Système d’hydrogène évolutif permet un vol sans émissions

La mobilité est une partie cruciale de notre quotidien, et l’aviation est un élément clé de cette capacité à voyager d’un endroit à un autre rapidement.

En permettant aux personnes et aux marchandises de parcourir des kilomètres en quelques heures, l’industrie aéronautique connecte les gens comme aucun autre mode de transport ne le peut. Cela en fait un contributeur important 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.

Notamment, les compagnies aériennes du monde entier devraient avoir transporté environ 9.5 billion passengers en 2024, soit une hausse de 104 % par rapport aux niveaux de 2019 et une augmentation de 9 % par rapport à 2023, selon ACI World. Cette croissance est attendue pour s’accélérer davantage, le trafic passagers mondial devant atteindre 19,5 billion d’ici 2042.

L’industrie aéronautique se développe clairement, et son avenir est effectivement prometteur. Cela dit, elle contribue également de manière considérable aux émissions de gaz à effet de serre (GES).

Bien que l’aviation ne représente qu’une part relativement petite des émissions mondiales, à 2.5%, elle a crû plus rapidement 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 les émissions de l’aviation à près de 950 Mt 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 décarboniser, posant un défi environnemental crucial.

En conséquence, l’industrie se concentre actuellement sur la décarbonisation de ses opérations et l’atteinte de l’objectif Net Zéro, qui implique de réduire les émissions de CO2 à un niveau que la nature peut absorber d’ici 2050.

Débloquer le potentiel de l’hydrogène pour une aviation sans émissions

Alors que l’aviation contribue de manière notable aux émissions mondiales de dioxyde de carbone et aux 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 hydrogen, the lightest and most abundant chemical element dans l’univers, qui constitue environ 75 % de toute la matière ordinaire.

Cet élément chimique est devenu un outil de décarbonisation populaire et précieux grâce à sa combustion propre. C’est un carburant à combustion propre puisqu’il ne produit que de la vapeur d’eau comme sous-produit lorsqu’il est brûlé.

De plus, la densité d’énergie gravimétrique, c’est‑à‑dire l’énergie disponible par unité de masse d’une substance, de l’hydrogène est environ 2,8 fois supérieure à celle du carburant d’aviation conventionnel, le kérosène. L’hydrogène possède en réalité la plus haute densité d’énergie gravimétrique de toutes les substances connues, soit ~120 kJ/g. En revanche, le carburant d’aviation à base de kérosène a une densité énergétique de 43 MJ/kg.

Cependant, l’hydrogène a une faible densité dans des conditions ambiantes, soit 0,08 kg/m³. Cela pose d’importants défis de stockage, notamment pour les vols long-courriers.

Une alternative pratique consiste à stocker ce gaz incolore, inodore et insipide sous forme liquide à 20 K. Cette forme augmente la densité de l’hydrogène à 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, ce qui s’est avéré être 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 pression, les stratégies d’isolation et la conception de réservoirs cryogéniques.

Cependant, un système holistique intégrant le stockage de LH2, la gestion thermique et le contrôle du transfert sous une forme évolutive pour la conception d’avions reste encore peu étudié.

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

Avec le soutien de la NASA, l’étude a présenté un système intégré et évolutif qui répond à plusieurs 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 à bord des avions à propulsion électrique. 

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.

“Notre objectif était de créer un système unique qui gère plusieurs tâches critiques: le stockage du carburant, le refroidissement et le contrôle de la distribution. Cette conception jette les bases des systèmes d’aviation à hydrogène du monde réel.”

Avion hybride-électrique à hydrogène: solution de propulsion évolutive

Publié dans Applied Energy¹, l’étude entreprend de réduire les émissions de carbone et de traînées de condensation de l’industrie aéronautique, qui sont des contributeurs majeurs au changement climatique, en proposant une conception innovante d’un système de stockage d’hydrogène liquide, de gestion thermique et de contrôle de son transfert, adapté à l’Integrated Zero Emission Aviation (IZEA). 

L’IZEA est une collaboration académique‑industrielle visant à atteindre zéro émission de gaz à effet de serre pour l’aviation commerciale. Les partenaires industriels comprennent Raytheon Technologies, Boeing et Advanced Magnet Laboratories.

En particulier, cette collaboration examine la production d’énergie hybride grâce à une combinaison de piles à combustible et de générateurs turboélectriques, utilisant l’hydrogène avec soit de l’oxygène concentré, soit de l’air ambiant.

L’objectif de l’IZEA est de déterminer comment utiliser l’hydrogène liquide comme carburant tout en augmentant l’efficacité et la puissance sans accroître le poids.

Ils selected le FAMU-FSU College of Engineering pour aider à développer le système d’aviation durable fin 2022, dans le cadre d’un projet de cinq ans d’une valeur de 10 millions de dollars.

Pour répondre à l’agenda national concernant les systèmes énergétiques et la propulsion des avions commerciaux afin de réduire les émissions nocives de l’industrie aéronautique, l’équipe du FAMU-FSU collaborera avec des chercheurs de l’Université du Kentucky, de l’Université de Buffalo, de Georgia Tech et des partenaires industriels, comme annoncé par l’IZEA il y a deux ans et demi.

