Propulsion électrique des petits avions

Comme outils de communication et pour montrer leur technicité, de nombreuses universités et constructeurs cherchent à mettre en place des démonstrateurs propulsés par des systèmes pile à combustible. Qu’ils soient pilotés ou sans pilote, il en existe de nombreux exemplaires dont quelques-uns sont brièvement présentés dans cette partie (pour un aperçu plus complet, l’auteur invite le lecteur à lire [ALL-11]). Ces démonstrateurs permettent notamment de faire évoluer l’image de l’hydrogène auprès du public…

1.1.2.1 Boeing – motoplaneur Diamond HK36TTC Super-Dimona (1 place)

Boeing fut le premier à faire voler un avion à propulsion par pile à combustible en juillet 2008 [LAP-08]. Basé sur un avion Biplace commercial, Boeing a remplacé la propulsion par un moteur électrique et l’alimentation par une association PAC et batterie Li-ion, illustré en Figure I.6.

Pile à combustible : peu d’informations disponibles ; mise en série de deux stacks (fabriqués par Intelligent Energy, assemblage membranes électrodes fabriqués par Gore) alimentés en H2/Air permettant une puissance max de 25kW et une puissance continue de 18kW

Stockage : peu d’informations disponibles ; réservoir H₂ en matières composites (de fabrication Air Liquide), stockage à 350 bars

Batterie : 66 Block SL20P en série (fabriquée par SAFT), soit 20Ah à 237,6V (4,750 kW.h) ; elle doit fournir 25kW pendant 7 minutes (le temps du décollage) mais est dimensionnée pour 50kW pendant 5 minutes.

Durant les 7 premières minutes du vol, la batterie et la PAC donnent leur puissance maximale pour permettre à l’avion de décoller et monter. Puis seule la PAC fournit sa puissance nominale pour le vol de croisière, ce qui a permis un vol de 25 minutes jusqu’à 1000 pieds (soit 300m)

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a) Implantation du système dans l’avion b) Essai en vol de l’avion Figure I.6 : Schéma et image du démonstrateur Boeing [LAP-08]

1.1.2.2 Le DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)

Le DLR possède de nombreux projets autour des systèmes à piles à combustible « volants » dans la génération multifonctionnelle à bord d’avions de ligne (§ 1.1.1.3), mais aussi dans la propulsion électrique de plus petits avions avec et sans pilote dont certains projets sont présentés ici.

1.1.2.2.1 Antares H2 (1 place)

Ce démonstrateur construit sur la base de l’Antares 20E (avion électrique à batteries Li-ion) utilise une hybridation directe d’une batterie Li-ion et d’une pile à combustible. Peu d’informations sont disponibles sur les technologies utilisées dans cet avion, hormis que les batteries de type VL42M (construites par Saft) possèdent une énergie embarquée de 12kW.h, le réservoir d’hydrogène situé sous une des ailes pouvant contenir jusqu’à 4,6kg d’H₂ comprimé à 350 bars et la PAC (développée par Hydrogenics) située sous l’autre aile pouvant fournir jusqu’à 33kW. Le moteur réversible, construit par Lange Aviation développe 40kW ce qui fournit un rendement énergétique global (de l’énergie chimique au mouvement) de 40%

[KAL-12]. Il est cité comme le premier avion capable de réaliser un vol complet uniquement grâce à la puissance fournie par le système pile à combustible (premier vol réalisé en 2009), autonomie : 750km.

Figure I.7 : Photo du démonstrateur Antares DLR H2 en vol [KAL-12]

19 1.1.2.2.2 Antares H3

En collaboration avec Lange Aviation, le DLR développe une version améliorée de l’Antares H2 dont le but est de réaliser la première traverse de l’atlantique propulsée par un système pile à combustible. L’autonomie visée est de 50h et 6000km et le transport de charges utiles allant jusqu’à 200kg. La commercialisation de ce modèle est envisagée.

Figure I.8 : Design du démonstrateur Antares DLR H3 - source : Lange Aviation.

1.1.2.2.3 HyFish (drone)

HyFish est le nom d’un prototype de drone qui a volé en Avril 2007 propulsé par une PAC de 1,3kW n’excédant pas 800g soit plus de 1,5W/g (construite par Horizon fuel cell) pour un poids total du système PAC et son réservoir d’H₂ de 3kg. Le drone de 6kg a atteint les 200km/h. L'objectif du projet était de démontrer l'efficacité des piles à combustible dans un environnement difficile [HOR-07].

1.1.2.3 Université de Stuttgart - Hydrogenius (2 places)

Suite au projet ICARE 2 qui a permis la construction d’un avion solaire qui fut le premier avion à décoller et voler en utilisant uniquement ses panneaux solaires comme source de puissance (sans l’aide de batteries), l’Université de Stuttgart se lance dans la conception d’un avion biplace à propulsion par pile à combustible [VOI-09] illustré sur la Figure I.9.

Pile à combustible : le premier design utilisait un système “HY-80TM” (produit par NUCellSys) qui proposait 68kW max pour 220kg ; cependant les nouvelles générations de systèmes proposent 85kW pour moins de 200kg.

Stockage : Réservoir ZM180 pouvant contenir 4,2kg d’hydrogène à 350bars pour une masse de 93kg (fabriqué per Dynetek).

Moteur : brushless triphasé synchrone à aimants permanents de 72kW crète et 58kW nominal pour une masse de 25,5kg (construit par Sineton).

Batterie : peu d’informations disponibles, capacité de 16kW.h

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L’Université de Stuttgart vise une autonomie de 700km de l’avion pour une vitesse maximale de 270km/h.

a) Implantation du système dans l’avion b) Différentes vues de la modélisation Figure I.9 : Illustration de l’avion Hydrogenius [VOI-09]

1.1.2.4 France - Apache

Le projet APACHE (Applications Pile A Combustibles Hybrides Embarquées), réalisé dans le cadre du FUI (Fonds Unique Interministériel) et débuté en 2009, vise au développement de systèmes pile à combustible répondant aux exigences d’utilisation fournies par des exploitants de plateformes aéronautiques (aéronefs légers, hélicoptères, etc.) et navales (voiliers, yachts, bateaux à moteurs) [CAP-08].

Les modules développés seront essayés en situation réelle sur des porteurs avec des exigences et des contraintes croissantes :

 module utilisé comme APU sur un bateau à moteur de grande taille puis,

 module utilisé comme système de propulsion annexe sur un voilier puis,

 module utilisé comme propulseur principal dans un avion biplace puis,

 module utilisé comme propulseur principal dans un avion léger.

A cette occasion, des études sont menées sur les effets de l’inclinaison et de l’altitude des systèmes PAC afin de proposer des modèles permettant de prendre en compte ces paramètres.

D’après les premiers travaux, il semble s’en dégager que la solution H₂/O2, peu étudiée habituellement compte tenu du poids de l’oxygène à embarquer, possède un réel créneau d’application : vols courts (1 à 2h) et vols à haute altitude (>2500m) [HOR-12].

1.1.3 Conclusion sur les systèmes PAC pour l’aéronautique : des