Tests réussi pour les biocarburants des Forces aériennes !

Je vous en parlais en mai 2023 : les Forces aériennes suisses, sous la direction de l'Office fédéral de l'aviation civile (OFAC), ont testé l'utilisation de carburant d'aviation durable afin de mesurer les émissions du carburant d’aviation durable (CAD/SAF). Les tests confirment le CAD/SAF émet moins de particules de suie et de CO2 fossile.

Le Cessna Citation 560XL a été utilisé pour les tests@ DDPS

Une volonté

Permettre une décarbonisation au sein de l’armée suisse, tant que possible, est une volonté exprimée par l'ancienne cheffe du DDPS Mme Viola Amherd. Remplacer les vieilles chaudières à mazout, rendre les bâtiments plus respectueux en termes de consommation d’énergie (norme Minergie), limiter les déperditions de chaleur sont au programme. Si les panneaux solaires et les chauffages aux pellets deviennent la norme, l’aviation doit aussi être adaptée. Écologie, mais également volonté stratégique de restreindre la dépendance aux producteurs de carburant fossile en achetant du biocarburant produit en Europe et peut-être dans notre pays à l’avenir.

Les tests

Les tests @ DDPS

Le groupe de travail réunissant des experts en environnement de la Haute école des sciences appliquées de Zurich (ZHAW), de l’Institut Paul Scherrer (PSI), des Forces aériennes et de l’OFAC a analysé et évalué les données.   Les tests d’émissions ont été effectués sur la base aérienne de Payerne (OACI : LSMP) dans des conditions comparables à celles des travaux précédents sur un avion d’affaires Dassault Falcon 900EX. Un Cessna Citation 560XL était stationné sur le tarmac, avec la sonde de prélèvement des gaz d’échappement positionnée concentriquement dans le plan de sortie du moteur gauche à l’aide d’un chariot élévateur. Les instruments de mesure des émissions ont été placés à proximité de l’avion et dans un hangar situé à ∼20 m. Le réacteur PW545A de Pratt & Whitney Canada est doté d’une buse de mélangeur forcée, d’une dérivation de mélange et d’un écoulement de noyau. L’air provenant de l’orifice de reniflard du séparateur centrifuge air/huile est évacué par-dessus bord. Par conséquent, il n’y a pas de vapeurs d’huile dans les gaz d’échappement prélevés au niveau du plan de sortie du moteur. Les principaux paramètres du moteur (débit de carburant et température de l’air d’admission) ont été enregistrés à partir de l’écran du poste de pilotage. Les caractéristiques de performance standard au niveau de la mer ont été obtenues à partir des données du fabricant. La poussée nette a été estimée à l’aide d’une corrélation entre le débit de carburant et la poussée.

Trois lots de carburant Jet A-1 ont été testés : deux combustibles fossiles conventionnels (un provenant du réservoir de l’avion et un provenant de l’approvisionnement de la base aérienne) et un contenant 70 % de carburant fossile et 30 % de HEFA-SPK. Le mélange à 30 %, livré dans un camion-citerne dédié, a été acheté auprès de Total Energies. Des échantillons de carburant ont été prélevés directement dans les réservoirs d’aile de l’avion.

Le mélange de carburant utilisé pour le test comprend 35 % de CA/SAFD répondant aux exigences techniques applicables au kérosène conventionnel. Il n’a pas été nécessaire de modifier techniquement l’avion ou l’installation d’avitaillement. Autrement dit, ce mélange peut être directement utilisé par les avions existants. Le CAD/SAF a été produit à partir de déchets organiques, comme de l’huile alimentaire usagée et des graisses animales. Afin de pouvoir comparer directement les deux sortes de carburant, un réservoir d’aile a été rempli avec le mélange CA/SAFD et l’autre réservoir d’aile avec le kérosène conventionnel. Lorsque le réacteur était en marche, il suffisait de sélectionner l’un ou l’autre réservoir.

