Un système d'hydrogène évolutif permet un vol sans émissions

La mobilité est un élément essentiel de notre vie quotidienne, et l’aviation est un élément clé de cette capacité à voyager d’un endroit à un autre à grande vitesse.

En permettant aux personnes et aux marchandises de parcourir des kilomètres en quelques heures, l'industrie aéronautique relie les gens comme aucun autre mode de transport ne peut le faire. Elle contribue ainsi de manière significative à l'économie mondiale, représentant 3.5 % du produit intérieur brut (PIB) mondial. 

L’industrie soutient également un total de 86.5 millions d’emplois dans le monde, avec une taille de marché estimée de l’industrie aérienne mondiale dépassant 760 milliards de dollars.

Il est à noter que les compagnies aériennes du monde entier devraient avoir transporté d'environ 9.5 milliards de passagers en 2024, soit une augmentation de 104 % par rapport aux niveaux de 2019 et une hausse de 9 % à partir de 2023, selon ACI World. Cette croissance devrait s'accélérer encore davantage, le trafic mondial de passagers devant atteindre 19.5 milliards d'ici 2042.

L'industrie aéronautique est en pleine expansion et son avenir est prometteur. Cela dit, elle contribue également à émissions de gaz à effet de serre (GES) dans une mesure considérable.

Bien que l’aviation ne représente qu’une part relativement faible des émissions mondiales, 2.5 %, elle a connu une croissance plus rapide que le rail, la route ou le transport maritime entre 2000 et 2019. Cette demande accrue de voyages internationaux après la pandémie de Covid-19 a en fait conduit à des émissions de l'aviation atteignant près de 950 Mt de CO2.

Non seulement les émissions de l’aviation augmentent à un rythme rapide, mais elles constituent également l’un des secteurs les plus difficiles à décarboner, ce qui pose un défi environnemental crucial.

Par conséquent, l’industrie se concentre actuellement sur la décarbonisation de ses opérations et sur l’atteinte de l’objectif Net Zero, qui implique réduction des émissions de CO2 à un niveau que la nature peut absorber d’ici 2050.

Libérer la promesse de l'hydrogène pour une aviation sans émissions

L'aviation contribuant pour une part notable aux émissions mondiales de dioxyde de carbone et de traînées de condensation, il devient extrêmement important de développer des solutions avancées et complètes pour atteindre les objectifs climatiques de l'industrie. 

Une solution prometteuse est l'hydrogène, l'élément chimique le plus léger et le plus abondant dans l'univers, qui constitue environ 75 % de toute la matière normale.

Cet élément chimique est devenu un outil de décarbonisation populaire et précieux grâce à sa combustion propre. C'est un combustible propre, car il ne produit que de la vapeur d'eau comme sous-produit lors de sa combustion.

De plus, la densité énergétique gravimétrique, ou énergie disponible par unité de masse d'une substance, de l'hydrogène est environ 2.8 fois supérieure à celle du kérosène, carburant aéronautique classique. L'hydrogène possède en réalité la densité énergétique gravimétrique la plus élevée de toutes les substances connues, soit environ 120 kJ/g. En revanche, le kérosène a une densité énergétique égale à 43 MJ/kg.

Cependant, l'hydrogène présente une faible densité dans les conditions ambiantes, soit 0.08 kg/m3. Cela pose des problèmes de stockage majeurs, notamment pour les vols long-courriers.

Une alternative pratique consiste à stocker le gaz incolore, inodore et insipide sous forme liquide à 20 K. Cette forme augmente la densité de l'hydrogène à 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³, ce qui est apparu comme une solution pour les applications aéronautiques.

Les entreprises ont également exploré divers aspects de l’intégration de l’hydrogène liquide (LH2) dans les avions, notamment la gestion thermique, les mécanismes de contrôle de la pression, les stratégies d’isolation et la conception de réservoirs cryogéniques.

Cependant, un système holistique intégrant le stockage du LH2, la gestion thermique et le contrôle du transfert sous une forme évolutive pour la conception des avions est encore sous-exploré.