Aujourd’hui, la collaboration a comblé le 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 à courte distance afin d’évaluer la faisabilité à court terme de l’aviation alimentée par de l’hydrogène liquide. L’accent est mis ici sur un avion prototype à configuration à aile intégrée, capable de transporter 100 passagers.

L’avion hybride‑électrique tire son énergie à la fois des piles à combustible à hydrogène et des générateurs électriques à supraconductivité 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, d’où la raison pour laquelle des organisations comme Airbus et CHEETA s’intéressent également aux avions alimentés par des piles à combustible. Cependant, le problème des piles à combustible actuelles est qu’elles sont extrêmement volumineuses, ce qui rend difficile l’alimentation d’un grand avion pendant ses différentes phases, notamment lors du décollage.  Pour résoudre ce problème, l’équipe a introduit la source d’énergie double. 

Les piles à combustible sont utilisées pendant les conditions de faible charge, comme le roulage et la croisière, avec une puissance maximale d’environ 6,8 MW. Pendant ce temps, les générateurs supraconducteurs entraînés par des turbines à hydrogène fournissent la puissance supplémentaire (9,4 MW) nécessaire lors du décollage. Cette combinaison porte la puissance totale à un pic de 16,2 MW et renforce la résilience en offrant une redondance énergétique.

Pour relever le défi de la densité, l’hydrogène étant moins dense et occupant donc beaucoup d’espace 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 du carburant et le système complet de carburant, mais l’indice de l’équipe inclut 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 offrant la masse maximale de carburant par rapport à la masse totale du système, les chercheurs ont continué à ajuster les paramètres clés tels que la pression de ventilation et les dimensions des échangeurs de chaleur jusqu’à obtenir la configuration optimale.

La configuration idéale a atteint un indice gravimétrique de 0,62. Cela signifie que 62 % du poids total du système est du carburant hydrogène utilisable, ce qui représente une amélioration significative par rapport aux conceptions conventionnelles.

Pour la gestion thermique, 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, organisés en séquence étagée, éliminent la chaleur résiduelle 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 la distribution d’hydrogène et de la gestion thermique en vol

Lorsqu’il s’agit de distribuer l’hydrogène liquide à travers l’avion, cela pose ses propres défis. Par exemple, les pompes ajoutent non seulement du poids supplémentaire mais aussi de la complexité au système et peuvent générer de la 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 du carburant hydrogène. 

La pression est augmentée en injectant du gaz hydrogène provenant d’un cylindre haute pression ordinaire et diminuée en ventilant la vapeur d’hydrogène. Pour un ajustement en temps réel de la pression, une boucle de rétroaction relie les capteurs de pression aux besoins énergétiques de l’avion, garantissant le débit précis de l’hydrogène à toutes les phases de vol. 

Le système, selon les simulations, est capable de fournir de l’hydrogène à des débits allant jusqu’à 0,25 kilogramme par seconde. Ce débit est suffisant pour répondre à la demande électrique de 16,2 MW lors du décollage ou en cas d’urgence, lorsque l’avion doit effectuer une remise de gaz.

Avec des échangeurs de chaleur organisés séquentiellement, à mesure que l’hydrogène circule dans le système, le gaz refroidit d’abord les composants fonctionnant à des températures cryogéniques, comme les câbles et les générateurs HTS. Ensuite, il absorbe la chaleur des composants à température plus élevée, tels que les moteurs et l’électronique de puissance. Enfin, avant que l’hydrogène n’atteigne les piles à combustible, il est préchauffé pour correspondre aux conditions optimales d’entrée des piles.

C’est cette intégration thermique étagée qui permet à l’hydrogène liquide d’être utilisé à la fois comme carburant et comme fluide de refroidissement, maximisant ainsi l’efficacité du système tout en réduisant la complexité du matériel.

“Auparavant, les gens n’étaient pas sûrs de la façon de déplacer efficacement l’hydrogène liquide dans un avion et de savoir s’il pouvait également être utilisé pour refroidir le composant du système d’alimentation. Non seulement nous avons montré que c’est faisable, mais nous avons également démontré qu’il fallait procéder à une optimisation au niveau du système pour ce type de conception.”

– Guo

L’accent de l’étude était mis sur l’optimisation de la conception et la simulation du système. Dans l’étape suivante, les chercheurs procéderont à une validation expérimentale. Pour cela, l’équipe construira un système prototype puis effectuera des tests au Center for Advanced Power Systems 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 ne fournit pas de spécifications détaillées concernant le matériau, la taille et les propriétés thermiques de ces composants.

Des stratégies innovantes de gestion thermique seront également ciblées pour refroidir les piles à combustible et gérer la génération importante de chaleur pendant le fonctionnement. Ces avancées, selon l’étude, sont essentielles pour affiner l’architecture globale de gestion thermique et garantir la mise en œuvre pratique des technologies d’aviation zéro émission.

