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Vers des avions moins polluants

Pour rendre les avions moins polluants, toutes les pistes sont bonnes : les scientifiques tentent d'améliorer les moteurs, les carburants. Mais seul un saut technologique dans la conception des engins permettra de rendre compatible le transport aérien avec des normes environnementales de plus en plus sévères.

Moteur CFM56 - SnecmaLe moteur CFM56-7, conçu par la Snecma, économe en consommation de carburant.
© Éric Drouin / Snecma

On le pointe souvent du doigt, s’agissant de gaz à effet de serre (GES) et de réchauffement climatique. D’aucuns assurent ainsi que le transport aérien compte aujourd’hui pour 5 à 10 % du réchauffement anthropique (causé par les activités humaines). D’autres se réfèrent aux estimations du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), qui pour 1992 évaluait sa responsabilité à 3,5 %. En pratique, évaluer son impact n’est pas chose facile (voir chapitre 1). Les avions modifient en effet les concentrations du dioxyde de carbone (2,5 % du CO2 émis par l’homme), mais aussi celles d’autres polluants qui peuvent refroidir ou réchauffer notre planète. Reste que les rejets de GES imputables au trafic aérien ne cesseront d’augmenter si la croissance du transport aérien continue : il y a donc urgence à les réduire pour ne pas compromettre les efforts faits dans d’autres secteurs. D’ailleurs, l’Union européenne a récemment décidé de soumettre ce secteur au principe des droits à polluer (voir le dossier Bourse au CO2 : à partir de 2008, ce n'est plus pour du jeu !)… À partir de 2012, les compagnies aériennes dont les avions transitent par le sol européen (départ ou atterrissage, même pour une simple escale) seront, comme n'importe quelle industrie, soumises au respect d'un quota d'émission. Elles pourront dépasser ce quota, à condition d'acheter des droits d'émission supplémentaires.

Elles ont donc tout intérêt à utiliser des avions moins polluants, moins gourmands en carburant (voir chapitres 2 et 3). Aujourd'hui, le coût du carburant représente en moyenne 36 % des coûts d’exploitation des compagnies, contre 13 % voilà six ans. Ce qui pousse naturellement l’aviation à devenir plus "verte"… Le programme Clean Sky (littéralement "ciel propre"), lancé en février 2008 par le Conseil consultatif européen ACARE, a d’ailleurs fixé des objectifs ambitieux à l’horizon 2020 : moitié moins de rejets de CO2, 80 % d’oxydes d’azote en moins (NOx), un bruit lui aussi diminué de moitié (voir chapitre 4), le tout avec une conception écologique du cycle de vie des produits (fabrication, maintenance, recyclage).Un programme auquel participe naturellement l’Office national des recherches aéronautiques (Onera), premier acteur français de la recherche aéronautique, spatiale et de défense, qui planche notamment sur la mise au point de carburants alternatifs (voir chapitre 2), de matériaux innovants et de moteurs plus performants (voir chapitre 3).


01.Les avions, quelle pollution ?

Traînée d'avion en altitudeLes traînées de condensation dues à la vapeur d'eau émise en altitude par les réacteurs des avions participent aussi à l'effet de serre.
© SXC
En consommant du kérosène, les moteurs d’avions entraînent de nombreux rejets atmosphériques : du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d’eau (H2O), des oxydes d’azote (NOx), du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures imbrûlés (HC), des oxydes de soufre (SOx) et des particules de suie. Ni CO2 ni H2O ne sont des polluants. Ils sont naturellement présents dans l’atmosphère. Mais ils sont de puissants gaz à effet de serre, et ont donc un impact direct sur le réchauffement climatique. La concentration du CO2 est fonction de la quantité de kérosène brûlé. Les autres sont surtout réputés dégrader la qualité de l’air localement. Le CO, émis principalement lors du stationnement et du roulage au sol, est ainsi un poison pour l’hémoglobine. Les NOx (dus à l’oxydation de l’azote de l’air à forte température), et les SOx (oxydation du soufre contenu dans le kérosène) sont des gaz irritant les voies respiratoires. Enfin les HC (rejetés en même temps que le CO) et les particules de suie (dont la production croît avec le régime du moteur) sont potentiellement cancérigènes.

