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Des carburants plus verts pour l'aéronautique : les travaux d'IFP Energies nouvelles


9 Février 2011

Le transport aérien ne représente actuellement que 2 à 3 % des émissions mondiales de CO 2. Mais le trafic aérien ne cesse d'augmenter. En prévision d’un quasi doublement du trafic d’ici à 2020, l'ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe), qui réunit les acteurs européens de l'aéronautique, a défini des objectifs ambitieux à cet horizon : -  50 % d’émissions de CO 2 par kilomètre passager et -  80 % d'émissions de NOx par rapport à l’année 2000. Ces objectifs ambitieux ont été réaffirmés par les compagnies aériennes lors de l'assemblée générale IATA (Air Transport Association) de juin 2009 : augmentation de l'efficacité énergétique de 1,5 % par an jusqu'en 2020, "carbon neutral growth" (c'est-à-dire une compensation totale au niveau émissions de CO 2 de l'augmentation du trafic aérien) à partir de 2020 et réduction de 50 % des émissions de CO 2 en 2050 par rapport aux émissions 2005.

 
Des réductions d'émissions de CO 2 peuvent être atteintes via des évolutions technologiques (allègement des aéronefs, amélioration de l'aérodynamisme des appareils, optimisation du trafic aérien, etc.), mais il semble acquis que seul un recours massif aux biocarburants, au bilan environnemental prometteur, permettra d'atteindre ces objectifs ambitieux. IFP Energies nouvelles (IFPEN) s’investit donc fortement dans cette voie.
 

Faire évoluer le kérosène

Des vols d’essais faisant exclusivement appel à des carburants alternatifs ont d'ores et déjà été réalisés avec succès, mais transformer ces expérimentations en un déploiement à grande échelle représente un défi de taille pour la R&D. Le déploiement des carburants alternatifs se heurte en effet aux contraintes très spécifiques de l’aéronautique en termes de sécurité, de logistique et de spécification des carburants, et aux énormes quantités nécessaires pour remplacer le kérosène. Il faut rappeler que le kérosène, en raison de son utilisation transcontinentale, est le seul carburant universel doté partout dans le monde de contraintes qualité harmonisées. En termes de spécifications, il est également un fluide remarquable : il reste limpide jusqu’à – 47° C, et comme il sert aussi bien à faire fonctionner les moteurs qu’à réchauffer l’habitacle et à refroidir les huiles, il doit pouvoir subir sans dégradation des cycles de températures très contraignants. Enfin et surtout, il apporte toutes les garanties nécessaires à la sécurité des vols.
 
Aussi, compte tenu de toutes ces contraintes, c'est la voie dite "drop-in fuels" qui est aujourd'hui privilégiée. Il s'agit de développer des carburants alternatifs pouvant être incorporés en toutes proportions au kérosène conventionnel sans en perturber les propriétés et sans nécessiter de modification des organes moteur d'avion.
 

Quels carburants alternatifs pour le secteur aérien ?

En s'appuyant sur ses compétences dans le domaine des procédés de fabrication des carburants "bas carbone" et de l'étude de l'adéquation moteurs/carburants, IFPEN contribue à la recherche de solutions alternatives au kérosène pétrolier. Ses travaux visent à définir les qualités carburant optimales pour assurer le bon fonctionnement des aéronefs (analyse des carburants, essais de combustion et de modélisation), à développer les process visant à produire ces carburants et à définir les stratégies d'incorporation. De nombreux travaux sont également menés afin d'assurer la viabilité économique et environnementale des filières envisagées.
À court et moyens termes, deux voies prometteuses sont plus particulièrement en cours de développement à IFPEN :

LES HUILES VEGETALES HYDROTRAITEES

La première voie consiste à utiliser des huiles végétales (colza, soja, palme, jatropha, etc., et à plus long terme des algues) pour produire des hydrocarbures. En leur faisant subir une opération d’hydrotraitement pour enlever l'oxygène, il est possible de transformer ces huiles en paraffines, et de là en carburants, et en particulier en kérosène via un traitement complémentaire assurant une bonne tenue à froid des produits. Avantage de ces huiles végétales hydrotraitées (HVO) : elles permettent de réduire sensiblement les émissions de gaz à effet de serre des appareils. Preuve de l’intérêt des industriels : un premier carburant constitué de 50 % de HVO et de 50 % de kérosène devrait être certifié dès 2011 en Europe.

