Fonctionnement et enjeux de l'aviation solaire pour un TPE

Imaginez un avion qui vole sans carburant. Pas de kérosène, presque pas de bruit, et une énergie qui vient directement du soleil. C’est exactement le principe de l’aviation solaire électrique.

Principes de fonctionnement

Les avions solaires sont équipés de panneaux solaires qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Les cellules photovoltaïques captent l'énergie solaire. L'énergie convertie est stockée dans des batteries. Les batteries de l'avion stockent l'excès d'énergie, permettant ainsi de voler même en l'absence de lumière directe du soleil. Un avion solaire typique fonctionne selon le principe suivant : Les cellules photovoltaïques capturent l'énergie solaire. L'énergie convertie est stockée dans des batteries. Les batteries alimentent les moteurs électriques.

La formule pour estimer l'énergie captée peut être exprimée comme suit : P = A × I × E où P est la puissance générée, A est la surface des panneaux solaires, I est l'intensité du rayonnement solaire, et E est l'efficacité des panneaux solaires. La formule pour calculer cet effet se base sur la relation de la puissance fournie par les cellules : P = I × A × Rendement. Une relation mathématique clé pour évaluer leur efficacité est donnée par Rendement = Énergie électrique produite / Énergie solaire reçue.

Pour estimer la consommation d'énergie, il faut d'abord déterminer la puissance nécessaire pour maintenir l'avion en vol à la vitesse de croisière souhaitée. La consommation d’énergie d’un avion solaire dépend principalement de la résistance aérodynamique, du poids de l’avion et de la vitesse de croisière. La capacité de stockage requise pour l’avion solaire dépend de l’autonomie souhaitée et de la différence entre la production d’énergie solaire et la consommation d’énergie. Il est important de tenir compte des pertes d’énergie dues à l’inversion de courant, à la résistance interne des batteries et à d’autres inefficacités du système.

Composants clés

Cellules photovoltaïques : Ces cellules sont conçues pour maximiser l'absorption de la lumière solaire et la conversion en électricité. Par exemple, avec un rendement de 20 %, une cellule de 1 m2 produirait une puissance de 200 W sous une intensité lumineuse de 1000 W/m2.
Système de stockage : Les batteries doivent être suffisamment légères pour ne pas alourdir l'avion. Pour calculer l'énergie stockée, la formule suivante est utilisée : E = Q × V, où E est l'énergie, Q la capacité de la batterie et V le voltage. Formellement, l'énergie maximale stockable peut être représentée par Em = C × V2 / 2 où Em représente l'énergie maximale stockée, C est la capacité de la batterie, et V est le voltage.
Moteurs électriques : Ces moteurs doivent être efficaces et puissants tout en consommant moins d'énergie pour un vol prolongé.
Matériaux légers : Les avions solaires peuvent potentiellement améliorer leur efficacité en intégrant des matériaux légers comme le carbone renforcé pour les structures.

Exemples emblématiques et prototypes

À l'origine de Solar Impulse, il y a deux pilotes suisses - Bertrand Piccard, initiateur du projet, et André Borschberg - qui veulent démontrer le potentiel des nouvelles technologies pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles. Solar Impulse HB-SIA, le premier aéronef capable de voler jour et nuit uniquement grâce à l’énergie solaire, a l’envergure d’un gros porteur (63,40 mètres) et pèse le poids d’une voiture de taille moyenne (1600 kg).

HB-SIA ne pèse donc que 1 600 kg pour une envergure de 63,40 m. Ses 11 628 cellules photovoltaïques, qui transforment l’énergie solaire en énergie électrique stockée dans les batteries, sont réparties sur les ailes et l'empennage. Elles sont recouvertes d’un film protecteur en polymère spécial très fin n'altérant pas leur flexibilité, leur légèreté et leur transparence aux radiations et minimisant au maximum la perte énergétique. L’énergie électrique qu’elles produisent est stockée dans les 400 kg de batterie au lithium répartis dans les 4 nacelles.

Il aura fallu aux 70 membres de l'équipe Solar Impulse six ans d’efforts intenses, d’innombrables calculs et simulations et 11 vols d’essai pour réaliser cet appareil “sans précédent” et “révolutionnaire” qui s’est posé à 9 heures le matin du 8 juillet 2010 après un vol de 26 heures, 9 minutes et 10 secondes avec à ses commandes André Borschberg, cofondateur du projet.

