affaires, qui consomme 4 % du carburant d’aviation, recouvre l’utilisation d’avions par des entreprises et des individus pour le transport privé, à des fins commerciales ou personnelles, en dehors des services aériens commerciaux réguliers. Sauf exception, ces avions comportent moins de vingt sièges. En 2021, environ 70 % des trajets en jets privés en Europe ont été effectués pour des motifs professionnels [5].

L’aviation d’affaires permet un accès direct à des destinations multiples et souvent moins accessibles, offrant ainsi un avantage significatif en termes de gain de temps, de flexibilité et d’efficacité pour les affaires. La France est le premier marché d’Europe en termes de mouvements de jets privés. Les États-Unis et l’Europe drainent 90 % de l’activité du marché mondial et exploitent 77 % de la flotte mondiale de jets privés.

Source :S. Gössling et A. Humpe, « The global scale, distribution and growth of aviation :
Implications for climate change », Global Environmental Change, novembre 2020

b. Trajets en avion : régional, court, moyen, long-courrier ; domestique ou international

Les compagnies aériennes proposent une gamme variée de services aériens, organisés selon des critères géographiques et de distance. Ces services se déclinent principalement en trois catégories : le transport domestique, caractérisé par des opérations aériennes au sein des frontières nationales, le transport régional, qui vise à connecter des passagers de petites et moyennes agglomérations à des hubs aéroportuaires majeurs dans un rayon de 100 à 400 kilomètres, et le transport international, qui établit des liaisons entre différents pays, voire continents.

La classification des vols en court, moyen et long-courrier est sujette à des variations, en l’absence de critères standardisés. En général, les vols court-courriers couvrent des distances n’excédant pas 500 kilomètres, les vols moyen-courriers s’étendent entre 500 et 5 000 kilomètres et les vols long-courriers excèdent cette distance. La définition précise de ces catégories peut varier selon les compagnies aériennes et les types d’appareils. Le record mondial du plus long vol commercial est détenu depuis le 15 mai 2020 par la compagnie aérienne française French Bee reliant Papeete à Paris sans escale sur 16 129 kilomètres en 16 heures et 45 minutes. La liaison directe envisagée entre Londres et Sydney, couvrant une distance de 18 000 kilomètres en environ 20 heures, illustre la capacité d’extension des opérations aériennes long-courrier.

Au niveau mondial, les vols commerciaux se répartissent entre un tiers de vols domestiques et deux tiers de vols internationaux. En France métropolitaine, les vols internationaux représentent le segment le plus dynamique : 74 % du trafic passager est international, mais seulement 38 % s’effectue en dehors de la zone Schengen.

Source : Union des Aéroports Français (UAF), 2022

Les aéroports de Paris (Paris-Charles de Gaulle et Paris-Orly) accueillent respectivement 57 millions et 29 millions de passagers par an. Ils représentent 53 % du trafic de passagers en France métropolitaine. 34 % de ce trafic s’effectue vers ou depuis des destinations situées en dehors de la zone Schengen.

Les grands aéroports régionaux reçoivent plus de 5 millions de passagers chaque année. Il s’agit des aéroports Bâle-Mulhouse, Bordeaux-Mérignac, Lyon-Saint-Exupéry, Marseille-Provence, Nantes-Atlantique, Nice-Côte d’Azur et Toulouse-Blagnac. D’autres aéroports régionaux accueillent annuellement entre 1 et 5 millions de passagers : Paris-Beauvais, Lille-Lesquin, Montpellier, Ajaccio-Napoléon Bonaparte et Bastia-Poretta. Enfin, des aéroports de proximité accueillent entre 100 000 et 1 million de passagers : Biarritz, Strasbourg, Brest, Rennes, etc.

Plus les aéroports sont petits, plus le trafic domestique est important. Il représente 54,6 % du trafic pour les aéroports de proximité, 51,6 % pour les aéroports régionaux et 35,1 % pour les grands aéroports régionaux. Les lignes domestiques françaises les plus utilisées sont : Paris-Toulouse (3,2 millions de passagers par an), Paris-Nice (idem), Paris-Marseille (1,6 million), Paris-Bordeaux (1,2 million).

c. Les différents types de voyageurs : des inégalités d’usage

Par rapport au transport ferroviaire ou routier, l’avion est un moyen de transport peu démocratisé : 40 % des Français n’ont jamais pris l’avion [6] (environ 80 % des personnes au niveau mondial), alors que 36 % le prennent au moins une fois par an [7]. En France, en 2017, le secteur aérien représentait seulement 0,1 % des trajets, 1 % du temps de transport et 16 % des kilomètres parcourus, en incluant les voyages à l’étranger [8].

Source : Pouvoir voler en 2050, The Shift Project, 2021

Part de la population prenant l’avion au moins une fois par an
en fonction du niveau de revenus [9]

	Population	Population qui vole au moins une fois dans l’année a		Nombre de passagers b
	(en millions)	(en millions)	(en % de la population)	(en millions)	(en % de la population)
Très faibles revenus	705	5	0,7 %	23	3%
Faibles revenus	3023	91	3 %	454	15%
Revenus élevés	2656	266	10 %	1313	49%
Revenus très élevés	1210	484	40 %	2442	202%
Ensemble	7594	845	11 %	4233	56%

(a) un individu qui prend 2 fois l’avion dans l’année compte pour 1

(b) un individu qui prend 2 fois l’avion dans l’année compte pour 2

Source : S. Gössling et A. Humpe, « The global scale, distribution and growth of aviation : Implications for climate change », Global Environmental Change, novembre 2020

d. Évolution du trafic de passagers et du fret

En 2019, 180 millions de passagers ont voyagé sur 1,57 million de vols domestiques et internationaux au départ de la France, ce qui représente une multiplication par cinq du nombre de passagers par rapport à 1980, principalement du fait de l’augmentation des vols internationaux.

Cette croissance est similaire au niveau mondial : le nombre de passagers a été multiplié par huit, passant de 310 millions à 4,5 milliards entre 1970 et 2019. L’évolution a été rapide : de 5 à 6 % par an entre 2012 et 2019, avec une croissance plus forte dans les pays émergents (Asie du Sud et du Sud-Est, Émirats Arabes Unis).

Concernant le fret, en 2019, 2,2 millions de tonnes de marchandises ont été transportées en 55 900 mouvements au départ de la France, et 57,6 millions de tonnes au niveau mondial. Le fret a connu un essor important depuis une cinquantaine d’années : le trafic de marchandises (la masse transportée multipliée par la distance parcourue, en tonnes.kilomètres) a été multiplié par 14 entre 1970 et 2019, passant de 15,5 millions de t.km à 221 millions de t.km.

Source : UAF 2022 (unité = tonnes.km ; « M » = « millions »)

La crise de la Covid-19 a conduit à une baisse de 60 % du trafic de passagers entre 2019 et 2020, entraînant des pertes économiques historiques pour les compagnies aériennes et les aéroports ainsi que, dans une moindre mesure, pour les constructeurs aéronautiques. Le niveau de trafic de 2019 n’a été à nouveau atteint que trois ans plus tard, en mai 2023. Ainsi, l’indicateur de redressement du trafic aérien en France atteint le taux de 99,6 % en référence à 2019 et le trafic international représente 101,6 % de celui de mai 2019. En 2022, la demande de fret aérien avait quasiment retrouvé son niveau de 2019, mais l’Association du transport aérien international (IATA) [10] tablait sur une baisse de volume de 5,6 % à l’échelle mondiale en 2023, principalement liée à la baisse des crédits des transporteurs.

D’après les projections du Groupe d’action du transport aérien (ATAG) [11], la croissance globale du trafic de passagers devrait se poursuivre à un rythme annuel moyen de 3,1 % sur la période 2021-2025. Elle devrait être plus forte en Asie-Pacifique et au Moyen Orient qu’en Europe et en Amérique du Nord.

Source : ATAG 2021

e. Le secteur aéronautique, atout majeur pour la France

À l’échelle mondiale, le transport aérien permet le développement des échanges économiques, le tourisme international et des liaisons entre territoires irréalisables autrement.

La France occupe une place particulière dans l’écosystème aérien. Positionnée comme première destination touristique mondiale, avec environ 90 millions de visiteurs par an, elle abrite l’aéroport Paris–Charles de Gaulle, premier aéroport français et neuvième aéroport mondial en termes de passagers (76 millions par an). Cet aéroport est le hub de deux sociétés internationales de transport de marchandises de premier plan : Fedex et DHL, ainsi que de la compagnie Air France. Dans le secteur de l’industrie, l’avionneur Airbus fournit 50 % des avions de ligne mondiaux et le motoriste Safran produit 70 % des moteurs d’avions court- et moyen-courriers.

En France, le transport aérien a joué un rôle prépondérant dans le désenclavement des territoires ultramarins, avec des vols entre l’Outre-mer et la métropole et des vols internes aux outre-mers comportant des communes insulaires. Dans un rapport du Sénat sur les Outre-Mer publié en 2009, le secteur aérien est qualifié d’essentiel pour le développement économique des territoires [12]. En 2019, un autre rapport du Sénat sur la contribution du transport aérien au désenclavement et à la cohésion des territoires considère l’avion comme un outil pertinent pour rejoindre Paris dès lors que le temps de trajet en train ou en voiture nécessite plus de quatre heures.

Par ailleurs, le secteur aérien représente une source d’emplois très importante ainsi qu’un levier de croissance pour l’économie nationale. Le chiffre d’affaires généré en 2018 par l’ensemble du secteur aérien en France s’élevait à 100 milliards d’euros, équivalent à 4,3 % du produit intérieur brut. En agrégeant emplois directs et indirects, ce secteur emploie 342 000 personnes [13]. Il représente 7 % de l’activité industrielle française [14] et se place au deuxième rang mondial, juste derrière les États-Unis et devant la Chine, avec un chiffre d’affaires de 58 milliards d’euros en 2018 [15].

Le transport aérien et les activités aéroportuaires comptaient 85 000 emplois directs en France en 2022 [16]. Les aéroports ont de nombreux impacts immédiats sur le développement des territoires, en termes d’emploi, de commande locale de biens et de services ou encore de fiscalité, par leurs activités propres (gestion, maintenance, sécurité, commerces, etc.) et les activités directement liées (maintenance aéronautique, chaînes logistiques, tourisme, etc.).

Enfin, transport aérien et développement économique s’influencent mutuellement de manière positive, le premier permettant le déplacement des salariés, des clients et des touristes et le second l’implantation des infrastructures. En outre, l’accroissement des capacités aéroportuaires rétroagit sur l’emploi : on estime qu’un million de passagers annuels ou cent mille tonnes de fret supplémentaires créent plus de trois mille emplois directs et indirects [17].

3. Une filière structurée par des acteurs à différentes échelles

a. Les acteurs institutionnels nationaux et internationaux

L’aviation possède une forte dimension internationale : les réglementations nationales doivent être homogènes pour éviter les distorsions de concurrence, par exemple pour les taxes sur les carburants. Les aéroports de départ et d’arrivée doivent également pouvoir répondre aux mêmes besoins pour un avion donné : type de carburant, aire de stationnement, etc.

i. L’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI)

L’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) est une institution spécialisée des Nations unies, créée en 1944 pour coordonner les activités diplomatiques des gouvernements dans le domaine du transport aérien international. Depuis sa création, les 193 États-membres ont adopté plus de 12 000 normes et bonnes pratiques qui guident l’harmonisation des réglementations nationales sur la sécurité, la sûreté, l’efficacité et la capacité de l’aviation, ainsi que sur la protection de l’environnement, et aident à établir un réseau de transport véritablement mondial.

L’OACI assure la promotion des progrès techniques et opérationnels pour atteindre les objectifs environnementaux qu’elle se fixe, notamment l’amélioration de l’efficacité énergétique, qui figure parmi ses objectifs depuis 2010. Elle encourage également l’innovation technologique, par exemple pour les propulsions alternatives, ainsi que les carburants d’aviation durables (CAD, en anglais Sustainable Aviation Fiouls ou SAF).

ii. L’Agence de l’Union européenne de la sécurité aérienne (EASA)

L’EASA (European Union Aviation Safety Agency), Agence de l’Union européenne de la sécurité aérienne, établie en 2002 et basée à Cologne, est une institution de l’Union européenne chargée de promouvoir les normes de sécurité et de protection de l’environnement dans le secteur de l’aviation civile.

Le mandat de l’EASA recouvre un large champ d’activités, incluant la certification des aéronefs et des équipements, la surveillance de la sécurité des compagnies aériennes, l’élaboration de normes techniques et la promotion de la recherche et du développement dans le domaine de la sécurité aérienne.

L’agence est également responsable de l’harmonisation des réglementations de sécurité aérienne au sein des États membres de l’Union européenne et travaille en étroite collaboration avec les autorités nationales de l’aviation civile. Elle collabore également avec les organisations internationales de l’aviation et des autorités de pays tiers.

iii. La Federal Aviation Administration (FAA)

Équivalent américain de l’EASA, la FAA est l’agence gouvernementale américaine responsable de la régulation de tous les aspects de l’aviation civile aux États-Unis. Fondée en 1958 sous le nom d’Agency for Federal Aviation avant d’être rebaptisée en 1967, la FAA fait partie du Département du Transport (United States Department of Transportation ou USDOT). Son siège se situe dans la capitale Washington.

Le mandat principal de la FAA est d’assurer la sécurité du système de transport aérien national, en réglementant l’aviation civile et en gérant le trafic aérien sur le territoire américain et dans les eaux internationales adjacentes. Elle encourage et facilite le développement d’un système de transport aérien sûr, efficace et durable, tout en protégeant l’environnement.

À ce titre, les responsabilités de la FAA englobent plusieurs domaines clés. En particulier, dans le cadre de la régulation de la sécurité aérienne, elle élabore des politiques, des règlements et des normes pour la construction, l’exploitation et l’entretien des aéronefs. Elle délivre également des certifications aux pilotes, aux techniciens de maintenance et aux compagnies aériennes.

De plus, pour assurer la gestion du trafic aérien, l’agence opère le National Airspace System (NAS), qui comprend la navigation aérienne, la gestion du trafic aérien et les infrastructures connexes, pour garantir des vols sûrs et ordonnés. Par ailleurs, la FAA travaille à réduire les impacts environnementaux de l’aviation, notamment en réglementant les émissions sonores et atmosphériques des aéronefs.

À l’occasion de leur déplacement à Washington, les rapporteurs ont pu prendre connaissance des initiatives engagées par la FAA pour décarboner l’aviation, conformément au U.S. Aviation Climate Action Plan en cours de mise à jour. Elles portent sur plusieurs axes : évolution technologique, carburants durables, optimisation opérationnelle, etc. L’objectif de ce plan sur 3 ans est l’atteinte de zéro émissions nettes de gaz à effet de serre en 2050.

Enfin, comme l’a souligné Pierre Farjounel, directeur général Europe d’Universal Hydrogen lors de son audition, la FAA porte une attention particulière à la facilitation de l’innovation, en particulier au travers de son Centre pour les concepts émergents et l’innovation (en anglais, Center for Emerging Concepts and Innovation ou CECI) qui permet aux entreprises innovantes d’engager un dialogue technique sans entrer dans un processus de certification formalisé.

iv. L’ASTM International

L’ASTM International, anciennement connue sous le nom d’American Society for Testing and Materials, est une organisation internationale de normalisation qui développe et publie des normes techniques pour une vaste gamme de matériaux, produits, systèmes et services. Fondée en 1898, l’ASTM joue un rôle essentiel dans la définition des standards de qualité, de sécurité, de performance et de conformité environnementale à travers le monde.

Dans le domaine de l’aviation, l’ASTM International élabore des normes qui couvrent différents aspects, allant de la conception et la fabrication des aéronefs jusqu’aux technologies et matériaux innovants utilisés dans l’industrie. Ces normes sont élaborées par des comités d’experts provenant de divers secteurs de l’aviation, y compris les fabricants d’aéronefs, les compagnies aériennes, les organismes de réglementation et les institutions de recherche.

En particulier, l’ASTM International établit des spécifications pour les carburants d’aviation, y compris les biocarburants, pour s’assurer qu’ils sont sûrs, performants et compatibles avec les moteurs d’aéronefs existants ou à venir.

v. Le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe (ACARE)

Le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe (ACARE, de l’anglais Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) est un organe consultatif européen qui vise à améliorer la compétitivité et la durabilité du secteur aéronautique au sein de l’Union européenne. Ce partenariat public-privé entre la direction générale des transports et de l’énergie de la Commission européenne et les représentants de l’industrie a été lancé lors du salon de Paris-Le Bourget de 2001. Il compte une quarantaine de membres.

À la suite de la publication de l’Agenda stratégique de recherche de l’ACARE en 2002, la Commission européenne a lancé plusieurs initiatives de recherche aéronautique dans le cadre de ses sixième et septième Programmes-cadres de recherche et de développement technologique (PCRD, en anglais Framework Programmes for Research and Technological Development) ainsi que du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020. Par exemple, l’entreprise commune SESAR, créée en 2007, pilote la définition et la mise en œuvre d’un nouveau plan directeur pour la gestion du trafic aérien en Europe et l’initiative technologique conjointe Clean Sky, initiée en 2008, coordonne et finance des projets de recherche destinés à atténuer l’impact environnemental de l’aviation en développant des technologies plus économes en carburant.

vi. La direction générale de l’Aviation civile (DGAC)

La direction générale de l’Aviation civile (DGAC) est l’administration chargée de réguler et de superviser les activités de l’aviation civile en France. Relevant du ministère de la Transition écologique et de la cohésion des territoires, la DGAC joue un rôle essentiel dans la gestion de la sûreté et de la sécurité du transport aérien, la navigation aérienne, la défense des positions françaises dans les instances internationales, la formation du personnel aéronautique, ainsi que dans la régulation du transport aérien et le développement durable du secteur aérien.

La DGAC est organisée en plusieurs directions et services qui reflètent ses diverses missions, dont la direction de la Sécurité de l’aviation civile, la direction des Services de la navigation aérienne et la direction du Transport aérien. Elle dispose également d’établissements publics tels que l’École nationale de l’aviation civile (ENAC), qui forme les professionnels du secteur.

vii. Le Groupement des industries françaises aéronautiques et spatiales (GIFAS)

Créé en 1908, le Groupement des industries françaises aéronautiques et spatiales (GIFAS) est une fédération professionnelle regroupant plus de 400 entreprises, des grands groupes jusqu’aux PME, des secteurs aéronautique et spatial, dans le domaine civil ou militaire.

Le GIFAS représente ses adhérents auprès des autorités françaises, européennes et internationales et défend leurs intérêts. De plus, il assure une coordination entre ses membres et les accompagne sur diverses thématiques : compétitivité économique, numérisation, stratégie d’innovation, etc.

Il dispose également d’un réseau international, avec cinq bureaux situés à Washington, Montréal, New Delhi et Dubaï, qui assurent une coordination régionale pour ses membres présents à l’étranger ou souhaitant s’y implanter.

Enfin, le GIFAS organise tous les deux ans, par l’intermédiaire de sa filiale SIAE, le Salon international de l’aéronautique et de l’espace de Paris-Le Bourget, qui est le salon professionnel le plus important au niveau mondial dans ce secteur.

viii. Le Conseil pour la recherche aéronautique civile (CORAC)

Le Conseil pour la recherche aéronautique civile (CORAC), créé en 2008, coordonne la recherche et l’innovation dans l’aéronautique civile française. Il réunit des acteurs clés du secteur, comme les avionneurs, les équipementiers, les compagnies aériennes, les aéroports, les centres de recherche et les ministères, sous l’égide de la DGAC et du GIFAS.

Le CORAC vise à harmoniser les efforts de recherche pour réduire l’impact environnemental de l’aviation, notamment en diminuant de manière significative la consommation de carburant et les émissions de CO2 des aéronefs.