Ainsi, une équipe de chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering, qui est un collège d'ingénierie conjoint de la Florida A&M University et de la Florida State University, a conçu un système de stockage et de distribution d'hydrogène liquide qui peut aider l'industrie aéronautique à atteindre son objectif de zéro émission.  

Avec le soutien de la NASA, l'étude a présenté un système évolutif et intégré qui répond à de multiples défis d'ingénierie en permettant l'utilisation de l'hydrogène comme carburant propre. Il est également utilisé comme moyen de refroidissement intégré pour les systèmes d'alimentation critiques des avions électriques. 

L'équipe a démontré que l'hydrogène liquide peut être stocké efficacement, transféré en toute sécurité et utilisé pour refroidir les systèmes critiques à bord tout en répondant aux besoins énergétiques de l'avion pendant les phases de décollage, de croisière et d'atterrissage.

Selon l'auteur correspondant de l'étude, Wei Guo, professeur au département de génie mécanique :

Notre objectif était de créer un système unique capable de gérer plusieurs tâches critiques : le stockage du carburant, le refroidissement et le contrôle de la distribution. Cette conception pose les bases de systèmes aéronautiques à hydrogène concrets.

Avion hybride-électrique à hydrogène : une solution de propulsion évolutive

Publié dans Energie Appliquée¹, l'étude entreprend la tâche de réduire les émissions de carbone et de traînées de condensation de l'industrie aéronautique, qui sont des contributeurs clés au changement climatique, en proposant une conception innovante pour un système de stockage de l'hydrogène liquide, de gestion thermique et de contrôle de son transfert, qui est personnalisé pour l'aviation zéro émission intégrée (IZEA). 

L'IZEA est une collaboration entre le monde universitaire et l'industrie visant à atteindre la neutralité carbone de l'aviation commerciale. Parmi les partenaires industriels figurent Raytheon Technologies, Boeing et Advanced Magnet Laboratories.

Cette collaboration étudie notamment la production d’énergie hybride grâce à une combinaison de piles à combustible et de générateurs turboélectriques, utilisant de l’hydrogène avec de l’oxygène concentré ou de l’air ambiant.

L’objectif d’IZEA est de comprendre comment utiliser l’hydrogène liquide comme carburant et d’augmenter l’efficacité et la puissance sans augmenter le poids.

Ils choisi le Collège d'ingénierie de la FAMU-FSU pour aider à développer le système d'aviation durable fin 2022, dans le cadre d'un projet de cinq ans de 10 millions de dollars.

Pour réaliser le programme national pour les systèmes énergétiques et la propulsion des avions commerciaux afin de réduire les émissions nocives de l'industrie aéronautique, l'équipe FAMU-FSU travaillera avec des chercheurs de l'Université du Kentucky, de l'Université de Buffalo, de Georgia Tech et des partenaires de l'industrie, comme annoncé par IZEA il y a deux ans et demi.

Aujourd’hui, la collaboration a permis de remédier au manque d’un système holistique en construisant un système de propulsion à base d’hydrogène évolutif et complet pour les futurs avions. 

Le projet débute par des vols régionaux de courte distance afin d'évaluer la faisabilité à court terme d'un aéronef propulsé à l'hydrogène liquide. L'accent est mis ici sur un prototype d'avion à configuration aile-corps mixte, pouvant transporter 100 passagers.

L'avion hybride électrique tire son énergie à la fois de piles à combustible à hydrogène et de générateurs électriques supraconducteurs à haute température (HTS), qui sont entraînés par des turbines à combustion alimentées à l'hydrogène. 

Les piles à combustible offrent une solution pour éviter les émissions de NOx et les traînées de condensation. C'est pourquoi des organisations comme Airbus et CHEETA étudient également les avions alimentés par des piles à combustible. Cependant, le problème des piles à combustible actuelles est leur encombrement excessif, ce qui rend difficile l'alimentation d'un avion de grande taille tout au long de ses différentes phases, notamment au décollage.  Pour résoudre ce problème, l’équipe a introduit la double source d’alimentation. 