Le 26 juillet 2016, Solar Impulse 2 bouclait le premier tour du monde aérien sans carburant. Parti le 9 mars 2015 de l’aéroport d’Al-Batten près d’Abu Dhabi, l’avion a parcouru les quelque 43 000 kilomètres de son voyage en 17 étapes successives et 23 jours de vol. Le Solar Impulse 2 est un avion solaire expérimental qui a réalisé le premier tour du monde en avion solaire en 2016. Piloté par Bertrand Piccard et André Borschberg, cet avion a parcouru 43 000 km en 17 étapes sans utiliser une seule goutte de carburant fossile.

SolarStratos est un avion solaire expérimental développé par la société suisse SolarXplorers. SolarStratos n’est pas un avion ordinaire. C’est un biplace solaire et électrique, conçu pour atteindre la stratosphère, cette couche de l’atmosphère située bien au-delà de la hauteur de croisière d’un avion de ligne.

Autre exploit et autre date à marquer d’une pierre blanche : le 23 juillet dernier, l’avion drone Zephyr, mis au point par la firme britannique QinetiQ, établissait un nouveau record de durée de vol sans pilote. Le drone à propulsion solaire Zephyr a volé pendant 14 jours avant de revenir se poser sur terre. L’avion, qui pèse à peine 54 kg, reçoit son énergie de cellules solaires minces comme une feuille de papier recouvrant les 22,5 m de son aile.

QinetiQ considère que “la propriété intellectuelle occupe une place importante dans ce que nous faisons, et nous déposons constamment des brevets”. La société détient trois brevets sur le Zephyr, et a utilisé le Traité de coopération en matière de brevets (PCT) de l’OMPI pour obtenir une protection large.

Tableau : prototypes et caractéristiques clés

Prototype	Type	Caractéristique notable
Solar Impulse 2	Habité expérimental	Tour du monde sans carburant, ~17 000 cellules solaires
HB-SIA	Habité prototype	Envergure 63,40 m, 11 628 cellules, 400 kg de batteries
Zephyr	Drone HAPS	Haute altitude, endurance de plusieurs jours à semaines
SolarStratos	Biplace expérimental	Conçu pour atteindre la stratosphère

Avantages et atouts

Réduction des émissions de CO2, grâce à une source d'énergie propre.
Possibilité de vols plus silencieux avec des moteurs électriques.
Moins de dépenses en coûts énergétiques à long terme.
Applications dérivées : les batteries plus légères et plus efficaces développées pour l'aviation solaire peuvent être utilisées dans l'automobile.

Défis techniques et économiques

Cependant, plusieurs défis subsistent : efficacité limitée des panneaux solaires, surtout par temps nuageux ; batteries lourdes, qui peuvent affecter le poids total de l'avion ; technique de pilotage complexe, nécessitant des ajustements pour l'énergie solaire. L’avion solaire doit générer beaucoup d’énergie pour fonctionner. Pour rester léger, l’avion solaire ne peut pas embarquer de nombreux passagers, ou de nombreuses marchandises. Il n’est donc pas possible d’utiliser des avions solaires dans le transport aérien à l’heure actuelle.

Ces défis requièrent des efforts de recherche et de développement continus pour améliorer la performance et la fiabilité des avions solaires. Les cellules de pérovskite ont montré un potentiel prometteur avec un taux de rendement atteignant jusqu'à 23 %, dépassant les cellules au silicium traditionnelles. Des avancées dans ce domaine pourraient radicalement transformer l'utilisation de l'énergie solaire dans le secteur aéronautique.

Une solution de stockage d’électricité adaptée au territoire développée par une start-up corse

Propriété intellectuelle et partenariats

Le projet Solar Impulse illustre l'importance des partenariats industriels : cet important réseau de partenaires a permis au projet de puiser dans un riche bassin d’expertise et de ressources d’innovation. La société Bayer MaterialScience lui donne par exemple accès à des “solutions innovantes dans le domaine des matériaux” qui contribuent à la réduction de la consommation énergétique, tandis que le fournisseur d’énergie suisse SIG aide à “optimiser la chaîne énergétique et à pousser à son maximum la capacité de stockage des batteries “.

En matière de propriété intellectuelle, M. Borschberg a expliqué que le projet abordait la question de deux manières. Les informations relatives au développement par les 70 membres de l’équipe du savoir-faire lié à la construction d’un aéronef mu par l’énergie du soleil ne sont pas du type qui se prête à une protection formelle par des droits de propriété intellectuelle. En revanche, les difficultés techniques posées par la fabrication proprement dite de l’avion ont donné lieu à la mise au point de technologies dont la protection par brevet a été demandée par l’un ou l’autre des 80 partenaires officiels du projet.

