I. Les différentes structures d’avions électriques
Il existe deux types d’avions électriques différents :
-L’avion solaire qui est dépendant du soleil. Cet avion fonctionne grâce à des panneaux photovoltaïques qui captent l’énergie solaire ainsi que des batteries pour stocker le surplus d’énergie.
-L’avion à moteur électrique qui fonctionne grâce à des batteries dans lesquelles sont stockées l’énergie nécessaire pour faire voler l’avion pour une durée déterminée.
I.1. Batteries (ou accumulateurs)
Les avions électriques de tout type ont besoin de batteries. Les batteries généralement utilisées sont celles qui sont composées de lithium. Il en existe deux sortes: les batteries lithium-ion et les batteries lithium-ion polymère (Li-Po).
I.2. L’avion solaire: fonctionnement
Il existe déjà des avions électriques à panneaux solaires: Sunrise I et II, Solaris, Solar Impulse I et II, et encore bien d’autres. Nous allons voir comment les avions solaires fonctionnent en nous appuyant sur Solar Impulse 2, avion ayant fait le tour du monde.
Solar Impulse 2 ou HB-SIB
Les ailes des avions solaires ont tout d’abord un fuselage, c’est-à-dire une structure la plus légère possible. Grâce à une structure aérée de ses ailes mais tout de même solide, le Solar Impulse 2 a une masse assez faible dans l’ensemble. Avec une envergure ( distance entre les deux extrémités de l’aile ) presque aussi grande que celle de l’A380 (72 mètres contre 80 mètres ), sa masse n’est que de 2.3 tonnes, beaucoup moins que ce même avion.
Sur ces ailes, des milliers de cellules photovoltaïques sont encastrées à la surface. Le Solar Impulse 2 en possède 17 248 réparties sur une surface de 269,5 m². Chaque cellule fait 135 micromètres d'épaisseur. Les batteries sont situées juste derrière les 4 moteurs. Ces moteurs ont une puissance de 12,9 kW. Ce sont eux qui créent la poussée permettant à l'avion de voler. Le cockpit ne permet d'accueillir qu'une seule personne: le pilote.
Structure d'une aile du Solar Impulse 2
I.3. L’avion électrique
Un avion électrique est presque identique à un avion normal. Il n’a pas un moteur à combustion mais un moteur électrique qui fait tourner une hélice, voir deux. Au lieu d’avoir des réservoirs de fuel ou de kérosène, il a deux batteries situées dans les ailes. La structure de ce type d’avion est faite de matériaux composites légers. Ce sont des assemblages de deux ou plusieurs matériaux, ces assemblages finaux ayant des propriétés supérieures aux propriétés de chacun des matériaux constitutifs (fibre de verre, fibre de bore, fibre de silice, ...). Il existe déjà des petits avions électriques, souvent utilisés pour le tourisme. L’un d’eux est l'E-Fan, petit avion fabriqué en France par Airbus:
L'E-Fan
II. Améliorations à apporter
Les avions électriques présentent un réel progrès pour l’environnement. L’objectif est donc de créer des avions de ligne totalement électriques pour transporter des passagers à travers le monde. Mais pour cela, beaucoup d'améliorations technologiques doivent être apportées.
II.1. Les batteries ou accumulateurs
Une batterie utilisée est la batterie lithium-ion ou “Li-ion”. Les batteries sont composées:
- d’une électrode positive ou cathode,
- d’une électrode négative ou anode,
- d’un électrolyte.
Dans le cas d’une batterie Li-ion la cathode correspond à de l’oxyde de cobalt lithium, LiCoO₂ ; l’anode est une matrice de graphite ( ou carbone ), C₆ ; et l'électrolyte est une solution dite aprotique (ne pouvant pas fournir ou contenir des protons) avec du sel lithium LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate.
Le courant électrique est créé par le déplacement des électrons. Pour une batterie en activité et fournissant de l'électricité à un moteur, les électrons vont de la cathode (électrode positive) vers l’anode (électrode négative). C’est l’inverse lors de la charge de la batterie. Dans le cas d'une batterie Lithium-ion, les ions lithium Li⁺ se déplacent entre l’oxyde de cobalt lithium et la matrice de graphite à travers l'électrolyte. Cette réaction électrochimique est due à l'oxydoréduction.
-
Au niveau de l’anode (-) on a la demi-équation:
( on utilise le x car ce sont des moles )
Un atome de lithium se décompose en un ion lithium et un électron libre e⁻.
-
Au niveau de la cathode (+) on a la demi-équation:
( on utilise le x car ce sont des moles )
L'ion lithium et l'électron libre se rassemblent avec l'oxyde de cobalt et des atomes de lithium pour former l'oxyde de cobalt lithium, donc la cathode.