Investir dans les technologies aéronautiques à hydrogène

En ce qui concerne l’investissement dans le secteur aéronautique, RTX (RTX )offre une opportunité à fort potentiel. La plus grande entreprise aérospatiale et de défense du monde est un partenaire industriel clé de la collaboration IZEA. Elle possède également d’importants programmes de R&D visant les technologies aéronautiques durables, y compris les systèmes à piles à combustible et à hydrogène.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX opère à travers trois principaux segments:

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

Grâce aux divisions Collins Aerospace et Pratt & Whitney, RTX participe activement au développement et aux essais d’avions à hydrogène et aux technologies connexes.

Cela inclut le programme HySIITE, qui travaille à permettre à l’industrie aéronautique d’utiliser l’hydrogène à grande échelle. Parrainé par l’Advanced Research Projects Agency‑Energy du DOE, le projet est optimisé pour l’hydrogène liquide et se terminera en décembre 2024. Les essais du banc HySIITE ont montré une réduction de 99,3 % des NOx par rapport à un moteur GTF et jusqu’à 35 % d’amélioration de l’efficacité énergétique.

Ses deux autres projets, quant à eux, sont en cours pour faire progresser l’avenir de l’hydrogène dans l’aviation. L’étude Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), soutenue par l’initiative conjointe industrie‑gouvernement du Canada, INSAT, travaille à faire progresser l’utilisation de l’hydrogène pour les avions à turbopropulseurs. COCOLIH2T, quant à lui, est soutenu par le Clean Hydrogen Joint Undertaking de l’UE et développe une méthode de stockage du carburant.

En ce qui concerne la performance boursière de Raytheon, ses actions ont connu une forte hausse. Les actions de la société, avec une capitalisation boursière de 183,64 milliards de dollars au moment de la rédaction, se négocient au-dessus de 137,50 $, un nouveau record historique (ATH) et représentent une hausse de 18,7 % depuis le début de l’année (YTD).

Les actions RTX ont connu une croissance constante au cours des trois dernières décennies. Elles ont également augmenté d’environ 21 % depuis les creux d’avril. À cela s’ajoute un BPA (TTM) de 3,41 et un ratio P/E (TTM) de 40,31. Raytheon propose également un rendement de dividende attractif de 1,98 %.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, elle a annoncé de solides résultats au premier trimestre 2025 avec des ventes en hausse de 5 % par rapport à l’année précédente, atteignant 20,3 milliards de dollars et un BPA ajusté de 1,47 $. Le flux de trésorerie d’exploitation de Raytheon pendant cette période était de 1,3 milliard de dollars, et le flux de trésorerie disponible de 0,8 milliard de dollars, tandis que le carnet de commandes s’élève à 217 milliards de dollars, dont 92 milliards dans la défense et 125 milliards dans le commercial.

“Nous commençons 2025 sur une base solide. L’environnement 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.”

– RTX President and CEO Chris Calio

Pour l’ensemble de 2025, l’entreprise prévoit des ventes ajustées entre 83 et 84 milliards de dollars, un BPA ajusté compris entre 6,00 $ et 6,15 $, et un flux de trésorerie disponible de 7 à 7,5 milliards de dollars, tout en précisant que ces estimations ne tiennent pas compte de l’impact des tarifs récemment instaurés.

Dans ce contexte, l’entreprise a reçu cette semaine un contrat de 536 millions de dollars de la part de la marine américaine pour la famille de radars SPY‑6, qui sont désormais installés sur deux de leurs navires, trois autres étant prêts à être installés. Au cours de la prochaine décennie, les radars seront déployés sur plus de 60 navires de la marine américaine.

Dans le cadre du contrat, Raytheon assurera un soutien continu via la formation, l’installation, l’intégration et les essais, ainsi que des mises à jour logicielles pour améliorer 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 évolutives.”

– Barbara Borgonovi, présidente de Naval Power chez Raytheon.

Le 13e radar de défense antimissile AN/TPY‑2 a également été livré à l’U.S. Missile Defense Agency, marquant la première unité à intégrer une matrice entièrement basée sur le GaN, ce qui améliore considérablement la sensibilité et les performances du système.

Un contrat de 1,1 milliard de dollars a également été obtenu par l’entreprise pour la fabrication et la livraison des missiles AIM‑9X Sidewinder. Grâce à cette attribution, Raytheon poursuit son soutien à long terme du programme Sidewinder, un système de missiles à courte portée largement utilisé dans le monde.

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

Le secteur aéronautique connaît une croissance rapide et contribue au développement économique et social mondial, mais en même temps, il crée un besoin pressant de résoudre le problème des émissions de carbone et de traînées de condensation. Ici, l’hydrogène, avec sa haute énergie chimique spécifique, s’est imposé comme une alternative de carburant propre prometteuse.

Dans cette optique, la dernière étude présente un cadre complet pour concevoir et optimiser un système de stockage d’hydrogène liquide, de gestion thermique et de contrôle du transfert, démontrant son potentiel à 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 font plus au détriment de la planète.

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Études référencées:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}