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Quelles perspectives pour les biocarburants dans le secteur aérien?

juillet 2018

Alors que les Ministères des transports et de la transition écologique et solidaire tiennent les Assises nationales du transport aérien jusqu’en septembre 2018, IFPEN revient sur les enjeux liés à l’impact environnemental du transport aérien.
Ce secteur, comme le secteur automobile, doit en effet réduire son empreinte environnementale et trouver des solutions pour voler plus propre et consommer moins d’énergie.

Alain Quignard

 

   
Entretien avec Alain Quignard (IFPEN) sur les solutions en développement.

 

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

A.Q. : Pour le moment, le trafic aérien a un impact modéré et bien moins important que celui du secteur routier. Il est du même ordre de grandeur que celui du transport maritime. Mais comme ces deux secteurs sont en forte croissance, si rien n’était fait, leur impact sur les émissions de gaz à effet de serre, principalement le CO2, mais aussi sur les émissions de polluants (oxydes de soufre et d’azote, particules,…) augmentera fortement.
 
Au niveau mondial, le trafic aérien représente environ 11 % de la consommation de carburant et environ 2 % des émissions de CO2, l’ensemble du transport représentant globalement près du quart des émissions de gaz à effet de serre. En terme de consommation de carburéacteur, cela représente actuellement près de 280Mt/a au niveau mondial, environ 60 Mt/a pour l’Europe et 6.5 Mt/a en France. Mais avec un taux de croissance annuel moyen du trafic aérien compris entre 4 % et 5 % depuis le milieu des années 80, cet impact pourrait doubler en 15 ans, en particulier du fait de la croissance forte du transport aérien en Asie, si rien n’était fait. Avec cette croissance, et malgré les progrès en efficacité énergétique du transport aérien, les prévisions montrent que la demande en kérosène augmente en continu: 1,5 % / an en moyenne jusqu’en 2030.
 
L’augmentation du trafic a également un impact sur notre environnement proche, notamment dans les zones urbaines situées à proximité des aéroports (émissions de NOx, de particules de suies, d'hydrocarbures imbrûlés, bruit...), mais aussi en vol sur la haute atmosphère (émissions de particules et d’oxydes de soufre, et formation de nuages de trainées dont l’effet et la réactivité sont encore mal connus à haute altitude).
 
Par ailleurs, le transport aérien est le seul secteur qui n’a connu aucune sévérisation de la teneur maximale en soufre qui a toujours été limitée à 3000 ppm pour une moyenne mondiale constatée qui se situe autour de 500 ppm alors que tous les carburants terrestres sont déjà pratiquement exempts de soufre ou le seront dans un proche avenir dans la plupart des pays.
 
Si le transport aérien a été exclu du protocole de Kyoto et s’il n’a pas été directement concerné par la COP21, les acteurs de l'industrie aéronautique, regroupés au sein de l'IATA (International Air Transport Agency), se sont néanmoins fixés des objectifs ambitieux : réduire en 2050 les émissions de CO2 de 50 % par rapport à leur niveau de 2005. D’autres travaux au niveau Européen (ACARE1, ATAG2) vont dans le même sens. Au niveau mondial, l’OACI3 a confirmé en 2013 une résolution visant à plafonner les émissions nettes du transport aérien à l’horizon 2020 (objectif collectif global dit du « Carbon neutral growth 2020 »). Plus récemment, l’OACI a adopté un mécanisme universel et contraignant de maîtrise des émissions de CO2 baptisé CORSIA4 du transport aérien international. Ce mécanisme de marché permet de définir la trajectoire vers une croissance neutre en carbone à compter de 2020. Cette nouvelle résolution prévoit le recours à un mécanisme de marché à partir de 2020 permettant de compenser toute augmentation annuelle d’émission nette de CO2 par l’achat de crédits carbone.

 

Vers quelles solutions s'oriente le secteur aérien ?

A.Q. : Pour atteindre ces objectifs, les industriels portent leurs efforts sur plusieurs leviers :

  • La réduction de la consommation des appareils par l'amélioration de l'efficacité des turbines et de l'aérodynamisme, l'allègement des avions : d’après l’IATA les avions  d’aujourd’hui, A350 Neo ou Boeing 787 par exemple, sont 70% moins gourmands en carburant que les premiers jets des années 60, Caravelles ou Boeing 707. Par ailleurs, l'optimisation du trafic aérien (ATM/Air Traffic Management étudié dans le projet européen SESAR5) permet aussi d’augmenter les gains en consommation, de l’ordre de 10 % maximum. A plus long terme, des gains encore plus importants pourraient être atteints avec des conceptions en rupture des moteurs, comme par exemple la configuration Open Rotor.
      
