LES DEFIS DU TRANSPORT AERIEN

Paul KUENTZMANN, ONERA/HC

Journées GDR Contrôle des Décollements, 23-24 octob re 2007

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7Introduction

• Trois manifestations ont précédé cette conférence :

- Journée d’Etude Fedespace « Le Transport Aérien Face au Défi Energétique », Toulouse, 3 février 2005

- Colloque international ANAE/AAAF/Académie des Technologies/Fedespace « Le Transport Aérien face au défi Energétique » , Toulouse, 30 novembre-1er décembre 2006

- Conférence AAAF « Moteurs aéronautiques pour le développement durable, première partie : les défis du transport aérien », 30 mars 2007

• Tout en s’appuyant sur les présentations du dernier Colloque de Toulouse, cette conférence s’efforcera de mieux expliciter, e n parallèle au défi énergétique, les dimensions « environnement » et « éco nomie »

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7Plan de l’exposé

• Introduction

• Situation du transport aérien et prospective

• Défis- composante énergétique, combustibles de substitution- composante environnementale- composante économique

• Conclusions

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7Des points non détaillés dans la présentation

• Sécurité du transport aérienc’est un « must » !l’avion est un moyen de transport sûr (et cher)

• Indépendance énergétiquec’est ce qui motive le Ministère de la Défense US (budget dépassant largement les 500 milliards de dollars, hors opérations extérieures)

• travaux de l’US Air Force (essai en vol d’un B52H alimenté par un mélange 50-50 JP8-SynJet GTL)

• programme BioFuels de la DARPA

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Le système Transport AérienUn système de systèmes !

Avionneurs Motoristes + Communauté scientifiquePétroliers

Compagnies aériennes + Autorités aéroportuaires(conventionnelles, bas coût)

Gestion du trafic

Autorités de certification et de régulation

+ Climatologues, décideurs politiques, ONGs, associ ations, …

Selon l’IATA, le transport aérien (sociétés aéronau tiques et compagnies aériennes) représente 8 % du PIB mondial et 29 mill ions d’emplois

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7Une situation paradoxale

• Aspects positifs

- une croissance à nouveau soutenue du trafic passage r- des commandes d’avions à un niveau très élevé en 200 6 :

. Boeing : 1044 avions (record), valorisés à 114 Md$

. Airbus : 790 avions

. CFMI : 2121 moteurs (record)- des études de marché optimistes (2006-2025) :

. Boeing : 27210 avions, 2600 Md$

. Airbus : 22700 avions, 2600 Md$• Aspects négatifs

– la production de kérosène pourra-t-elle soutenir le doublement escompté du trafic d’ici 2025 et à quel prix ?

– l’aviation va être sous une pression environnementa le croissante (IPCC/GIEC, ETS de l’UE, …)

– les progrès technologiques sont aujourd’hui plus le nts que l’augmentation du trafic (SFC : ~ -1%/an – bruit : ~ -1dB/an – NOx : ~ - 7%/an)

– les compagnies de l’IATA ont enregistré 42 Md$ de perte s entre 2001 et 2005, retour à l’équilibre prévu en 2007, sous réserve d’un pét role à 55 $/baril…

Une évidente crise de croissance à venir

(G. Bordes Pages, Air France-KLM, Colloque ANAE)

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Le Défi Energétique (1/6)Aviation et pétrole aujourd’hui

• La quasi-totalité des avions consomment du kérosènele kérosène est l’un des produits directs de la distillation du pétrole (pour 6 à 10 %)

• Les transports consomment 20 % de l’énergie mondial ecette consommation correspond pour 80 % au transport routier et pour 10 % au transport aérien

• La consommation moyenne par passager et 100 km pour les avions en développement sera de 3 l (long courrier) et 5 l (c ourt courrier)

• L’objectif ACARE est de réduire cette dernière cons ommation de 50 % entre 2000 et 2020

(T. Vanicek, Total, Colloque ANAE)

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Le Défi Energétique (2/6)Prospective pétrolière

(G. Ruelle, Académie des Technologies, Colloque ANAE)

Une tension prévisible sur le pétrole

L’augmentation de la production de kérosène ne pour rait se faire qu’ au détriment du gasoil (pour l’Europe)

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Le Défi Energétique (3/6)Combustibles de substitution

