Scénarii pour l'aérodrome autonome

Pipistrel Wattsup

Depuis quelques années, les progrès réalisés sur les batteries et l'allégement des structures permettent d'imaginer des solutions électriques pour faire voler des avions légers. Le programme français le plus récent et le plus structuré paraît être celui du bimoteur tout électrique baptisé E-Fan et promu par Airbus Group Innovation. Le développement de cet avion principalement destiné à la formation des pilotes constitue le projet central du plan "Avion Électrique et Nouvelle Génération d'Aéronefs" mis en place par le Ministère du Redressement Productif.

Le projet est cofinancé par la DGAC (Direction Générale à l’Aviation Civile), le FEDER (Fonds Européen de Developpement Régional), le  FRED (Fonds pour les REstructurations de la Défense), la région Aquitaine et le département de la Charente Maritime. Plusieurs entreprises contribuent à ce projet dont Dassault Systems, le CEA, Zodiac Aerospace, SAFRAN, DAHER-Socata, l'Institut Pprime (Université de Poitiers) et plusieurs écoles d'ingénieurs. Il est prévu que deux modèles, l’un à deux sièges côte à côte et l’autre à deux fois deux sièges, disposant d'une autonomie de trois heures, soient produits en série dans une usine de Mérignac dès 2017. La société slovène Pipistrel développe de son côté un appareil biplace WattsUP dont les batteries peuvent être remplacées en quelques minutes  (Quick Drop [A]). Un complément d’énergie électrique peut être apporté par l’ensoleillement  via  des cellules photovoltaïques, à l’image de ce qui est fait sur Solar Impulse 2 , à condition que ces cellules soient suffisamment fines, légères et souples pour épouser le profil de l’aile.

Ces avancées technologiques rendent aujourd'hui crédible la perspective de voler sur des avions légers propulsés par la seule énergie électrique. La localisation, les superficies et les infrastructures dédiées aux activités de l'aviation légère suggèrent alors d'imaginer des solutions pour s'affranchir des énergies fossiles. Des solutions de recharge pour les batteries sont aussi à imaginer pour préparer l'indépendance énergétique des aéroclubs et faire baisser les coûts d'utilisation [1]. 

Des relations analytiques ont été établies pour quantifier les énergies consommées sur une heure de vol par un avion à moteur thermique [B] disposant de 350 kg de charge utile dont 150 kg pour les occupants et 200 kg pour l'énergie embarquée. Ces valeurs sont utilisées pour identifier les évolutions à apporter sur le coefficient de traînée, la vitesse et la masse totale de l'avion afin de permettre un vol électrique sans modifier la charge utile. Les calculs sont effectués pour des batteries d'énergie massique limitée à 150 Wh/kg [1].

Les résultats montrent qu'un vol électrique d'une heure devient possible pour des vols d'entraînement effectués à proximité des aérodromes, à condition de réduire la traînée aérodynamique de 30%, la vitesse de croisière de 20% et la masse totale de l'avion de 40%. Les calculs sont effectués en intégrant une réserve d'énergie de quinze minutes pour la sécurité. Les ordres de grandeur issus des calculs sont cohérents avec les caractéristiques, masse et vitesse, de l'avion électrique E-Fan développé par Airbus [1].

Différents scénarii sont alors proposés pour recharger un ou plusieurs packs de 200 kg de batteries d'énergie massique 150 Wh/kg. Sont successivement analysées les recharges à partir de panneaux photovoltaïques, par volant d'inertie, par réservoir d'eau ou par roue à aubes [1]. La recharge par éolienne n'est pas envisagée, sur ou à proximité d'un aérodrome, pour des raisons de sécurité compte tenu de la couche limite terrestre qui nécessite des installations en hauteur et des effets de masque qui nécessitent des installations trop dispersées [2].


Fig. 1 – Énergie récupérable en kWh (ordonnée de gauche) et nombre de packs de batteries (ordonnée de droite) pouvant être rechargées en 6 heures d'ensoleillement en fonction de la surface de hangar couverte par des panneaux photovoltaïques.

Fig. 2 – Énergie récupérable en kWh (ordonnée de gauche) et nombre de packs de batteries (ordonnée de droite) pouvant être rechargées en 6 heures d'ensoleillement en fonction de la surface de hangar couverte par des panneaux photovoltaïques.