En Île-de-France, l’association Airparif estime que les rejets des avions au sol et à basse altitude représentent 5 % des NOx et 2 % des HC émis dans la région. Mais ces données sont incertaines, et l’Onera cherche à les affiner via des modèles informatiques. Dans le cadre du projet Airpur, l’équipe Environnement atmosphérique du département Mesures physiques a ainsi mis au point Banc M1 de l'OneraSur son site de Palaiseau, l’Onera dispose d’un moyen d’essai unique : le banc M1. Il reproduit les conditions réelles de fonctionnement des foyers aéronautiques.
© Onera
des modèles prenant en compte les réactions chimiques (par exemple les NOx qui augmentent la concentration atmosphérique de l'ozone ; ou encore la dissociation du dioxyde d'azote par les rayons ultra violets qui va produire de l'ozone dans les basses couches de l'atmosphère), la météo, la nature du terrain, ou encore les autres sources de pollution. L’Onera travaille également à la réduction de cette pollution locale, en modélisant la combustion des mélanges air-carburant dans les moteurs, pour trouver les architectures les plus efficaces à la diminution des rejets polluants. Ces travaux pourraient avoir d’autres retombées. Car à haute altitude, plusieurs des polluants crachés par les réacteurs interagissent avec la composition de notre atmosphère.

C’est le cas des NOx, qui augmentent la concentration atmosphérique de l’ozone (03) et diminuent celle du méthane (CH4), deux gaz à effet de serre. Leur impact est à la fois réchauffant (plus d’O3) et refroidissant (moins de CH4), tout en étant nuancé par la chimie du soufre et de la vapeur d’eau, qui à haute altitude tendent à diminuer le taux d’O3. Mais d’après les modèles, l’effet réchauffant l’emporte… Il faut néanmoins tenir compte d’un autre paramètre, sur lequel planent encore beaucoup d’incertitudes : il s’agit des traînées de condensation, dues essentiellement à la vapeur d’eau émise en altitude par les réacteurs des avions. Ces traînées, que l’on observe surtout dans les ciels européens et nord-américains (zones de trafic les plus intenses) couvrent 0,1 % de la surface du globe et ont elles aussi deux effets opposés. En faisant écran au rayonnement solaire, elles ont tendance à refroidir le climat. Mais en piégeant le rayonnement infrarouge émis par la Terre, elles participent à l’effet de serre. Un vrai casse-tête pour les chercheurs, qui pour le résoudre s’appuient une fois encore sur la modélisation…

02.Changer de carburant

Chercheurs travaillant sur le biocarburantChercheur de l'Institut français du pétrole travaillant sur les biocarburants de seconde génération. Ils sont obtenus à partir de biomasse non concurrentielle de l'alimentaire : paille de céréales, bois et résidus forestiers et cultures dédiées.
© IFP
En quarante ans, la transformation des avions a permis de réduire de 70 % la consommation de carburant (environ 3 à 5 litres au 100 km par passager). C’est énorme, mais pas suffisant. Car dans le même temps, le prix du baril s’est envolé : de 12 dollars à la fin du premier choc pétrolier, en 1973, il a grimpé jusqu’à un cours moyen de 113 dollars en 2008 ! Pour les compagnies aériennes, le choc est dur. D’autant que l’augmentation du trafic aérien est en recul : celui des passagers n’a augmenté "que" de 3,2 % en 2008, contre 5 à 7% ces trente dernières années. Les besoins en carburants alternatifs sont donc réels, pour la santé financière des compagnies aériennes. Ils le sont aussi pour notre climat. Reste que la durée de vie d’un avion est de 30-40 ans. Comme le souligne Paul Kuentzmann, ingénieur et haut conseiller à l’Onera, "il faut donc trouver des carburants capables de se substituer au kérosène mais utilisables dans la flotte actuelle." Exit l’hydrogène et la pile à combustible, qui pour l’heure ne sont envisagés qu’à long terme…

Dans un délai plus court, plusieurs alternatives sont possibles. La première consiste à fabriquer des carburants de synthèse par thermochimie, à partir de ressources fossiles comme le gaz ou le charbon, ou encore à partir de végétaux. Les technologies existent : le fameux procédé Fischer-Tropsch (une réaction chimique qui transforme d’abord un combustible fossile en gaz de synthèse, puis en liquide, par catalyse), mis au point par deux chimistes, allemand et tchèque dans les années vingt, a été utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale. Principal atout de ce procédé : il permet d’obtenir un carburant très proche du kérosène. Il a néanmoins l’inconvénient de demander beaucoup d’énergie pour sa fabrication, ce qui rejette du CO2 ! Si l’US Air Force mise sur lui à très court terme (50 % de son carburant en 2015), c’est donc surtout dans un but géostratégique : il s’agit de sécuriser sa capacité de frappe et de ne pas dépendre des pays du Moyen-Orient…

"La seconde solution consiste à partir de ressources renouvelables pour faire du kérosène par des procédés biochimiques," poursuit P. Kuentzmann. Ce sont les biocarburants dits de première génération, comme le bioéthanol et le biodiesel, déjà utilisés pour le transport routier. Problème : outre que leur fabrication concurrence celle de produits alimentaires, ces biocarburants ne répondent pas aux spécifications de l’aéronautique. "Le bioéthanol a un pouvoir énergétique limité et n’est intéressant que pour des petits avions légers, explique P. Kuentzmann. Quant au biodiesel, il gèle au-dessous de -10°C, alors qu’un carburant aéronautique doit rester liquide jusqu’à -47°C."