• La recherche d’un combustible de substitution au ké rosène conventionnel est ancienne :

– pour des applications militaires (hydrogène, hydrocarbure pur)– dans un souci d’indépendance énergétique (carburant synthétique F.T à

partir du charbon utilisé en mélange avec le kérosène conventionnel, huile végétale, éthanol)Ces combustibles ne se sont pas imposés aux époques d’un pétrole peu cher

• Ce qui est nouveau, c’est, d’une part, l’anticipation d ’un épuisementprogressif du pétrole et, d’autre part, la préoccupatio n environnementale. L’indépendance énergétique présente aussi une priorité ac crue pour certainspays

• Une classification des combustibles de substitution peut être la suivante :– hydrogène, méthane/GNL– carburants synthétiques issus de ressources fossiles– biocarburants

• L’idéal serait un substitut au kérosène conventionnel ne nécessitant qu’unminimum de modifications de l’avion et des moteurs

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Le Défi Energétique (4/6)Combustibles de substitution (suite)

• Hydrogène liquide– le meilleur combustible par unité de masse, le pire par unité de volume

(d=0,07 à 20 K)– les études système ont démontré qu’un long courrier « cryoplane » aurait une

masse totale au décollage réduite de 15 %, une masse à vide augmentée de 20 à 25 % et une consommation énergétique accrue de 8 à 15 % (A. Westenberger, Colloque ANAE)

– l’utilisation d’une pile à combustible pour la propulsion se heurte à un problème de masse

– les cryoplanes seront d’autres avions et les aéroports devront être aménagés– il manque surtout un moyen de production massive et économique

d’hydrogène (nucléaire ?)• Méthane ou GNL

– des problèmes techniques comparables à ceux posés par l’hydrogène pour les avions et les aéroports

– les ressources fossiles de GNL ne sont pas très supérieures à celles du pétrole(sauf exploitation des gisements d’hydrate de méthane)

L’hydrogène, une éventuelle solution pour la seconde m oitié du 21ème siècle ?

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Le Défi Energétique (5/6)Combustibles de substitution (suite)

• Carburants synthétiques par procédé thermochimique– classification

. CTL (Coal To Liquid), à partir du charbon par hydrogénation

. GTL (Gas To Liquid), à partir du gaz naturel

. BTL (Biomass To Liquid), à partir de la biomasse (biocarburant)[HTL (Hydrogen To Liquid), carbonation d’hydrogène produit par le nucléaire (P.R. Bauquis, Total et IFP, Colloque ANAE)]

– les procédés connus (années 1920). Bergius : hydrogénation catalytique du charbon. Fischer-Tropsch : fabrication d’un gaz de synthèse à partir du charbon(Afrique du Sud), de gaz naturel (Qatar, USA) ou de la biomasse, fabrication de paraffines par catalyse puis raffinages des paraffines

. Karrick : carbonisation à basse température de lignite ou de schiste– des avions volent déjà avec un mélange SynJet F.T./kéro sène

conventionnel

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Le Défi Energétique (6/6)Combustibles de substitution (suite)

• Les biocarburants pour l’aviation, une question enc ore ouverte :

– des rapports nombreux sur les biocarburants, par ex emple :. Biofuels in the European, a Vision for 2030 and beyond, Final Report ofthe Biofuels Research Advisory Council, Directorate General for Research, Sustainable Energy Systems, EUR 22066, 2005 (orientéautomobile)

. The International Partnership on Bio-energy, White Paper, The ItalianMinistry for Environment and Territory, August 2005 (général)

. The potential of Renewable Energy Sources in Aviation (PRESAV), Imperial College Centre for Energy Policy and Technology, 7 August 2003 (orienté aviation mais les ressources considérées sont celles du territoire britannique)

– conclusions provisoires. éthanol et esters d’huile végétale inadaptés à l’aviation. des résultats prometteurs pour les carburants F.T. issus de déchets de bois (Finlande, Suède, Autriche), y compris pour les caractéristiques de combustion

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7Le Défi Environnemental (1/5)

• Résumé concis des objectifs environnementaux de l’av iation (J. Green, GBD, Colloque ANAE) :

– « Reduce noise around airports– Improve LAQ (Local Air Quality) near airports by reduc ing NO and NO 2