  • Le développement de biocarburants. Il s’agit de remplacer une partie du kérosène d'origine fossile, qui assure aujourd'hui 100 % de l'avitaillement des avions, par des carburants fabriqués à partir de biomasse ou de déchets, avec un bilan environnemental nettement amélioré. Leur utilisation réduit de 50 à 90 % les émissions de gaz à effet de serre par rapport au kérosène actuel, tout en réduisant aussi, à des degrés divers et en fonction de la structure chimique du carburant de synthèse, les émissions de polluants par rapport aux carburéacteurs fossiles, oxydes de soufre et particules notamment.
     
    De très nombreux vols d'essai et commerciaux avec des biocarburants ajoutés à hauteur de 30 à 50% volume dans du jet conventionnel ont d'ores et déjà été réalisés avec succès :
    • Certains vols ont été réalisés avec des biocarburants issus de la conversion d'huiles végétales n’entrant pas en concurrence avec l’alimentaire (carinata, cameline, etc.) ou d’huiles de friture usagées (HEFA-SPK). C’est par exemple le cas du projet européen ITAKA avec 18 vols entre Amsterdam et Aruba suivis par 80 vols opérés par KLM d’Oslo à Amsterdam en 2016.
    • D’autres vols de démonstration ont aussi été réalisés avec du biocarburant obtenu par fermentation des sucres (SIP-SPK) à hauteur de 10% volume. Un essai de démonstration sur un an avec un vol hebdomadaire entre Toulouse et Paris a été opéré en 2016 (projet Lab’line for the Future). L’examen des  données acquises a confirmé qu’il n’y avait pas d’effet observable lié à l’incorporation de biokérosène, ni sur l’opérabilité ni sur la consommation. Par ailleurs, les observations réalisées n’ont pas fait ressortir d’impact notable du biocarburant sur le moteur : performances, opérabilité, état du moteur vu lors des inspections. En un mot le mélange s’est comporté comme un carburant 100% fossile. Bien que d’autres essais aient révélé un effet positif de l’incorporation de carburants de synthèse (FT–SPK, HEFA-SPK), mais à hauteur de 30 %  à 50%, sur les émissions de particules notamment, et bien sûr sur les émissions d’oxyde de soufre, l’addition de biokérosène dans ce cas était trop faible pour pouvoir être conclusif sur ce point.
    • Des essais avec du carburéacteur issus de la synthèse Fisher-Tropsch (FT-SPK) ont aussi été réalisés avec succès, ainsi que quelques vols utilisant un bio-kéroséne obtenu par la voie Alcool to Jet (ATJ-SPK).

Ces différentes voies sont certifiées ASTM international pour une incorporation entre 10 et 50 % volume. L’utilisation de ces bio-kérosènes ne pose aucun problème technique, de sécurité ou d’utilisation. Mais leur utilisation à grande échelle se heurte au manque d’obligation d’incorporation minimale comme pour les biocarburants terrestres. De plus, le kérosène ne pouvant être taxé (accord de Chicago), les Etats ne disposent pas, comme pour les carburants terrestres, du levier fiscal pour compenser des coûts de production plus élevés que ceux du kérosène fossile.
 
L’utilisation de bio-kérosène sur des lignes régulières reste ainsi très limitée. Seul l’aéroport de Los Angeles propose depuis 2017 un mélange à 30% de biocarburants HEFA-SPK produit par la bioraffinerie AltAir Paramount en Californie. Un contrat d’approvisionnement longue durée a été passé avec United Airlines correspondant à une production annuelle de 10 à 20 000 t. Certains autres aéroports comme celui d’Oslo sont aussi équipés pour proposer des mélanges de kérosénes contenant du biocarburant. L’aéroport de Genève / Cointrain a annoncé qu’il proposera fin 2018 un approvisionnement en bio-kérosène. Pour cela, l’aéroport a conclu un accord avec la société Neste pour utiliser des HEFA-SPK issus d’huiles usagées et de graisses animales. Ce carburant sera disponible pour toutes les compagnies, à hauteur de 1 % de HEFA-SPK dans un premier temps. Airbus réalise aussi des livraisons de ses A350 neufs avec 10 % de SIP-SPK vers l’Asie, à partir de l’aéroport de Toulouse, et prochainement à partir d’autres plateformes Airbus

 

A quels critères doivent répondre ces carburants alternatifs ?

A.Q. : Dans le domaine aéronautique, les contraintes sont très fortes : sécurité, contrainte de loin la plus importante, logistique, températures extrêmes d’utilisation, stabilité thermique et à l’oxydation, nécessité d’un même grade de carburant partout dans le monde, etc.... Tout nouveau carburant doit donc offrir les mêmes garanties que les carburéacteurs fossiles utilisés aujourd’hui :

  • Le kérosène doit pouvoir être utilisé partout dans le monde : c'est le seul carburant doté de spécifications harmonisées à l'échelle internationale via l’ASTM international, avec essentiellement un seul grade pour l’aviation civile, le Jet A/A1, et un processus de certification long et coûteux obligatoire pour tout nouveau carburant proposé. L’objectif est de s’assurer qu’il peut être utilisé en toute sécurité dans les aéronefs actuels et à venir, aussi bien civils que militaires. Les carburéacteurs militaires sont dérivés des carburéacteurs civils avec ajout de quelques spécifications souvent plus contraignante comme la tenue à froid, la stabilité et l’ajout d’additifs spécifiques.
      
