Le défi d’une aviation soutenable

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Le défi d’une aviation soutenable

Une flotte d’avions de ligne sans aucune émission de carbone, c’est un peu le Graal d’une aviation soutenable. Depuis le mois dernier, il paraît un peu plus accessible grâce à Airbus, qui a dévoilé trois concepts d’avion à hydrogène que la compagnie espère lancer d’ici à 20351. Quelques jours plus tard, le premier avion commercial au monde fonctionnant à l’hydrogène, construit par ZeroAvia, a fait son vol inaugural2.

Nous avons cruellement besoin d’une aviation soutenable. Selon les dernières données disponibles, les voyages en avion produisent 1,9% des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES)3. Et si les technologies de l’aviation ne deviennent pas plus soutenables, ces émissions devraient augmenter de plus de 300% d’ici 20504. Le secteur a donc beaucoup à faire pour corriger sa trajectoire afin d’atteindre la neutralité carbone.

La pandémie de COVID-19 a aggravé la situation. Globalement, le nombre de vols pris en 2020 devrait être inférieur de 35% à 65% à celui de l’année dernière5. Bien que cela ait engendré une réduction appréciable des émissions de carbone à court terme6, la baisse correspondante des revenus, dont les compagnies se seraient bien passées, est susceptible de diminuer les budgets de la recherche et du développement, pourtant nécessaires pour parvenir à la soutenabilité à long terme7.

Il est donc plus important que jamais que les investisseurs se concentrent sur les technologies soutenables pour l’aviation. Mais quelles sont les technologies les plus à même d’accélérer une révolution de la soutenabilité dans les voyages en avion ?

Il est donc plus important que jamais que les investisseurs se concentrent sur les technologies soutenables pour l’aviation. Mais quelles sont les technologies les plus à même d’accélérer une révolution de la soutenabilité dans les voyages en avion ?


De l’électricité dans l’air ?

Lorsqu’il est impossible d’effectuer un trajet en train, des avions alimentés par batterie pourraient bientôt prendre la relève : easyJet compte introduire des avions électriques sur les itinéraires de moins de 500 km d’ici à 20308 et la Norvège s’est fixé l’ambition de vols court-courriers exclusivement électriques d’ici à 20409. L’électrification des avions pourrait également faciliter la mise en place de nouveaux concepts présentant une meilleure efficience énergétique, qui remplaceraient les gros moteurs actuellement utilisés par un plus grand nombre de petites hélices réparties sur les ailes ou le fuselage. Elle pourrait également favoriser l’essor des eVTOL (aéronefs électriques avec décollage et atterrissage vertical), qui pourraient faire des avions un mode de déplacement plus pratique grâce à de plus petits sites d’atterrissage pouvant être installés à proximité des centres urbains.

L’électrification des avions pourrait également faciliter la mise en place de nouveaux concepts présentant une meilleure efficience énergétique

Mais, là aussi, la faible densité énergétique des batteries d’aujourd’hui sera problématique pour les vols de plus longue durée. Le kérosène contient environ trente fois plus d’énergie par kilogramme que les meilleures batteries lithium-ion actuellement sur le marché. Et, alors que les avions ordinaires perdent du poids à mesure qu’ils consomment leur carburant, un avion alimenté par batterie sera aussi lourd à l’atterrissage qu’au décollage10. Ainsi, bien que les avions électriques se profilent à l’horizon des vols court-courriers, les batteries actuelles prennent trop de place et sont trop lourdes pour transporter des centaines de passagers sur des milliers de kilomètres. Il faudrait pour cela que les technologies évoluent dans une direction différente – ce qui sera peut-être le cas grâce aux nouvelles générations de batteries11. En attendant, les avions hybrides pourraient être une solution.

Une conception durable

A court terme, la meilleure façon de réduire l’impact carbone des voyages en avion est de consommer moins de carburant. Pour cela, l’une des méthodes les plus simples consiste à utiliser des logiciels tels que SkyBreathe, qui optimisent automatiquement les plans de vol dans une optique d’efficience en carburant.