(NOx) emissions in the LTO cycle– Reduce contribution to climate change

. reduce fuel burn

. reduce formation of contrails and cirrus cloud

. reduce impact of NOx emissions at altitude »

• Ces objectifs sont majoritairement liés aux perform ances des moteurs

• L’aviation contribue aujourd’hui :– pour 2 % (monde) et 3 % (Europe) à la production des gaz à effet de serre

d’origine anthropique– pour 3,5 % au forçage radiatif anthropique

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Le Défi Environnemental (2/5)Bruit

• Le bruit autour des aéroports est socialement mal r essenti• Le net progrès unitaire du bruit des avions, strict ement réglementé par l’OACI,

n’a pas totalement compensé l’augmentation du trafic

• La mitigation du bruit des avions dépend de progrès à réaliser sur les moteurs (décollage, atterrissage), sur l’aérodynami que (atterrissage) et sur les procédures (« continuous descent approach »), un ob jectif partagé étant de confiner à terme le bruit à 60 dB au périmètre de l’aéroport

• De nombreux travaux en cours :– chez les avionneurs (par exemple Boeing QTD1 and QTD 2)– chez les motoristes– au niveau scientifique (NASA, UK/USA Silent Aircraft Initiative)

(J. WerWey, Boeing Commercial Airplanes,

Colloque ANAE)

Objectif ACARE pour 2020 : réduction du bruit par 2 (-6dB)

(F. Collier, NASA, Colloque ANAE)

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Le Défi Environnemental (3/5)Qualité de l’air sur et autour d’aéroports

• La qualité de l’air aéroportuaire est surveillée (NO x)

• La priorité a été donnée jusqu’à présent aux émissions de NOx (normes OACI/CAEP, cycle LTO), l’objectif ACARE pour 2020 e st -80 %. Une attention plus soutenue pourrait être donnée dans l’avenir au x PM (Particulate Matter) fines

• Les campagnes scientifiques de mesure des émissions polluantes sont encore rares :

– Oakland international airport (Aerodyn Research Inc, JETS/APEX2 program)– CdG (projet AIRPUR ONERA, AdP, Air France, CNRS…)

Encore beaucoup à faire…

(OACI/CAEP/LTTG/IEGroup, 2006)

Heathrow Roissy CdG

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Le Défi Environnemental (4/5)Aviation et changement climatique

• Le rôle des activités anthropiques dans le changeme nt climatique est majoritairement admis, l’aviation y participe

• La contribution majoritaire et la mieux connue est celle du CO 2 résultant de la combustion du kérosène (1 kg de kérosène donne 3,15 kg de CO 2)

• Les émissions de CO 2 de l’aviation n’ont pas été pris en compte dans le protocole de Kyoto. L’Europe propose aujourd’hui l’ ETS (Emission TradingScheme/System)

(G. Ruelle, Académie des Technologies, Colloque ANAE)

(Ph. Jarry, Y. Vigneron, Airbus, Colloque ANAE)

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Le Défi Environnemental (5/5)Combustibles de substitution

• La production d’un combustible de substitution au k érosène conventionnel n’est pas neutre vis-à-vis de l’émission de CO 2

• L’hydrogène est environnementalement intéressant :– à condition qu’il soit produit à partir de l’eau (éle ctrolyse) et d’une source

nucléaire– que soit précisé le forçage radiatif dû aux contrails /cirrus

• Les biocarburants présentent un avantage incontesta ble dans la mesure oùils participent au cycle naturel du carbone

(J. VerWey, Boeing Airplane Company, Colloque ANAE)

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7Le Défi Economique (1/5)

• Le transport aérien est une activité économique, ell e doit donc générer des profits (ou limiter les pertes)

• Le transport aérien présente une sensibilité :– au coût du kérosène– aux taxes de différentes natures (aéroportuaires, s urtaxe kérosène)– aux (futurs) droits d’émissions de CO 2 (en discussion)– aux coûts de maintenance

(J. VerWey, Boeing Airplane Company, Colloque ANAE)

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Le Défi Economique (2/5)Impact du prix du pétrole

• Dans la période récente, qui a vu le prix du pétrol e s’accroître dans de larges proportions, l’impact du carburant sur le coût du t ransport a augmenté

• Les compagnies « bas coût » (LFAs) sont plus affectée s que les compagnies traditionnelles (FSAs)