Les piles à combustible sont utilisées en conditions de faible charge, comme le roulage et la croisière, avec une puissance maximale d'environ 6.8 MW. Parallèlement, des générateurs supraconducteurs à turbine à hydrogène fournissent la puissance supplémentaire (9.4 MW) nécessaire au décollage. Cette combinaison porte la puissance totale à 16.2 MW en crête et améliore la résilience grâce à la redondance de l'alimentation.

Pour relever le défi de la densité, l'hydrogène étant moins dense et prenant donc beaucoup de place à moins d'être stocké à -253°C sous forme de liquide ultra-froid, les chercheurs ont conçu des réservoirs cryogéniques et leurs sous-systèmes associés en utilisant un nouvel indice gravimétrique.

L'indice est le rapport entre la masse de carburant et le système de carburant complet, mais l'indice de l'équipe comprend la masse du carburant hydrogène, la structure du réservoir, les échangeurs de chaleur, l'isolation, les fluides de travail et les dispositifs de circulation.

Afin de trouver la configuration qui donne la masse de carburant maximale par rapport à la masse totale du système, les chercheurs ont continué à ajuster les paramètres clés comme la pression de ventilation et les dimensions de l'échangeur de chaleur jusqu'à ce qu'ils trouvent la configuration optimale.

La configuration idéale a permis d'obtenir un indice gravimétrique de 0.62. Cela signifie que 62 % du poids total du système est constitué d'hydrogène utilisable, ce qui représente une amélioration significative par rapport aux conceptions conventionnelles.

Pour la gestion thermique, l'autre fonction clé du système, les chercheurs n'ont pas installé de système de refroidissement séparé, mais ont plutôt acheminé l'hydrogène extrêmement froid via des échangeurs de chaleur. Ces échangeurs, disposés en séquence, évacuent la chaleur perdue par des composants tels que les câbles, les moteurs, les générateurs supraconducteurs et l'électronique de puissance. L'absorption de cette chaleur augmente progressivement la température de l'hydrogène.

Optimisation de l'apport d'hydrogène et de la gestion thermique en vol

L'acheminement de l'hydrogène liquide dans l'avion présente des défis spécifiques. Par exemple, les pompes, outre leur poids supplémentaire, complexifient le système et peuvent générer une chaleur indésirable dans des conditions cryogéniques. 

Pour surmonter ces défis, l’équipe a développé un système sans pompe qui utilise la pression du réservoir pour contrôler le débit de carburant hydrogène. 

La pression est augmentée par l'injection d'hydrogène gazeux provenant d'une bouteille haute pression standard et diminuée par l'évacuation des vapeurs d'hydrogène. Pour un réglage en temps réel de la pression, une boucle de rétroaction relie les capteurs de pression aux besoins en énergie de l'avion, garantissant ainsi un débit d'hydrogène précis tout au long des phases de vol. 

Selon les simulations, le système est capable de fournir de l'hydrogène à un débit allant jusqu'à 0.25 kilogramme par seconde. Ce débit est suffisant pour répondre à la demande électrique de 16.2 mégawatts au décollage ou en cas d'urgence, lorsque l'avion doit remettre les gaz.

Grâce à des échanges thermiques organisés en séquence, l'hydrogène circulant dans le système refroidit d'abord les composants fonctionnant à des températures cryogéniques, comme les câbles et les générateurs de thermocondensateurs. Il absorbe ensuite la chaleur des composants à température plus élevée, comme les moteurs et l'électronique de puissance. Enfin, avant d'atteindre les piles à combustible, l'hydrogène est préchauffé pour atteindre les conditions optimales d'admission de la pile.

C'est cette intégration thermique par étapes qui permet d'utiliser l'hydrogène liquide à la fois comme carburant et comme liquide de refroidissement, maximisant ainsi l'efficacité du système tout en minimisant la complexité du matériel.

