Aviation : l’hydrogène tiendra-t-il ses promesses ?

Le 21 sep­tem­bre dernier, Air­bus a dévoilé trois con­cepts d’avions « zéro émis­sion » des­tinés à entr­er en ser­vice en 2035¹. S’ils dif­fèrent par leur taille, leur design ou leur portée, tous trois utilis­eraient le même car­bu­rant : l’hydrogène. Air­bus, pre­mier con­struc­teur mon­di­al d’avions en 2019, estime que l’hydrogène « est extrême­ment promet­teur comme car­bu­rant pro­pre pour l’aviation, et sera prob­a­ble­ment une solu­tion pour le secteur aérien et bien d’autres pour rem­plir [leurs] objec­tifs de neu­tral­ité car­bone ». Par ailleurs, la France va allouer 7 mil­liards d’euros à cette nou­velle fil­ière d’ici à 2030². 

Effec­tive­ment, Air­bus n’est pas le seul à s’intéresser à l’hydrogène car c’est le seul mode de propul­sion hors kérosène qui sem­ble adap­té à l’aviation de masse. Si Boe­ing doute de son poten­tiel à court terme, de petites sociétés s’y intéressent. La start-up ZeroAvia a ain­si réal­isé en sep­tem­bre 2020 un vol d’essai avec un avion de six places doté d’une pile à com­bustible. De son côté, le con­struc­teur israélien d’avions-taxis Urban Aero­nau­tics tra­vaille avec la start-up cal­i­forni­enne HyPoint pour dévelop­per le City­Hawk, un aéronef à décol­lage ver­ti­cal propul­sé par une pile à com­bustible ali­men­tée en hydrogène.

Il y a deux manières d’utiliser l’hydrogène. La pre­mière con­siste à le brûler dans un moteur adap­té. C’est une tech­nolo­gie éprou­vée, notam­ment dans le domaine spa­tial. La deux­ième manière con­siste à utilis­er l’hydrogène pour pro­duire de l’électricité grâce à une pile à com­bustible. Dans les deux cas, il reste plusieurs freins tech­nologiques à lever. 

La dif­fi­culté prin­ci­pale est liée au stock­age de ce com­bustible. « L’hydrogène gazeux est très peu dense, rap­pelle John­ny Deschamps, enseignant-chercheur à l’unité Chimie et Procédés (UCP) de l’ENSTA Paris (IP Paris), spé­cial­iste du stock­age d’hydrogène. Même en le stock­ant sous pres­sion, il faut dans le cadre des appli­ca­tions auto­mo­biles, 210 litres pour stock­er 5 kg d’hydrogène sous une pres­sion de 350 bars (125 litres sous 700 bars) – ça reste très volumineux. »

Deux­ième solu­tion : stock­er l’hydrogène sous forme liq­uide. « Mais cela sig­ni­fie descen­dre à une tem­péra­ture de ‑253°C, donc dépenser de l’énergie pour le liqué­fi­er. De plus, aucun réser­voir cryo­génique n’est par­fait au niveau de l’isolation, une par­tie de l’hydrogène liq­uide se vapor­ise et doit être canal­isée, c’est risqué. » Il faut donc dévelop­per des matéri­aux légers et résis­tants pour les réservoirs.

De plus, ces derniers doivent être cylin­driques ou sphériques et impliquent donc de revoir entière­ment la forme des avions dont le car­bu­rant est actuelle­ment stocké dans les ailes. Compte tenu de ces con­traintes, l’arrivée sur le marché d’un avion de ligne long-cour­ri­er de plusieurs cen­taines de pas­sagers fonc­tion­nant à l’hydrogène est dif­fi­cile à imag­in­er. On se dirige plutôt vers des avions de quelques dizaines de places pour des vols courts.

Alors que le moteur à hydrogène dégage moins d’émissions de CO₂ que ceux à propul­sion clas­sique, il n’est pas dit que ce car­bu­rant soit totale­ment pro­pre. La com­bus­tion de cette molécule à haute tem­péra­ture pro­duit des oxy­des d’azote pol­lu­ants (NO_x), et de la vapeur d’eau, qui con­tribue à la for­ma­tion de traînées de con­den­sa­tion et de cir­rus, néfastes pour le climat.

La pro­duc­tion d’hydrogène peut se faire à par­tir de l’eau (H₂O) par élec­trol­yse ou à par­tir d’hydrocarbures comme le méthane (CH₄). Pour autant, même si l’électrolyse est un procédé pro­pre, la tech­nolo­gie n’est pas encore au point pour être déployée à un niveau indus­triel. « On sait en faire à par­tir de l’électricité via l’électrolyse de l’eau, surtout lorsque cette élec­tric­ité est pro­duite de manière sta­ble, dans des cen­trales, dit Samuel Says­set, con­seiller tech­nique en chef chez Engie. Mais si l’on veut de l’hydrogène « vert », provenant de sources renou­ve­lables donc inter­mit­tentes, il faut trou­ver des tech­nolo­gies plus adap­tées. ~95% de l’hydrogène est actuelle­ment pro­duit à par­tir de pét­role, de gaz ou de char­bon, et cela émet du CO₂ », pour­suit-il.

La ques­tion du prix est égale­ment cen­trale : le coût n’est pas le même en fonc­tion de la source. Aujourd’hui, l’hydrogène provenant du méthane coûte 1,5 à 2 €/kg, con­tre qua­tre à dix fois plus pour l’hydrogène obtenu par élec­trol­yse. Et c’est juste­ment pour cela que le gou­verne­ment français investit : une pro­por­tion impor­tante des 7 mil­liards d’euros est des­tiné à ren­dre le prix de l’hydrogène plus accessible.

Il existe égale­ment d’autres coûts : l’hydrogène entraîn­era des investisse­ments lourds liés à sa pro­duc­tion, la mise en place des infra­struc­tures de trans­port et de stock­age, le développe­ment de nou­veaux avions et de nou­veaux matéri­aux ain­si que le sur­coût dû au poids des réservoirs.

Mal­gré cela, l’hydrogène sem­ble intéress­er le monde de l’aviation – les con­struc­teurs comme Air­bus et le gou­verne­ment français s’y enga­gent. Cepen­dant, on ne sait pas encore com­ment les prob­lèmes en sus­pens seront réso­lus. Avec quel motoriste les avions seront-ils dévelop­pés ? Quel sera leur ren­de­ment et leur con­som­ma­tion ? Seront-ils à com­bus­tion directe ou utilis­eront-ils des piles à com­bustible ? Sous quelle forme sera stock­ée ce car­bu­rant ? L’hydrogène doit encore pren­dre son envol.