(D. Sallier, AdP, Colloque ANAE)(J. VerWey, Boeing Commercial Airplanes, Colloque ANAE)

Airplane ground handling7 %

Hull insurance1 %

Aircraft maintenance6 %

Landing fees3 %

Control & communications4 %

(G. Bordes-Pages, Air France-KLM, Colloque ANAE)

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Le Défi Economique (3/5)Impact du prix du pétrole (suite)

• L’augmentation du prix du kérosène peut éventuellem ent être compensée par une diminution d’autres coûts (difficile pour l es LFAs)

• L’augmentation du prix du kérosène peut être reporté e sur le prix du ticket pour maintenir le même niveau de profit

Mais dans ce cas, la demande sera probablement affe ctée (« élasticité » de la demande) ; l’analyse d’AdP (D. Sallier, AdP, Colloque ANAE) prévoit pour un doublement du prix du kérosène :– une diminution par 2 des passagers long courrier– une diminution par 1,2 des passagers court/moyen co urrier– la mort de nombreuses compagnies aériennes…

(G. Bordes-Pages, Air France-KLM, Colloque ANAE)

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Le Défi Economique (4/5)Un nouveau facteur : les droits d’émission de CO 2

appliqués à l’aviation

• L’Union Européenne a proposé l’application à partir d e 2008 de l’ETS (Emission Trading Scheme/System) pour tous les vols i ntra-européens ou long courrier partant d’Europe ou arrivant en Europ e. Les réactions de l’OACI (cohérence avec la convention de Chicago de 1947) e t de l’IATA (consultation des compagnies aériennes) ont été critiques

• L’ETS se traduirait par un coût supplémentaire de 9 € par ticket pour un vol intra-européen et de 40 € pour un vol long courrier

• Selon R. Webster (EasyJet, Colloque ANAE), l’ETS diminuerait la demande de 7,5 à 12 % pour les LFAs et de 2 à 3 % pour les FSAs

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Le Défi Economique (5/5)Combustibles de substitution

• Les données économiques concernant les combustibles de substitution sont incertaines :

– l’hydrogène est déjà utilisé par l’industrie chimique mais sous forme gazeuse ; le prix de l’hydrogène liquide produit à p artir d’un réacteur nucléaire haute température doit être précisé

– le prix du kérosène synthétique produit à partir du charbon est raisonnable si le coût d’extraction du charbon est faible (Afrique du Sud)

– le kérosène synthétique produit à partir du gaz natu rel est compétitif si le baril de pétrole dépasse 50 $/bl (selon Syntroleum Co . et l’IFP)

– le kérosène synthétique produit à partir de la bioma sse sera cher : le rapport PRESAV indique de $5,8/GJ à $36,5/GJ (kérosè ne conventionnel : environ $4,6/GJ pour un pétrole à 25 $/baril)

– les biocarburants plus traditionnels devraient évit er le débat nourriture contre carburant

Exemple du maïs US

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7Conclusions

• L’aviation de transport est face à un triple défi : énergétique, environnemental et économique

• L’industrie est consciente de la situation et se pr épare à l’affronter

• Il manque cependant des priorités claires et intern ationalement partagées pour s’engager sur l’avion/moteur optimal ; il est cependant admis que les contraintes environnementales croissantes auront do rénavant une influence déterminante sur les concepts futurs d’avion et de moteur

• Le kérosène de synthèse fabriqué par le procédé Fisch er-Tropsch à partir de biomasse non alimentaire apparaît posséder des cara ctéristiques énergétiques satisfaisantes et des qualités environ nementales excellentes,il serait temps d’y travailler en France…

(Ph. Jarry/Y. Vigneron, Airbus, Colloque ANAE) (J. Renvier, Snecma, Colloque ANAE)

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7Par conséquent…

Changement climatique(dogme anthropique)

Limitation des ressourcesfossiles (+ prix et

dépendance énergétique)

Croissance du trafic aérien

Le transport aérien doit devenirbeaucoup plus « vert »

Progrès technologiques- aérodynamique (GdR Contrôle des décollements)- structures- moteurs- ATM

Nouveaux concepts

Carburant issu de ressources renouvelables

(GdR Contrôle des décollements)

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(AWST, February 12, 2007, p. 42)

QUESTIONS ?