C’est arrivé loin de chez nous : le fabricant chinois de batteries pour véhicules électriques Contemporary Amperex Technology Limited (CATL) a affirmé, peu avant l’été 2024, avoir testé en secret un vol de longue durée avec un avion électrique de 4 tonnes. L’exploit aurait été accompli en partenariat avec le constructeur aéronautique Commercial Aircraft Corporation of China (Comac), grâce à des batteries d’une densité énergétique de 500 Wh/kg, soit deux fois plus que les meilleurs modèles disponibles sur le marché. Dans la foulée, CATL s’est déclaré capable de faire voler un avion électrique de 8 tonnes sur une distance de 2 000 kilomètres d’ici trois à quatre ans.
Il s’agirait d’une véritable révolution puisque les batteries électriques, en raison de leur poids et de leur volume, ne sont pas encore en mesure de fournir l’énergie nécessaire à un vol commercial de passagers ou de fret. En outre, la gestion thermique des batteries en vol pose des défis complexes. Les risques de surchauffe doivent en particulier être maîtrisés pour garantir la sécurité, tout en maintenant les performances optimales des batteries dans des conditions de vol variées. Ces facteurs expliquent que les premières applications de l’aviation électrique ne concernent jusqu’à présent que les petits jets d’affaires et les vols régionaux.
À Toulouse, la start-up Beyond Aero travaille par exemple à la création du premier avion d’affaires électrique au monde utilisant la propulsion à hydrogène, visant à atteindre une autonomie d’environ 1 500 km. Ascendance, elle, développe un aéronef hybride à décollage et atterrissage vertical (VTOL) nommé Atea. Quant à la société Aura Aero, elle crée des avions biplaces conçus pour la voltige, la formation des pilotes et les voyages de loisirs, ainsi qu’un avion de transport régional hybride-électrique.
Un programme à 60 millions d’euros
De leur côté, les grands constructeurs et les compagnies aériennes investissent dans la technologie de l’électrification, conscients de son potentiel pour réduire l’empreinte carbone du transport aérien, dont la feuille de route est connue. En 2022, l’industrie aéronautique, par le biais de l’Air Transport Action Group (ATAG), s’est en effet engagée à atteindre la neutralité carbone pour les vols de l’aviation civile internationale d’ici à 2050. C’est dans ce contexte que l’Institut de recherche technologique (IRT) Saint Exupéry, spécialisé dans l’aéronautique et le spatial, a lancé, depuis ses locaux toulousains, le programme FILAE (Filière Aéronautique Électrique).
“Sa genèse remonte à 2020, explique Lionel Bourgeois, directeur technologique et scientifique de l’axe “technologies plus vertes” de l’IRT Saint Exupéry. Nous avons mené une réflexion avec l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera) et l’Isae-Supaero pour bâtir un programme scientifique qui permettrait d’aborder les enjeux de l’électrification de l’aviation. Nous avons très vite reçu un fort soutien des industriels, des académiques et des institutionnels."
L'enjeu de la souveraineté technologique
Complémentaire aux travaux menés dans le cadre du Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), pilotés par la Direction générale de l’aviation civile (DGAC), FILAE est un programme doté de 60 millions d’euros, courant jusqu’en 2031, et découpé en une première tranche de 40 millions d’euros et une seconde tranche conditionnelle de 20 millions d’euros. Financé par France 2030, il ambitionne de soutenir les technologies d’électrification d’avions légers (appareils CS23) et de préparer l’électrification de l’aviation commerciale (CS25). Il entend contribuer à positionner la France au premier rang de l’électrification de l’aviation en levant les verrous technologiques clés qui lui sont associés.
En juillet 2024, FILAE a reçu du Secrétariat Général pour l’Investissement (SGPI) la confirmation de financement de ses deux premiers projets. Il s’agit de SiCRET + (Silicon Carbide Reliability Evaluation for Transport), doté d’un budget de 6,7 millions d’euros, qui a pour champ d’étude les modules de puissance en carbure de silicium (SiC), et de GRINHELEC (Green Insulation for High electrical harnesses), au budget total de 3,2 millions d’euros, qui vise à rendre possible l’utilisation d’un isolant biosourcé à la place des isolants fluorés utilisés pour les applications de propulsion électrique.
“Les objectifs de FILAE sont de trois ordres, détaille Thomas Delsol, le responsable du programme à l’IRT Saint Exupéry. D’abord, un objectif de souveraineté : le programme vise à contribuer à structurer une filière française et européenne en électronique de puissance. Ensuite, un objectif de compétitivité technologique : le programme va venir en support au développement de différentes gammes d’aéronefs. Enfin, un objectif de ressourcement : FILAE vise à développer la formation continue au travers de la création d’une graduate school (lire par ailleurs) et en lançant de nombreuses thèses postdoctorales, contrats d’alternance et stages.”