Ainsi que l’a rappelé à l’occasion de son audition Yannick Assouad, directrice générale adjointe chargée des activités avioniques et membre du comité exécutif du groupe Thales, ainsi que présidente du comité de pilotage du CORAC, celui-ci gère le plan de relance de l’aéronautique, doté d’un budget de 2,5 milliards d’euros, et 1,2 milliard d’euros supplémentaires attribués pour le développement de l’avion régional monocouloir ultrasobre, ainsi que les crédits de recherche de la DGAC à hauteur de 135 millions d’euros par an.

ix. L’Office national d’études et de recherches aérospatiales (ONERA)

Créé en 1946, l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (ONERA) est un établissement public de recherche placé sous la tutelle du ministère des Armées dont la mission principale est de soutenir l’innovation et le développement dans le domaine de l’aéronautique, de l’espace et de la défense. À ce titre, il a contribué à de nombreux programmes aérospatiaux majeurs en France et en Europe : Concorde, Ariane, Airbus, Rafale, etc.

L’expertise de l’ONERA couvre un large spectre de disciplines : aérodynamique, propulsion, matériaux et structures, physique des hautes altitudes, systèmes embarqués, etc. Cette diversité de compétences lui permet de mener des recherches fondamentales et appliquées, allant des études théoriques aux essais en soufflerie en passant par le développement de technologies avancées et la simulation numérique. L’une des forces de l’ONERA réside dans son infrastructure de recherche, qui comprend des installations uniques en Europe, telles que des souffleries et des supercalculateurs.

L’ONERA collabore étroitement avec de nombreux acteurs du secteur aérospatial en France et à l’étranger : universités, centres de recherche, grandes entreprises, PME, etc. L’organisme joue également un rôle central dans la formation des chercheurs et des ingénieurs, par le biais de programmes doctoraux et de postdoctoraux.

b. Les acteurs du secteur privé

i. Les constructeurs

Le marché de la construction d’avions moyen-courriers et long-courriers est dominé par le français Airbus (gammes A220, A320, A321, A350) et l’américain Boeing (gammes 737, 767, 777 et 787). En 2023, ces deux entreprises ont reçu respectivement 2 094 et 1 314 commandes nettes. Elles ont respectivement livré la même année 735 et 528 appareils. Pour les court-courriers, le segment se répartit entre le canadien Bombardier et le brésilien Embraer, avec une montée en puissance du constructeur franco-italien ATR.

Les avionneurs font appel à un grand nombre de sous-traitants, fournisseurs d’équipements ou de pièces spécifiques, souvent des PME et ETI. Les travaux confiés en sous-traitance représentent entre 30 % et 80 % de la valeur de l’aéronef. Par exemple, Airbus a recours à 12 000 sous-traitants, dépendants de l’avionneur.

De nombreux sous-traitants travaillent pour plusieurs avionneurs et certains pour des entreprises d’autres secteurs de pointe. Lors de son audition, la DGAC a souligné la nécessité de soutenir l’ensemble de l’écosystème de la filière industrielle aéronautique, par un accompagnement financier à toutes les échelles : les avionneurs, les motoristes, mais également leurs sous-traitants, PME et ETI.

Les constructeurs aéronautiques mettent en œuvre de lourds programmes industriels qui s’étagent dans des intervalles de temps assez longs, environ tous les 50 ans. Par exemple, la conception de l’Airbus A320 remonte aux années 1990 et celle du Boeing 737 aux années 1960. Le programme de sortie d’un nouvel avion, qui présente toujours une part de risque industriel, est préparé très en amont. Ainsi, pour une nouvelle génération d’appareils qui doivent entrer en service vers 2035, l’avionneur doit avoir choisi ses fournisseurs dès 2027-2028, ce qui implique que les technologies nécessaires soient disponibles avant 2027.

L’industrie aéronautique est aussi marquée par un fort impératif de sécurité. Tous les composants techniques, de la carlingue au carburant, en passant par le moteur et les systèmes internes, doivent suivre un processus strict de certification par l’EASA et la FAA, nécessitant généralement plusieurs années.

ii. Les motoristes

Dans l’industrie aéronautique, les motoristes jouent un rôle majeur. Ces entreprises sont au cœur de l’innovation technologique, contribuant significativement à l’amélioration de la performance, de l’efficacité énergétique ainsi qu’à la réduction des émissions et du bruit.

Au niveau mondial, les principaux motoristes sont : General Electric Aviation, une branche de General Electric, avec les moteurs GE90, GEnx et GE9X ; Rolls-Royce plc, non lié à la célèbre marque automobile, avec les moteurs Trent 1000, Trent XWB et Trent 7000 ; Pratt & Whitney, une unité de Raytheon Technologies, avec la gamme PurePower Geared Turbofan ; Safran Aircraft Engines, membre du groupe Safran ; CFM International, une coentreprise créée par GE Aviation et Safran Aircraft Engines, avec les moteurs CFM56 et LEAP.

iii. Les compagnies aériennes

Le modèle économique des compagnies aériennes est très spécifique, avec de gros volumes mais de faible marges. Les coûts fixes : salaires, entretien des avions, loyers des avions, représentent 50 % de leurs coûts de fonctionnement. Dans ce secteur d’activité très soumis à la concurrence internationale, les marges bénéficiaires oscillent entre 1 % et 3 % du chiffre d’affaires. D’après l’Association du transport aérien international (IATA), en 2023, les compagnies aériennes ne gagnaient en moyenne que 2,25 dollars américains par passager. Leur rentabilité dépend donc principalement des coûts variables, en particulier du coût du carburant, et du taux de remplissage des avions.

D’après Doganis, 2010.
En fonction des fluctuations du prix du baril, la part du kérosène dans les coûts peut atteindre 30 %.

Les compagnies européennes sont moins rentables que leurs homologues américaines [18]. L’écart s’explique par un marché moins concentré. De plus, les compagnies aériennes historiques subissent de plein fouet la forte concurrence des compagnies à bas prix comme Easyjet, Ryan Air, Transavia ou Wizz Air, qui représentent aujourd’hui 40 % du marché européen. Du fait de cette concurrence, les activités court- et moyen-courrier d’Air France et de Lufthansa sont déficitaires depuis plusieurs années [19].

iv. L’Association du transport aérien international (IATA)

Fondée en 1945, l’Association du transport aérien international (IATA, de l’anglais International Air Transport Association), est l’organisation professionnelle mondiale des compagnies aériennes. Elle représente quelque 300 compagnies aériennes qui générent 83 % du trafic aérien mondial [20]. Basée à Montréal, avec un centre exécutif principal à Genève, l’IATA vise à faciliter la coopération entre les compagnies aériennes.

Dans ce cadre, l’IATA représente les intérêts des compagnies aériennes auprès des régulateurs, des autorités gouvernementales et des fournisseurs de services. Elle élabore également des normes internationales pour les procédures et services de l’aviation, telles que la billetterie électronique, le transport de marchandises dangereuses et les procédures de sécurité. De plus, elle propose des programmes de formation pour améliorer les compétences professionnelles dans divers domaines de l’aviation.

v. Le Groupe d’action du transport aérien (ATAG)

Le Groupe d’action du transport aérien (ATAG, de l’anglais Air Transport Action Group) est un groupe d’experts issus de tous les secteurs de l’industrie aéronautique : compagnies aériennes, gestionnaires d’aéroports, constructeurs, organisations de navigation aérienne, etc.

L’ATAG a été fondée en 1990 dans le but de promouvoir le transport aérien durable et, à ce titre, joue un rôle de premier plan dans la coordination des efforts de l’industrie pour réduire son empreinte environnementale et améliorer son efficacité énergétique.

II. L’impact carbone du secteur aérien

1. Le fonctionnement des avions

a. Aérodynamique d’un avion

Un avion à l’équilibre est soumis à quatre forces : son poids, la poussée des moteurs et la résultante des efforts aérodynamiques, que l’on décompose en une force verticale opposée au poids, la portance, et une force horizontale opposée à la poussée des moteurs, la traînée.

Représentation schématique des 4 forces principales sur un avion. Source : Référentiel Supaéro

L’enjeu principal de la conception d’un avion consiste à maximiser la portance pour pouvoir transporter une plus grande masse, et minimiser la traînée pour réduire la consommation de carburant.

Les avionneurs ont l’habitude de décomposer la traînée en deux postes prédominants : la traînée de frottement, due au frottement de l’air sur les surfaces de l’avion, et la traînée induite, générée par la portance locale qui n’est pas strictement verticale en bout d’aile.

La traînée induite est liée au mouvement vertical descendant induit par le contournement de l’air en bout d’aile. La force de portance locale Leff n’est pas perpendiculaire à la direction de la vitesse de vol et sa projection selon cette direction donne une contribution appelée traînée induite Di. Source : Référentiel Supaéro

b. Propulsion de l’avion

Les avions commerciaux fonctionnent avec deux types de moteurs : les turbopropulseurs et les turboréacteurs.

Turboréacteur (à gauche) et turbopropulseur (à droite) Source : Référentiel Supaéro

Les turbopropulseurs combinent les éléments d’une turbine à gaz avec une hélice. L’air entrant est comprimé par un compresseur et mélangé à du carburant dans une chambre de combustion, où le mélange est ensuite enflammé. Les gaz chauds produits passent à travers une turbine, la faisant tourner ainsi que le compresseur et l’hélice connectés à la turbine via un arbre. L’hélice, en tournant, crée l’essentiel de la poussée nécessaire pour propulser l’avion.

Les turbopropulseurs sont bien adaptés à des vitesses basses et à des vols de courte à moyenne distance, en raison d’une meilleure performance dans la conversion du carburant en poussée, surtout à des altitudes basses. Par ailleurs, leurs coûts d’exploitation sont relativement bas, ce qui les rend attrayants pour les opérations aériennes régionales et de fret.

Les turbopropulseurs ne permettent pas d’atteindre des vitesses très élevées. En effet, la vitesse d’écoulement en bout de pale des hélices ne doit pas dépasser la vitesse du son car cela altèrerait l’aérodynamique de l’hélice donc sa performance. Néanmoins, l’avion de ligne doté de turbopropulseurs le plus rapide à ce jour, le Tupolev Tu-114, pouvait atteindre une vitesse de pointe de 870 km/h (Mach 0,88), proche de celle des avions de ligne modernes. Enfin, l’hélice génère beaucoup de bruit, ce qui peut être gênant pour le confort des passagers.

Les turbopropulseurs ont une puissance réduite : les plus puissants délivrent au maximum 10 mégawatts. De ce fait, ils sont en général utilisés sur des avions de ligne de taille limitée, par exemple l’ATR-72.

Les turboréacteurs aspirent l’air à l’avant du moteur, où il est comprimé par un ou plusieurs compresseurs. L’air comprimé entre dans la chambre de combustion, où il est mélangé avec du carburant et enflammé. Les gaz chauds ainsi produits passent à travers la turbine, la faisant tourner ainsi que le compresseur. Les gaz s’échappent ensuite à grande vitesse à travers la tuyère à l’arrière du moteur, créant la poussée qui propulse l’avion vers l’avant.

Les moteurs des avions de ligne actuels utilisent des turboréacteurs double flux : un flux secondaire s’ajoute au flux primaire et passe dans la tuyère d’éjection en contournant la chambre de combustion, générant une poussée additionnelle à celle du flux primaire. Le taux de dilution désigne le rapport des débits de masse entre le flux secondaire et le flux primaire.

Les turboréacteurs permettent d’atteindre des vitesses élevées, ce qui les rend optimaux pour les vols long-courriers et les avions de chasse. Ils sont efficaces à haute altitude, où l’air est moins dense, ce qui permet de voler indépendamment des conditions météorologiques et de réduire la traînée.

Les turboréacteurs sont moins efficaces à basse vitesse et à basse altitude, ce qui se traduit par une consommation de carburant plus élevée dans ces conditions de vol. En outre, les coûts de maintenance et d’exploitation peuvent être plus élevés que pour les turbopropulseurs, en particulier pour les opérations de courte distance.

Le rendement thermopropulsif ou global mesure la performance des moteurs : il désigne le rapport entre l’énergie utile de propulsion de l’aéronef et l’énergie fournie lors de la combustion du kérosène. Le rendement global des turboréacteurs double flux est de 25 %. Les turbopropulseurs ont un meilleur rendement, mais une vitesse et une altitude limitées.

c. Systèmes de l’avion

En plus de propulser l’avion, les moteurs alimentent ses différents systèmes de sécurité, de navigation et de communication. Entre 5 et 10 % de la consommation totale de carburant y sont consacrés. Suivant les applications, cette énergie est transformée en puissance électrique, pour les commandes de vol et les systèmes de cabine, puissance hydraulique, pour les commandes de vol et les atterrisseurs, ainsi que puissance pneumatique, pour la protection contre le givre et le conditionnement d’air.

Le carburant alimente également le groupe auxiliaire de puissance (en anglais Auxiliary Power Unit ou APU). Il s’agit en général d’un turbomoteur à démarrage électrique, d’une puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kilowatts, qui consomme du kérosène pour alimenter les systèmes de bord : conditionnement d’air, tension électrique, pression hydraulique, etc., quand les moteurs sont à l’arrêt, ce qui permet d’économiser le carburant.

L’APU permet de faire démarrer les moteurs. En effet, si en régime de croisière ils s’autoalimentent car la turbine à gaz permet de faire fonctionner les compresseurs, il faut de l’énergie pour les démarrer et initier ce cycle. Hormis certains avions d’affaires, presque tous les avions disposent d’un groupe auxiliaire de puissance.

Les différentes phases d’un vol commercial (source : Le monde de l’aviation civile, ENAC)

2. Les émissions d’un avion

a. Combustion du kérosène

Les moteurs d’avion à turbine utilisent des carburants à base de kérosène. Celui-ci a une densité assez élevée, même à température ambiante, et un fort pouvoir calorifique, de l’ordre de 43 mégajoules par kilogramme, rendant son utilisation très intéressante à bord des aéronefs.

En aviation civile, le carburant à base de kérosène le plus répandu est le Jet A1, conforme à la norme internationale des carburants d’aviation Aviation Fuel Quality Requirements for Jointly Operated Systems ou AFQRJOS. Il est composé en majorité d’hydrocarbures saturés, constitués de chaînes d’atomes de carbone et d’hydrogène liés par des liaisons simples, et contient au maximum 25 % d’hydrocarbures insaturés aromatiques, constitués de molécules cycliques présentant des liaisons doubles, particulièrement stables. Il inclut aussi certains composés qui placent sa température de gel à -47°C, appropriée pour l’aviation, car à 11 000 mètres d’altitude la température est proche de -56,5°C.

La formule moyenne du kérosène est C10H22 (la chaîne carbonée pouvant inclure de 9 à 13 atomes de carbone). Dans un turboréacteur d’avion, la combustion du kérosène a lieu par la réaction qui suit :

Cette réaction produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau, pour respectivement 72 % et 27,6 % de la composition des produits de combustion. Comme la réaction est imparfaite et qu’elle a lieu dans l’air, d’autres composés sont produits en bien plus faibles quantités : des oxydes d’azote (NOx) à hauteur de 0,3 %, du monoxyde de carbone (CO) à hauteur de 0,04 %, des oxydes de soufre (SOx) à hauteur de 0,02 %, des hydrocarbures imbrûlés à hauteur de 0,01 %, des particules de suie à hauteur de 0,0004 %, et du protoxyde d’azote (N2O) dans une proportion inférieure.

Les oxydes d’azote sont formés par oxydation de l’azote de l’air aux fortes valeurs de température et de pression en sortie de chambre de combustion survenant lors des phases de décollage et de montée.

Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés résultent de la combustion incomplète du kérosène lors de certaines phases de vol effectuées à puissance réduite.

Les oxydes de soufre proviennent de l’oxydation du soufre contenu dans le kérosène lors de la combustion.

Les suies sont les résidus solides des gaz d’échappement, formés par la condensation des composés aromatiques non brûlés lors de la combustion : leur production augmente lors des phases à haut régime, le décollage et la montée, et dépend aussi de la teneur du carburant en composés aromatiques.

Le protoxyde d’azote est produit lors de la combustion à basse température, c’est-à-dire à haute altitude.

b. Émissions de gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre réchauffée par le rayonnement solaire. Certains sont présents naturellement dans l’atmosphère (vapeur d’eau, CO2, etc.). Ils rendent possible la vie sur Terre en maintenant la température à 15° C en moyenne. Mais l’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère, due aux activités humaines, déséquilibrant le bilan énergétique du système climatique, est le facteur principal du réchauffement climatique. Le CO2, le méthane et le protoxyde d’azote émis lors de la combustion du kérosène sont tous des gaz à effet de serre.

Le kérosène conventionnel génère en fait des gaz à effets de serre tout au long de son cycle de vie : extraction, transport, raffinage, puis combustion. Il est donc important de ne pas considérer seulement les émissions générées par le vol, mais celles associées au cycle de vie du kérosène. L’intérêt de certaines solutions présentées par la suite, par exemple les biocarburants, réside dans le fait que le CO2 émis lors de la combustion a été capté en amont, dans l’air ou par photosynthèse.

De même, pour les avions électriques, qui n’émettent pas de CO2 en vol, l’impact carbone de l’électricité doit être pris en compte dans la mesure des émissions de gaz à effet de serre. L’analyse en cycle de vie permet d’évaluer de la manière la plus exhaustive possible l’impact environnemental d’un avion.

Source : ADEME « Détail des émissions de CO2eq par kg de kérosène consommé »

Le kérosène émet 3,75 kilogrammes de CO2 par kilogramme consommé, dont 16 % pour sa production et sa distribution et 84 % pour sa combustion. Les autres gaz à effet de serre émis, méthane et protoxyde d’azote, ont un pouvoir réchauffant (PRG) supérieur à celui du CO2 : 28 fois plus élevé pour le méthane et 273 fois plus élevé pour le protoxyde d’azote. Même s’ils sont émis en bien plus faible quantité, le bilan du kérosène est rehaussé à 3,825 kilogrammes de CO2eq par kilogramme consommé lorsqu’ils sont pris en compte.

90 % des émissions liées aux vols commerciaux ont lieu pendant la phase de croisière et 9 % pendant les phases d’atterrissage et de décollage (en anglais, Landing and Take-off cycle ou LTO). Enfin, 1 % des émissions est dû à l’utilisation des groupes auxiliaires de puissance.

Comparaison des émissions par passager.kilomètre selon le mode de transport.
Source : Autorité de régulation des transports, d’après la base carbone de l’ADEME.

c. Effets non-CO2

D’autres produits issus de la combustion, sans avoir pour impact direct un renforcement de l’effet de serre, ont néanmoins des effets notables, à plus ou moins long terme, sur le climat. Pour décrire leur effet, on utilise la notion de forçage radiatif, qui correspond à la différence entre le flux radiatif reçu et le flux radiatif émis par le système climatique terrestre [21].

Le CO2 et les autres gaz à effet de serre augmentent le forçage radiatif, ce qui induit un réchauffement de l’atmosphère.

On distingue en pratique cinq effets non-CO2 : la formation de cirrus induits par les traînées de condensation, l’effet des NOx et de la vapeur d’eau sur les concentrations de gaz à effet de serre, les interactions aérosol-radiation et les interactions aérosol-nuage. Ils agissent sur le forçage radiatif de manière positive ou négative. Cependant, au total, l’effet réchauffant est supérieur à l’effet refroidissant.

Source : projet Climaviation

La formation des cirrus induits par les traînées de condensation

Les traînées de condensation sont des nuages fins et linéaires de particules de glace visibles derrière les aéronefs en vol, qui se forment par condensation de la vapeur d’eau issue de la combustion du carburant. Dans le cas des carburants à base de kérosène, cette condensation est fortement favorisée par la présence d’aérosols de combustion comme la suie, mais aussi de soufre et d’hydrocarbures imbrûlés. Si l’air est sec, les traînées se dissipent vite et leur effet est négligeable. Principalement en haute altitude (les avions passent 10 à 15 % du temps de leur régime de croisière dans de telles régions), si l’air est sursaturé d’humidité par rapport à la glace, les particules de glace de la traînée grossissent par déposition des molécules de vapeur d’eau ambiante et la traînée peut subsister, voire se développer en cirrus induits persistants, qui ont des effets complexes sur le forçage radiatif.