Auparavant, on s'interrogeait sur la manière de déplacer efficacement l'hydrogène liquide dans un avion et sur la possibilité de l'utiliser également pour refroidir les composants du système d'alimentation. Nous avons non seulement démontré la faisabilité de cette solution, mais aussi la nécessité d'une optimisation système pour ce type de conception.

- Guo

L'étude portait sur l'optimisation de la conception et la simulation du système. Dans une prochaine étape, les chercheurs procéderont à une validation expérimentale. Pour cela, l'équipe construira un prototype, puis effectuera des tests au Centre des systèmes électriques avancés de la FSU.

Dans leurs travaux futurs, les chercheurs se concentreront également sur la conception des échangeurs de chaleur, présents dans chaque boucle de circulation et qui transfèrent la chaleur des composants au fluide de travail. L'étude actuelle manque de spécifications détaillées concernant le matériau, la taille et les propriétés thermiques de ces composants.

Des stratégies innovantes de gestion thermique seront également mises en avant pour refroidir les piles à combustible et gérer l'importante production de chaleur pendant le fonctionnement. L'étude souligne que ces avancées sont essentielles pour affiner l'architecture globale de gestion thermique et garantir la mise en œuvre concrète de technologies aéronautiques zéro émission.

Investir dans les technologies aéronautiques alimentées à l'hydrogène

Lorsqu'il s'agit d'investir dans le secteur de l'aviation, Extension RTX (RTX + 0.09%)offre une opportunité à fort potentiel. Le plus grand groupe mondial de l'aérospatiale et de la défense est un partenaire industriel clé de la collaboration IZEA. Il mène également de vastes programmes de R&D axés sur les technologies aéronautiques durables, notamment les systèmes à piles à combustible et à hydrogène.

RTX Corp.. (RTX + 0.09%) 

RTX opère à travers trois segments principaux :

• Collins Aerospace fournit des produits aérospatiaux et de défense technologiquement avancés aux compagnies aériennes commerciales, aux constructeurs d'avions civils et militaires et aux opérations spatiales.
• Le segment Pratt & Whitney fournit des moteurs d'avion à des clients militaires, généraux et commerciaux.
• Raytheon développe des missiles, des armes intelligentes et des capacités avancées de défense aérienne et antimissile.

Par l’intermédiaire des divisions Collins Aerospace et Pratt & Whitney, RTX participe activement au développement et aux tests d’avions à hydrogène et de technologies associées.

Cela inclut le programme HySIITE, qui vise à permettre à l'industrie aéronautique d'utiliser l'hydrogène à grande échelle. Parrainé par l'Agence des projets de recherche avancée du Département de l'Énergie (DOE), le projet est optimisé pour l'hydrogène liquide et s'achèvera en décembre 2024. Les essais sur banc HySIITE ont montré une réduction de 99.3 % des NOx par rapport à un moteur GTF et une amélioration de l'efficacité énergétique allant jusqu'à 35 %.

Parallèlement, ses deux autres projets se poursuivent pour stimuler l'avenir de l'hydrogène dans l'aviation. L'étude sur les moteurs à hydrogène avancés (HyADES), soutenue par l'INSAT, initiative conjointe industrie-gouvernement du Canada, vise à promouvoir l'utilisation de l'hydrogène pour les avions à turbopropulseurs. COCOLIH2T, quant à lui, bénéficie du soutien de l'Entreprise commune pour l'hydrogène propre de l'UE et développe un moyen de stocker le carburant.

En ce qui concerne la performance boursière de Raytheon, ses actions ont connu une forte hausse. L'action de la société, dont la capitalisation boursière s'élevait à 183.64 milliards de dollars au moment de la rédaction de ce rapport, s'échangeait à plus de 137.50 dollars, un nouveau record historique (ATH) et affichait une hausse de 18.7 % depuis le début de l'année (YTD).