Aujourd’hui, les regards se tournent donc vers les biocarburants de seconde génération, qui de plus ne sont pas en compétition avec les cultures alimentaires pour l’eau et le sol. À l’Onera, l’équipe de Christian Masson mène ainsi des recherches en partenariat avec l’Institut français du pétrole (IFP) sur l’interaction entre la formulation de ces biocarburants, la stabilité thermique, l’oxydation, la viscosité, l’encrassement des réservoirs et des conduites, la compatibilité avec les matériaux de l’aviation, la combustion, les rejets, etc. "On en est maintenant au stade des tests" fait remarquer P. Kuentzmann. Après la compagnie Virgin, qui a relié Londres à Amsterdam avec un Boeing alimenté sur un de ses quatre réacteurs par 20 % de biocarburant (un mélange d’huile de babassu - une espèce de palmier - et de noix de coco), Air France-KLM pourrait ainsi tester des biocarburants dérivés d'algues d’ici la fin de l’année (premier test fin 2008).

"Aujourd’hui, le problème des biocarburants n’est plus seulement d’ordre technologique," conclut Jacques Gatard, ingénieur commercial à l’Onera. Il est économique : pour produire les millions de barils de biocarburants nécessaires chaque jour, il faut des investissements de dizaines de milliards de dollars. Il est aussi géostratégique : il faut décider qui le produit, à quel endroit, comment l’acheminer jusqu’aux aéroports, comment le stocker. Des décisions qui ne sont plus l’affaire des chercheurs… Le problème est aussi humain et social, notamment pour l’impact environnemental.

03.Plus légers, plus performants et moins gourmands

Avion C-Series de BombardierLes avions commerciaux de la gamme C-series de Bombardier vont émettre jusqu'à 20 % de CO2 et 50 % de Nox en moins. Ils seront aussi quatre fois plus silencieux et assureront d'importantes économies de carburant. Leur mise en service est prévue pour 2013.
© Bombardier Inc.
Pour diminuer de moitié l’utilisation de kérosène dans l’aviation d’ici 2020 (et donc dans le même rapport ses émissions de CO2), le programme Clean Sky ne mise pas sur les carburants, mais sur les avions eux-mêmes : rendre les appareils plus aérodynamiques et moins lourds devrait permettre de réduire la consommation de 20 à 25 %, améliorer leur motorisation ferait encore gagner 15 à 20 %. Côté appareils, les avionneurs disposent aujourd’hui d’un éventail très large de matériaux avec toute une variété d’aluminium, de fibres de carbone et autres composites. "Il ne s’agit pas de mettre du composite partout, mais le meilleur matériau de la meilleure qualité là où il faut," souligne Jacques Gatard : l’Onera est ainsi impliquée dans des recherches d’optimisation des masses, où le matériau doit répondre à toute une série de contraintes (aérodynamisme, inflammabilité, résistance de la structure, facilité de maintenance… ). Côté moteurs, plusieurs solutions existent déjà dans les tiroirs, dont certaines avec le soutien de l’Onera : c’est le cas du LEAP-X (Safran / Snecma), version revue et corrigée du moteur équipant les Boeing 737NG et la moitié des Airbus 320 (A320).

Ce réacteur - dont la certification est prévue pour 2016 - ferait baisser jusqu'à 16 % la consommation de kérosène. Comme son concurrent le GTF (Pratt & Whitney), et comme la plupart des moteurs développés depuis les années soixante, c’est un réacteur double flux : la totalité de l’air admis n’y actionne pas les turbines, ce qui présente l’avantage de réduire à la fois la consommation de carburant et le bruit. Cette réduction est d'autant plus importante Moteur LEAP-XLe moteur LEAP-X, dont la certification est prévue en 2016, contribuera à réduire la consommation de carburant des avions jusqu'à 16 % par rapport aux moteurs qui équipent actuellement les Airbus A320 et les Boeing 737.
© Snecma
que le rapport entre la quantité d’air froid et d’air chaud est élevé : c’est sur ce rapport, appelé taux de dilution, qu’ont porté une partie des efforts d’amélioration, mais pas seulement. Le LEAP-X bénéficie aussi de nouveaux matériaux dans son carter, son mélangeur, les aubes de sa soufflante et les turbines de son compresseur, ce qui allège son poids et partant sa consommation. Quant au GTF - qui équipera la Csérie, nouvelle gamme d’avions de ligne de 100 à 149 places du canadien Bombardier et le MRI régional japonais -, son innovation tient surtout à l’architecture du moteur : doté de deux arbres (l’un pour relier le compresseur et la turbine basse pression, l’autre pour le compresseur et la turbine haute pression), il a également un réducteur de vitesse entre sa soufflante et le compresseur basse pression. Le tout permet d’optimiser les vitesses de rotation des aubes et turbines, de supprimer ainsi des étages dans le réacteur, et donc d’alléger le moteur, d’où une consommation diminuée de 12 %, tout en limitant le bruit de soufflante.