Les interactions aérosol-nuage sont les processus par lesquels les aérosols entraînent la formation des nuages, notamment lors des traînées de condensation. Les cristaux de glace qui constituent les cirrus se forment alors autour de ces aérosols. Dans une atmosphère avec une forte concentration en aérosols, les nuages se forment sur une plus grande quantité d’aérosols, formant des cristaux plus petits, ce qui retient plus les infrarouges la nuit, augmentant le forçage radiatif. On a cependant une estimation très incertaine des effets quantitatifs de ces interactions sur le forçage radiatif.

L’effet des NOx et de la vapeur d’eau sur les concentrations de gaz à effet de serre

Les NOx (NO, NO2) ont un effet à la fois positif et négatif sur le forçage radiatif, dû à une interaction complexe avec les autres gaz à effet de serre. Dans les basses couches de l’atmosphère, ce sont des polluants qui nuisent à la qualité de l’air. En haute atmosphère, ils agissent sur la chimie environnante, dans une interaction complexe avec l’ozone (O3) et le méthane (CH4).

À court terme, les NOx réagissent avec l’oxygène de l’air pour créer de l’ozone (O3), ce qui augmente le forçage radiatif, l’ozone étant un gaz à effet de serre. De manière concomitante, les NOx réduisent la durée de vie et l’abondance du méthane (CH4), ce qui réduit le forçage radiatif induit par le méthane. À long terme, cette réduction du méthane diminue la quantité d’ozone et de vapeur d’eau stratosphériques, ce qui induit un forçage radiatif négatif.

Néanmoins, la contribution des NOx à l’effet de serre constitue un terme de forçage positif, et donc une élévation de la température atmosphérique. Les NOx ont cependant un impact bien inférieur à celui du CO2.

Les interactions aérosol-radiation et aérosol-nuage

Les interactions aérosol-radiation sont dues aux particules fines émises lors de la combustion, notamment de la suie (aérosol) et des SOx (précurseurs d’aérosol, formant des aérosols de sulfate SO42- par oxydation dans l’atmosphère ambiante). Les deux types d’aérosols créent du forçage radiatif à partir des interactions aérosol-rayonnement : la suie absorbe le rayonnement à ondes courtes, ce qui entraîne un réchauffement net, et l’aérosol de sulfate diffuse le rayonnement à ondes courtes entrant, ce qui entraîne un refroidissement net.

De nombreuses incertitudes subsistent sur l’impact des différents effets non-CO2. C’est pourquoi des recherches supplémentaires demeurent nécessaires pour les quantifier.

d. Comparaison entre effets CO2 et effets non-CO2

Une différence notable entre les effets CO2 et non-CO2 concerne leurs échelles de temps. Alors que le CO2 demeure pendant des siècles dans l’atmosphère, les cirrus induits par les traînées de condensation subsistent quelques jours dans le pire des cas et les aérosols au plus un an. Ainsi, l’impact des effets CO2 est cumulatif et sur le long terme, alors que l’impact des effets non-CO2 dépend de la variation des émissions annuelles.

Source : Référentiel Supaéro

La variation des effets non-CO2 dépend fortement de la variation du trafic, comme le fait apparaître, sur le graphique précédent, la forte corrélation entre le trafic aérien et le forçage radiatif efficace ou RFE (en anglais, Effective Radiative Forcing ou ERF) lié à l’aviation, en sachant que le forçage radiatif efficace lié au CO2 reste stable dans le temps.

3. État des lieux des émissions actuelles

a. Émissions du secteur aérien en France et dans le monde

En France, les vols aériens domestiques émettent annuellement 5,4 Mt de CO2, soit 4 % des émissions du secteur des transports et 1,2 % des émissions totales du pays (en 2021, le secteur des transports générait 39 % des émissions de CO2eq nationales, 94 % étant issues du transport routier [22]). En prenant en compte les soutes internationales, les vols au départ de la France émettent annuellement 24,3 Mt de CO2, ce qui représente 14,9 % des émissions du secteur des transports et 5,3 % des émissions françaises de gaz à effet de serre.

Emissions de CO2 – périmètre France. Source Citepa et DGAC

Au niveau mondial, le secteur aérien a émis environ une gigatonne de CO2 en 2019, ce qui représente 11 % des émissions dues aux transports et 2 à 3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

D’après le CITEPA, en 2020, avec la baisse du trafic résultant de la crise de la Covid-19, les émissions du trafic aérien international ont baissé de 57% par rapport à 2019. Le trafic ayant repris sa croissance, les émissions ont augmenté en 2023 de 16 % par rapport à 2022, mais restent 15 % plus basses qu’en 2019 [23].

L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre dues au secteur aérien a été notable au cours des 30 dernières années. En France, ces émissions ont augmenté de 85 % entre 1990 et 2019, du fait des vols internationaux (+105 %) plutôt que des vols domestiques (+37 %). Compte tenu de la baisse des émissions de gaz à effet de serre sur la même période, la part de l’aérien dans les émissions françaises a été plus que doublée, passant de 2,4 % en 1990 à 5,3 % en 2019.

b. Quelles évolutions prévisibles ?

L’OACI estime que si aucune nouvelle mesure n’est prise, les émissions du transport aérien mondial en 2050 pourraient tripler par rapport au niveau de 2010, en lien avec une forte croissance du trafic mondial [24].

En 2019, l’EASA prévoyait, en l’absence de progrès technologique, une augmentation de 37 % des émissions de CO2 du secteur aérien européen entre 2017 et 2040, dans l’hypothèse d’une poursuite de la croissance tendancielle du trafic aérien constatée avant la crise Covid [25].

En avril 2024, l’Agence internationale de l’énergie (IEA) observe dans son rapport mensuel [26] que, malgré une activité aérienne « à peu près équivalente », la demande de carburant pour le transport aérien « a diminué de plus de 6 % au second semestre 2023 par rapport à la même période en 2019 », estimant que « cette tendance devrait se poursuivre avec l’arrivée (…) d’un plus grand nombre de nouveaux avions » plus sobres en kérosène, ce qui contribuera à limiter l’effet de la progression de la demande de transport aérien sur les émissions de CO2 à moyen terme.

D’après l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME), sans action complémentaire à celles déjà prises aujourd’hui, les émissions de CO2 liées aux vols au départ de la France pourraient augmenter de 26 % entre 2019 et 2050. Compte tenu de la baisse globale des émissions françaises, leur part dans celles-ci pourrait être multipliée par 4, atteignant 23 %.

c. Quels trajets et quels voyageurs émettent le plus ?

Les trajets les plus longs sont les moins nombreux, mais les plus émetteurs de gaz à effet de serre. Au niveau mondial, les émissions proviennent à 80 % des vols de plus de 1 500 kilomètres, pour lesquels n’existe aucune alternative. 46 % des émissions sont dues aux vols long-courriers de plus de 4 000 kilomètres, alors qu’ils ne représentent que 6 % des vols.

De même, les émissions des vols au départ de la France proviennent à 80 % des vols internationaux moyen- et long-courriers (voir figure ci-dessous).

Source : The Shift Project 2021.

Les vols de grande capacité sont les plus émetteurs. Au niveau européen, les avions monocouloirs effectuent la plus grande part des vols (65 %), mais les avions bi-couloirs sont ceux qui émettaient le plus de CO2 en 2019 (48 % des émissions totales).

Le segment des jets privés est celui qui émet le plus de gaz à effet de serre par passager. En effet, par passager, un jet privé émet 5 à 14 fois plus qu’un vol commercial [27]. Cette différence s’explique principalement par le nombre de passagers transportés par trajet : en moyenne 4,7 passagers par vol pour un jet privé, contre plusieurs centaines pour les vols commerciaux. Ce segment connaît également une croissance plus forte que les autres, qui se traduit par une augmentation plus rapide de ses émissions. Entre 2005 et 2019, les émissions de CO2 des jets privés européens ont augmenté de 31 %, contre 25 % pour l’aviation commerciale européenne.

Répartition des vols, émissions et NOx en fonction de la distance parcourue et du type d’aéronef en Europe. Source : EASA

Enfin, le coût carbone du secteur aérien est réparti inégalement dans la population. On estime que 1 % seulement de la population mondiale est responsable de 50 % des émissions de gaz à effet de serre du secteur aéronautique [28].

d. État des connaissances sur les effets non-CO2

L’estimation la plus récente du forçage du CO2 et des effets non-CO2 et de leurs incertitudes a été réalisé dans un article de Lee et al. (2021)[29] consistant en une compilation et une analyse statistique des modélisations climatiques publiées dans la littérature scientifique, démarche similaire à celle mise en œuvre par le GIEC.

Même si beaucoup d’incertitudes subsistent quant à l’impact des effets non‑CO2, les auteurs estiment que l’aviation, avec ses effets CO2 et non-CO2, représentait en 2011 3,5 % du forçage radiatif induit au niveau mondial. Le CO2 n’en serait que la plus faible part, deux tiers provenant des effets non-CO2, en majorité des traînées de condensation.

Comme indiqué précédemment, les cirrus induits par les traînées de condensation se forment dans des régions sursaturées en glace. Ainsi, seuls certains vols génèrent des traînées de condensation durables. Une étude réalisée dans l’espace aérien du Japon a montré que 17,8 % des vols génèrent des traînées de condensation et que 2,2 % des vols génèrent 80 % de ces traînées. Cette étude demande des justifications supplémentaires mais suggère d’ores et déjà qu’une minorité de vols génère la majorité du forçage radiatif dû à l’aviation, ce qui était déjà le cas pour les seuls effets CO2.

Deuxième partie
–
Cadre légal et engagements internationaux

I. L’équation de Kaya

En 1990, le chercheur japonais Yoichi Kaya a proposé une approche permettant de décomposer les émissions de CO2 d’un pays en différents facteurs. Elle a par la suite été adaptée au secteur des transports, afin de mettre en évidence des leviers d’action permettant de le décarboner. Pour l’aviation, la formule proposée est la suivante :

CO2 = (CO2 / énergie) × (énergie / trafic) × trafic

Cette présentation de la quantité de CO2 émise permet d’identifier trois leviers de décarbonation : l’intensité carbone de l’énergie utilisée, l’intensité énergétique du transport et le trafic en nombre de passagers.

Émissions = intensité carbone énergie × intensité énergétique × trafic

L’intensité carbone de l’énergie, mesurée en tonnes de CO2 par joule (tCO2/J), désigne la quantité de CO2 émise par unité d’énergie utilisée. Elle peut être réduite par l’utilisation de vecteurs énergétiques autres que le kérosène, tels que l’électricité, l’hydrogène, les biocarburants, etc.

L’intensité énergétique, exprimée en joules par passager et par kilomètre (J/pass.km) désigne l’énergie utilisée pour transporter un passager sur un kilomètre. Les mesures de réduction de l’intensité énergétique (autrement dit d’amélioration de l’efficacité énergétique) incluent la réduction de la consommation via des améliorations du moteur et de la structure de l’avion, ainsi que des mesures d’économie d’énergie en vol et au sol.

Le trafic, en passager.kilomètre (pass.km) ou passager.kilomètre payant (PKP, en anglais revenue passenger kilometer ou RPK [30]), correspond au nombre total de passagers multiplié par la distance parcourue. La question de la réduction du trafic ne sera pas examinée dans le présent rapport, puisqu’elle relève de la politique publique de sobriété.

Evolution des termes de l’équation de Kaya entre 1973 et 2018.
Source : référentiel Supaéro, à partir de données de l’AIE et l’OACI.

Le graphique ci-dessus montre que les émissions de CO2 du secteur ont augmenté de 176 % depuis 50 ans, en raison d’un accroissement de 1 236 % du trafic, alors que l’intensité énergétique a baissé dans le même temps de 79 %. L’intensité carbone est restée stable, illustrant l’utilisation continue du kérosène depuis 50 ans.

II. Les feuilles de route de l’OACI et de l’ATAG

Les émissions de CO2 du secteur de l’aviation internationale ont vocation à être traitées dans le cadre de l’Organisation de l’aviation civile internationale, qui a pour fonction la régulation mondiale de l’activité de transport aérien ; mais l’ATAG y joue aussi un rôle de premier plan, souvent précurseur.

1. À partir de 2008, l’affirmation d’un objectif majeur : une croissance du trafic neutre en carbone à compter de 2020

a. Les objectifs de l’ATAG (2008)

En 2008, le secteur de l’aviation est devenu l’une des premières industries à élaborer un plan d’action climatique au niveau mondial. Le Groupe d’action du transport aérien (ATAG) a adopté une série d’objectifs pour réduire les émissions de CO2, notamment un plafonnement des émissions nettes de CO2 de l’aviation à partir de 2020, une amélioration moyenne de l’efficacité énergétique de 1,5 % par an de 2009 à 2020 et une réduction des émissions nettes de CO2 de l’aviation de 50 % d’ici à 2050, par rapport aux niveaux de 2005.

b. Des objectifs endossés par l’OACI (37e session, 2010)

En 2010, l’OACI a repris les deux premiers objectifs de l’ATAG. Il s’agit, d’une part, d’un objectif indicatif de stabilisation mondiale des émissions nettes du secteur au niveau de 2020. Depuis, cet objectif indicatif a simplement été réaffirmé en 2013, 2016 et 2019. D’autre part, un objectif indicatif de réduction moyenne annuelle mondiale de la consommation de carburant de 2 % entre 2021 et 2050 a également été retenu.

c. Comment parvenir à une croissance « carbo-neutre » du trafic ? Les premières approches de l’OACI (38e session, 2013)

En 2013, l’OACI a publié une estimation de la façon dont différents leviers – gestion du trafic et infrastructure, technologie des aéronefs ainsi que carburants alternatifs durables et mesures basées sur le marché – devraient contribuer à la réalisation d’une croissance « carbo-neutre » du trafic après 2020.

Tendances en matière d’émissions nettes de CO2 de l’aviation internationale, OACI [31]

d. L’adoption par l’OACI du dispositif CORSIA (39e session, 2016)

Lors de sa 39e session, l’OACI a adopté un système mondial de compensation et de réduction des émissions de CO2 pour l’aviation mondiale, en anglais Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA).

Le fonctionnement du CORSIA repose sur l’obligation pour les compagnies aériennes de compenser toute émission excédentaire par rapport au niveau de 2020 en acquérant des crédits carbone, ce qui permet d’atteindre l’objectif de croissance neutre en carbone à compter de 2020. Toutefois, en raison des perturbations causées par la pandémie de covid-19, les émissions de 2019 ont été adoptées comme référence.

Mis en œuvre à partir de 2021, le programme fonctionne sur la base du volontariat jusqu’à fin 2026. À mi-2021, 104 États représentant plus de 80 % de l’activité aérienne internationale se sont portés volontaires pour participer au programme.

Le système CORSIA fait l’objet de critiques sur son efficacité. Les deux principales concernent son périmètre limité aux vols internationaux, qui représentent plus de 60 % des émissions du trafic aérien mondial, et le fait qu’il ne s’applique qu’à la fraction des émissions dépassant le niveau de 2019.

2. À partir de 2019, l’exploration d’un objectif « net zéro » des émissions en 2050

a. L’OACI vers un « objectif ambitieux à long terme » (40e session, 2019)

Lors de la quarantième session de l’Assemblée de l’OACI qui s’est tenue fin 2019, les États membres de l’organisation ont demandé au Conseil d’explorer la faisabilité d’un « objectif ambitieux à long terme » ou Long Term Aspirational Goal (LTAG) pour l’aviation civile internationale, visant un niveau zéro d’émissions nettes en 2050.

b. Le scénario Waypoint 2050 de l’ATAG (2021)

Une première étude de périmètre mondial, Aviation : Benefits Beyond Borders [32], a été publiée en septembre 2020 sous l’égide de l’ATAG, afin de comparer différents scénarios de décarbonation de l’aérien visant à limiter les émissions en 2050 à 50 % de leur niveau de 2005.

Une seconde étude intitulée Waypoint 2050 [33], publiée en septembre 2021, présente une analyse approfondie des moyens par lesquels le secteur aéronautique pourrait atteindre d’ici 2050 des émissions nettes de CO2 égales à zéro.

Le rapport décrit trois scénarios consolidés, chacun basé sur divers sous-scénarios prenant en compte les prévisions de croissance du trafic, les développements technologiques, les améliorations opérationnelles et d’infrastructure, l’utilisation des carburants d’aviation durables et le rôle des mécanismes de compensations de CO2.

Le premier scénario, intitulé « Priorisation de la technologie et des opérations » (en anglais, Pushing Technologies and Operations), met l’accent sur l’innovation technologique, avec le développement de cellules non conventionnelles et, entre 2025 et 2040, une transition de la flotte court-courrier vers des avions de moins de 100 places hybrides ou entièrement électriques. Ce scénario prévoit également des investissements lourds Enfin, 90 % de l’approvisionnement en carburant serait assuré par des carburants d’aviation durables, à hauteur de 380 millions de tonnes.

Scénario 1 : Priorisation de la technologie et des opérations

Le deuxième scénario, « Déploiement agressif du carburant durable » (en anglais, Aggressive Sustainable Fuel Deployment), prévoit des améliorations techniques substantielles, mais basées sur les groupes motopropulseurs et les solutions techniques actuels, sans passage significatif aux technologies électrique ou hybride. Comme dans le scénario précédent, 90 % de l’approvisionnement en carburant serait assuré par des carburants d’aviation durables, mais cette fois à hauteur de 445 millions de tonnes.

Scénario 2 : Déploiement agressif du carburant durable

Enfin, dans le troisième scénario, appelé « Perspective technologique ambitieuse et agressive » (en anglais, Aspirational and Aggressive Technology Perspective), les progrès techniques sont plus ambitieux que dans les précédents, avec des avions électriques comportant jusqu’à 100 sièges, des avions alimentés par de l’hydrogène décarboné pour le segment des avions de 100 à 200 sièges, ainsi qu’une configuration d’avions non conventionnels à propulsion hybride-électrique pour les plus gros avions à l’horizon 2035-2040. Encore une fois, 90 % de l’approvisionnement en carburant serait assuré par des carburants d’aviation durables, mais à hauteur de 330 millions de tonnes seulement.

Scénario 3 : Perspective technologique ambitieuse et agressive

Dans ces trois scénarios, les investissements dans l’exploitation et l’amélioration des infrastructures se traduiraient par une réduction substantielle des émissions, allant de 7 % (scénario 3) à 10 % (scénario 1). Dans tous les cas, des mécanismes de compensation des émissions demeureraient indispensables pour contrebalancer tout excès d’émissions par rapport à l’objectif fixé.

3. En 2022, l’adoption d’un objectif « net zéro » des émissions en 2050

Lors de la quarante et unième assemblée de l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), en octobre 2022, les États membres ont adopté, sur la base d’un rapport évaluant sa faisabilité, l’objectif ambitieux à long terme (en anglais, Long Term Global Aspirational Goal ou LTAG) consistant à atteindre zéro émissions nettes d’ici à 2050 [34].

Ce rapport propose trois scénarios sectoriels basés sur plusieurs sous-scénarios liés à la technologie, aux carburants et aux opérations. Les scénarios ont été analysés pour comprendre leurs impacts sur les émissions de CO2, les coûts, les investissements, ainsi que les implications potentielles sur la croissance de l’aviation, le bruit et la qualité de l’air.

Le rapport conclut qu’aucun des scénarios ne permet d’atteindre un niveau zéro d’émissions nettes en 2050 en se limitant à des mesures internes au secteur, ce en raison des émissions survenant tout au long du cycle de vie des carburants, y compris dans l’hypothèse où les carburants fossiles seraient totalement remplacés par des carburants d’aviation durables.