L’amélioration de la conception changera également la donne. Certains des avions actuellement en service utilisent jusqu’à 20% d’énergie en moins par rapport aux modèles plus anciens, principalement grâce à un meilleur taux de dilution (c’est-à-dire le taux d’impulsion générée par ce ventilateur que l’on voit tourner devant le moteur d’un avion). Plus le taux de dilution est élevé, moins il y a besoin de carburant. Les avions modernes sont également plus aérodynamiques et utilisent des matériaux plus légers12.

A court terme, la meilleure façon de réduire l’impact carbone des voyages en avion est de consommer moins de carburant... L’amélioration de la conception changera également la donne

Cependant, comme l’optimisation des configurations actuelles a ses limites, il faudra que la conception des avions change radicalement pour que l’efficacité en carburant s’améliore tangiblement. L’année dernière, KLM a annoncé un concept d’aéronef appelé le Flying-V, pouvant accueillir des passagers à l’intérieur même des ailes de l’avion13. Selon la compagnie, cet aéronef plus léger et plus aérodynamique devrait consommer 20% de carburant de moins que l’Airbus 350 tout en conservant la même capacité de fret et une capacité de 314 passagers.

Mais sachant qu’un nouveau concept radicalement différent peut coûter entre USD 30 et USD 40 milliards14, déployer une plateforme aérienne totalement neuve est un défi de taille. Selon R. John Hansman, professeur d’aéronautique au Massachusetts Institute of Technology, « Boeing et Airbus se partagent un duopole. Et dans le monde d’aujourd’hui, alors que les constructions d’avions ont pris du retard, les compagnies aériennes ne peuvent se permettre de prendre de multiples risques techniques. A mon sens, les barrières à l’entrée sont énormes pour le déploiement à grande échelle d’un avion »15. D’autant plus que ces nouveaux concepts reposeraient toujours sur le recours à un kérosène traditionnel et que la demande des passagers, susceptible d’augmenter au cours des décennies à venir, contrebalancera probablement l’accroissement de l’efficacité.


L’hydrogène : solution révolutionnaire ou emballement médiatique ?

L’aviation nécessitant une source d’énergie dense, nous aurons sans doute besoin des combustibles liquides pendant bien des décennies encore pour parcourir de longues distances. Mais ces carburants ne doivent pas nécessairement être des combustibles fossiles. L’hydrogène est une alternative liquide prometteuse qui a le mérite d’offrir la densité énergétique requise pour faire voler un avion sans émettre de carbone. L’eau est le seul déchet produit.

L’aviation nécessite une source d’énergie dense, nous aurons sans doute besoin des combustibles liquides pendant bien des décennies encore pour parcourir de longues distances... mais ces carburants ne doivent pas nécessairement être des combustibles fossiles

Glenn Llewellyn, vice-président des technologies zéro émissions chez Airbus, n’est pas convaincu par les batteries : « Nous pensons que cette technologie n’est pas pertinente aujourd’hui pour les avions de ligne, et estimons que l’hydrogène présente un meilleur potentiel »16. Dans cette optique, Airbus a récemment dévoilé trois nouveaux concepts permettant des avions commerciaux sans émissions de carbone, qui pourraient être mis en service d’ici 2035 : un concept avec turboréacteur à double flux alimenté par un moteur à turbine à gaz modifié, pouvant accueillir jusqu’à 200 passagers et parcourir plus de 2’000 milles nautiques, un concept d’aéronef à fuselage intégré présentant une capacité semblable en termes de passagers et de distance parcourue, et enfin un concept de turbopropulseur avec une capacité de 100 passagers et une portée supérieure à 1’000 milles nautiques.