L'action RTX a connu une croissance constante au cours des trois dernières décennies. Elle a également progressé d'environ 21 % depuis son plus bas d'avril. Son BPA (sur 3.41 mois) s'établit ainsi à 40.31 et son PER (sur 1.98 mois) à XNUMX. Raytheon offre également un rendement de dividende attractif de XNUMX %.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, rapporté Excellente performance au premier trimestre 2025, avec un chiffre d'affaires en hausse de 5 % par rapport à l'année précédente, à 20.3 milliards de dollars, et un BPA ajusté de 1.47 dollar. Le cash-flow opérationnel de Raytheon durant cette période s'est élevé à 1.3 milliard de dollars, et le cash-flow libre à 0.8 milliard de dollars, tandis que le carnet de commandes s'élève à 217 milliards de dollars, dont 92 milliards de dollars dans la défense et 125 milliards de dollars dans le commercial.

« Nous avons bien démarré l'année 2025. Le contexte actuel est clairement très dynamique, mais notre entreprise est bien positionnée pour performer opérationnellement et nos équipes restent concentrées sur l'exécution de nos engagements et la livraison de notre solide carnet de commandes. »

– Chris Calio, président et chef de la direction de RTX

Pour l'ensemble de l'année 2025, la société prévoit un chiffre d'affaires ajusté compris entre 83 et 84.0 milliards de dollars, un BPA ajusté compris entre 6.00 et 6.15 dollars et un flux de trésorerie disponible de 7 à 7.5 milliards de dollars, tout en notant que ces estimations ne couvrent pas l'impact des tarifs récemment adoptés.

Dans ce contexte, l'entreprise a remporté cette semaine un contrat de 536 millions de dollars auprès de l'US Navy pour la gamme de radars SPY-6, désormais installés sur deux de ses navires, et trois autres sont prêts à l'être. Au cours de la prochaine décennie, ces radars seront déployés sur plus de 60 navires de l'US Navy.

Dans le cadre du contrat, Raytheon fournira un soutien continu par le biais de la formation, de l'installation, de l'intégration et des tests, en plus des mises à niveau logicielles pour renforcer les capacités du radar.

« Le SPY-6 est le radar le plus avancé de la flotte navale américaine, offrant aux navires un nouveau niveau de défense contre les menaces en constante évolution. »

– Barbara Borgonovi, présidente de Naval Power à Raytheon.

Le 13e radar de défense antimissile AN/TPY-2 a également été livré à l'Agence de défense antimissile américaine, marquant la première unité à être dotée d'un réseau entièrement basé sur GaN, ce qui améliore considérablement la sensibilité et les performances du système.

L'entreprise a également remporté un contrat de 1.1 milliard de dollars pour la fabrication et la livraison de missiles AIM-9X Sidewinder. Grâce à ce contrat, Raytheon poursuit son soutien à long terme au programme Sidewinder, un système de missile à courte portée largement utilisé dans le monde entier.

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Actualités et développements récents concernant l'action RTX Corp. (RTX)

Réflexions finales : le rôle de l’hydrogène dans l’aviation durable

Le secteur de l'aviation connaît une croissance rapide et contribue au développement économique et social mondial. Parallèlement, il crée un besoin urgent de s'attaquer au problème des émissions de carbone et de traînées de condensation. Dans ce contexte, l'hydrogène, grâce à sa forte énergie chimique spécifique, apparaît comme une alternative prometteuse aux carburants propres.

Dans cet esprit, la dernière étude présente un cadre complet pour la conception et l’optimisation d’un système de stockage d’hydrogène liquide, de gestion thermique et de contrôle de transfert, démontrant son potentiel pour faire progresser les technologies aéronautiques efficaces et durables.

En tirant parti de l’impact positif de l’hydrogène sur le changement climatique et la qualité de l’air, l’industrie aéronautique dispose désormais d’une voie viable pour réduire son empreinte carbone, ouvrant la voie à un avenir où les voyages longue distance ne se feront plus au détriment de la planète.

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Études référencées :

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Stockage d'hydrogène liquide, gestion thermique et système de contrôle de transfert pour l'aviation intégrée à zéro émission (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}