Le rapport souligne également que le taux de croissance du trafic aérien a un impact significatif sur les émissions résiduelles de CO2 d’ici 2050. Par ailleurs, l’hydrogène, bien que ne représentant qu’une petite partie de l’énergie en 2050, pourrait jouer un rôle plus important dans les décennies suivantes si son utilisation devient techniquement et commercialement viable.

Des améliorations dans les performances des aéronefs à travers toutes les phases de vol, y compris par des mesures non conventionnelles telles que les vols en formation, sont envisagées pour réduire davantage les émissions de CO2.

Les coûts et les investissements associés aux différents scénarios sont largement influencés par les carburants, notamment durables, et nécessitent des investissements significatifs de la part des gouvernements et du secteur aérien.

Émissions de CO2 de l’aviation internationale associées aux scénarios LTAG. Source : OACI 2022

III. La feuille de route de l’Union européenne

1. Le Pacte vert européen (2019)

Annoncé en décembre 2019 par la Commission européenne, le Pacte vert européen (en anglais, European Green Deal) présente une stratégie de transformation visant à atteindre, d’ici 2050, la neutralité carbone au sein de l’Union européenne.

Contrairement aux initiatives précédentes de l’Union européenne, souvent sectorielles et principalement axées sur l’énergie, le Pacte vert européen adopte une approche transverse. Il vise à intégrer et à harmoniser les politiques environnementales à travers presque tous les secteurs de l’économie : énergie, industrie, alimentation et agriculture, transports, etc. Le secteur de l’aviation est bien entendu concerné.

Le système d’échange de quotas d’émission au sein de l’Union européenne (EU-ETS, en anglais European Union Emissions Trading System), mis en place à partir de 2005, devait s’appliquer à partir de 2012 à l’ensemble des vols de l’Union européenne. Mais une levée de bouclier des gouvernements étrangers, en particulier des États-Unis et de la Chine, a conduit à limiter son application aux vols intérieurs de l’Espace économique européen (EEE).

En octobre 2023, le Conseil et le Parlement européens ont adopté les dispositions essentielles du paquet climat « Fit For 55 » (en français, « ajustement à l’objectif 55 »), dont le nom fait référence à l’objectif de réduire de 55 % les émissions de gaz à effet de serre à l’horizon 2030 par rapport à 1990. Suite à l’invasion de l’Ukraine par la Russie, cet objectif a été révisé à 57 % à l’occasion de la publication du plan REPowerEU pour renforcer la sécurité énergétique de l’Union européenne.

Dans ce cadre, les émissions des secteurs couverts par le système EU-ETS devront diminuer de 62 % d’ici 2030 par rapport à leurs niveaux de 2005, ce qui passera par la suppression complète, d’ici 2026, des quotas d’émission gratuits alloués au secteur aérien. Jusqu’en 2026, le champ d’application du système restera limité aux vols intérieurs mais pourrait être étendu par la suite.

Par ailleurs, la réglementation RefuelEU adoptée dans le cadre du paquet climat « Fit For 55 » fixe des quotas d’incorporation de carburants d’aviation durables. Les fournisseurs de carburants devront également respecter des quotas de fourniture de carburants d’aviation durable.

Les aéroports de l’Union européenne dont le trafic annuel est supérieur à 800 000 passagers ou le trafic de fret supérieur à 100 000 tonnes doivent permettre le ravitaillement en carburants d’aviation durables. Si possible, ils devront également mettre en place les infrastructures nécessaires à d’autres sources d’énergie, comme l’électricité ou l’hydrogène.

Les compagnies aériennes opérant au départ d’aéroports situés dans l’Union européenne sont tenues d’avitailler au sein de l’Union au moins 90 % du carburant d’aviation dont elles ont besoin chaque année. Cette obligation vise à éviter le tankering, une pratique consistant à emporter plus de carburant que nécessaire à partir de pays tiers.

Jusqu’en 2035, un mécanisme de flexibilité des carburants d’aviation durables permettra de moyenner l’obligation d’incorporation entre les aéroports de l’Union européenne. Ainsi, les objectifs pourront être dépassés dans certains aéroports et ne pas être atteints dans d’autres, par exemple les plus petits.

L’une des mesures du paquet « Fit for 55 » susceptible d’avoir un impact sur le secteur de l’aviation n’a pas encore été adoptée et ne le sera probablement pas avant les prochaines élections européennes. Il s’agit de la refonte de la directive sur la taxation de l’énergie (en anglais, Energy Taxation Directive ou ETD) qui fixe un cadre pour la taxation de l’électricité et des carburants, dont les carburants pour l’aviation, au sein de l’Union européenne.

La proposition initiale de réforme met fin aux exonérations fiscales actuelles sur le kérosène pour les vols intérieurs de transport de passagers. Concrètement, pour ces vols, le taux d’imposition minimal du carburant d’aviation est progressivement augmenté pendant 10 ans, jusqu’à atteindre 10,75 euros par gigajoule. Les carburants d’aviation durables et l’hydrogène renouvelable ne sont pas soumis à cette taxe.

2. Le rapport Destination 2050 - Une trajectoire vers l’aviation européenne à zéro émission (2021)

Suite à la « table ronde sur la relance de l’aviation européenne » qui s’est tenue en novembre 2020, cinq associations européennes ont pris, dans le cadre d’un rapport intitulé Destination 2050 - A route to net zero European aviation (en français : « Destination 2050 - Une trajectoire vers l’aviation européenne à zéro émission »), une série d’engagements visant à décarboner l’aviation européenne d’ici 2050.

Il s’agit des associations Airlines for Europe (A4E), qui regroupe des compagnies aériennes européennes, Airports Council International-EUROPE (ACI), qui représente des opérateurs de plateformes aéroportuaires, Aerospace and Defence Industries Association of Europe (ASD), qui défend les intérêts d’industriels du secteur aérospatial et de défense, European Regions Airline Association (ERA), dont les adhérents sont des compagnies aériennes régionales, et Civil Air Navigation Services Organisation (CANSO) qui rassemble des prestataires de services de la navigation aérienne.

Le rapport conclut qu’il est possible de parvenir, d’ici 2050, à des émissions nettes de CO2 nulles pour tous les vols à l’intérieur et au départ de l’Union européenne par des efforts conjoints et coordonnés de l’industrie et des pouvoirs publics. Les associations représentant l’industrie aéronautique européenne se sont engagées à atteindre cet objectif et à contribuer aux objectifs fixés dans le cadre du Pacte vert européen et de l’Accord de Paris.

Les résultats sont présentés pour tous les vols à l’intérieur et au départ de la région Union européenne [35]. L’amélioration de la technologie des avions et des moteurs, de la gestion du trafic aérien et de l’exploitation des avions, ainsi que les carburanst d’aviation durables et les mesures économiques offrent tous un potentiel de décarbonation.
Modélisés pour 2030 et 2050, les impacts sont interpolés de manière linéaire. L’année de référence de cette étude est 2018.

Le rapport identifie un scénario permettant d’atteindre cet objectif, qui combine les nouvelles technologies, des opérations améliorées, des carburants d’aviation durables et des mesures économiques. Les émissions absolues seraient réduites de 92 %, tandis que les 8 % restants seraient éliminés de l’atmosphère par des émissions négatives, obtenues grâce à des puits de carbone naturels ou des technologies spécifiques.

Enfin, le rapport formule plusieurs recommandations pour l’industrie et les gouvernements européens.

Pour l’industrie aéronautique, les recommandations consistent à continuer à investir massivement dans la décarbonation, à développer des avions plus économes en carburant et à les mettre en service grâce à un renouvellement continu de la flotte, à développer des aéronefs à hydrogène et des aéronefs hybrides et électriques ainsi que les infrastructures aéroportuaires associées, à accroître la production et l’adoption des carburants d’aviation durables, à mettre en œuvre les dernières innovations en matière de gestion du trafic aérien et à compenser les émissions de CO2 restantes par la captation du CO2 dans l’air.

Pour les gouvernements européens, il est recommandé de soutenir les investissements industriels en les stimulant directement ou en réduisant le risque d’investissement grâce à un cadre politique cohérent et à long terme, de stimuler le développement et le déploiement d’innovations en finançant des programmes de recherche et en promouvant les technologies d’élimination du carbone, de collaborer avec le secteur de l’énergie pour garantir une disponibilité suffisante d’énergies renouvelables à un coût abordable, de soutenir le développement de l’industrie des carburants d’aviation durables, enfin de contribuer à l’optimisation de la gestion du trafic aérien, notamment en mettant pleinement en œuvre le « ciel unique européen ».

IV. Les feuilles de route nationales

1. Le plan de relance de l’aéronautique (2020)

En juin 2020, la Direction générale de l’aviation civile (DGAC), en concertation avec le Conseil pour la recherche aéronautique civile (CORAC), a présenté une nouvelle feuille de route du secteur aéronautique, associée à un soutien financier de 1,5 milliard d’euros décidé dans le cadre du plan de relance de juin 2020.

Ce soutien financier cible la conception, à horizon 2030, de trois modèles d’avion décarbonés : un successeur « ultra sobre » de l’Airbus A320neo, avec une exigence de réduction de la consommation de carburant d’au moins 30 % ; un nouvel avion régional à propulsion électrique ou hybride électrique-hydrogène ; enfin, d’ici 2035, un nouvel avion zéro émission, propulsé à l’hydrogène, avec un premier démonstrateur entre 2026 et 2028.

Par rapport à la précédente feuille de route du CORAC, définie en 2019 avant l’épidémie et avant le Pacte vert européen, cette nouvelle stratégie avance le calendrier prévu de dix ans.

2. La feuille de route de la décarbonation du transport aérien du CORAC (2021)

Le CORAC joue un rôle prépondérant dans la définition des orientations stratégiques et des priorités de recherche pour la décarbonation de l’aviation en France. Sa feuille de route, publiée en décembre 2021, vise à aligner les efforts de recherche et développement avec les investissements et les initiatives politiques, afin d’atteindre les objectifs de réduction des émissions de CO2 dans le secteur aérien.

La feuille de route du CORAC identifie plusieurs axes de recherche et d’innovation prioritaires, tels que l’amélioration de l’efficacité aérodynamique des avions, la gestion optimisée du trafic aérien, les carburants d’aviation durables et les propulsions alternatives.

Elle prévoit notamment la mise en service d’un hélicoptère hybride ultra frugal en 2030, d’un avion régional ou court-moyen-courrier de nouvelle génération à zéro émission en 2035 et d’un avion d’affaires « ultra frugal » (30 % d’amélioration de l’efficacité énergétique) à partir de 2030.

Trajectoire de décarbonation de l’aérien – périmètre Monde
Référence de la stratégie CORAC pour le « zéro émission nette » en 2050

3. La feuille de route de décarbonation de l’aérien dans le cadre de la loi Climat et résilience (2023)

Présentée en mars 2023, la feuille de route de décarbonation de l’aérien [36] résulte d’un travail de synthèse des travaux engagés, sous l’égide de la DGAC et du GIFAS, par les acteurs de la filière aérienne, dans le cadre de l’article 301 de la loi portant lutte contre le dérèglement climatique et renforcement de la résilience face à ses effets – dite loi Climat et résilience – du 22 août 2021.

Elle propose deux scénarios : « Action » et « Accélération », déclinés sur les périmètres « Domestique France » et « Départ international France », pour lesquels la croissance du trafic est donnée à 0,8 % par an sur le premier périmètre et 1,1 % par an sur le second (en passager.kilomètre, PKT).

Sur le premier périmètre, le scénario « Action » prévoit une décarbonation du secteur aérien de près de 80 % à l’horizon 2050, les émissions résiduelles étant compensées. Les mesures permettant d’atteindre ce résultat sont : le renouvellement des flottes, l’utilisation d’avions plus performants, des opérations aériennes optimisées et, surtout, l’incorporation de carburants d’aviation durables à hauteur de 63 % en 2050. Plus ambitieux, le scénario « Accélération » vise une décarbonation du secteur aérien de 92 % à horizon 2050, notamment par une incorporation des carburants d’aviation durables à hauteur de 85 % en 2050 (10 % en 2030) et une accélération de l’innovation.

Scénario « Accélération » vols intérieurs
(« renouvellement 2018 » désigne le renouvellement des flottes dotées de technologies datant de 2018).

Sur le périmètre « Départ international France », le scénario « Action » prévoit une décarbonation à hauteur de 77% à l’horizon 2050 et le scénario « Accélération » une décarbonation à hauteur de 91%, également grâce à plus d’incorporation de carburants d’aviation durables et à une accélération de l’innovation.

Scénario « Accélération » vols internationaux au départ de la France
(« renouvellement 2018 » désigne le renouvellement des flottes dotées de technologies datant de 2018).

La réalisation de ces différents scénarios s’accompagne de recommandations d’actions pour la filière : déploiement par les industriels d’avions plus efficaces sur le plan énergétique et acquisition de ces derniers par les compagnies aériennes ; poursuite des recherches sur la nouvelle génération d’aéronefs et sur l’incorporation à 100% des carburants aéronautiques durables dans les flottes ; développement d’une filière nationale de carburants aéronautiques durables et incorporation croissante de ces derniers, au-delà des exigences réglementaires dans le scénario le plus ambitieux ; investissement dans les installations d’électrification au sol et l’achat d’engins de piste bas carbone et déploiement des logiciels d’accompagnement des pilotes et des outils de partage d’information entre aéroports, compagnies aériennes et contrôleurs pour optimiser les opérations en vol et au sol ; adaptation des infrastructures aéroportuaires pour garantir la distribution des énergies et vecteurs énergétiques décarbonés ; enfin adaptation des emplois et des compétences, pour garantir le déploiement des différents leviers de décarbonation.

Par ailleurs, les acteurs de la filière adressent, dans ce même cadre, des demandes à l’État : un financement du CORAC à hauteur de 450 M€ par an ; l’implication des opérateurs (compagnies aériennes et aéroports) et le soutien financier à ces derniers ; la facilitation de l’émergence d’une filière française des carburants d’aviation durables, qui nécessite de structurer une filière de production, de contribuer au financement des investissements initiaux et de subventionner l’incorporation en France ; la mobilisation des énergies décarbonées ou bas carbone (électricité et biomasse), dans les proportions requises pour tenir la trajectoire présentée, notamment dans le cadre des futures planifications énergétiques ; le soutien au renouvellement accéléré des flottes, par des mesures d’aides financières, fiscales et comptables ; l’accompagnement des services de la navigation aérienne et des industriels concernés par l’optimisation des opérations en vol et au sol ; enfin, la garantie de la soutenabilité financière globale de la décarbonation du secteur, en mettant en place des dispositifs de soutien adéquats, en évitant les doubles taxations et les distorsions de concurrence.

4. La feuille de route du Bureau français des e-fuels (2023)

La création d’un Bureau français des e-fuels a été annoncée en juillet 2023. Organisme indépendant, il réunit des « experts, professeurs, chercheurs, universitaires, industriels, techniciens et financiers ». Son objectif prioritaire est de promouvoir une « filière française d’e-fuels, vertueuse, compétitive et durable ».

Il assure un suivi du secteur au travers de la publication d’un Observatoire des e-fuels qui se focalise sur trois carburants de synthèse : l’e‑méthane, l’e-méthanol et l’e-kérosène. Cet observatoire propose une cartographie de la filière mise à jour régulièrement : revue des projets et des briques technologiques, besoins en intrants, impacts socio-économiques et environnementaux.

La figure suivante préssente les 24 projets d’implantation d’installations de production d’e-fuel, tous stades d’avancement confondus, répartis sur 18 départements métropolitains.

Implantation des projets de production d’e-fuel sur le territoire
(Source : Observatoire français des e-fuels, Bureau français des e-fuel / SIA Partners, juillet 2023)

La feuille de route publiée par le Bureau français des e-fuels est un document beaucoup plus synthétique que les autres feuilles et ne comporte aucun scénario. Elle présente toutefois l’intérêt de mettre en avant les enjeux et conditions du développement de cette filière, ainsi que les atouts dont dispose la France.

Les enjeux portent sur la capacité de la France à construire pendant la décennie 2020 une filière industrielle des e-fuels pour satisfaire ses besoins et se positionner à l’export. À défaut, la France risquerait d’accentuer sa dépendance industrielle et énergétique.

Étant donné que le coût de production des e-fuels « réside principalement dans l’alimentation électrique des électrolyseurs représentant entre 50% et 75% du coût final », la « compétitivité des projets français dépendra de leur capacité à sécuriser des contrats d’achat d’électricité bas-carbone sur le long terme à un prix suffisamment bas. »

Aussi, la feuille de route préconise deux niveaux d’intervention de l’État : d’une part, « s’assurer qu’une partie de la production d’électricité bas carbone nationale puisse être allouée aux projets d’e-fuels pour permettre l’émergence d’une filière (…) (besoin estimé entre 15 et 20 TWh) », d’autre part « lancer le développement massif de moyens additionnels de production d’électricité bas carbone, nucléaire et renouvelables, afin d’accompagner après 2035 l’accroissement des besoins liés à la décarbonation de l’économie dont l’aviation et le maritime. »

Troisième partie
–
technologies et innovations pour la décarbonation

I. L’Innovation dans la conception et l’efficacité des avions

L’une des voies possibles pour réduire les émissions de gaz à effet de serre du transport aérien consiste à augmenter l’efficacité énergétique des aéronefs, c’est-à-dire diminuer leur consommation de carburant sur une distance donnée, puisque le carburant est la source des émissions de CO2.

Trois leviers principaux peuvent être actionnés à cette fin : réduire la masse de l’avion, améliorer son aérodynamique afin de réduire la traînée, et électrifier certaines fonctions annexes.

1. La réduction de la masse des aéronefs

Au fil du temps, la masse et la taille des avions n’ont cessé d’augmenter afin de pouvoir emporter plus de passagers ou plus de fret sur de plus longues distances. Ceci a permis une réduction globale de la consommation par passager.km.


Évolution de la masse maximum au décollage des avions en fonction de l’année de mise en service (source : Bejan et al. [37])	Évolution de la consommation de carburant par siège pour 100 kilomètres en fonction de la masse de l’avion par siège pour différentes générations d’avion (source : Bejan et al.)

Les deux éléments les plus lourds de l’avion sont les moteurs et le train d’atterrissage, suivis par les câbles, les groupes auxiliaires de puissance (APU), les sièges et les commandes de bord.

Les avions peuvent être sensiblement allégés en mettant en œuvre plusieurs technologies : la substitution de matériaux composites aux matériaux métalliques et la fabrication additive ; le multiplexage, la fibre et le sans-fil pour l’allègement des câbles de transmission de données.

a. Les matériaux composites

Comme leur nom l’indique, les matériaux composites sont constitués de plusieurs éléments, en général une fibre de renforcement, pour l’aéronautique usuellement de la fibre de carbone ou de verre, et une matrice qui permet de solidariser ces fibres, par exemple de la résine Époxy.

Dans le fuselage, les ailes et les freins, on utilise surtout des composites en fibre de carbone en raison de leur résistance élevée. L’emploi de composites à matrice céramique dans les moteurs se développe en raison de leur exceptionnelle résistance aux hautes températures et à la corrosion.

Depuis une trentaine d’années, l’industrie aéronautique a progressivement adopté la substitution de certaines pièces métalliques par des composites. Elle a initialement été mise en œuvre, au milieu des années 1990, sur les avions régionaux, tels que l’ATR-72, avant de s’étendre progressivement aux avions de ligne. Au cours des deux dernières décennies, l’incorporation de composites dans les structures d’avion a considérablement augmenté, comme l’illustre la figure ci-après. Les avions de génération récente, tels que l’Airbus A380 et le Boeing 787, intègrent désormais près de 50 % de matériaux composites, contre moins de 30 % pour ceux qui ont été mis en service au début des années 2000.