Pour répondre à ces trois objectifs, l’IRT Saint Exupéry a co-construit avec ses partenaires académiques et industriels 12 projets autour de trois thématiques : l’électronique de puissance embarquée, la densification des systèmes électriques et la durée de vie des systèmes électriques. Plus de 80 chercheurs, doctorants et postdoctorants vont y travailler jusqu’en 2031.
Les grands industriels présents à Toulouse sont associés au programme. STMicroelectronics, qui adapte son expertise acquise dans l’automobile aux besoins spécifiques de l’aéronautique, est de ceux-là. “En matière de souveraineté, le semi-conducteur est probablement la technologie la plus importante”, indique Eric Moreau, directeur R & D PowerGan et directeur du site de Toulouse-Labège de STMicroelectronics, qui opère aussi depuis ses sites basés à Crolles (Isère) et Tours (Indre-et-Loire). Le groupe franco-italien collabore notamment avec Airbus pour développer des semi-conducteurs de puissance à large bande, en carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN). Ces matériaux offrent des performances supérieures au silicium traditionnel, permettant des composants plus compacts, légers et efficaces.
“En 2022, après le Covid, 50 % de la production de semi-conducteurs et 90 % des technologies les plus modernes venaient de Taïwan, poursuit Eric Moreau. L’Europe a réagi.” Dans le cadre du Chips Act européen (dont l’objectif est de réduire la dépendance de l’Union européenne envers l’Asie dans le secteur des semi-conducteurs), la nouvelle usine de STMicroelectronics à Catane (Italie) bénéficiera ainsi par exemple d’un programme d’investissement pluriannuel de 5 milliards d’euros, dont 2 milliards d’euros de soutien fourni par l’État italien. Elle sera la première usine de carbure de silicium de 200 mm à grand volume pour les dispositifs et modules de puissance, ainsi que pour les tests et le conditionnement.
"Avec ces nouvelles technologies, on diminue par deux les pertes d’un système électronique de conversion et on divise par deux ou trois la taille et/ou le poids, précise-t-il. Le programme FILAE, lui, va nous permettre d’anticiper les besoins du segment aéronautique et spatial. L’intérêt, pour nous, est d’avoir énormément de volumes pour pouvoir être pertinents face à la Chine et à Taïwan.”
Acteur majeur de l’aviation générale (toutes les activités aériennes civiles autres que le transport commercial), le groupe Daher, pour sa part, collabore avec Airbus et Safran sur le démonstrateur hybride-électrique EcoPulse. Cet avion est basé sur la plateforme Daher TBM et dispose d’un moteur thermique central complété par six moteurs électriques répartis le long de ses ailes. Cette conception permet de réduire la dépendance au moteur thermique pendant certaines phases de vol, réduisant ainsi les émissions de CO2 et les niveaux de bruit.
Un parallèle avec l'industrie automobile
“En termes de puissance, nous ne sommes pas très loin de l’industrie automobile, explique Christian Bachellerie, vice-président Exploration & Technologies de Daher. Mais on ne peut pas transposer directement ses technologies, il faut a minima les adapter, voire inventer autre chose.” Daher est donc en recherche de composants et d’équipements technologiques, pour créer ces chaînes électriques de puissance.
“Et là, nous nous heurtons à des problèmes, ajoute-t-il. Le premier est d’ordre économique : les éléments dont nous avons besoin ne sont pas disponibles tels quels, il faut les développer. Et ça coûte beaucoup d’argent à notre échelle. Le deuxième, c’est un problème industriel : les sociétés qui peuvent nous proposer ces éléments ne peuvent pas le faire pour nos marchés qui sont trop étroits. Nous devons donc trouver des consortiums pour assurer à ces équipementiers des débouchés, afin qu’ils puissent mener leurs investissements et développer leurs usines.”
Le troisième problème est le coût de la certification. “Dans l’aéronautique, précise Christian Bachellerie, on doit démontrer que nos avions sont conformes aux exigences sécuritaires réglementaires et on a la charge de la preuve. Or, nous n’avons pas les moyens de le faire. Nous utilisons plutôt la connaissance scientifique qui est publiée et nous nous appuyons sur des organismes de normalisation qui sont mandatés par les autorités de certification pour reconnaître cette littérature comme éléments de preuve valable. Or, cette littérature, que l’IRT Saint Exupéry peut produire, manque à l’heure actuelle dans le cas particulier de l’électrification.”
"Avec les carburants SAF (sustainable aviation fuel), l’ultra frugalité énergétique est la deuxième grande étape pour arriver au zéro net carbone en 2050, conclut Christian Picollet, le président de l’IRT Saint Exupéry. Pour cette raison, l’électrification est un sujet clé. Il faut décarboner l’aviation alors que l’on attend un doublement du trafic aérien dans les années qui viennent. Et ce, sans dégrader la sécurité des vols et tout en étant compétitif à l’international. C’est un triple challenge."