Malgré tout, des problèmes persistent. Le plus important est celui des émissions de GES produites par le vaporeformage du méthane, la méthode de production d’hydrogène la plus répandue : elles peuvent atteindre 150 grammes par kilowattheure d’énergie17. L’électrolyse est un moyen neutre en carbone de produire de l’hydrogène – à condition que l’électricité requise vienne du nucléaire ou de sources renouvelables – mais est actuellement plus chère que le vaporeformage. Il est vrai que les investisseurs privilégient de plus en plus l’hydrogène vert car l’évolution de la réglementation (avec notamment le Pacte vert pour l’Europe et un nouvel objectif de neutralité carbone en Chine) souligne l’importance de développer ces activités tout en réduisant les coûts. Il n’empêche que de nombreux secteurs, dont l’acier, le ciment, les produits chimiques, le chauffage et lesautres formes de transports longue distance, se font concurrence pour cette offre limitée. Ainsi, malgré des projets tels que BIG HIT dans les Orcades et HyBalance au Danemark, qui prouvent qu’il est possible de produire de l’hydrogène de façon efficiente, des recherches plus approfondies et des investissements plus importants devront être réalisés pour qu’une aviation soutenable devienne une réalité grâce à l’hydrogène.

… des recherches plus approfondies et des investissements plus importants devront être réalisés pour qu’une aviation soutenable devienne une réalité grâce à l’hydrogène

Maintien de la liquidité

Une autre catégorie de carburant liquide alternatif semble beaucoup plus proche d’un déploiement généralisé. Les carburants durables d’aviation (les « SAF », de l’anglais « Sustainable Aviation Fuels »), dont les biocarburants font partie, sont produits à partir de matières premières diverses incluant les graisses et huiles usagées, les huiles végétales, les copeaux de bois et même les déchets ménagers. Bien que la combustion des SAF produise toujours des émissions de carbone, les matières premières à partir desquelles ils sont fabriqués retirent du carbone de l’atmosphère. Ainsi, les émissions de GES globales des SAF restent inférieures de 65% à 95% à celles des combustibles traditionnels à base de kérosène de sources fossiles18. Qui plus est, les SAF peuvent être utilisés par les avions actuellement en service.

Les carburants durables pour l’aviation (les « SAF », de l’anglais « Sustainable Aviation Fuels »), dont les biocarburants font partie, sont produits à partir de matières premières diverses incluant les graisses et huiles usagées, les huiles végétales, les copeaux de bois et même les déchets ménagers

Mais, pour l’instant, les biocarburants de la première génération ne sont pas aussi soutenables qu’il faudrait pour véritablement changer la donne. Ils restent chers, avec un coût deux à cinq fois supérieur à celui du carburant traditionnel des avions19. A cela s’ajoute le problème de l’échelle. Aujourd’hui, les SAF ne représentent que 0,1% du kérosène utilisé dans le monde et même les estimations les plus optimistes ne dépassent pas 4% à 8% d’ici 203520.

Cela dit, si l’on parvenait à la fois à accroître les effets d’échelle et à introduire des produits innovants, l’utilisation généralisée des SAF pourrait les rendre viables. Il existe actuellement six SAF certifiés, mais les esters et acides gras hydrotraités (HEFA), produits à partir d’huiles alimentaires, de graisses animales et d’huiles végétales, sont actuellement la solution la moins chère et la plus avancée sur le plan commercial. Sur le court et moyen terme, les HEFA pourraient être développés à plus grande échelle grâce à de meilleures pratiques de collecte des graisses et huiles usagées et en utilisant l’huile végétale brute normalement consacrée à d’autres usages. Reste que nous sommes encore loin de pouvoir répondre à la demande toujours croissante en carburants pour avions et, à ce jour, aucun SAF n’est approuvé à plus de 50% dans les mélanges avec le carburant traditionnel.