Evolution de l’utilisation de matériaux composites dans l’aviation
en pourcentage massique (d’après Benoît Montagne [38])

Les matériaux composites sont avantageux par leur légèreté, leur grande rigidité, leur résistance physique et la possibilité de réaliser des structures plus intégrées. Même si leur fabrication peut demander plus d’énergie et générer plus de CO2, leur légèreté permet une réduction de 20 % à 25 % des émissions sur le cycle de vie complet d’un avion [39]. Ainsi, le Boeing 787 mis en service en 2009, premier long-courrier à intégrer 50 % de matériaux composites, a permis une réduction de 20 % de la consommation de carburant par rapport à la génération précédente.

La réduction de la masse de certains éléments de la cabine peut également conduire à des gains substantiels. Par exemple, les sièges représentent 10 % de la masse d’un avion au décollage. Or, leur poids peut être réduit de façon significative. Ainsi, une start-up française a conçu un siège en composite de titane et de fibres de carbone permettant une réduction de l’ordre de 30 % du poids par rapport à des sièges usuels en acier et aluminium [40].

La mise en œuvre des matériaux composites requiert un savoir-faire technologique de pointe. Des recherches complémentaires demeurent nécessaires pour mieux connaître leur comportement : élasticité, rupture, fatigue, etc., afin d’étendre leur usage à d’autres parties des structures : panneaux à double courbure à la pointe de l’avion, nacelle, train d’atterrissage, etc. et contourner certaines limites techniques, par exemple l’impossibilité d’utiliser les procédés de dégivrage thermique sur des matériaux ne conduisant pas la chaleur, contrairement aux matériaux métalliques.

Enfin, l’utilisation croissante de composites requiert l’usage de plus en plus important de titane, afin de renforcer la structure, ce qui induit des coûts supplémentaires.

b. La fabrication additive

La fabrication additive consiste en la reconstitution en trois dimensions d’un modèle numérique, par dépôts successifs de matière. Cette technique permet de concevoir des composants optimisés, utilisant des quantités de matériaux minimales, qu’il s’agisse de résines, de plastiques ou de métaux, ce qui réduit la masse des pièces. En effet, elle permet d’ajouter exactement la quantité de matière nécessaire, au lieu d’en retirer d’une forme préexistante, ce qui évite également de générer des déchets de chutes. Par exemple, la fabrication additive des pièces en alliage cobalt-chrome dans les moteurs GenX-2B de General Electric permet de les rendre 10 % plus légères, tout en réduisant de 90 % la production de déchets métalliques [41].

Connue depuis une quarantaine d’années, la fabrication additive était initialement utilisée de façon parcimonieuse dans l’aéronautique, essentiellement pour le prototypage rapide des pièces. Son utilisation par les avionneurs et les motoristes est progressivement devenue plus courante pour les pièces finales [42]. D’après le référentiel Supaéro, la diminution de la masse résultant de la fabrication additive permettrait une réduction de l’ordre de 6 % de la consommation de carburant par passager.km.

c. L’allègement des câbles de transmission

Comme l’ont souligné les interlocuteurs de la société Safran lors de leur audition, les centaines de câbles embarqués pour assurer le transfert de données représentent en moyenne environ 10 % de la masse totale d’un avion.

Ce pourcentage varie en fonction de la catégorie de l’appareil. Par exemple, l’Airbus A380‑800, d’un poids à vide de 270 tonnes, compte 470 kilomètres de câbles d’un poids de quelque 7,7 tonnes, poids auquel il convient d’ajouter environ 30 % pour prendre en compte les fixations à la structure [43].

Plusieurs évolutions techniques permettent de réduire la masse des câbles embarqués d’au moins 30 %.

En permettant la transmission de multiples signaux au travers d’un seul câble, les techniques de multiplexage temporel (signaux envoyés à des moments différents) ou fréquentiel (signaux utilisant des fréquences différentes) permettent de diminuer le nombre de câbles nécessaires à bord d’un avion.

Par ailleurs, les fibres optiques, qui font transiter un signal lumineux, sont de plus en plus utilisées pour la transmission de données dans les avions en raison de leur faible poids, de leur large bande passante et de leur immunité aux interférences électromagnétiques.

Enfin, des capteurs et des systèmes sans fil sont en cours de développement pour surveiller les paramètres de santé de l’aéronef et assurer la communication entre certains composants [44]. Près de 30 % des câbles pourraient être rendus inutiles de ce fait [45].

2. L’amélioration de l’aérodynamique

La traînée est la force horizontale qui s’oppose à la poussée des moteurs : la réduire est essentiel pour consommer moins de carburant. Il existe deux traînées principales, chacune participant environ de la moitié de la traînée totale. La traînée induite est due à la différence de pression entre l’intrados (surface inférieure du profil de l’aile) et l’extrados (surface supérieure) générée par la portance ; celle-ci provoque des tourbillons marginaux en bout d’aile et oriente la force de portance locale légèrement vers l’arrière, d’où la création de traînées. La traînée de frottement est due au frottement de l’air (viscosité) contre les surfaces de l’avion en contact avec l’écoulement d’air.

Pour réduire la traînée, il est donc nécessaire de faire évoluer la voilure. Plusieurs pistes d’amélioration sont envisageables.

a. La réduction de la traînée induite

Théoriquement, la traînée induite serait nulle sur une aile infinie. De façon plus réaliste, l’allongement des ailes, c’est-à-dire le rapport de l’envergure sur la corde, est inversement proportionnel à la traînée induite.

Sur la dernière génération d’avions (Airbus A320neo et Boeing B737 Max), des winglets, c’est-à-dire des ailettes recourbées, ont été ajoutés en bout d’aile. Ils permettent de casser les tourbillons générés, ainsi que l’illustre la figure ci-après, ce qui réduit la traînée induite par la portance et conduit à diminuer la consommation d’environ 3 %.

Avec le projet Gulhyver (Gull signifiant goéland et hyver faisant allusion à l’hydrogène liquide) dévoilé au Salon du Bourget 2023, l’ONERA étudie des solutions de rupture pour réduire la traînée à l’horizon 2030-2035. L’institut envisage un nouvel avion monocouloir doté de moteurs de type Open Rotor alimentés en hydrogène, dont les ailes auraient un nouveau facteur de forme : elles seraient 20 fois plus longues que larges, alors qu’elles ne le sont que 11 fois sur un Airbus A320.

Ainsi que l’a expliqué Philippe Beaumier, directeur de l’aviation civile de l’ONERA, ce choix induit plusieurs contraintes. D’abord, des ailes plus allongées sont sujettes à des efforts mécaniques et à des déformations plastiques plus importants. C’est pourquoi l’ONERA envisage l’ajout de haubans pour les soutenir, comme sur la figure ci-après.

La sensibilité aux rafales de vent et la gestion des phénomènes liés aux frottements et aux vibrations restent à étudier. En effet, une aile trop souple peut subir des phénomènes de flottement et devenir difficile à contrôler. Les surfaces mobiles, ailerons, volets et spoilers, devront de ce fait être adaptées, et l’usage de matériaux composites sera sans doute nécessaire pour alléger la structure et la rendre plus manœuvrable.

La NASA et Boeing ont dévoilé en février 2024 le projet de démonstrateur technologique X-66A qui reprend les grandes lignes du projet Gulhyver, avec un rapport d’allongement de la voilure de 19,55 et un haubanage, mais une motorisation classique, similaire à celle de l’Airbus A320neo. Ce type de voilure avait déjà fait l’objet d’études conjointes par le passé.

Projet Gulhyver : source ONERA

Projet X66-A : source Boeing

b. La réduction de la traînée de frottement

• La traînée de frottement peut être réduite en s’efforçant de garder un régime laminaire, c’est-à-dire avec un écoulement restant accroché à la surface de l’aile sur sa plus grande partie, au lieu d’un régime turbulent, comportant des tourbillons. Le régime laminaire permet en effet de diminuer la dépendance entre la vitesse et les frottements, ce qui réduit la traînée. Les ailes à laminarité étendue permettent de conserver le régime laminaire sur une grande partie de la corde : 60 % dans les cas les plus favorables, au lieu de 10 % à 20 % en temps normal.

Ces ailes sont notamment étudiées depuis 2008 au travers du projet BLADE (Breakthrough Laminar Aircraft Demonstration in Europe) piloté par Airbus, dans le cadre de l’initiative technologique européenne Clean Sky (ciel propre). Ce projet explore le comportement en vol des voilures laminaires, en vue d’une exploitation sur des avions de transport civils.

En 2017, un démonstrateur a effectué son premier vol. Il s’agissait d’un Airbus A340 dont les bouts d’aile ont été remplacés par deux tronçons inclinés vers le bas, formant un angle de 20 degrés avec le fuselage, contre 30 degrés pour le reste de la voilure. La partie arrière est plus épaisse que la partie avant et très lisse, afin de retarder au maximum l’arrivée de l’écoulement turbulent. Le projet BLADE a conduit à une réduction de la traînée globale de 8 % et à un gain de consommation de carburant de 5 % [46].

Cependant, le résultat n’a pu être obtenu que pour une vitesse optimale inférieure à celle de l’Airbus A340 (Mach 0,75 au lieu de 0,82). Le profil laminaire serait donc adapté à des avions un peu moins rapides et au rayon d’action plus faible, de type moyen-courrier. Par ailleurs, il est nécessaire de garantir l’écoulement laminaire en toutes circonstances, même avec de petites déformations, par exemple résultant d’insectes écrasés sur la voilure, ce qui implique de poursuivre les recherches.

L’étude des ailes à laminarité étendue fait partie intégrante du projet européen Large Passenger Aircraft Innovative Aircraft Demonstrator Platform coordonné par Airbus qui s’est déroulé de janvier 2020 à avril 2024 dans le cadre de l’initiative Clean Sky 2.

Démonstrateur d’Airbus A340 à voilure laminaire (source : Airbus).

En termes d’architecture, l’intégration motrice permettrait une réduction de la consommation de carburant. En effet, la configuration plaçant les moteurs sous les ailes, utilisée depuis 50 ans, pourrait évoluer.

Depuis 2015, dans le cadre du projet NOVA, l’ONERA étudie une intégration partielle du moteur à l’arrière du fuselage, comme sur la figure ci-après. Cette intégration permet une ingestion de couche limite (Boundary Layer Ingestion) : la poussée est produite à partir d’un écoulement situé juste à l’arrière de l’avion, à une vitesse plus faible, qui permet un meilleur rendement propulsif et une réduction de consommation de carburant de 3 % à 4 % [47].

De plus, l’intégration de la motorisation dans l’architecture de l’avion pourrait réduire la formation des traînées de condensation du fait de l’écartement accru des sorties moteurs par rapport aux extrémités des ailes, où naissent les tourbillons de sillage propices à la formation de cirrus de condensation lorsqu’il piégent la vapeur rejetée par les moteurs [48].

• L’intégration motrice peut également être appliquée à une aile volante à fuselage intégré, configuration radicalement différente de celle des aéronefs actuels. Inventée en Allemagne dans les années 1920, le concept d’aile volante à fuselage intégré a été repris dans les années 1990 par la NASA ainsi que par les avionneurs McDonnell Douglas et Boeing dans le cadre de deux démonstrateurs (BWB-17 et X-48), puis par Airbus, en 2019, pour son démonstrateur MAVERIC (Model Aircraft for Validation and Experimentation of Robust Innovative Controls), avec une perspective de réduction de la consommation de 20 % par rapport aux avions actuels.

Démonstrateur Airbus Maveric (source : Airbus)

Cette architecture améliore la performance aérodynamique, réduit le poids de l’aéronef et est la plus efficace en termes de capacité d’emport. Elle permet de transporter plus de carburant pour une même taille d’avion [49]. Elle permettrait une diminution de masse de 15 % [50] et une augmentation de l’efficacité énergétique allant jusqu’à 25 % [51].

Cependant, cette architecture présente plusieurs inconvénients significatifs : une résistance réduite aux efforts de pressurisation par rapport à un fuselage cylindrique, des problèmes de stabilité et de contrôle, une plus faible portance imposant une augmentation de l’envergure, une évacuation d’urgence moins simple des passagers et des emplacements réduits pour les hublots.

Malgré ces inconvénients, les atouts de l’aile volante à fuselage intégré rendent ce concept attractif. Ainsi, en parallèle d’Airbus, la start-up américaine JetZero développe une aile volante à fuselage intégré en trois variantes : un avion de 200 passagers, un avion-cargo et un avion-citerne. La forme de l’avion se prête si bien à cette dernière application que l’armée de l’air américaine a accordé 235 millions de dollars à cette société pour développer un démonstrateur grandeur nature, afin de valider les performances du concept.

Une revue récente de la littérature scientifique sur l’ingestion de couche limite montre que la réduction de consommation de carburant pour une aile volante à fuselage intégré pourrait aller jusqu’à 50 % sur de moyennes distances [52].

3. L’électrification des systèmes non propulsifs

Il est possible de consommer moins de carburant en le remplaçant par de l’électricité lorsqu’il n’est pas absolument nécessaire.

La source d’énergie des systèmes non propulsifs comme la climatisation, le dégivrage, le démarrage moteur, effectué par les groupes auxiliaires de puissance ou APU [53], est normalement le kérosène, mais ce pourrait être directement de l’électricité. À ce jour, une électrification partielle des systèmes non propulsifs est déjà réalisée, mais les évolutions techniques tendent vers une électrification plus poussée, ce qui a conduit au concept de « More Electric Aircraft » (MEA).

Le Boeing 787 Dreamliner, mis en service en 2011, illustre cette évolution vers plus d’électrification des principaux systèmes. Le système de prélèvement d’air dans le moteur est remplacé par deux compresseurs électriques, ce qui évite tout risque de contamination par des composés chimiques issus de l’huile moteur ou du fluide de refroidissement. Le démarrage des moteurs, habituellement effectué par les groupes auxiliaires de puissance (APU), est lui aussi électrique. Le système de dégivrage fonctionne avec des éléments chauffants électrothermiques encastrés dans le bord d’attaque de l’aile. Les pompes hydrauliques pour les volets, les becs de bord d’attaque, les aérofreins et autres surfaces de contrôle sont également alimentées électriquement. La puissance électrique totale à bord s’élève à 1,45 mégawatt, soit environ cinq fois la puissance électrique disponible sur les avions conventionnels de taille similaire.

Comparaison des systèmes électriques d’un avion traditionnel (à gauche), doté d’une distribution centralisée, avec des disjoncteurs, relais et contacteurs, et de la distribution décentralisée du 787 (à droite),
avec des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs et contacteurs (Source : Boeing [54]).

D’après Boeing, ce système permet de réduire de 35 % l’appel à la puissance des moteurs [55], ce qui se traduit par une augmentation de la poussée et un meilleur rendement énergétique et permet une réduction de 3 % de la consommation de kérosène. En réduisant le nombre de composants, il permettrait également un allégement de l’avion et une simplification de sa maintenance.

Des études prospectives portant sur l’électrification de toutes les fonctions non propulsives concluent à la possibilité de réduire la consommation par passager.kilomètre de 9 % et la masse de 10 % [56].

Le développement de composants à faible perte et faible masse, comme les supraconducteurs, permettrait une extension de l’électrification des systèmes et une meilleure gestion thermique. Les composants de haute-puissance seront aussi indispensables pour gérer les puissances électriques embarquées de plus en plus élevées, qui nécessitent des systèmes de distribution plus complexes.

4. Les évolutions de la propulsion

Turboréacteur double flux et turbopropulseur

Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, il faut entre autres augmenter l’efficacité des moteurs, afin de consommer moins de carburant pour générer la même poussée en vol.

Le rendement thermopropulsif ou global mesure la performance des moteurs. Il est le produit de deux termes, le rendement thermique et le rendement propulsif :

le rendement thermique désigne le rapport entre l’énergie cinétique fournie au gaz traversant le moteur et l’énergie produite par la combustion du carburant. Pour le maximiser, il faut que la combustion du carburant transfère le plus d’énergie possible au gaz ;
le rendement propulsif désigne le rapport entre le travail mécanique de la force propulsive (la poussée) et l’énergie cinétique apportée au gaz traversant le moteur. Pour générer une poussée, le fluide doit être accéléré à une vitesse supérieure à celle du vol.

Pour améliorer l’efficacité des moteurs, on peut agir sur les rendements thermique et propulsif, le but étant de maximiser les deux pour atteindre le meilleur rendement thermopropulsif.

a. L’augmentation du rendement thermique

L’augmentation du rendement thermique repose sur l’amélioration de l’efficacité du cycle thermodynamique. Celle-ci peut venir des modifications apportées aux composants de la turbo-machine (compresseur, chambre de combustion et turbine) et à la conception technique générale de la chambre de combustion, ainsi que de l’augmentation de la température en sortie de chambre de combustion.

Cependant, l’augmentation de température est limitée par les composants de la turbine en sortie de chambre de combustion. En effet, les matériaux utilisés pour les aubes de la turbine, en alliages de titane, ont une température de fusion inférieure aux températures en sortie de chambre de combustion (1500-1800°C), ce qui oblige à prélever de l’air « froid » du compresseur afin de refroidir les premiers étages de la turbine, au détriment des performances du cycle thermodynamique.

Afin de lever cet obstacle, de nouveaux matériaux, en particulier des composites à matrice céramique (CMC) légers et capables de résister aux températures élevées en sortie de chambre de combustion, sont étudiés depuis plus d’une dizaine d’années, notamment par l’ONERA. Safran s’y intéresse également depuis les années 1970, à l’origine pour les missiles et les fusées. Il développe à l’heure actuelle l’expertise des CMC pour les turbines de moteurs aéronautiques au sein de sa filiale Safran Ceramics, basée au Haillan, en Gironde. Les CMC sont encore peu utilisés, à l’exception d’une pièce dans le moteur Leap. Safran espère parvenir à les intégrer dans une nouvelle génération de moteurs dans les prochaines années. Ils seront aussi utilisés dans le moteur RISE dont le développement devrait aboutir vers 2035.

b. L’amélioration du rendement propulsif

L’amélioration du rendement propulsif est principalement obtenue par l’augmentation du taux de dilution [57], qui diminue l’écart entre la vitesse d’éjection des gaz et la vitesse de l’avion. Ainsi, une plus grande part de l’énergie cinétique des gaz éjectés est convertie en force propulsive.

Comparaison des rendements de différentes configurations de moteurs à gaz. Source : Rolls-Royce 1992 [58]

Le taux de dilution peut être augmenté principalement de deux façons : en augmentant le débit massique autour de la turbine, ce qui peut être réalisé en accroissant la taille de la soufflante, ou en diminuant le débit massique à travers la turbine, ce qui peut être obtenu en rétrécissant le diamètre de celle-ci. L’application simultanée de ces deux approches permet de maximiser le taux de dilution.

Depuis les années 1970, l’efficacité des turboréacteurs a beaucoup progressé, tout d’abord grâce à l’amélioration de l’efficacité du cycle thermodynamique, ensuite grâce à une continuelle augmentation du taux de dilution. Les turboréacteurs à faible taux de dilution (jusqu’à 2:1) des années 1970 ont laissé la place aux turboréacteurs à taux de dilution médian (jusqu’à 4:1) dans les années 1980, puis aux turboréacteurs à haut taux de dilution (jusqu’à 8:1) à la fin des années 1990. Dans les années 2010, les turboréacteurs à très haut taux de dilution (jusqu’à 12:1) ont significativement amélioré l’efficacité propulsive des avions [59].

C’est d’ailleurs un taux de dilution très élevé qui permet aux moteurs turbopropulseurs d’être plus efficaces que les turboréacteurs, car la soufflante carénée, dans les seconds, est remplacée dans les premiers par une hélice, non carénée. Une solution envisagée pour les court-courriers consisterait à remplacer les turboréacteurs par des turbopropulseurs. Les turbopropulseurs consomment moins de carburant que les turboréacteurs mais leur vitesse optimale est plus basse. L’augmentation du temps de trajet reste cependant négligeable pour les courtes distances. Cette modification pourrait induire une baisse des émissions de l’ordre de 40 à 45 % [60].