La recharge par panneaux photovoltaïques est étudiée en imaginant recouvrir tout ou partie d'un hangar d'avions dont la surface au sol varie de 50 à 1000 m2. Pour des rendements moyens proches de 0.15, l'énergie du soleil permet d'alimenter deux packs de batteries de 200 kg avec 500 m2, (respectivement quatre packs avec 1000 m2), voir les figures 1 et 2. Cette configuration fournit l'énergie nécessaire à quatre vols d'instruction d'une heure pour un avion électrique disposant du plein d'autonomie et de trois packs de batteries chargées avant le premier vol. Cette configuration, qui nécessite un investissement important au niveau batteries, peut convenir à des aéroclubs disposant de deux ou trois avions (club d'une soixantaine de membres) pour des vols d'instruction à effectuer en fin de semaine.

Au niveau de l'aérodrome, l'installation de panneaux photovoltaïques sur une partie des surfaces en herbe inutilisées par les avions constitue une alternative intéressante. Pour un aérodrome de 50 hectares, 5 hectares (resp. 25 hectares) suffisent pour recharger 33 packs (resp. 167) de batteries toutes les heures. Pour 10 aéroclubs et 100 avions, cette superficie fournit trois recharges par heure et par aéroclub et permet d'assurer l'enchainement des vols pour trois avions par aéroclub, voir les figures 3 et 4.
 

Fig. 3 – Énergie horaire moyenne en kWh (ordonnée de gauche) et nombre de packs de batteries (ordonnée de droite) pouvant être rechargées en 1 heure d'ensoleillement en fonction de la surface d'aérodrome couverte de panneaux photovoltaïques.
 
Fig. 4 – Nombre de packs de batteries rechargées (ordonnée de gauche) par aéroclub (10 aéroclubs) et par avion en vol (3 avions électriques / aéroclub, ordonnée de droite) pour 1 heure d'ensoleillement en fonction de la surface d'aérodrome couverte de panneaux photovoltaïques.

Les solutions par volant d'inertie ou par réservoir d'eau sont écartées car elles ne donnent pas une stricte autonomie  à l’aérodrome, voir les figures 5 et 6. Ces deux solutions correspondent plutôt à des moyens de stockage temporaire d’énergie.

 
Fig. 5 – Nombre de packs de batteries (ordonnée de gauche) pouvant être rechargées par des volants d'inertie, cylindres plein et creux, en fonction de la vitesse de rotation en tr/mn. Les vitesses périphériques sont reportées sur l'ordonnée de droite.
 
Fig. 6 – Energie récupérable (ordonnée de gauche) et équivalence en nombre de packs de batteries de 200 kg (ordonnée de droite) en fonction de la hauteur d'eau d'un réservoir de 10 m de diamètre situé à 20 m au dessus du sol.

La proximité d'un cours d'eau peut être utilisée pour recharger des batteries et contribuer à développer l'autonomie d'un aéroclub ou d'un aérodrome. L'installation d'une roue à aubes sur un cours d'eau nécessitant de nombreuses autorisations, les dimensions de la roue sont choisies pour rester cohérentes avec le budget d'un aéroclub et pour que la roue puisse être facilement démontable et transportable sur une remorque. Pour un rayon de roue à mi-pale égal à 0.8 m et un nombre d’aubes K égal à soixante, le nombre d’heures pour recharger 200 kg de batteries dépasse les trente heures. Cette durée n'est pas compatible avec le besoin de recharge d'un avion effectuant des rotations successives d'une heure de vol mais peut constituer une solution de recharge complémentaire.

Les recherches menées pour développer l'efficacité des cellules photovoltaïques et l'énergie massique des batteries suggèrent des perspectives intéressantes en terme d'autonomie qui rendent crédibles la perspective de vols électriques de plusieurs heures. D'importants efforts sont aujourd'hui engagés dans ces domaines [3] qui intéressent l'ensemble des acteurs et clients des secteurs du transport.

Les résultats présentés montrent l'intérêt de s'intéresser au vol électrique et la possibilité de s'affranchir du recours aux produits pétroliers pour la formation élémentaire des pilotes lors des vols de courte durée. Ce papier pose les bases d'une première réflexion destinée à guider un travail prospectif plus détaillé. 
 
 

[A] Quick Drop, système de remplacement rapide des batteries développé par la société "Better Place" pour les véhicules électriques Renault.

[B] Avion ROBIN-DELEMONTEZ type DR400, 120 (87 KW).

RÉFÉRENCES
 [1]    Gilliéron P.; Scénarii pour l'aérodrome autonome, décembre 2014.
 [2]    Le Gouriérès ; Les éoliennes, théorie, conception et calcul pratique, Éditions du Moulin Cadiou, diffusion EYROLLES-GEODIF/SODIS, ISBN 9-782953004106.
 [3]    Tarascon JM ; L'énergie : stockage électrochimique et développement durable, leçons inaugurales du Collège de France, Chimie des solides et de l'énergie, Fayard, ISBN 978.2213662459.
 
email Patrick Gilliéron: rdmfa.pgillieron@orange.fr
 
 

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