Les petits turboréacteurs à double flux (poussée de <26,7 kN) ne sont pas réglementés en ce qui concerne les émissions de gaz et de particules, les données sur les émissions étant largement absentes des bases de données publiques. Pourtant, leur impact environnemental est probablement en augmentation. Cette étude examine les émissions d’un petit réacteur représentatif d’un Cessna Citation 560XL. Il se concentre sur les particules non volatiles (nvPM), les polluants gazeux et les composés organiques volatils (COV). Les mesures au niveau du sol ont été effectuées à l’aide d’un système normalisé avec du Jet A-1 conventionnel et un mélange de 30 % de kérosène paraffinique synthétisé à partir d’esters hydrotraités et d’acides gras (HEFA-SPK). Ce mélange de carburant d’aviation durable (SAF) a réduit les indices d’émission (EI) en masse et en nombre de nvPM de ∼35 % et de ∼20 % au ralenti, avec des effets décroissants à une poussée plus élevée. Les EI estimés du nombre de nvPM en croisière ont diminué de ∼10 %, ce qui suggère une réduction similaire des concentrations de particules de glace de traînée de condensation aux EI du nombre de nvPM prévus. Alors que le CO, le HC et le NOx sont demeurés inchangés, Les émissions ont diminué proportionnellement à la teneur en soufre du carburant. L’analyse des COV a montré une baisse des émissions d’hydrocarbures insaturés complexes. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des CAD/SAF à atténuer les impacts sur le climat et la qualité de l’air. Ils révèlent également des écarts dans les émissions estimées des petits turboréacteurs à double flux et soulignent les limites des modèles existants qui prédisent les effets de la composition du carburant sur les émissions de nvPM.

Il existe plusieurs catégories de biocarburant. Les tests en Suisse incluent un carburant de troisième génération qui est validé au sein de la communauté aéronautique. Ce carburant ne provient pas de culture.

Le procédé utilisé est une solution pour produire du carburant d’aviation durable par hydrotraitement d'une large gamme de lipides (huiles végétales et graisses animales).

– La technologie BioTfueL® consiste en une chaîne de procédés de production de biocarburants et notamment de biokérosène par la voie thermochimique indirecte. Ces procédés sont : torréfaction, gazéification, conditionnement du gaz de synthèse, synthèse et valorisation.

– La voie ATJ (Alcohol To Jet) permet de convertir des alcools en carburant d’aviation durable par l’enchainement d’une déshydratation de l’alcool en oléfine, d’une oligomérisation et d’une hydrogénation. Ces trois technologies ont été développées dans un souci d'optimisation économique, de minimisation de l'empreinte carbone et surtout de réduction des émissions du transport aérien.

Elles visent à répondre à l’objectif fixé par l’Organisation de l’aviation civile internationale, qui vise une croissance neutre en impact carbone de l’aviation à partir de 2020 et nécessite de remplacer le kérosène d’origine fossile par des carburants liquides fabriqués à partir de carbone biosourcé.

Le besoin en production de carburant d’aviation durable à l’horizon 2050 est estimé à environ 500 millions de tonnes par an au niveau mondial (entre 4 et 8 millions de tonnes pour la France), ce qui nécessite de pouvoir traiter plusieurs types de charge différentes et donc d’utiliser plusieurs voies de transformation chimique. Le biokérosène produit par ces trois voies peut alimenter les turbines des avions sans aucune modification.

L'équipe au travail @ DDPS

Les résultats probants

Les émissions de CO2 fossiles diminuent au prorata de la quantité de CAD/SAF embarqué. La diminution des émissions de suie est significative : suivant la configuration du réacteur, elle peut atteindre 35 %. La diminution est la plus marquée lorsque le réacteur est au ralenti, comme c’est le cas lorsqu’un avion est au sol moteur en marche. En effet, les CAD ne contiennent en général pas d’hydrocarbures aromatiques sources de suie, de sorte que leur combustion est moins polluante comparée au kérosène fossile. Ils ne comportent pas non plus de soufre. Ainsi, même à petite dose, il se forme non seulement moins de particules de suie, mais aussi moins de substances aromatiques gazeuses et de substances contenant du soufre, ce qui contribue dans l’ensemble à réduire la pollution aux poussières fines et donc à améliorer la qualité de l’air.

Les CAD/SAF représentent une solution prometteuse pour réduire les émissions de CO2 fossile de l’aviation. Les CAD/SAF permettent d’éviter 80 % des émissions de CO2 rejetées par les carburants fossiles, y compris en intégrant la production et le transport. Les CAD constituent une solution gagnant-gagnant, car ils ont un impact bénéfique sur la qualité de l’air aux aéroports et à leurs environs. Des résultats semblables avaient déjà été constatés pour les gros réacteurs. Les mesures effectuées à Payerne sur un réacteur d’avion d’affaires montrent que le recours aux CAD/SAF pour les petits réacteurs permet d’obtenir une réduction supplémentaire des émissions de substances polluantes.

Et les avions de combat ?

Ces tests ont valeur de référence et permettront de valider l’option biokérosène CAD/SAF. L’usage de carburant de ce type sur nos Boeing F/A-18 C/D « Hornet » puis, sur le futur Lockheed Martin F-35 A, ne posera pas de problème particulier.

Les F-5 de la Patrouille Suisse volent depuis septembre 2023 avec 10% de de carburant durable.

Lien pour les détails :

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestair.5c00053