Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article dresse un état de l’art actuel des technologies et stratégies d’électrification des aéronefs en cours d’étude. Il traite à la fois de l’électrification pour l’avionique et pour la propulsion, en partant des démonstrations « tout-électrique» actuelles jusqu’à l’hybridation des avions types régionaux dans 15-20 ans, de la technologie de stockage au système complet (électronique de puissance et chaîne de traction électrique) avec la redéfinition de la plateforme avion (basse tension-haute tension), et de son impact sur la maintenance.
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This article sets out the current state of the art and the technologies and strategies of aircraft electrification. We look at electrification for avionics and for propulsion, from “full electric” demonstrations to hybridization of regional aircraft in the next 15–20 years, from storage technology to the complete system (power electronics and electric power train) with a redefined aircraft platform (low-voltage–- high-voltage) and impact on maintenance.
Auteur(s)
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Florence FUSALBA : Responsable Programme - CEA TECH – LITEN, Grenoble, France
-
Jean ORIOL : Responsable Partenariat Industriel - CEA-CTREG-DNAQ, Pessac, France
INTRODUCTION
Selon la classe de l’aéronef électrique et son degré d’électrification, celui-ci pouvant aller de l’alimentation des équipements de bord à la propulsion, différents systèmes de puissance peuvent être envisagés et intégrés avec différentes architectures électriques.
Alors que les performances des technologies de stockage de l’énergie peuvent dès aujourd’hui permettre d’initier des développements commerciaux d’avions légers entièrement électriques, des stratégies d’hybridation électrique de la propulsion d’avions commerciaux tels que ceux affectés aux lignes régionales sont déjà à l’étude.
Quelle que soit leur mission, de l’alimentation du système auxiliaire à la propulsion, les paramètres dimensionnants pour le système de stockage de l’énergie sont la sécurité, la fiabilité, le ratio énergie/puissance, la durée de vie (en cyclage et calendaire) ainsi que le niveau de certification requis. Plus particulièrement le ratio énergie/puissance requis diffère d’une application en mode tout électrique à une application en mode de propulsion électrique hybride, conditionnant ainsi la sélection de la technologie.
Les performances en sécurité du système de stockage nécessitent en effet d’être qualifiées selon des normes non seulement pour leurs applications aéronautiques (DO) mais aussi pour leurs manutentions et transports terrestres (UN 38.3). Les normes pour la propulsion électrique du secteur aéronautique sont actuellement en cours de définition notamment dans le groupe de travail SAE International.
Cet article dresse l’état de l’art actuel et détaille les technologies/stratégies d’électrification des aéronefs en cours d’étude. Il apporte un regard de la technologie de stockage au système complet (électronique de puissance et chaîne de traction électrique) ainsi que sur la plateforme avion (basse tension-haute tension), sur la maintenance et le modèle économique liés à l’électrification.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
stockage d'énergie avions électriques hybridation dans les aéronefs chaîne de traction électrique
KEYWORDS
energy storage | electric aircrafts | hybridation of aircrafts | electric power train
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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4. Perspectives
4.1 Feuille de route des technologies pour l’électrification
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Perspectives pour les technologies lithium-ion
Aujourd’hui, Panasonic commercialise des cellules lithium-ion de type NCR18650A qui développent 675 Wh/L et ~230-245 Wh/kg sur 300 cycles. Ces cellules sont utilisées dans des batteries pour véhicules électriques comme la Tesla. Des cellules Li-ion hautes énergies (18 650) utilisant une électrode positive à base de nickel (LiNiO2, propriété de Panasonic) permettent d’atteindre 252 Wh/kg. Panasonic annonce le démarrage de la production de cellules utilisant un alliage silicium dans l’électrode négative (+30 % d’énergie) en volume production. Ces cellules de 260-270 Wh/kg sont déjà disponibles.
De plus grande capacité (cellules de 45 Ah) mais à l’état de prototype (en 2012), la société Envia, une start-up américaine, propose des accumulateurs Li-ion entre 378 et 400 Wh/kg sous des régimes de décharge de C/10 à C/3. Ces cellules intègrent une électrode négative à base de silicium avec une électrode positive à base de lithium-rich. Elles délivrent 400 Wh/kg puis 300 Wh/kg après 4 cycles. Les cellules Envia ont été testées par plusieurs utilisateurs mais pour l’instant elles ne sont pas produites ni commercialisées. Lancé par Ford et General Motors dans le cadre du développement technologique pour l’émergence des véhicules électriques, le programme US Advanced Battery Consortium (USABC) du DOE (Department of Energy) soutient la recherche de la société Amprius financée à hauteur de 5,5 M$ pour développer sa solution optimisée d’anode en nanofil de silicium. Dans ce cadre, des cellules développant plus de 300 Wh/kg sont certifiées par les normes UL1642 et UN 38.3 pour des applications militaires ou commerciales (tableau 9). Les propriétaires des brevets majeurs sont des utilisateurs et des acteurs intégrateurs (Sony, LG, Samsung, Panasonic), des fabricants de batteries (Sanyo, GS Yuasa, Hitachi, Hitachi Maxell), des fabricants de matériaux (Shin-Etsu Chemical, Sumitomo Metal Industries, Mitsui Mining Smelting, 3M) et des centres de recherches (Argonne National Laboratory, Chinese Academy of Science, AIST (JP), KAIST (KR)).
Les acteurs majeurs de la technologie Li-ion sont des fournisseurs de matériaux, des fabricants de cellules, des groupes de recherche et développement… Le...
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Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AIRBUS - Delivering the future - Global market Forecast 2011 – 2030. S.1 AIRBUS (2011).
-
(2) - Le transport aérien et la problématique du CO2 : enjeux des mécanismes ETS et des biojets, - Panorama (2013), http://www.ifp.fr
-
(3) - - http://www.iata.org/about/Documents/iata-annual-review-2015.pdf
-
(4) - - http://www.cleansky.eu/content/homepage/about-us
-
(5) - - http://perso.univ-lemans.fr/~yauregan/these/Manuscrit_Renou.pdf
-
(6) - - http://sites.onera.fr/aussois2011/sites/sites.onera.fr.aussois2011/files/presentations/introduction_compositev2.pdf
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Le transport aérien et la problématique du CO2 : enjeux des mécanismes ETS et des biojets, Panorama, 2013, http://www.ifp.fr
Émission mondiale de CO2 et axes de réductio, http://www.iata.org/about/Documents/iata-annual-review-2015.pdf
Schéma de principe d’un turboréacteur à double flux, http://perso.univ-lemans.fr/~yauregan/these/Manuscrit_Renou.pdf
Évolution de la fraction massique de matériaux composite pour la gamme BOEING et AIRBUS, http://sites.onera.fr/aussois2011/sites/sites.onera.fr.aussois2011/files/presentations/introduction_compositev2.pdf
Comparaison des technologies basses et hautes températures de piles à combustibles, http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc
PEMFC pour l’aéronautique, http://www.popsci.com/military-aviation-amp-space/article/2009-07/antares-dlr-h2-first-plane-run-exclusively-fuel-cell-power http://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10203/339_read-8244#/gallery/12337
Vol d’essai d’un système PEMFC embarqué...
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