A plus long terme, nous devrons mettre au point des méthodes de production plus avancées permettant d’utiliser une biomasse soutenable, comme les résidus agricoles et forestiers. Ces méthodes en sont encore à un stade relativement précoce par rapport aux HEFA. Par exemple, les premières usines conçues pour produire, à une échelle commerciale, des SAF reposant sur la méthode « Alcohol-to-Jet » (oligomérisation d’alcools) et sur la gazéification / le procédé Fischer-Tropsch n’en sont qu’au stade de la planification ou de la construction et la plupart d’entre elles produiront probablement moins de 0,1 tonne par an. Par la suite, il faudra au moins une décennie de préparation, de construction et de mise en service pour voir fleurir de multiples usines commerciales. Parallèlement, des technologies moins matures mais promettant une plus grande efficacité ou utilisant des matières premières moins chères, comme la pyrolyse et la liquéfaction hydrothermale, ont encore de nombreux obstacles à surmonter en matière de production et d’investissement, et sont encore plus loin d’être viables sur le plan commercial.

A plus long terme, nous devrons mettre au point des méthodes de production plus avancées permettant d’utiliser une biomasse soutenable, comme les résidus agricoles et forestiers

En plus des six SAF certifiés qui existent déjà, le carburant de synthèse (créé en utilisant de l’électricité renouvelable pour extraire l’hydrogène de l’eau et le fusionner avec le carbone capté dans l’atmosphère) est une autre solution prometteuse. Dans la mesure où ces « ingrédients » abondent, ils pourraient répondre à tous les besoins en carburant pour avion. Mais, pour que ce potentiel puisse se réaliser, de lourds investissements devront être consentis dans la recherche et le développement afin de réduire le coût des équipements et d’améliorer le rendement de conversion car, si celui-ci ne change pas, le carburant sera beaucoup trop cher.

Malgré tout, compte tenu de la relative disposition du marché à les accueillir et de leur compatibilité avec les technologies existantes, les SAF sont la solution à faibles émissions de carbone la plus prometteuse pour les voyages en avion de longue durée, du moins à court terme. Et les nouveaux engagements pris sur les plans politique et réglementaire devraient leur donner un coup de fouet. De nombreux pays européens introduisent actuellement des règles fondées sur les SAF et, dans le cadre du Pacte vert pour l’Europe, l’initiative « ReFuelEU »21 propose d’instaurer une obligation de mélange (en vertu de laquelle la quantité obligatoire de SAF augmenterait progressivement par rapport aux carburants traditionnels), ainsi que des mécanismes d’incitation et de soutien optimisés. 

... compte tenu de la relative disposition du marché à les accueillir et de leur compatibilité avec les technologies existantes, les SAF sont la solution à faibles émissions de carbone la plus prometteuse pour les voyages en avion de longue durée

Mettre le cap ailleurs

Comme nous l’avons vu, il reste encore beaucoup de points en suspens pour savoir comment rendre les voyages en avion véritablement soutenables. Si la révolution semble imminente sur le créneau des vols court-courriers, 80% des émissions viennent des vols de plus de 1’500 km22, qui, en raison de la densité énergétique requise, vont devoir utiliser les carburants liquides pendant un long moment encore. De plus, même si les SAF et l’hydrogène sont des pistes très prometteuses à creuser encore, d’importants obstacles technologiques subsisteront. En attendant, des moyens de transport au sol plus rapides et plus soutenables, tels que les trains Hyperloop et Maglev, vont sans doute permettre de combler les écarts en matière d’émissions de carbone. Un changement de mentalités qui favoriserait une réduction de la demande en voyages et boosterait le tourisme soutenable y contribuerait également.

Puisque tous les problèmes peuvent être résolus à condition d’avoir les outils nécessaires, l’émergence d’une aviation soutenable n’est qu’une question de temps. Y parviendrons-nous demain ou dans des dizaines d’années ? Cela dépendra des investissements que nous lui consacrerons.

