Les avions hybrides-électriques se préparent à prendre leur envol. Dans le but de réduire l'empreinte carbone du secteur aérien, les fabricants ont commencé à combiner des systèmes de propulsion électrique avec des moteurs d'aéronefs traditionnels (turbines à gaz et moteurs à combustion interne). Mais avant d'être parés au décollage, ces appareils hybrides doivent répondre à des critères stricts en matière de rendement, de fiabilité et de sécurité.
En 2021, les installations de recherche sur les turbines à gaz du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) à Ottawa ont inauguré une installation d'essai hybride unique en son genre pour aider l'industrie à mettre au point une technologie aéronautique durable à faible émission de carbone. Cette installation de recherche offre aux innovateurs du secteur de l'électrification des aéronefs une plateforme souple pour tester scientifiquement de nouvelles idées sur un microréseau au sol, afin d'évaluer à quoi ressemblera le rendement des innovations en vol.
« Au fil des ans, nos réunions avec des organisations internationales comme la NASA et le Centre aérospatial allemand nous ont permis de recueillir des renseignements sur des initiatives d'aviation pour favoriser un avenir neutre en carbone, a déclaré Shaji Manipurath, directeur de la R‑D du Laboratoire des turbines à gaz du CNRC. Cela, ainsi que la rétroaction de l'industrie, nous a permis de cerner le besoin d'une installation comme l'installation de recherche hybride-électrique et d'obtenir le soutien nécessaire à sa mise sur pied. »
La technologie de propulsion électrique est associée à différents dispositifs, systèmes et risques. Les organismes de règlementation mondiaux doivent donc concevoir de nouveaux régimes de certification. Chaque produit, des boulons jusqu'aux ailes, est soumis à un processus rigoureux, et l'équipe de l'installation de recherche hybride-électrique fournit des connaissances fondées sur des données probantes à l'appui de la règlementation qui régit les aéronefs.
Dans les coulisses de l'installation
Dotée d'une alimentation électrique de 200 kilowatts, l'installation de recherche hybride-électrique est un point de départ pour les essais de technologies hybrides. « Il s'agit d'une installation à l'échelle pilote adaptée aux petits aéronefs de transport à court rayon d'action, affirme Osvaldo Arenas, chef d'équipe, Laboratoire des turbines à gaz du Centre de recherche en aérospatiale du CNRC. Et elle gagne en popularité à mesure que des projets de R‑D sont lancés à l'interne et à l'externe. »
L'un de ces projets, portant sur la transmission hybride-électrique en série, a été achevé à l'installation au début de 2022. Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont démontré une puissance de propulsion électrique continue à 90 kilowatts et 800 volts, et une efficacité supérieure à 95 % en fonctionnement entièrement électrique.
Le CNRC a aussi démontré la capacité de l'installation de recherche hybride-électrique à simuler des missions de vol en utilisant des profils de décharge de batterie programmés. Ce projet a été réalisé en collaboration avec une université canadienne dans le cadre du programme Aviation à faibles émissions du CNRC.
Plusieurs projets externes sont en cours ou en discussion avec des partenaires industriels. L'organisme de règlementation du Canada, Transports Canada, collabore également avec l'équipe de l'installation de recherche hybride-électrique pour mieux comprendre le rendement, l'exploitabilité et la fiabilité des technologies de propulsion électrique des aéronefs.
« Nous avons conçu l'installation de recherche hybride-électrique pour nous aider à en apprendre plus sur cette technologie révolutionnaire et nous permettre d'acquérir un leadership mondial », ajoute M. Arenas. La plateforme permet aux chercheurs d'économiser temps et argent, ainsi que de réaliser des expériences critiques au sol avant de tester les résultats de leurs recherches en vol. « Elle a été construite pour accepter de nombreux types de technologies différentes, comme les moteurs et l'électronique de puissance, et il est possible de modifier les configurations ou de retirer certains éléments. »
L'installation de recherche hybride-électrique abrite un système de microturbine qui fonctionne comme un moteur à réaction, mais qui produit de l'électricité plutôt que de transmettre une poussée. L'installation permet par ailleurs des configurations entièrement électriques, turboélectriques ou hybrides-électriques. Elle met à la portée des chercheurs des outils qui leur permettent d'étudier les limites de la technologie des batteries, de travailler avec différents composants des moteurs électriques, de les extraire facilement et de les intégrer à d'autres configurations pour tester leur rendement.
Vers un ciel plus vert
L'objectif écologique du gouvernement canadien, qui est partagé par le secteur de l'aviation à l'internationale, consiste à atteindre la carboneutralité d'ici à 2050. Dans le secteur de l'aviation, cela signifie remplacer le kérosène par des carburants durables issus de sources renouvelables, ou remplacer les turbines à gaz par des moteurs électriques ou hybrides.
« L'aviation est l'un des secteurs les plus difficiles à décarboniser en raison des longues distances à parcourir et des besoins en énergie de l'ordre du mégawatt, explique M. Manipurath. La plus grande contrainte n'est pas la propulsion, mais le stockage de l'énergie. » Les batteries actuelles sont extrêmement lourdes et le vol entièrement électrique ne sera donc pas possible avant plusieurs décennies.
En vue de relever les défis supplémentaires posés par la nécessité de mettre à l'échelle les technologies de propulsion et de stockage de l'énergie pour des aéronefs plus gros et à plus grand rayon d'action, le CNRC prévoit de faire passer l'installation de recherche hybride-électrique de 200 kilowatts à une capacité de l'ordre du mégawatt. L'organisation poursuivra également ses recherches sur le remplacement du kérosène par l'hydrogène.
Cette mise à niveau renforcera le soutien à l'industrie, qui a comme objectif de lancer de plus gros aéronefs hybrides d'ici à 2040. Et elle aidera par ailleurs le CNRC et le Canada non seulement à maintenir leur position de chef de file dans le secteur de la R‑D sur les turbines à gaz et les technologies vertes, mais aussi à acquérir l'expérience nécessaire pour continuer à faire face à la concurrence dans le vaste nouveau domaine des carburants et des technologies propres.
Les répercussions sur l'environnement augmenteront de manière exponentielle lorsque des avions de transport de passagers et cargo plus gros seront déployés partout dans le monde. « Étant donné que de nombreux pays arrivent sur le marché avec leurs propres solutions, l'accès à des installations comme l'installation de recherche hybride-électrique devient de plus en plus important pour les innovateurs canadiens », explique M. Manipurath. « Cela leur permet de tester leurs concepts et de développer des produits ici au Canada pour le monde entier. » Et grâce à des collaborations ciblées avec le milieu universitaire, l'installation de recherche hybride-électrique formera également la prochaine génération de spécialistes dans ce domaine.
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