Les batteries Lithium-ion délivrent de l'électricité avec la transmission des électrons que le lithium Li solide dans le graphite perd lorsqu’il devient ionique Li+. Cette perte d'électron libère une énergie. La densité massique d'énergie, c’est-à-dire le rapport entre l'énergie électrique fournie par la transmission des électrons divisée par le poids d’une batterie est de 0.72 MJ/kg (Mégajoules par kilogrammes) pour une batterie li-ion. Les avions de ligne actuels volent grâce au kérosène. La combustion du carburant crée la poussé en libérant aussi une énergie. La densité massique d'énergie du kérosène est de 43 MJ/kg. Si l’on fait le rapport des deux on a 43/0.72 = 59.7. Ces données changent pour le kérosène en fonction de la pression, température, densité de dioxygène dans l’air ( comburant ),... Mais le kérosène fournit beaucoup plus d'énergie que la batterie. Les batteries Lithium-ion polymère ont un fonctionnement et une densité massique d'énergie assez similaire au batteries Lithium-ion. Seul l'électrolyte est remplacé par un polymère ( molécules composées de répétitions d’un ou d’un groupe d’atomes ). Elles sont privilégiées pour les avions électriques du fait de leur souplesse et de leur poids avantageux.
La batterie et sa densité massique d'énergie font partie des principales choses à améliorer pour que l’avion électrique puisse s’étendre au transport massif de passagers à travers le monde et sur de longues distances. En effet, les avions électriques comme l’E-Fan ont une autonomie limitée à 45 minutes.
II.2. Le moteur électrique
Les aimants sont polarisés du fait du champ magnétique qu'ils créent : ils ont un pôle nord et un pôle sud. Le pôle nord d’un aimant attire le pôle sud d’un autre aimant et vice-versa. On peut créer un électroaimant en envoyant de l'électricité dans un fil embobiné autour d’un métal tel que le fer, le cobalt, le nickel,... Les pôles de cet électroaimant sont définis par le sens du courant électrique. Le courant électrique alternatif est un courant changeant sans arrêt de sens. Il est représenté par une courbe sinusoïdale passant de valeurs positives à des valeurs négatives très rapidement ( en mili voir microsecondes ):
En alimentant le câble de l'électroaimant avec un courant alternatif, les pôles vont s’inverser sans arrêt. Un moteur électrique fonctionne grâce à cela. Un électroaimant est placé en face d’un aimant . L'électroaimant est fixe, c’est le stator. L’aimant est relié à une hélice. Il est mobile et va tourner lorsque l'électroaimant est en marche. C’est le rotor.
Moteur électrique
Les moteurs électriques sont déjà performants dans le domaine de l’automobile. Le moteur thermique des avions à réaction ou à hélices ont des pertes d’énergie lors de la combustion d’environ 70 %, dues au frottement des pièces et à la perte en chaleur. Un moteur électrique n’a que 10% de perte d'énergie lorsque l'électricité traverse les différents fils électriques qui peuvent créer une résistance. A cause de l’effet Joule, un dégagement de chaleur a lieu lorsque de l'électricité ( des électrons ) circule dans un circuit électrique qui a une résistance. L’utilisation de supraconducteurs dans tout l’avion empêche une trop grosse perte d'énergie. Les supraconducteurs sont des matériaux dans lesquels circulent les électrons et qui, à une température très froide, n’ont plus ou peu de résistance électrique. Le Solar Impulse 2 ou encore l’E-Fan sont déjà équipés avec de tels circuits.
Mais les batteries et leur densité massique d'énergie ont un grand impact sur les moteurs. Leur puissance est réduite. Les avions électriques volent donc moins vite que les avions classiques. Or, nous avons vu que la formule de la portance est
Fz=1/2 ρ S V² Cz. Le Solar Impulse a un coefficient de portance très faible. La vitesse normalement élevée au carré étant aussi réduite, la portance de l’avion est assez faible. Cette portance faisant opposition au poids, une portance plus faible oblige un poids lui aussi moins élevé. C’est pour cela que de nouveaux matériaux sont utilisés pour la structure des avions électriques, notamment les matériaux composites légers. Ce problème de batterie joue un rôle sur le poids de l’avion:
Solar Impulse 2: 70 km/h 2,3 tonnes 1 place
E-Fan: 160km/h 500kg 2 places
A380: 900-1000 km/h 490 tonnes au décollage entre 525 et 853 places
Il faut donc de grandes améliorations futures pour que les avions électriques s’ouvrent sur le transport de passagers à travers le monde.
II.3. Autres améliorations
Pour une meilleure utilisation de l'électricité, on développe les supraconducteurs qui doivent remplacer un maximum de câbles électriques traditionnels. Les projets de différentes compagnies étudient un changement au niveau de la forme globale de l'avion. C'est-à-dire un travail sur une forme d'aile ou la structure complète modifiées. Cela jouera un rôle sur l'aérodynamisme et permettra d'améliorer certaines caractéristiques de l'avion tel que la portance, une diminution des secousses dues au vent ...
Comme nous l'avons indiqué dans la partie sur les cellules photovoltaïques, celles qui sont utilisées sur les avions électriques ont un rendement compris entre 16% et 24%. Ce rendement semble très bon. Mais au moindre changement, comme une température qui baisse subitement ou un ciel nuageux, ce rendement diminue énormément. L'avion utilisant une grande partie de l'électricité, les batteries n'auront pas emmagasiné suffisamment d'énergie pour un vol complet. Ainsi, le Solar Impulse 2 s'est souvent retrouvé à l'arrêt à cause du mauvais temps. L'amélioration des cellules photovoltaïques est donc nécessaire pour un jour voir voler beaucoup d'avions équipés de cette technologie.