Contexte sectoriel et perspectives

La filière aéronautique a mis les économies d’énergie au centre de ses réflexions bien avant que le réchauffement climatique ne devienne un sujet de préoccupation. D’allègement des appareils en gain d’efficacité des moteurs, les émissions par passager au kilomètre ont ainsi été réduites de 80 % depuis le début des années soixante. En conséquence, l’avion civile représente à peine 2 % des émissions mondiales de CO2.

Pour les futurs programmes, l’OACI a confié à la France, via son Conseil pour la recherche aéronautique civile (CORAC), le soin de conduire les travaux de recherche visant à réduire l’empreinte environnementale : moteurs, allègement des appareils, développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et développement des biocarburants aéronautiques. L’avion à énergie optimisée est donc logiquement l’un des trois grands axes de recherche définis par le CORAC dans sa feuille de route technologique.

Au chapitre des avions électriques, l’esprit pionnier est de retour et les « concept-planes » foisonnent. L’E-Fan X est un appareil hybride développé par Airbus en partenariat avec Siemens and Rolls-Royce. L’effort se fait aussi au sol : pour les aéroports, les opérations de roulage des appareils et l’utilisation des moteurs auxiliaires pendant les escales représentent environ les trois quarts des émissions de gaz à effet de serre, d’oxydes d’azote et de particules, et environ 95 % des émissions de composés organiques volatils.

Valorisation des aérodromes

Enjeu : comment valoriser les aérodromes ? Vraie richesse de nos territoires, les aérodromes disposent d’un vaste patrimoine foncier, adapté à l’installation de centrales solaires permettant de produire de l’électricité verte. Transformer un aérodrome en site de production d’électricité est une piste très intéressante pour les collectivités, directement concernées par la loi d’orientation des mobilités (LOM), qui grave dans le marbre la volonté des pouvoirs publics d'accélérer la transition vers des transports davantage respectueux de l’environnement.

Applicabilité pour un TPE

Pour un TPE souhaitant s'informer ou s'engager, l'aviation solaire offre plusieurs pistes d'action : s'inspirer des innovations (batteries légères, cellules à haute efficacité), envisager des partenariats technologiques, et étudier la valorisation foncière (aérodromes) pour des projets solaires. Les études prospectives sur la décarbonation du secteur restent parfois complexes à appréhender, à analyser et à comparer. Elles peuvent donner lieu à des interprétations divergentes entre les différentes parties prenantes.

L’Observatoire de l’Aviation Durable (OAD) permet de rendre accessibles des données organisées, en accès libre, sur l’impact climatique du transport aérien, de recenser des études publiques sur la décarbonation du secteur et d’apporter des éclairages scientifiques sur des sujets encore empreints d’incertitudes. La gestion des incertitudes, qu’elles soient scientifiques, technologiques ou réglementaires, peut amener les différents acteurs à adopter des positions parfois divergentes.

Quel avenir pour l'aviation solaire ?

L’avion solaire n’est pas une idée nouvelle : les premiers essais datent de plusieurs dizaines d’années. Toutefois, la recherche dans le domaine s’est récemment accélérée, avec un premier tour du monde en avion solaire réalisé en 2015/2016. Au-delà de cette prouesse technologique, la perspective d’un avion décarboné apparaît plus que jamais comme un moyen de faire face à l’urgence climatique.

Alors que les énergies renouvelables font de plus en plus partie de notre quotidien, et que des solutions existent pour réduire nos dépenses énergétiques, pourra-t-on bientôt faire des vols transatlantiques à bord d’un avion solaire ? Pour le grand public, un vol transatlantique en avion solaire n’est donc pas à l’ordre du jour. Les avions solaires commandés à distance intéressent des secteurs de pointe, comme les télécommunications ou l’armée.

Chaque avancée dans ce domaine pourrait avoir des implications considérables pour les voyages aériens à faible empreinte écologique. L’avion solaire n’est donc pas capable de remplacer, à court ou moyen terme, les avions traditionnels. Toutefois, la recherche continue d’avancer, avec de nombreux essais et prototypes.

Solar Impulse est en passe de réussir ce que beaucoup considèrent comme une impossibilité, à savoir “de produire un avion propulsé exclusivement par l’énergie solaire, qui décollera par ses propres moyens et volera jour et nuit pour réaliser un tour du monde sans carburant ni pollution”.

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