Pour l’avionneur ATR, les avions régionaux à turbopropulseurs n’entrent pas en concurrence avec les lignes de trains à grande vitesse qui desservent des liaisons à fort trafic, mais ne sont pas rentables avec le trafic réduit des routes desservies par ces avions.

Lignes grande vitesse (en rouge) et routes de turbopropulseurs (en vert) en Europe. Source : ATR

Sur les moyen- et long-courriers, les soufflantes des moteurs de dernière génération (LEAP et Trent) mesurent environ deux mètres de diamètre, pour un taux de dilution de l’ordre de 10:1. Augmenter encore significativement la taille de la soufflante pose des problèmes de poids, puisque le carénage entourant la soufflante doit être élargi. Cet accroissement poserait aussi des problèmes de place, puisque les moteurs les plus récents touchent presque le sol. De plus, à vitesse de rotation identique, les extrémités de pales plus longues ont une vitesse linéaire plus élevée [61], ce qui facilite l’atteinte du régime supersonique, avec une détérioration des performances aérodynamiques.

Deux voies sont à l’étude pour augmenter le taux de dilution au-delà du facteur 10:1 : les moteurs à très haut taux de dilution et les moteurs Open Fan.

Les moteurs à très haut taux de dilution, ou UHBPR (Ultra High Bypass Ratio), visent un taux de dilution dépassant 15:1, permettant une réduction de consommation allant jusqu’à 10 % [62]. Pour augmenter significativement le taux de dilution, la technologie utilisée est la turbosoufflante à engrenages. Dans une turbosoufflante à engrenages, une boîte de transmission de puissance entre la soufflante et l’arbre basse pression permet à ce dernier de tourner à des vitesses angulaires supérieures, améliorant l’efficacité générale et réduisant également le poids de l’ensemble.

Le moteur PW1000G de Pratt & Whitney, commercialisé depuis 2008, utilise une turbosoufflante à engrenages de technologie GTF (Geared Turbofan), ce qui lui permet d’atteindre un taux de dilution de 12,5:1, mais il nécessite une maintenance fréquente du mécanisme réducteur. Rolls-Royce devrait commencer la phase de test de l’Ultrafan, doté d’une boîte de transmission puissante (PGB ou Power Gearbox), utilisant des matériaux composites et un système de combustion avancé à faibles émissions [63]. Ce moteur aurait également un taux de dilution de 12:1 à 13:1, qui devrait conduire à une réduction de 10 % de la consommation de carburant par rapport aux dernières générations de moteurs Rolls-Royce équipant l’Airbus A350 ou le Boeing B787.

Selon une étude récente [64], la technologie de turbosoufflante à engrenages permettrait de réduire la consommation de carburant jusqu’à 14 % par rapport à une turbosoufflante classique.

Il faut noter que l’accroissement du diamètre du système propulsif pourrait obliger à modifier l’emplacement des moteurs, par exemple en les renvoyant à l’arrière du fuselage. Les projets Carnot E2IM (étude de concepts innovants d’intégration motrice) et NOVA de l’ONERA, lancés en 2014, étudient, principalement sous l’angle de l’aérodynamique, les nouvelles possibilités d’intégration de réacteurs à grand taux de dilution [65].

c. La technologie Open Fan

Pour accroître encore le taux de dilution, au-delà des limites de ces réacteurs UHBPR, il est envisagé de supprimer totalement le carénage aérodynamique qui entoure la soufflante. Cette conception de moteur, connue sous les noms « Open Fan » ou « Open Rotor » permet d’augmenter encore la taille des aubes, éléments de la soufflante en forme de cuillère ou de pale sur lesquels le fluide agit pour générer la propulsion, sans élargir démesurément les nacelles, qui sont les structures supportant le moteur.

Les premières études sur le sujet ont été réalisées dans les années 1980, en raison de la flambée des cours du pétrole. Le moteur GE36 « propfan » développé par General Electric Aircraft Engines, en partenariat avec la SNECMA et la NASA, doté d’une soufflante sans carénage, a été dévoilé en 1986. Malgré des performances satisfaisantes, il n’a jamais été commercialisé, à la fois en raison de la baisse du prix du pétrole et d’un niveau sonore élevé.

GE36 « propfan » (copyright : By Duch - Own work, CC BY-SA 4.0)

En 2017, Safran lance le démonstrateur CROR (Counter-Rotating Open Rotor). Pour pallier la limitation en vitesse de la soufflante liée au diamètre, il comporte deux hélices contrarotatives permettant de générer la même poussée à vitesse de rotation réduite. Les tests du moteur ont montré une réduction de consommation et d’émissions de CO2 supérieure à 10 %, ainsi que des performances sonores similaires aux moteurs actuels les plus silencieux. Ce test a permis de développer des briques technologiques clés, comme le contrôle de puissance ou l’intégration de la boîte de vitesse, réutilisées par la suite.

C’est en 2021 que naît le programme de recherche RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) de CFM (co-entreprise fondée par Safran et General Electric Aircraft Engines), destiné au développement, à l’horizon 2035, du successeur du moteur LEAP de dernière génération. Le programme RISE vise des taux de dilution de l’ordre de 25:1 à 30:1 avec une taille de moteur atteignant deux fois celle du LEAP, soit quatre mètres de diamètre. Les vitesses attendues sont similaires à celles des avions monocouloirs traditionnels, soit Mach 0,8, avec des gains en consommation de carburant de l’ordre de 20 % et une réduction similaire des émissions de CO2 [66].

Safran a recours à des aubes plus larges pour la soufflante, avec une aérodynamique et des performances acoustiques améliorées. La fabrication additive est utilisée pour les aubes en fibre de carbone, permettant un meilleur rendement propulsif. Parallèlement, CFM concentre ses efforts sur une plus grande compacité des éléments du moteur, notamment le système basse pression et la chambre de combustion. La boîte de vitesses verra aussi des améliorations et l’efficacité thermique sera renforcée grâce à l’utilisation de matériaux plus résistants à la chaleur et plus légers, tels que des alliages métalliques et des composites à matrice céramique. Enfin, le moteur sera à la fois compatible avec une incorporation à 100 % de carburants d’aviation durables et avec l’hydrogène.

Les problématiques de bruit, d’entretien des surfaces, et surtout les évolutions de l’architecture d’aéronef découlant du diamètre du moteur seront les principaux axes d’étude de l’Open Fan. Des tests en banc d’essai dans la soufflerie de Modane sont attendus vers 2024-2025 et Safran œuvre pour obtenir la certification de ce moteur auprès de l’EASA et de la FAA. Dans le cadre du projet OFELIA (Open Fan for Environmental Low Impact of Aviation), mené sous l’égide de l’Union européenne, une démonstration au sol et en vol aura lieu vers 2025 sur un Airbus A380 équipé d’un seul de ces moteurs.

À l’occasion de la visite de l’usine de turboréacteurs de Pratt & Whitney située dans le Connecticut, les rapporteurs ont constaté que l’entreprise se focalise sur la montée en cadence de la production des réacteurs, pour répondre à la forte demande actuelle. En parallèle, elle prévoit de rendre ses réacteurs compatibles avec une intégration à 100 % des carburants d’aviation durables et développe également des motorisations hybrides. Mais des innovations de rupture, telles que l’Open Fan, sont considérées comme risquées, d’autant que l’acquis de l’entreprise dans ce domaine (Pratt & Whitney a développé en collaboration avec Allison son propre moteur Open Fan dans les années 1980) lui permettrait probablement de rattraper son retard, le cas échéant.

II. L’électrification de l’aviation

Les progrès de l’électrification dans les transports terrestres ont conduit à une transposition rapide des technologies correspondantes à l’aéronautique. Comme pour un véhicule terrestre, la propulsion électrique d’un avion comprend plusieurs briques technologiques : le moteur, le système de distribution haute tension et les batteries, le moteur électrique faisant tourner une ou plusieurs hélices, carénées ou non. L’avion 100 % électrique présentant à la fois des avantages majeurs, notamment pour la décarbonation, et des limitations techniques, en particulier de rayon d’action, le développement de modèles hybrides vise à tirer bénéfice des avantages respectifs des propulsions électrique et thermique.

1. Les atouts de l’électrification

L’électrification présente plusieurs avantages majeurs dans le domaine de l’aviation.

Le premier atout est l’absence complète d’émissions en vol, qu’il s’agisse de CO2 ou d’autres émissions à l’origine d’effets non-CO2, comme les NOx, les suies ou la vapeur d’eau. Bien entendu, il faut garder en mémoire que la production d’électricité génère elle-même du CO2, si bien que le bilan carbone complet d’un avion sera fonction de l’intensité CO2 de l’électricité utilisée pour charger ses batteries.

Un deuxième intérêt notable de l’avion électrique porte, comme pour un véhicule terrestre, sur les coûts d’exploitation, à la fois en termes de consommation d’énergie et de maintenance. Ainsi, le rendement de la chaîne propulsive d’un avion électrique étant supérieur à celui d’un appareil doté d’un moteur thermique, le coût de l’électricité consommée durant un vol sera nettement inférieur à celui du kérosène qui serait nécessaire pour réaliser le même vol avec un appareil classique.

Un troisième bénéfice non négligeable de l’électrification porte sur la diminution du bruit, en particulier au décollage et à l’atterrissage, ce qui permet de réduire les nuisances à proximité des aéroports. Ce bénéfice est renforcé par le premier : l’absence d’émissions polluantes à proximité des aéroports dans les phases de décollage, d’atterrissage et au sol.

Enfin, en découplant physiquement la fonction de génération de puissance de la fonction propulsive, l’électrification permet de mettre en œuvre une propulsion distribuée, constituée d’hélices réparties le long de la voilure de l’avion. Une telle configuration présente plusieurs avantages sur le plan aérodynamique, notamment une diminution des pertes d’énergie liées aux frottements qui pourrait se traduire par une baisse de la consommation d’énergie de 20 % à 30 %. Potentiellement, elle accroît également la portance à basse vitesse, ce qui permet un décollage et un atterrissage sur de courtes distances et par conséquent l’accès à un plus grand nombre d’aéroports.

En 2017, l’ONERA a annoncé le projet AMPERE (avion à motorisation répartie électrique de recherche expérimentale) [67] portant sur un démonstrateur d’avion à propulsion électrique distribuée permettant de transporter de 4 à 6 passagers sur 500 kilomètres, puis en 2019 le projet DRAGON, qui « vise à évaluer les avantages et les inconvénients de la propulsion électrique distribuée pour un avion de ligne (150 passagers et une vitesse de croisière autour de Mach 0.8) ». L’ONERA estime que par rapport à un avion mis en service en 2014, la propulsion distribuée pourrait réduire la consommation de kérosène de plus de 25 % pour un vol de 1 400 kilomètres.

2. Batteries et câblage : un enjeu de poids et de sécurité

Si les moteurs électriques bénéficient d’un très bon rendement par rapport aux moteurs thermiques, la chaîne propulsive électrique présente un défaut majeur : un poids plus élevé que celui d’un chaîne propulsive classique.

Ce problème de poids résulte avant tout de la très faible densité énergétique massique des batteries. En effet, à l’heure actuelle, la densité énergétique massique des batteries lithium‑ion se situe aux alentours de 250 Wh/kg, alors que celle du kérosène est d’environ 12 000 Wh/kg. La densité énergétique massique de ce dernier est donc 48 fois supérieure à celle des batteries.

Une étude récente de la NASA conclut que les seuils de densité énergétique des batteries permettant l’usage d’avions électriques pour l’aviation générale et régionale sont respectivement de 400 Wh/kg et de 750 Wh/kg [68].

Densité énergétique des batteries nécessaires à différentes catégories d’avions - Source : BNEF [69]

Tirée par l’industrie automobile, la recherche et développement sur les batteries progresse, comme l’a montré l’audition sur les avancées technologiques en matière de batteries organisée par l’Office parlementaire le 4 mai 2023. Plusieurs nouvelles technologies de batteries sont au stade de la recherche et développement ou de l’industrialisation : les batteries lithium‑fer‑phosphate, les batteries lithium‑soufre, les batteries sodium‑ion, les batteries « tout solide », les batteries lithium‑air, etc.

Malgré ces évolutions, la densité énergétique des futures batteries restera très en-deçà de celle des carburants liquides. La plus prometteuse à moyen terme serait la technologie « tout solide » à anode lithium métallique qui pourrait atteindre une densité énergétique de 400 Wh/kg, ce qui correspondrait à la densité nécessaire à l’aviation générale, comme le montre le graphique ci-dessus. Mais l’audition précitée a mis en évidence l’incertitude qui pèse sur le délai d’industrialisation de cette technologie.

Un autre handicap notable des batteries concerne l’évolution du poids de l’avion durant le vol : alors que celui du kérosène diminue avec la distance parcourue, le poids des batteries reste constant. Cette stabilité a un impact direct sur la consommation d’énergie durant le vol, d’autant qu’elle nécessite aussi un renforcement de l’aéronef, qui doit supporter un poids élevé à l’atterrissage.

Par ailleurs, les batteries destinées à l’aviation doivent répondre à des contraintes spécifiques, en particulier des cycles de charge et de décharge rapide, plus nombreux que dans l’automobile. Pour rentabiliser leur flotte, les compagnies aériennes cherchent en effet à minimiser le temps d’immobilisation au sol entre deux vols, lesquels doivent s’enchaîner rapidement dans une journée.

Enfin, les batteries requièrent la mise en œuvre de systèmes de protection contre l’emballement thermique, une surcharge pouvant conduire à leur inflammation. Cet inconvénient est un frein à la certification des avions électriques.

Le câblage, autre élément clé dans la chaîne de propulsion électrique, renforce ce problème de poids excessif. La réduction des pertes thermiques le long des câbles nécessite la mise en œuvre de fortes tensions, de l’ordre de 800 volts. Cette contrainte conduit à utiliser des câbles de fort diamètre, donc lourds, destinés à prévenir les risques de sécurité : arcs électriques, courts-circuits, décharges partielles, etc.

La poursuite de la recherche et développement sur les batteries, la distribution à haute tension et l’électronique de puissance sont de ce fait indispensables pour le développement de la propulsion électrique dans l’aviation.

La supraconductivité ouvre l’une des pistes les plus prometteuses pour répondre aux contraintes de câblage liées à la haute tension dans l’aviation. Elle permettrait d’alléger les câbles destinés à transporter de fortes puissances, supérieures au mégawatt. Les matériaux supraconducteurs présentent en effet une résistance quasi nulle à température cryogénique. Ils permettent ainsi de réduire la tension du réseau pour transmettre la même puissance, donc de diminuer significativement la masse de câble nécessaire. Les circuits se trouveraient allégés et l’utilisation de fortes puissances pour le transport régional serait facilitée.

De fin 2020 à fin 2023, Airbus a développé avec succès, dans le cadre du projet ASCEND (Advanced Superconducting and Cryogenic Experimental powertrain Demonstrator), un démonstrateur de système de propulsion cryogénique de 500 kilowatts, constitué d’un conducteur de courant supraconducteur, d’une unité de commande de moteur cryogénique et d’un système de refroidissement, ainsi que d’un moteur supraconducteur.

Source : Airbus

3. Les limites des applications de la propulsion 100 % électrique

En raison des contraintes liées à la faible densité énergétique des batteries, il est aujourd’hui difficile d’envisager un avion entièrement électrique capable d’emporter un grand nombre de passagers sur de longues distances.

De plus, les contraintes de sécurité liées à l’électrification et l’absence de recul dans ce domaine ont pour conséquence un processus de certification allongé.

Par ailleurs, un avion vole en général 25 à 30 ans, alors que la durée de vie de batteries au lithium est en moyenne 10 ans et pourrait être plus courte dans l’aviation en raison des contraintes d’utilisation spécifiques précédemment évoquées. Ces batteries devront donc être remplacées à plusieurs reprises durant la vie d’un avion.

Enfin, comme pour l’utilisation d’automobiles sur autoroute, la présence de bornes de recharge rapide dans les aéroports sera indispensable au développement des avions à propulsion électrique.

Trois solutions de recharge sont envisageables [70] : des chargeurs fixes de puissance variable, de quelques dizaines à quelques centaines de kilowatts, sur les aires de stationnement des avions ou sur des aires dédiées au stationnement de longue durée, qui permettraient de les recharger durant leur temps de rotation ; des chargeurs mobiles, distribuant de l’électricité stockée dans des batteries ou produite par une pile à combustible à partir d’hydrogène ; le remplacement des batteries vides par des batteries rechargées, ou « battery swapping », ce qui pourrait renforcer les problèmes de certification compte tenu des conséquences potentielles d’un tel échange.

4. Safran, acteur majeur de la propulsion électrique

L’avance prise par le motoriste français Safran dans l’aviation électrique se traduit par son omniprésence dans les projets innovants en France comme à l’étranger. Sa filiale Safran Electrical & Power se positionne sur l’ensemble de la chaîne de propulsion avec la gamme de moteurs ENGINeUS, les batteries GENeUSPACK et le système de gestion de puissance GENeUSGRID.

Safran propose trois moteurs de capacités différentes, adaptés à plusieurs segments du marché : un moteur de 50 kilowatts pour les avions de tourisme, un moteur de 100 kilowatts destiné à des avions de quelques places et un moteur de 750 à 1 000 kilowatts qui permettra d’équiper des avions d’une dizaine de places.

Ces moteurs intègrent l’électronique de puissance, ce qui permet de supprimer des câbles et des filtres, donc de réduire la masse de la chaîne de propulsion. En plus d’un système de détection des courts-circuits, un système de gestion de la batterie mesure l’état de charge pour éviter l’emballement thermique, et des protections adaptées sont mises en œuvre pour les équipements haute tension, de 500 à 800 V.

Safran vise une certification de ses moteurs par l’EASA en 2024 et a déjà signé des accords avec plusieurs constructeurs d’avions électrifiés français et étrangers.

5. Les applications des avions 100 % électriques

En raison des limitations imposées par la technologie, un seul avion entièrement électrique est aujourd’hui certifié dans le monde : le Pipistrel Velis Electro [71]. La certification a été délivrée en juin 2020 par l’AESA. Ce biplace développé en Slovénie est principalement destiné à la formation des pilotes. Doté d’un moteur de moins de 60 kilowatts, il peut voler durant 50 minutes à une vitesse maximale de 170 km/h et à une altitude allant jusqu’à 3 600 mètres.

Plusieurs constructeurs développent également de nouveaux avions d’entraînement entièrement électriques destinés aux écoles de pilotage.

En France, la start-up toulousaine Aura Aero devrait être le premier constructeur à commercialiser un avion de voltige et de formation à motorisation électrique : l’Integral E. Ce biplace 100 % électrique est motorisé par le moteur électrique Safran ENGINeUS de 100 kilowatts. L’Integral E pourrait entrer en service d’ici 2026.

Aura Aero Integral E (source : Aura Aero)

L’entreprise a levé 60 millions d’euros en 2023 et emploie actuellement environ 300 personnes. Sous réserve de rassembler les fonds nécessaires, elle devrait prochainement déposer un permis de construire pour une usine située aux environs de l’aéroport Toulouse-Francazal, qui pourrait employer jusqu’à 1 500 personnes d’ici 2028.

Safran collabore aussi avec la société américaine Bye Aerospace, qui développe un avion destiné aux écoles de pilotage.

Malgré les limitations actuelles de la technologie électrique, certaines start-up envisagent d’ores et déjà d’étendre l’utilisation de l’avion électrique aux liaisons régionales, avec un nombre significatif de passagers.

En France, la start-up Enuee, basée à Saint-Étienne, développe ainsi un avion électrique destiné au segment des avions navettes (en anglais commuters). Capable de transporter jusqu’à 19 passagers sur 500 kilomètres, cet avion pourrait voler d’ici 2030.

Aux États-Unis, la société Eviation Aircraft propose un avion destiné à transporter 9 passagers sur une distance de près de 500 kilomètres. La certification et la commercialisation de cet avion sont prévues pour 2027.