"Si l’on veut consommer encore moins, il faudra un saut technologique, souligne Jacques Gatard. Une des solutions semble être le moteur à hélices contra-rotatives, qui devrait permettre à l’horizon 2020 un gain de carburant de l’ordre de 20 à 25 %." Le principe n’est pas totalement nouveau, et des prototypes américains en ont déjà été équipés : il s’agit de deux hélices tournant en sens inverse et dont le diamètre autorise un très grand flux d’air. Mais aujourd’hui, leur développement ne peut se faire sans résoudre un problème important : les hélices étant situées à l’extérieur du réacteur, et ces hélices tournant très vite, elles font beaucoup de bruit ! "C’est un problème qu’on rencontre souvent, quand on veut répondre à des objectifs environnementaux : il faut faire des choix, des compromis, entre les performances énergétiques et acoustiques."


04.Vers des approches silencieuses et économes

Avion au-dessus de la villeLes recherches actuelles visent à diminuer le nombre de décibels du trafic aérien émis aux alentours des aéroports et des villes environnantes.
© Stockxpert
"Aujourd’hui, au sens strict des normes environnementales, l’impact bruit du trafic aérien est presque cantonné aux aéroports et à leur l’environnement très proche, souligne Jacques Gatard. Le problème, c’est que la gêne ressentie par les riverains n’est pas seulement fonction du niveau de bruit en décibels, mais aussi de sa répétition, c’est-à-dire du nombre de passages d’avions. Or ce nombre est en augmentation et il ne cessera pas de l’être … " Bien que les avions aient diminué d’une vingtaine de décibels leur niveau sonore depuis les années quatre-vingts, les recherches continuent donc tous azimuts pour le réduire encore…

Participant au programme européen SILENCE (R), qui cherche à diminuer le bruit aérien de 4 dB à l’horizon 2010, ce qui diminuerait la sensation de bruit percue de moitié (voir le dossier ONERA : une soufflerie unique pour réduire le bruit des avions), l’Onera est aussi partie prenante du projet Clean Sky, dont l’objectif est également une baisse de 50 % du bruit perçu (soit 3 à 4 dB en moins), tout en étant impliquée dans des projets visant à améliorer la gestion du transport aérien. Car s’il reste possible de rendre moins bruyants les avions et leurs moteurs par des efforts technologiques, il y a également moyen de réduire considérablement leur niveau sonore en revoyant les procédures d’approche et de trafic au sol. Une planification précise des mouvements sur le tarmac permet ainsi de diminuer le nombre d’arrêts et de démarrages dans l’enceinte de l’aéroport - d’où une réduction du bruit. De même, il y a beaucoup à gagner du remorquage partiel des appareils l’un après l’autre en seuil de piste de décollage moteurs éteints, plutôt que de les y laisser faire la queue réacteurs allumés (sachant qu'un moteur doit tout de même être en température environ dix minutes avant le décollage). Et en optimisant les trajectoires de descente des avions, lors de l’approche, on peut aussi s’épargner quelques décibels…

Simulation numérique d’un jet chaud supersoniqueSimulation numérique d’un jet chaud supersonique à l’aide du code CEDRE (visualisation de la pression). Objectif : diminuer le bruit directement généré par les jets en sortie des moteurs d’avion au décollage.
© Onera
Tous ces objectifs sont en partie ceux d’un programme européen de modernisation de l'infrastructure du contrôle aérien appelé SESAR. Ils vont aussi dans le sens des mesures annoncées lors du Grenelle de l’environnement, qui prévoit de relever de 300 m l’altitude d’approche des avions pour l’atterrissage et de réduire ainsi le bruit de 3 à 4 dB. De tels changements permettraient en outre de diminuer la consommation de carburant, et partant, la pollution due au trafic aérien. Exemple : en généralisant des approches "sur mesure" à moteur réduit et selon des trajectoires lissées, et non plus par paliers comme c’est le cas aujourd’hui, le programme SESAR vise une réduction de 200 à 400 kg de carburant par vol (sur un moyen-courrier)… Le bruit, la consommation, la pollution : en pratique, les chercheurs planchent aujourd’hui sur ces trois volets simultanément. Pour répondre à la fois à des impératifs écologiques, économiques et stratégiques.


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