  • En termes de spécifications, le carburéacteur est un produit très particulier par rapport aux carburants utilisés pour le transport terrestre ou maritime. En effet, il doit pouvoir subir, sans dégradation, des changements importants et rapides de température (de – 55°C en très haute altitude  jusqu’à+ 50°C lors du stationnement sur le tarmac) et de pression (de la pression atmosphérique au sol à une pression de l'ordre de 0,3 bar en haute altitude). Par ailleurs, c’est le seul fluide hydraulique présent sur un avion : il sert à faire fonctionner des actuateurs mais aussi pour refroidir certaines parties du moteur (jouant ainsi le rôle de l’eau dans un radiateur de véhicule terrestre). Il doit donc être très stable thermiquement et à l’oxydation. Enfin, les carburants pour l'aéronautique doivent démontrer leur compatibilité avec l'ensemble des organes moteur et des matériaux en contact avec le carburant, notamment les élastomères utilisés dans les joints.

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

 

Quels sont les travaux conduits par IFP Energies nouvelles ?

A.Q. :  En s'appuyant sur ses compétences dans le domaine des procédés de fabrication des carburants "bas carbone" et sur son expertise en adéquation moteurs/carburants, IFPEN a engagé des recherches sur les solutions alternatives au carburéacteur pétrolier.
 
Les travaux d’IFPEN visent :

  • à développer des procédés de production de ces carburants, avec un bon bilan environnemental et un coût de production acceptable,
  • à définir les qualités optimales des carburants pour assurer le bon fonctionnement des avions : analyse détaillée des carburants, essais de combustion, modélisation des propriétés d’usage en fonction de la structure chimique par exemple,
  • et à définir les stratégies d'incorporation en mélange avec du carburéacteur fossile

IFPEN conduit des recherches sur diverses voies, dont la production de bio-kérosène par hydrotraitement des lipides (HEFA-SPK) et la voie gazéification de la biomasse et synthèse Fisher Tropsch communément appelée voie BtL.

 

Quelles sont les voies sur lesquelles vous travaillez ?

A.Q. : IFPEN a mis au point avec Axens un procédé d'hydrotraitement de lipides, mis sur le marché en 2011 par Axens sous le nom de Vegan™. Celui-ci permet de produire des bio-diesels et des bio-kérosènes. 
    
 IFPEN est aussi partenaire du projet BioTfueL (projet conduit avec Avril, Axens, le CEA, Thyssenkrupp Industrial Solutions et Total), qui vise à développer, pour une commercialisation à l'horizon 2020, la technologies BtL permettant d'obtenir du bio-kérosène (FT-SPK) avec un gain très élevé en émission de CO(>90%) et de très haute qualité. Deux démonstrateurs sont en cours de démarrage :

  •  un prétraitement innovant de la biomasse par torréfaction sur le site Avril de Venette (Oise)
  •  une unité de gazéification de la biomasse torréfiée et de purification du gaz de synthèse pour répondre aux spécifications qu’impose le procédé Fisher Tropsch de transformation du gaz en carburants, près de Dunkerque sur le site industriel mis à disposition par Total.

Par ailleurs IFPEN, avec des partenaires du secteur aérien et de la production/distribution de biocarburants participe activement à de nombreux projets nationaux et européens, comme : CORE-JetFuel, CAER, FORUM-AE, MOCCASSIN, JETSCREEN,...

 

Et dans le domaine des motorisations aéronautiques ?

A.Q. : IFPEN travaille avec les industriels en développant des outils contribuant à l’amélioration de l’efficacité énergétique des motorisations existantes et à la conception de nouvelles architectures moteurs en rupture. IFPEN s’appuie pour cela sur son offre de simulation pour étudier les problématiques telles que la combustion dans les turbomachines, l’électrification et l’hybridation des aéronefs.
 
Nous pouvons accompagner l’ensemble des acteurs publics et privés (avionneurs, motoristes, pétroliers, producteurs de bio-carburants, aéroports…) dans leur démarche d’incorporation de carburants alternatifs dans le carburéacteur d’origine fossile. IFPEN a par exemple développé des techniques pour qualifier et pour quantifier le vieillissement et l’oxydation des carburants, caractéristiques essentielles assez complexes à appréhender et alignées avec les normes aéronautiques existantes et très contraignantes citées précédemment.

 

1 Advisory Council for Aviation Research and innovation in Europe / Conseil Consultatif pour la Recherche et l’innovation  en Aéronautique en Europe
2 Air Transport Action Group
3 Organisation de l’Aviation Civile Internationale
4 Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation
5 Single European Sky ATM Research
 

En savoir plus :

> Les grands débats > Quel avenir pour les biocarburants

 

Liste de liens externes

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Le transport aérien dans le monde

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