La start-up néerlandaise Elysian Aircraft est encore plus ambitieuse, puisqu’elle conçoit un appareil destiné à transporter 90 passagers sur une distance de 800 kilomètres, sur la base de batteries dont la densité serait de 360 Wh/kg. La démonstration de faisabilité de cet avion se fonde sur deux études publiées avec l’université de Delft [72] [73].

Ces entreprises considèrent que la faible densité massique des batteries est susceptible d’évoluer durant leur phase de développement et qu’elle n’est pas le seul facteur à prendre en compte dans l’évaluation du potentiel de l’aviation électrique. D’autres aspects techniques, comme le rendement des moteurs électriques et l’amélioration des performances aérodynamiques doivent aussi être intégrés.

Le rendement d’un moteur thermique « du réservoir à la roue » est estimé en moyenne à environ 28 %, alors que celui des moteurs électriques est de l’ordre de 90 %. Ce différentiel réduit le rapport entre les batteries et le kérosène de 1 pour 48 à 1 pour 15. Si des batteries avaient une densité énergétique de 600 Wh/kg, le rapport ne serait plus que de 1 pour 6,2. L’optimisation aérodynamique résultant de la propulsion distribuée et de l’injection de couche limite, adaptées à l’aviation électrique, pourraient diviser par un facteur 3 à 5 la consommation d’énergie en vol. En utilisant la valeur moyenne de 4, le rapport des batteries au kérosène se trouverait ramené à 1 pour 1,5, comme illustré ci-après.

Caractéristiques comparatives de la propulsion électrique par rapport aux aéronefs conventionnels [74]

Les taxis volants électriques ou eVTOL

Parallèlement au développement des premiers avions 100 % électriques, quelque 1 000 projets d’avion électrique à décollage et atterrissage vertical (eVTOL) ont été recensés à travers le monde [75]. Le déploiement de ces aéronefs à grande échelle pourrait aboutir à la création de réseaux de taxis volants dans 60 à 90 villes, pour un total d’environ 50 000 eVTOL, à l’horizon 2035 [76].

Les eVTOL étant avant tout destinés à remplacer des transports terrestres, ils ne répondent pas directement à la problématique de décarbonation de l’aviation actuelle, mais sont plutôt un nouveau domaine d’application de l’aéronautique. Toutefois, les innovations techniques développées pour ces appareils bénéficieront à l’électrification de l’aviation en général.

Les eVTOL, qui combinent les avantages de l’électrification avec la capacité de décollage et d’atterrissage vertical, sont généralement classés en trois grandes catégories, en fonction de leur configuration et de leur mode de propulsion.

Les eVTOL dits « multirotor », similaires aux drones quadricoptères, sont dotés de plusieurs rotors assurant le décollage, l’atterrissage et le vol. Chaque rotor est propulsé indépendamment par un moteur électrique. Ces eVTOL sont relativement simples de conception, maniables et la redondance des rotors permet de continuer le vol en cas de panne d’un moteur.

Volocopter Volocity (source : Volocopter)

Les eVTOL dits « tiltrotor » sont dotés de rotors qui peuvent pivoter (en anglais, tilt) pour permettre à l’appareil de décoller et d’atterrir verticalement comme un hélicoptère, puis de poursuivre en vol horizontal, comme un avion classique. Ces appareils sont plus efficaces que les « multirotor » pour les trajets longs mais plus délicats à mettre au point, compte tenu de la gestion du basculement d’un mode à l’autre.

Lillium Jet (source : Lillium)

Les eVTOL dits « lift+cruise » (en français, « ascension+croisière ») disposent de deux systèmes de propulsion distincts : un système dédié au décollage et à l’atterrissage vertical, un autre pour le vol de croisière horizontal, avec des ailes fixes et des moteurs séparés. Ces appareils sont rapides mais relativement lourds puisqu’ils combinent deux systèmes complémentaires.

Airbus NextGen (source : Airbus)

Les eVTOL pourraient prochainement transformer les déplacements autour des centres urbains sur de relativement courtes distances, de l’ordre de quelques dizaines de kilomètres. S’agissant d’aéronefs assez innovants destinés à être déployés dans un environnement densément peuplé, leur certification fait évidemment l’objet de beaucoup d’attention. Mais leur déploiement à grande échelle pourrait se heurter à l’hostilité des populations : elles ne verront pas nécessairement d’un bon œil la multiplication d’engins volants qui, bien qu’assez silencieux et non polluants, perturberont leur environnement. Il sera aussi nécessaire d’imaginer un mode de gestion adapté de l’espace aérien et de recruter un grand nombre de pilotes, du moins pour les eVTOL non autonomes [77].

Il n’en reste pas moins que les projets les plus avancés d’eVTOL devraient prochainement obtenir une certification pour leur exploitation commerciale. L’Administration de l’aviation civile de Chine (CAAC) a d’ailleurs certifié, au début du mois de mai 2024, un premier eVTOL sans pilote, l’EHang EH216-S.

En France, le développement des eVTOL est encouragé, sous la supervision de la DGAC. À l’occasion des Jeux olympiques de juillet 2024, le constructeur allemand Volocopter et le groupe ADP espèrent pouvoir réaliser des vols de démonstration entre plusieurs vertiports en région parisienne, afin de démontrer la fiabilité du service et de tester son intégration au trafic aérien.

6. L’hybridation, nouvelle perspective pour l’aviation régionale

a. Une réponse aux limites actuelles du 100 % électrique

Les avions électriques étant, en l’état actuel des technologies, bridés à la fois dans leur capacité d’emport et leur rayon d’action, la propulsion hybride électrique cherche à s’affranchir de ces limitations, en associant une motorisation thermique à la motorisation électrique.

L’ajout d’une motorisation thermique permet en particulier de bénéficier de la densité énergétique massique très élevée du carburant d’aviation, mais elle génère des émissions et du bruit. Il est envisageable de minimiser cet inconvénient en faisant appel en priorité à la motorisation électrique dans certaines phases du vol, par exemple lors de l’atterrissage et du décollage.

b. Les architectures propulsives hybrides

En pratique, l’hybridation électrique peut prendre plusieurs formes, suivant les caractéristiques recherchées.

Une configuration hybride en série comprend une turbine qui alimente, via un générateur et un convertisseur de puissance, un pack de batteries et un ou plusieurs moteurs électriques assurant la propulsion. Le principal avantage de cette configuration est qu’elle permet à la turbine d’être en permanence dans des conditions de fonctionnement optimales, ce qui présente un avantage substantiel en termes de consommation de carburant et de maintenance. Son principal inconvénient est que le ou les moteurs électriques assurent seuls la propulsion et doivent donc être spécifiés pour délivrer la puissance maximale nécessaire à l’avion, ce qui se traduit par un supplément de poids [78].

Configuration hybride en série

Dans une configuration hybride en parallèle, une boîte de transmission permet d’entrainer l’hélice soit avec une turbine, soit avec un moteur électrique, soit avec les deux. La turbine peut aussi assurer la charge de la batterie, le moteur électrique fonctionnant alors comme un générateur. Plus complexe que la précédente, cette configuration génère moins de pertes de conversion, mais oblige la turbine à tourner dans des conditions non optimales.

Configuration hybride en parallèle

Une configuration turboélectrique comprend une ou plusieurs turbines chacune associée à un générateur qui alimente directement un ou plusieurs moteurs électriques. La conversion de l’énergie thermique à l’énergie électrique induit une perte de rendement, mais permet de profiter des avantages d’une propulsion distribuée. Toute l’énergie utilisée provient du carburant alimentant les turbines.

Configuration turboélectrique

Une configuration partiellement turboélectrique est similaire à la précédente, mais la turbine entraine également directement une hélice, en parallèle des moteurs électriques.

Une configuration série-parallèle partiellement hybride reprend le principe de la configuration partiellement turboélectrique en lui adjoignant un pack de batteries qui augmente le poids de l’ensemble, mais permet le vol sans utiliser la turbine.

Chacune de ces configurations est plus complexe qu’une chaîne de propulsion 100 % électrique qui ne comporte qu’un pack de batteries et un ou plusieurs moteurs électriques.

c. Une option adaptée aux vols régionaux

À l’occasion de leur séjour aux États-Unis, les rapporteurs ont pu constater l’absence de remise en cause du transport aérien, qui s’explique facilement par la nécessité de ce mode de transport pour relier des destinations parfois éloignées de plusieurs milliers de kilomètres.

Ils ont été plus surpris de mesurer l’importance du développement de l’aviation régionale dans ce pays, qui résulte probablement de la multiplicité des liaisons possibles entre des villes situées à des distances plus réduites.

Ce maillage représente sans aucun doute un atout non négligeable pour l’économie américaine, en permettant de répartir largement les activités économiques sur le territoire tout en assurant une communication aisée, par exemple entre une usine et un siège social situé à quelques centaines de kilomètres.

Les compagnies qui assurent ces liaisons exploitent à la fois des avions monocouloirs transportant plusieurs dizaines de passagers, comme l’ATR‑72, et des avions plus petits, par exemple de 9 passagers seulement. La rentabilité des vols n’est pas toujours assurée, si bien que leur maintien nécessite une aide financière des autorités locales.

Ces compagnies s’intéressent de très près aux avions hybrides électriques – certaines en ont précommandé jusqu’à une centaine – car ils présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent particulièrement bien adaptés aux liaisons régionales.

Leur premier atout concerne la consommation de carburant et les émissions de CO2, qui pourraient se trouver significativement diminuées sur des vols courts. L’ampleur de ce gain en consommation et en émissions dépendra évidemment des performances des aéronefs et de leur adaptation aux distances parcourues. Mais le prix des billets pourrait s’en trouver nettement diminué, tout comme l’impact des vols sur l’environnent.

Pour les liaisons les plus courtes, il est même envisageable que les vols puissent s’effectuer entièrement en mode électrique, la propulsion thermique apportant simplement le supplément de rayon d’action exigé par la certification pour faire face à l’attente au-dessus d’un aéroport ou à un déroutement. Pour les liaisons plus longues, l’énergie électrique évite d’utiliser le carburant sur une partie du vol et permet d’exploiter les moteurs thermiques de façon optimale.

Un deuxième avantage concerne le bruit et la pollution qui pourraient être diminués dès lors que le décollage, l’atterrissage et le roulage au sol seraient effectués en mode électrique. Réduire les nuisances pourrait aussi autoriser une utilisation plus flexible des aéroports, notamment en termes de plages horaires d’exploitation, ce qui se traduirait à la fois par plus de souplesse pour les clients et une baisse de tarification pour l’accès aux aéroports.

Un troisième gain pourrait résulter de la capacité des avions hybrides électriques à décoller et à atterrir sur des pistes courtes, multipliant le nombre des aéroports accessibles. En effet, la motorisation électrique distribuée permet de concevoir des avions présentant une telle caractéristique. Accéder à un plus grand nombre d’aéroports peut conduire à réduire le coût d’accès à ceux-ci et permettre une plus grande proximité avec les clients potentiels.

Enfin, une automatisation poussée de ces avions d’avant-garde ayant une capacité en passagers réduite permettrait éventuellement, sous réserve de l’accord des autorités de certification, de réduire l’effectif des équipages, avec un seul pilote au lieu de deux, donc les coûts de personnel.

Ces évolutions pourraient bouleverser les coûts d’exploitation de l’aviation régionale et réduire ses émissions de gaz à effet de serre, incitant au développement de ces liaisons non seulement outre-Atlantique, mais aussi en Europe. L’arrivée de l’avion hybride électrique va très probablement transformer l’image de l’aviation régionale et ses usages.

Compte tenu de leur faible capacité, ces avions ne se substitueront pas au train, mais ils permettront d’effectuer des trajets directs entre des zones aujourd’hui mal interconnectées et de faciliter la mobilité intrarégionale dans des territoires enclavés. Par exemple, le trajet Toulouse-Clermont Ferrand, réalisé aujourd’hui en neuf heures avec le train, pourra être effectué en une heure trente avec un avion hybride.

Le développement de l’aviation régionale représentera un levier important pour accélérer la réindustrialisation du pays sur l’ensemble du territoire, non seulement en métropole mais aussi dans les DOM-TOM.

d. Des projets susceptibles d’aboutir prochainement

À l’horizon 2030, une nouvelle offre en matière d’avions hybrides électriques permettra de donner une nouvelle impulsion au développement de vols régionaux d’une dizaine à une vingtaine de passagers. En France, plusieurs entreprises sont impliquées dans le développement de ces aéronefs.

Fruit d’une collaboration initiée en 2019, avec le soutien du CORAC et de la DGAC, entre Safran, Daher et Airbus, le démonstrateur d’avion à propulsion hybride distribuée EcoPulse a pour objectif d’évaluer les avantages opérationnels de l’intégration de ce mode de propulsion. Présenté pour la première fois en 2023 au salon de Paris – Le Bourget, EcoPulse fonctionne avec six propulseurs électriques de 50 kilowatts. Son premier vol à propulsion hybride électrique a eu lieu le 29 novembre 2023, à Tarbes. En s’appuyant sur les acquis de ce démonstrateur, le groupe français Daher prévoit de commercialiser, à partir de 2027, un avion hybride de 6 places dans sa gamme TBM et un avion hybride de 10 places dans sa gamme Kodiak.

Pour sa part, la start-up française Voltaero développe un avion commercial hybride en trois versions : le Cassio 330 (5 sièges, limité à un rayon d’action de 200 kilomètres), le Cassio 480 (6 sièges) et le Cassio 600 (12 sièges avec un rayon d’action de 1 000 kilomètres).

Prototype du Cassio 330 de Voltaero

Les petites distances seraient effectuées intégralement en mode électrique, l’activation du moteur thermique intervenant après 200 kilomètres. Un premier prototype du Cassio 330 a réalisé un tour de France en juillet 2021. La production en série de ce modèle, équipé d’un moteur Safran, pourrait commencer à Rochefort fin 2025, après l’obtention de la certification.

En plus des avions destinés à la formation, Aura Aero conçoit un avion hybride électrique régional : ERA (Electric Regional Aircraft), qui pourra transporter 19 passagers dans un rayon allant jusqu’à 1 500 kilomètres, dont 300 kilomètres parcourus en tout électrique. Par rapport aux avions thermiques actuels de 19 places, l’avionneur toulousain espère réduire de 80 % les émissions et de 50 % les coûts en carburant et en maintenance.

Le premier vol de cet avion devrait intervenir en 2026 et son entrée en service en 2028. Aura Aero totalise déjà 500 précommandes de ce modèle, en majorité auprès de compagnies aériennes américaines. Safran Electrical & Power et Thales participent également au développement de cet appareil.

Design de l’ERA d’Aura Aero

Enfin, des avions à décollage vertical hybrides électriques permettraient d’exploiter des connexions intrarégionales même en l’absence d’aéroport. Ainsi, la start-up toulousaine Ascendance Flight Technologies développe un appareil hybride électrique à décollage vertical capable de transporter quatre passagers sur 400 kilomètres. En utilisant la batterie en phase de décollage et un carburant d’aviation durable en régime de croisière, les émissions de CO2 seraient réduites de 80 %. Le vol d’un prototype est prévu fin 2024 et la mise en service en 2027.

Design du VTOL d’Ascendance Flight Technologies

III. L’avion à hydrogène

Bien que l’idée d’utiliser l’hydrogène comme carburant pour l’aviation remonte aux années 1930, elle ne s’est jamais traduite sur le plan industriel.

En 1937, le premier prototype de turbopropulseur à hydrogène est testé aux États-Unis. Les études sur l’hydrogène se poursuivent dans les années 1950, avec un premier essai en vol en 1958 sur un bombardier. Malgré la capacité opérationnelle du produit, aucune application commerciale n’en découle, en raison de problèmes de coûts logistiques.

Dans les années 1970, la NASA poursuit les études sur le sujet, avec une recherche d’application pour les avions commerciaux à forte capacité d’emport. Du côté soviétique, un prototype d’avion à propulsion hydrogène, le Tupolev Tu-155, une version modifiée de l’avion de ligne Tu-156, effectue son premier vol en 1988. Un seul des trois moteurs utilise de l’hydrogène, les deux autres étant alimentés en kérosène. La dissolution de l’URSS met fin à ce projet.

En Europe, des travaux sont amorcés dans les années 1980 en Allemagne pour des usages de l’hydrogène sur des avions de 25 places, mais les essais en vol, prévus en 2002, n’ont pas lieu faute de financement.

En 2000, le projet Cryoplane – Liquid Hydrogen Fuelled Aircraft System Analysis (en français, Analyse des systèmes d’aéronefs fonctionnant à l’hydrogène liquide), lancé dans le cadre du cinquième programme-cadre européen pour la recherche et l’innovation, étudie la configuration des aéronefs, les systèmes, les composants, la propulsion, la sécurité, la compatibilité environnementale, les sources de carburant, l’infrastructure et les conditions d’une transition [79]. 36 partenaires issus de l’industrie, de la recherche et des universités ont contribué à ce projet sur une durée de 26 mois. Les résultats des études ont confirmé que, d’un point de vue technique, l’hydrogène liquide pourrait devenir un carburant alternatif dans l’avenir.

Par la suite, la disponibilité du pétrole et la certification de biocarburants durables réduisent l’intérêt de la filière aéronautique pour le vecteur hydrogène, malgré quelques prototypes conçus dans les années 2000, comme le premier démonstrateur d’avion à pile à hydrogène conçu par Boeing en 2008, qui effectue un vol de vingt minutes à 100 km/h et à une altitude de 1 000 mètres [80].

En revanche, la propulsion à hydrogène a significativement contribué à plusieurs avancées techniques dans le secteur spatial en France. Airbus, Safran, et par la suite la coentreprise ArianeGroup sont pionniers dans ce domaine. Les lanceurs de la série Ariane sont dotés d’un système de propulsion cryogénique combinant hydrogène liquide et oxygène liquide, une approche distincte de celle adoptée par les fusées Falcon américaines, qui consomment un mélange d’oxygène et de kérosène.

1. L’hydrogène : des propriétés physiques qui créent des contraintes particulières

a. Un problème central : la faible densité volumique d’énergie

La première qualité de l’hydrogène est que son utilisation ne s’accompagne pas d’émissions de CO2. Cet avantage environnemental pourrait constituer son principal atout, à la condition que sa production ne soit pas émettrice de gaz à effet de serre.

Par ailleurs, l’hydrogène présente depuis longtemps un attrait pour les constructeurs d’aéronefs en raison de sa densité massique en énergie d’environ 142 mégajoules par kilogramme (MJ/kg), trois fois plus élevée que celle du kérosène, qui est d’environ 42 MJ/kg. Cette densité permet en théorie un allongement du rayon d’action, suivant la formule de Breguet-Leduc :

$C:\Users\mkrauth\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.MSO\2C43E836.tmp$

Formule de Breguet-Leduc : R est la distance accessible à l’avion, Hv est l’énergie spécifique du carburant, η est l’efficacité combinée propulsive et thermodynamique, g est la constante de gravité, L/D la finesse aérodynamique (où L est la portance et D la trainée), Winit la masse initiale du véhicule incluant le carburant et Wfinal sa masse finale.

Le rayon d’action variant de façon linéaire avec l’énergie spécifique du carburant, l’hydrogène semble donc offrir environ trois fois plus d’autonomie que le kérosène. Par ailleurs, l’hydrogène brûle très facilement, ce qui améliore le fonctionnement du moteur dans les limites extrêmes de l’enveloppe opérationnelle, notamment à haute altitude.

L’avantage théorique de l’hydrogène en termes d’autonomie est en réalité contrebalancé par sa très faible densité volumique d’énergie à pression et température ambiante, de seulement 0,003 kilowattheure par litre, contre 10 kilowattheures par litre pour le kérosène, soit 3 000 fois plus d’énergie dans un même volume.

