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Article de référence | Réf : TRP4050 v1

Enjeux, défis technologiques actuels et futurs
L’électrification des aéronefs

Auteur(s) : Florence FUSALBA, Jean ORIOL

Date de publication : 10 févr. 2018

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RÉSUMÉ

Cet article dresse un état de l’art actuel des technologies et stratégies d’électrification des aéronefs en cours d’étude. Il traite à la fois de l’électrification pour l’avionique et pour la propulsion, en partant des démonstrations « tout-électrique» actuelles jusqu’à l’hybridation des avions types régionaux dans 15-20 ans, de la technologie de stockage au système complet (électronique de puissance et chaîne de traction électrique) avec la redéfinition de la plateforme avion (basse tension-haute tension), et de son impact sur la maintenance.

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ABSTRACT

More Electrical Aircraft

This article sets out the current state of the art and the technologies and strategies of aircraft electrification. We look at electrification for avionics and for propulsion, from “full electric” demonstrations to hybridization of regional aircraft in the next 15–20 years, from storage technology to the complete system (power electronics and electric power train) with a redefined aircraft platform (low-voltage–- high-voltage) and impact on maintenance.

Auteur(s)

  • Florence FUSALBA : Responsable Programme - CEA TECH – LITEN, Grenoble, France

  • Jean ORIOL : Responsable Partenariat Industriel - CEA-CTREG-DNAQ, Pessac, France

INTRODUCTION

Selon la classe de l’aéronef électrique et son degré d’électrification, celui-ci pouvant aller de l’alimentation des équipements de bord à la propulsion, différents systèmes de puissance peuvent être envisagés et intégrés avec différentes architectures électriques.

Alors que les performances des technologies de stockage de l’énergie peuvent dès aujourd’hui permettre d’initier des développements commerciaux d’avions légers entièrement électriques, des stratégies d’hybridation électrique de la propulsion d’avions commerciaux tels que ceux affectés aux lignes régionales sont déjà à l’étude.

Quelle que soit leur mission, de l’alimentation du système auxiliaire à la propulsion, les paramètres dimensionnants pour le système de stockage de l’énergie sont la sécurité, la fiabilité, le ratio énergie/puissance, la durée de vie (en cyclage et calendaire) ainsi que le niveau de certification requis. Plus particulièrement le ratio énergie/puissance requis diffère d’une application en mode tout électrique à une application en mode de propulsion électrique hybride, conditionnant ainsi la sélection de la technologie.

Les performances en sécurité du système de stockage nécessitent en effet d’être qualifiées selon des normes non seulement pour leurs applications aéronautiques (DO) mais aussi pour leurs manutentions et transports terrestres (UN 38.3). Les normes pour la propulsion électrique du secteur aéronautique sont actuellement en cours de définition notamment dans le groupe de travail SAE International.

Cet article dresse l’état de l’art actuel et détaille les technologies/stratégies d’électrification des aéronefs en cours d’étude. Il apporte un regard de la technologie de stockage au système complet (électronique de puissance et chaîne de traction électrique) ainsi que sur la plateforme avion (basse tension-haute tension), sur la maintenance et le modèle économique liés à l’électrification.

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KEYWORDS

energy storage   |   electric aircrafts   |   hybridation of aircrafts   |   electric power train

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp4050


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3. Enjeux, défis technologiques actuels et futurs

3.1 Les enjeux

En pratique, les aéronefs tout électriques sont limités à une catégorie légère avec une autonomie réduite. Hormis du point de vue économique, les technologies actuelles permettent de répondre aux besoins d’avions très légers mais leurs performances sont encore trop faibles pour permettre une commercialisation (excepté pour les APU qui constituent un cas particulier notable).

Pour alimenter des avions plus gros, une amélioration conséquente est attendue dans les technologies de stockage de l’énergie. Comparativement aux performances actuelles, celles-ci doivent pouvoir développer une énergie spécifique au moins 5 fois supérieure. De manière plus réaliste, un facteur de 10 deviendrait attractif commercialement pour des avions de types régionaux .

La micro-hybridation d’aéronefs comme les hélicoptères nécessite une certaine puissance, 100 kW sur des dizaines de secondes, avec cependant suffisamment d’énergie pour limiter la masse embarquée. Les technologies de stockage de l’énergie actuelles pourraient répondre à ce besoin, ce qui est une avancée significative.

Les plus gros aéronefs et leur propulsion électrique en mode hybride (avions de type régionaux ) nécessitent des développements pour la conception de leur système de puissance, de nouveaux concepts d’installation et de la modélisation en prenant des hypothèses sur des performances à longs termes (10-20 ans).

On parle ici de systèmes de stockages de grandes dimensions (quelques méga wattheures). Ainsi, l’exercice consiste à adapter des hypothèses technologiques de faible maturité à ce contexte long terme en identifiant les verrous et en proposant des solutions innovantes au niveau système. Ce travail doit être conduit en accord avec les normes...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - AIRBUS -   Delivering the future  -  Global market Forecast 2011 – 2030. S.1 AIRBUS (2011).

  • (2) -   Le transport aérien et la problématique du CO2 : enjeux des mécanismes ETS et des biojets,  -  Panorama (2013), http://www.ifp.fr

  • (3) -    -  http://www.iata.org/about/Documents/iata-annual-review-2015.pdf

  • (4) -    -  http://www.cleansky.eu/content/homepage/about-us

  • (5) -    -  http://perso.univ-lemans.fr/~yauregan/these/Manuscrit_Renou.pdf

  • (6) -    -  http://sites.onera.fr/aussois2011/sites/sites.onera.fr.aussois2011/files/presentations/introduction_compositev2.pdf

  • ...

1 Sites Internet

Le transport aérien et la problématique du CO2 : enjeux des mécanismes ETS et des biojets, Panorama, 2013, http://www.ifp.fr

Émission mondiale de CO2 et axes de réductio, http://www.iata.org/about/Documents/iata-annual-review-2015.pdf

Schéma de principe d’un turboréacteur à double flux, http://perso.univ-lemans.fr/~yauregan/these/Manuscrit_Renou.pdf

Évolution de la fraction massique de matériaux composite pour la gamme BOEING et AIRBUS, http://sites.onera.fr/aussois2011/sites/sites.onera.fr.aussois2011/files/presentations/introduction_compositev2.pdf

Comparaison des technologies basses et hautes températures de piles à combustibles, http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc

PEMFC pour l’aéronautique, http://www.popsci.com/military-aviation-amp-space/article/2009-07/antares-dlr-h2-first-plane-run-exclusively-fuel-cell-power http://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10203/339_read-8244#/gallery/12337

Vol d’essai d’un système PEMFC embarqué...

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