Breaking Travel News (2020), « Airbus unveils three zero-emission aircraft concepts » (Airbus dévoile trois concepts d’avion à zéro émission). Disponible ici.
PR Newswire (2020), « ZeroAvia Completes World First Hydrogen-Electric Passenger Plane Flight » (ZeroAvia fait voler le premier avion de ligne au monde fonctionnant à l’hydrogène). Disponible ici.
Ritchie, H. et Roser, M. (pas de date), « Emissions by sector » (émissions par secteur), Our World in Data. Disponible ici.
Organisation de l’aviation civile internationale (n.d.), « Trends in Emissions that affect Climate Change » (tendances en matière d’émissions affectant le changement climatique). Disponible ici.
Agence Internationale de l’Energie (2020), « The Covid-19 Crisis and Clean Energy Progress » (pandémie de COVID-19 et progrès réalisés en matière d’énergie propre). Disponible ici.
Quicke, A. et Jones, E. (2020), « Grounded: Civil aviation emissions reductions under COVID-19 in Australia and globally and the potential long-term impacts to emissions in the sector » (interdiction de vol : réduction des émissions de l’aviation civile en Australie et dans le monde, et impact potentiel à long terme sur les émissions du secteur), The Australia Institute. Disponible ici.
Turk, D. et Kamiya, G. (2020), « The impact of the Covid-19 crisis on clean energy progress » (impact de la pandémie de COVID-19 sur les progrès réalisés en matière d’énergie propre), Agence Internationale de l’Energie. Disponible ici.
Reuters (2018), « EasyJet expects to be flying electric planes by 2030 » (easyJet compte déployer une flotte électrique d’ici 2030). Disponible ici.
France-Presse, A. (2018), « Norway aims for all short-haul flights to be 100% electric by 2040 » (la Norvège s’est fixé l’ambition de vols court-courriers 100% électriques d’ici 2040), The Guardian. Disponible ici.
10 Sparks, E. (2020), « Will sustainable air travel ever be possible? » (pourrons-nous un jour voyager en avion de façon soutenable ?), Lonely Planet. Disponible ici.
11 Groves, D. (2020), « Sky’s the limit — battery technologies for commercial electric air travel » (le ciel est la limite – la technologie des batteries pour les avions commerciaux électriques), Lexology. Disponible ici.
12 McKinsey & Company (2020), « The future of air travel » (l’avenir de l’aviation). Disponible ici.
13 Chow, D. (2019), « Futuristic “Flying-V” airplane concept puts passengers inside the wings » (le Flying-V, l’avion du futur, accueille des passagers dans ses ailes), NBC News. Disponible ici.
14 Voir McKinsey & Company (2020).
15 Voir Chow, D. (2020).
16 Ryan, C. (2020), « Airbus Unveils Hydrogen Designs for Zero-Emission Flight » (Airbus dévoile des concepts fondés sur l’hydrogène pour des vols à zéro émission »), Bloomberg. Disponible ici.
17Nicholls-Lee, D. (2019), « Flight risk: can we take the carbon out of air travel? » (risque en vol : peut-on décarboner les voyages en avion ?), The Guardian. Disponible ici.
18 Bauen, A., Bitossi H., German, L., Harris, A., Leow, K. (2020), « Sustainable Aviation Fuels: Status, challenges and prospects of drop-in liquid fuels, hydrogen and electrification in aviation », (carburants durables d’aviation : statut, défis et perspectives des carburants liquides de substitution, de l’hydrogène et de l’électrification dans le secteur de l’aviation), Johnson Matthey Technol. Rév., 2020, 64, (3), 263–278. Disponible ici.
19 Voir Bauen et al. (2020).
20 Sustainable Aviation (2020), « Sustainable Aviation Fuels Road Map » (feuille de route des carburants durables pour l’aviation). Disponible ici.
21 DG Move (2020), « ReFuelEU Aviation - Sustainable Aviation Fuels » (initiative ReFuelEU Aviation – carburants durables pour l’aviation). Disponible ici.
22 Voir Sparks, E. (2020).

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