Pour amener la densité volumique d’énergie de l’hydrogène à un niveau plus acceptable, on peut le compresser tout en lui conservant sa forme gazeuse (CGH2), par exemple à 700 bars, ou le maintenir à une température inférieure à – 253,6° C (20 kelvins) pour lui donner une forme liquide (LH2). L’hydrogène cryo-compressé (CcH2) associe le refroidissement cryogénique, par exemple à 20 K, et la compression, par exemple à 240 bars.

Le tableau suivant compare les densités massique et volumique de l’hydrogène sous ces différentes formes à celle du kérosène.

	Densité massique d’énergie (en kWh/kg)	Densité volumique d’énergie (en kWh/l)
Hydrogène gazeux à 1 bar et à 20° C	33	0,003
Hydrogène gazeux (CGH2) à 700 bars et à 20° C	33	1,5
Hydrogène liquide (LH2) à 1 bar et à 20 K	33	2,8
Hydrogène cryo-compressé (CcH2) à 240 bars et à 20 K	33	3,5
Kérosène	12	10

Pour obtenir la même quantité d’énergie que celle disponible dans un volume donné de kérosène, il faudrait donc emporter un volume d’hydrogène gazeux 7 fois plus grand, un volume d’hydrogène liquide 4 fois plus grand et un volume d’hydrogène cryo-compressé 3 fois plus grand.

Chacun de ces modes de stockage de l’hydrogène présente des avantages et des inconvénients.

Le stockage sous haute pression pose des problèmes de sécurité et de poids du réservoir : ses parois doivent être suffisamment épaisses pour résister à la pression très élevée. De plus, la petite taille de la molécule d’hydrogène crée un phénomène spécifique de fragilisation des matériaux métalliques du réservoir [81].

Le stockage sous forme liquide permet de s’affranchir des contraintes de sécurité liées à la haute pression. Mais la liquéfaction de l’hydrogène est très énergivore : elle représente 35 à 40 % de son contenu énergétique [82], contre 15 % pour sa compression à 700 bars. De plus, la tendance à l’évaporation de l’hydrogène liquide complique son stockage et son transport sur de longues distances.

Par ailleurs, le maintien d’une température basse nécessite des réservoirs de forme cylindrique ou sphérique, mieux adaptée au maintien du froid. Pour de grandes quantités d’hydrogène, ces réservoirs spéciaux sont moins lourds que ceux utilisés pour l’hydrogène compressé à haute pression. Cette relative légèreté explique probablement que la forme liquide de l’hydrogène soit la plus souvent envisagée dans l’aviation.

Maintenir l’hydrogène sous forme cryo-compressée (CcH2) nécessite également un réservoir de forme sphérique ou cylindrique a priori plus lourd que pour l’hydrogène liquide. Mais la cryo-compression permet de réduire considérablement les pertes par évaporation liées au stockage de l’hydrogène liquide. De plus, le remplissage d’un réservoir peut s’effectuer sans nécessiter d’équipement de compression coûteux.

Quelle que soit la forme de l’hydrogène utilisé, son stockage dans les ailes d’un avion apparaît impossible, compte tenu des réservoirs nécessaires. De ce fait, ces réservoirs doivent être placés dans le fuselage, ce qui diminue la place disponible pour les passagers ou oblige à modifier la longueur ou le diamètre du fuselage, donc à augmenter le poids total de l’avion.

La taille et le poids des réservoirs détermineront la longueur possible du trajet et le nombre de passagers transportés. Pour les très long-courriers commerciaux, les interlocuteurs rencontrés s’accordent sur le fait que les réservoirs seraient trop lourds et trop volumineux

Ainsi, une étude réalisée pour le compte du Clean Sky Joint Undertaking (CSJU), partenariat public-privé entre la Commission européenne et l’industrie aéronautique européenne, montre qu’en raison du poids croissant des réservoirs, la consommation énergétique d’un avion à hydrogène par rapport à un avion à kérosène serait réduite de 4 % pour les court-courriers, mais augmentée de 22 % pour les moyen-courriers et de 42 % pour les long-courriers [83].

Les interlocuteurs de Safran rencontrés ont confirmé que l’avion à hydrogène devrait se limiter, au moins dans un premier temps, au transport de 50 à 70 passagers sur des distances d’au plus 1 000 nautiques, soit 1 900 kilomètres.

Par conséquent, l’hydrogène ne pourrait résoudre le problème de la décarbonation des vols long-courriers.

b. De nouvelles exigences de sécurité

L’intégration de l’hydrogène dans les règlements de sécurité et les standards a débuté à l’EUROCAE (Organisation européenne pour l’équipement de l’aviation civile), avec des exigences rigoureuses compte tenu des caractéristiques physiques de l’hydrogène.

L’ONERA souligne que la molécule d’hydrogène étant de très petite taille, elle pourrait facilement s’infiltrer dans les alliages constituant l’avion et les affecter du phénomène de fragilisation précédemment mentionné, ce qui pourrait engendrer des dislocations de structure à long terme. La durée d’exploitation des avions étant au moins d’une trentaine d’années, la question de la résistance des composants est essentielle.

2. Deux modalités d’utilisation de l’hydrogène

a. L’alimentation en hydrogène de turboréacteurs

L’utilisation de l’hydrogène sous forme liquide comme substitut au kérosène dans les turboréacteurs implique des modifications techniques, notamment l’installation d’un échangeur thermique pour réchauffer l’hydrogène liquide et d’un régulateur de flux adapté à sa densité massique plus élevée. Elle présente aussi des difficultés liées à une combustion plus rapide intervenant à température élevée, qui nécessite des composants résistant aux hautes températures ainsi qu’une maîtrise des risques de fuite et d’inflammation.

L’injection d’hydrogène liquide dans les moteurs crée en effet des risques de fuite, d’inflammation ou d’explosion liés au différentiel de température entre l’hydrogène (-253°C) et le moteur (jusqu’à 1 500° C). D’après l’ONERA, la gestion du gradient thermique initial, de -253°C dans le réservoir cryogénique à environ +100°C à l’entrée de la chambre de combustion, est difficile à maîtriser, tout comme la stabilité de la combustion pour toutes les conditions de pression et de température.

Bien qu’il soit similaire à celui du kérosène, le cycle thermodynamique de l’hydrogène nécessiterait une optimisation, notamment en exploitant le potentiel de refroidissement de l’hydrogène liquide, ce qui permettrait de réduire la quantité d’air prélevée à cet effet [84] et d’améliorer ainsi le rendement.

L’hydrogène liquide n’étant plus stocké dans les ailes, il nécessitera des circuits de distribution pour le transfert jusqu’à la chambre de combustion. Outre un alourdissement évalué entre 4 à 8 fois la masse de l’hydrogène embarqué [85], les circuits de distribution devront être cryogéniques et s’adapter au comportement particulier de l’hydrogène liquide, en particulier à sa très grande inflammabilité et à sa propension à fuir.

D’un point de vue environnemental, la combustion de l’hydrogène n’émet pas de CO2, de CO, d’hydrocarbures imbrûlés, ni de particules fines, réduisant significativement, de l’ordre de 80 %, les émissions d’oxydes d’azote (NOx), ainsi que l’ONERA l’a confirmé à l’occasion de tests en situation réelle.

La vapeur d’eau est propice à l’apparition de traînées de condensation et de cirrus induits. Cependant, ceux-ci présentent des propriétés physiques et optiques différentes de celles des cirrus générés par les moteurs thermiques à kérosène, ce qui pourrait conduire à une réduction du forçage radiatif de 20 % [86].

b. L’utilisation de l’hydrogène dans une pile à combustible

L’utilisation de l’hydrogène dans une pile à combustible permet d’alimenter un moteur électrique entraînant une hélice. Utilisant un principe inverse de celui de l’électrolyse, une pile à combustible permet de transformer l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique.

Les piles à combustible à hydrogène présentent une densité énergétique supérieure à celle des batteries, réduisant ainsi le poids lié au stockage d’énergie. Un ensemble de piles délivrant 150 kilowatts pèse environ 50 kilogrammes, contre plusieurs centaines pour un pack de batteries lithium-ion de puissance comparable. Ceci rend cette technologie particulièrement adaptée au transport aérien de moyenne capacité, la propulsion électrique à batteries étant à ce jour limitée à des avions de petite taille.

En plus du choix de l’emplacement des réservoirs d’hydrogène, se pose la question de l’emplacement des piles à combustible [87]. Leur installation près des réservoirs, dans le fuselage, pourrait réduire la longueur des conduites d’hydrogène mais nécessiterait des câbles électriques plus épais en raison des contraintes de sécurité thermique, alourdissant l’avion. L’utilisation de câbles supraconducteurs, plus légers, limiterait cet inconvénient mais elle est technologiquement peu mature.

Une alternative consiste à installer les piles à combustible dans la nacelle, près du moteur électrique, ce qui réduit la longueur des câbles et facilite la gestion thermique car il est plus facile de dissiper la chaleur produite par la pile à combustible dans la nacelle que dans le fuselage.

Les performances des piles à combustible restent inférieures à celles des turboréacteurs, la puissance des moteurs qu’elles alimentent étant limitée. Leur utilisation est donc réservée aux avions de taille moyenne ou d’affaires [88] de quelques dizaines de passagers. L’hydrogène peut être stocké sous forme liquide ou gazeuse, avec un rayon d’action, à volume de réservoir équivalent, respectivement de 1 000 ou 750 kilomètres [89].

Au regard des émissions, l’emploi d’hydrogène dans des piles à combustible présente plus d’atouts que dans les turboréacteurs : lorsqu’il alimente une pile à combustible, l’hydrogène n’est pas brûlé et ne produit donc ni CO2, ni NOx.

Yannick Assouad a souligné lors de son audition qu’il est encore trop tôt pour déterminer si l’utilisation de l’hydrogène dans les piles à combustible est préférable à son usage dans les moteurs thermiques.

c. Le potentiel d’une configuration mixte

Une dernière option consiste à combiner l’utilisation de l’hydrogène dans les turboréacteurs pour la propulsion et dans une pile à hydrogène pour électrifier les fonctions annexes : entrées d’air, systèmes de l’avion, hybridation lors du décollage et du vol. Cette configuration mixte permettrait d’augmenter significativement l’efficacité énergétique des moteurs actuels, qui est aujourd’hui de l’ordre de 40 % avec du kérosène. Un taux d’efficacité énergétique de 70 % à 90 % pourrait être atteint.

3. De nombreux projets d’avions à hydrogène en cours de développement

Des entreprises de toutes tailles, du leader mondial Airbus aux start-up, en France comme à l’étranger, travaillent sur la conception d’avions à hydrogène et, pour certaines, font déjà voler des prototypes.

En 2020, Airbus a relancé les études sur l’utilisation de l’hydrogène pour la propulsion aéronautique, avec le programme ZEROe qui vise à commercialiser un premier avion à hydrogène en 2035. Soutenu par le plan de soutien à l’aéronautique de 2020, le projet doit explorer plusieurs solutions de motorisation : turboréacteur, turbopropulseur ou pile à combustible, ainsi que différentes architectures de cellule.

Vue d’artiste de l’un des projets ZEROe d’Airbus

Trois concepts sont à l’étude : un moyen-courrier de 120 à 200 passagers propulsé par un turboréacteur spécialement modifié, capable d’effectuer des vols de plus de 3 500 kilomètres ; un avion régional de 100 passagers utilisant un turbopropulseur, capable de parcourir plus de 1 800 kilomètres ; une aile volante à fuselage intégré de 200 passagers propulsée par des turboréacteurs à hydrogène, dont le rayon d’action sera comparable à celui du concept de moyen-courrier. Pour les avions de forme conventionnelle, l’hydrogène à très basse température serait stocké dans des réservoirs situés dans la partie arrière du fuselage. Le choix entre ces trois concepts aura lieu vers 2025, la commercialisation d’un premier appareil étant prévue pour 2035.

Dans le cadre du programme ZEROe, des tests en vol des moteurs à hydrogène sont d’ores et déjà prévus. Airbus a noué un partenariat avec CFM International pour préparer un vol d’essai qui sera effectué fin 2026 par un Airbus A380 équipé d’un turboréacteur fonctionnant à l’hydrogène.

En septembre 2023, le premier vol habité d’un avion à pile à combustible à hydrogène a été réalisé dans le cadre du projet européen Heaven destiné à démontrer la faisabilité de l’utilisation de l’hydrogène cryogénique à bord d’un avion. Le démonstrateur quadriplace HY4 de la société allemande H2Fly, spécialiste des piles à combustible, a effectué plusieurs vols. Cette société envisage d’étendre la technologie à l’aviation régionale, en développant de nouvelles piles à combustible, plus puissantes.

De son côté, la start-up française Blue Spirit Aero, lauréate en 2023 de « France 2030 », développe un avion d’aéroclub de quatre places, capable de voler durant 3 heures sur 700 kilomètres, qui pourra être par la suite décliné en une famille d’avions plus grands. Le concept repose sur une propulsion électrique distribuée, plusieurs groupes propulsifs étant installés tout au long de la voilure. Chacun comporte sa propre chaîne de traction hydrogène, avec un réservoir d’hydrogène gazeux, une pile à combustible et une hélice. Cet avion sera prioritairement destiné aux écoles de pilotage professionnelles.

En effet, Olivier Savin, son fondateur et PDG, a indiqué qu’il sera nécessaire de former dans les vingt prochaines années environ 30 000 pilotes par an dans le monde, contre 10 000 actuellement. De plus, la moyenne d’âge de la flotte des écoles s’établissant à 45 ans, son renouvellement devient inévitable. La France compte à elle seule un millier d’écoles de pilotage et plus de 2 000 avions-écoles en service. Compte tenu des options technologiques prudentes retenues, Blue Spirit Aero espère obtenir une certification de son premier avion dès 2025, pour une commercialisation en 2026.

Vue du projet Dragonfly (source : Blue Spirit Aero)

La startup Beyond Aero, basée à Toulouse, conçoit elle aussi des avions dotés d’un système de propulsion électrique à hydrogène. En février 2024, Beyond Aero a réalisé le premier vol d’un avion français propulsé par une motorisation hybride-électrique à hydrogène : l’ULM G1, baptisé Blériot, est motorisé par une chaîne propulsive prototype, comportant une pile à combustible alimentée en hydrogène gazeux, couplée à une batterie électrique.

Beyond Aero prévoit de mettre sur le marché l’avion d’affaires hybride-électrique à hydrogène « One », doté d’une capacité de 4 à 8 passagers et capable de franchir une distance de près de 1 500 kilomètres à une vitesse maximale de 575 km/h. Son poids de moins de 8,6 tonnes lui permettrait d’entrer dans le cadre de certification simplifié de la norme CS‑23 [90] (« Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Aeroplanes ») de l’EASA, d’où une commercialisation à partir de 2030.

Proyotype du projet One (source : Beyond Aero)

Pour sa part, la société américaine ZeroAvia prévoit de décliner, entre 2025 et 2029, des piles à combustible à hydrogène destinées à une gamme d’avions régionaux, allant d’une vingtaine de places (puissance de 600 kilowatts) à 90 places (5 mégawatts ou plus).

De fait, les moteurs à pile à combustible à hydrogène étant proches sur le plan fonctionnel des turbopropulseurs, ils peuvent se substituer assez facilement à ces derniers. Universal Hydrogen, qui dispose d’une filiale à Toulouse, a présenté un kit de conversion à l’hydrogène permettant d’équiper certains avions régionaux à turbopropulseurs actuels, tels que l’ATR‑72 ou le De Havilland Canada Dash‑8, de moteurs électriques alimentés par une pile à combustible à hydrogène, ainsi que de réservoirs internes d’hydrogène liquide (LH2). L’installation de ces réservoirs substituables d’une largeur de deux mètres nécessite de supprimer une partie des sièges. Un ATR‑72 conserverait ainsi une capacité d’une cinquantaine de passagers. L’un des points forts de cette solution, outre la réutilisation des flottes existantes, est que la certification d’un avion modifié sera plus simple que celle d’un aéronef à hydrogène radicalement nouveau.

Le rayon d’action d’un ATR‑72 ainsi converti à l’hydrogène serait d’environ 700 kilomètres, ce qui permettrait de couvrir une grande partie des routes actuelles de cet avion dans le monde. En mars 2023, un avion Dash‑8 dont l’un des deux turboréacteurs a été remplacé par un groupe motopropulseur électrique à pile à combustible a effectué un premier vol de 15 minutes. En juin 2023, il a atteint une altitude de 3 000 mètres. L’intégration complète de cette solution est prévue pour la fin de l’année 2024.

ATR-72 en cours de conversion à Blagnac (source : Universal Hydrogen)

4. Les enjeux relatifs aux infrastructures aéroportuaires

L’hydrogène utilisé dans les avions devra au préalable avoir été acheminé et stocké dans les aéroports, à moins que ces derniers ne disposent d’infrastructures de production d’hydrogène décarboné sur site, ce qui, compte tenu des volumes requis, semble peu envisageable en l’état actuel des technologies.

Le transport de l’hydrogène s’effectue en général par pipeline, sous forme gazeuse, ou par la route, après compression ou liquéfaction. Les aéroports devront donc disposer d’un raccordement à un pipeline ou être approvisionnés par la route. Ils devront également être dotés d’une plateforme de stockage et, le cas échéant, d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène pour pouvoir mettre celui-ci à la disposition des avions.

L’infrastructure requise pour chaque aéroport apparaît donc substantielle, à la fois par la surface au sol et l’investissement nécessaires. Or, les contraintes de l’aviation commerciale imposent de déployer ces installations à grande échelle : compte tenu des risques de déroutement d’un avion en cas d’incident technique, elles ne peuvent être limitées à quelques très grands aéroports

Lors de son audition, Pierre Farjounel a présenté la solution conçue par sa société pour simplifier le transport et la manipulation de l’hydrogène liquide ou gazeux. Elle est basée sur l’utilisation de réservoirs modulaires transportés des sites de production du gaz jusqu’aux aéroports en utilisant le réseau de fret intermodal et les équipements de manutention existants, minimisant ainsi les contraintes logistiques pour les aéroports (voir figure ci-après). Si une telle solution pourrait réduire les investissements nécessaires dans les aéroports pour la distribution de l’hydrogène, elle nécessiterait, pour être généralisée, une standardisation des réservoirs qui devraient pouvoir être utilisés par tous les avions utilisant de l’hydrogène, indépendamment de leur constructeur.

ADP, qui gère notamment les aéroports Paris-Charles-de-Gaulle et Paris-Orly, a indiqué qu’il est actuellement en discussion avec le gestionnaire du port du Havre afin de prévoir le transport d’hydrogène pour ces deux aéroports, qui sont déjà connectés par pipeline pour leur approvisionnement en kérosène. Pour ADP, les infrastructures hydrogène doivent être planifiées dix ans à l’avance : environ 20 hectares sont d’ores et déjà réservés au déploiement de l’hydrogène à l’aéroport Paris-Charles-de-Gaulle et sont aussi prévus dans le cadre du plan d’aménagement « Paris-Orly 2035 », annoncé le 21 février 2024.

À plus long terme, ADP envisage de combiner liquéfaction sur site et livraison d’hydrogène sous forme gazeuse. La société envisage également d’utiliser l’hydrogène pour décarboner certaines opérations au sol nécessitant de forts appels de puissance, qui ne peuvent de ce fait être électrifiées. Les besoins en hydrogène sont évalués par ADP à 700 tonnes par jour pour l’aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle et à 350 tonnes par jour pour l’aéroport de Paris-Orly. À titre de comparaison, 900 000 tonnes d’hydrogène sont actuellement consommées en France chaque année, ce qui représente environ 2 500 tonnes par jour.

N° 2703		N° 650
ASSEMBLÉE NATIONALE		SÉNAT
CONSTITUTION DU 4 OCTOBRE 1958 SEIZIÈME LÉGISLATURE		SESSION ORDINAIRE 2023 - 2024
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le 30 mai 2024		le 30 mai 2024