Les Piles à Combustible dans l'Aéronautique

Les Piles à Combustible dans l'Aéronautique

Les objectifs européens ACARE imposent au transport aérien de répondre à des contraintes environnementales de réduction du bruit, des émissions polluantes (NOx, CO, HC, fumées), du CO2, et donc de la consommation. La conception intégrée du système énergétique de l’avion va, par conséquent, devenir un enjeu majeur dans les années à venir. Parmi les différents scénarios envisagés, l’utilisation de piles à combustible (PAC), qui ont démontré leur efficacité dans le domaine spatial, constitue une solution crédible comme source d’énergie embarquée pouvant se substituer au moteur pour la production d’électricité. En effet les piles à combustible se caractérisent par un rendement énergétique élevé (> 45 %), un fonctionnement silencieux et l’absence d’émissions (NOx, fumées..). Elles présentent donc un intérêt environnemental certain.

Dés son premier vol en 1981 la navette spatiale américaine était équipée de trois PAC (de type AFC1) de 12 kW fournissant l’ensemble de l’énergie électrique de la navette. Le retour d’expérience sur cette application spatiale fait état d’une disponibilité supérieure à 99% sur une durée cumulée de 100 000 heures de fonctionnement. Dans le domaine de l’aviation civile et en liaison avec les projets d’avions plus électriques, un système de piles à combustible pourrait assurer les fonctions d’APU (générateur auxiliaire de puissance), notamment pour le roulage au sol d’avions équipés de trains d’atterrissage dotés de moteurs électriques, de RAT (Ram Air Turbine), mais aussi fournir l’énergie électrique pour les dispositifs de confort et de divertissement des passagers et contribuer au système ECS par la fourniture d’eau. Un des facteurs clés de succès de l’intégration des PAC dans un avion civil est le « redesign » complet du système énergétique autour de la PAC. Les technologies qui peuvent être associées sont en cours de maturation; on peut citer par exemple :
• Les démarreurs électriques,
• Les systèmes de dégivrage électrique,
• Les systèmes de climatisation air cabine électrique.
La puissance recherchée sur un avion moyen courrier serait alors de l’ordre de 100 kW par unité. Les PAC utilisent de l’hydrogène comme combustible et de l’oxygène comme comburant. L’hydrogène peut être soit stocké sous forme liquide ou gazeuse, soit être produit par reformage d’un hydrocarbure (CH4 ou Jet A1). Pour l’aéronautique, le Jet A1 reste le moyen le plus efficace de stocker en masse de l’énergie.

Une Pile à Combustible est un générateur électrochimique d’énergie (voir Figure) qui convertit directement l’énergie de combustion (variation d’enthalpie libre ΔG < 0) d’un combustible (hydrogène, gaz naturel, alcool, etc.) en énergie électrique We = - ΔG = n F Ecell, où n est le nombre de Faraday (F = 96458 C) échangés par mole de combustible et Ecell est la tension de cellule élémentaire. Le fonctionnement de la pile ne suit pas le théorème de Carnot, si bien que les rendements énergétiques sont très élevés : 45 à 50 % électrique et 85 à 95 % d’utilisation du combustible en co-génération électricité-chaleur.
Le coeur de pile est constitué de deux électrodes (conducteurs électroniques contenant un catalyseur tel que le platine) séparées par un électrolyte (conducteur ionique tel qu’un acide, une base ou un oxyde). Les réactions électrochimiques (oxydation du combustible à l’anode, réduction du comburant -oxygène de l’air- à la cathode) se produisent à l’interface électrode-électrolyte comme dans une pile classique ou un accumulateur. Mais à la différence de ces 2 derniers générateurs la production d’énergie (au sein de la pile) est séparée du stockage d’énergie (dans un réservoir à combustible). Cela permet une grande souplesse d’utilisation, notamment une recharge rapide par remplissage du réservoir de combustible et une grande autonomie pour les systèmes embarqués (e.g. pour une automobile : 600 km avec 6 kg d’hydrogène comprimé à 700 bar dans 150 litres de réservoir).

Principe d’une PEMFC : H2 + ½ O2→ H2O avec ΔG = - 237 kJ/mol H2 (réaction globale)
Les piles «basse température» (AFC1 et PEMFC2) ont une durée de vie proche de l’objectif visé dans l’aéronautique civile (> 40 000 heures entre révisions pour un fonctionnement stationnaire). Elles ont par contre l’inconvénient d’utiliser des métaux catalytiques précieux (platine - de l’ordre de 1 g/kW pour les PEMFCs H2/air) ce qui conduit à des coûts élevés. Cependant, l’utilisation de nanotechnologies permet d’envisager une cible à 0,1 g de platine par kW. Des travaux sur l’optimisation de systèmes PEMFC sont en cours pour une application à l’automobile à l’horizon 2015.
Pour atteindre ces objectifs, des travaux de R&D et de démonstration sont nécessaires dans les thématiques suivantes:

• amélioration des propriétés et de la durée de vie, diminution du coût et de la masse des composants du coeur de pile (membrane, catalyseurs, plaques bipolaires, etc.);
• optimisation du fonctionnement des équipements auxiliaires (humidificateurs de gaz, compresseurs, gestions thermique et énergétique, convertisseurs DC/DC, DC/AC, contrôle-commande, etc.);
• intégration du système Piles à Combustible au sein de l’avion selon la fonction envisagée (APU, RAT, ECS, groupe propulseur, etc.) et hybridation avec d’autres sources d’énergie, telles que les accumulateurs;
• logistique du carburant embarqué (hydrogène pur, stockage solide, liquide ou gazeux; reformage d’hydrocarbures tel que le Jet A1, etc.).

Un «workshop» sur les «Piles à Combustible pour Applications Aéronautiques et Spatiales» a été organisé par la Commission Technique Energétique et la Commission Technique Propulsion le 8 Novembre 2011 au cours duquel les principaux acteurs (avionneurs, technologues et chercheurs) ont mis en commun leurs travaux (voir http://www.aaafasso.fr/crbst_50.html).
En conclusion, face aux défis posés par ACARE, les PAC pourraient contribuer à promouvoir un transport aérien encore plus respectueux de l’environnement, grâce notamment au développement de l’avion plus électrique, en alimentant un certain nombre de fonctions essentielles de l’appareil (roulage au sol, RAT, dégivrage des ailes, démarrage des réacteurs, etc.). Mais cela nécessite encore beaucoup de R&D sur les systèmes PAC et leur alimentation en hydrogène à bord, afin d’atteindre un niveau de sécurité et une maturité industrielle en accord avec ces objectifs.

1 AFC : Alkaline Fuel Cell
2 PEMFC : Proton Exchange Fuel Cell