IFP Energies nouvelles a développé avec la société Axens le procédé Vegan™, permettant de produire du biokerosène à partir de sources renouvelables comme les huiles végétales non alimentaires, les graisses animales, voire à plus long terme les huiles algales. Vegan™ transforme les lipides produits par les organismes vivants (plantes oléagineuses, animaux, algues) en hydrocarbures identiques à ceux produits à partir du pétrole, via un traitement d'hydrogénation puis d'hydroisomérisation. Les bases kérosène ainsi produites sont de très haute qualité et facilement incorporables au kérosène conventionnel.

LES CARBURANTS DE SYNTHESE ISSUS DE LA BIOMASSE

L'autre option concerne le biokérosène de type BtL ( Biomass to Liquid), fabriqué à partir de biomasse lignocellulosique (résidus de bois, pailles de céréales, déchets forestiers). La biomasse est convertie en biokérosène de synthèse par gazéification suivie d'une synthèse Fischer-Tropsch. IFPEN a notamment développé sa propre technologie de synthèse Fischer-Tropsch et fait partie des rares acteurs maîtrisant cette brique fondamentale. Le BtL est une solution très séduisante, susceptible de faire chuter de façon significative les émissions de CO 2. Il reste cependant des défis technologiques à relever avant qu’il ne soit possible de le mettre sur le marché. IFPEN est partenaire du projet BioTfueL, visant à développer à l'horizon 2015-2020 les technologies BtL pour le déploiement d'une filière industrielle, compétitive et durable, qui permettra notamment d'obtenir du kérosène bas CO 2.
 
Pour le long terme, de nouvelles molécules (naphtènes en provenance de la liquéfaction de biomasse, alcools lourds, etc.) sont également à l'étude. Certaines de ces filières, notamment celle des alcools lourds ou autres carburants oxygénés, présentent cependant l'inconvénient majeur de ne pas être "drop-in", ce qui impose de lourds travaux de validation qui ne seront justifiés que si la filière démontre une viabilité tant économique qu'environnementale à long terme.
 

Des projets de recherche collaboratifs dédiés

Les travaux d'IFPEN sont menés en partenariat avec les principaux acteurs du domaine aéronautique (Airbus, Dassault, EADS, Onera, Rolls-Royce, Safran, Sasol, Shell, Snecma, etc.) dans le cadre de différents projets :
- Le projet européen Alfa-Bird a pour but de déterminer la meilleure filière et d'identifier les verrous technologiques restant à lever. IFPEN apporte sa contribution en évaluant la formulation de nouveaux carburants et leur impact sur le fonctionnement des carburants aéronautiques.
- Mené depuis janvier 2009 sous la direction de l’Onera, le projet européen Swafea vise à élaborer une feuille de route pour le déploiement à moyen terme des carburants alternatifs.
- Au niveau national, Airbus a coordonné le programme Calin au sein duquel IFPEN a notamment étudié la stabilité thermique des biocarburants. Le projet a reçu en septembre 2010 le trophée du pôle de compétitivité Aerospace Valley dans la catégorie "Développement durable".
Enfin, sous l'impulsion de la Direction générale de l'aviation civile (DGAC), les acteurs du domaine des carburants aéronautiques (recherche, industrie, pouvoirs publics), dont IFPEN, ont constitué un groupe de travail afin de définir une feuille de route et d'identifier les besoins en termes de recherche et d'investissements.
 

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Anne-Laure

Tel. : 01 47 52 62 07

Fax : 01 47 52 70 96

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