En 2019, le transport était le secteur qui connaissait la croissance la plus rapide au niveau mondial, qui contribue à la dégradation de l'environnement. Trouver des solutions durables est un élément clé pour résoudre ce problème, en particulier pour le secteur aéronautique, qui représente environ 2 % des émissions mondiales de CO2. Le consortium Clean Sky2 (H2020 EU) aide les constructeurs d'avions dans la recherche de solutions de moins en moins bruyantes et de plus en plus « vertes ». Depuis les années 2010, une effervescence mondiale est apparue sur les projets d’aéronefs (de plus en) plus électriques dans le monde, il en existe en 2020 plus de 170 projets. Avec l’apparition de la Covid-19, des mesures prises de par le monde ont interrompu pratiquement le trafic aérien commercial de passagers. Tous les transports sont fortement touchés, l’aviation l’est de façon massive et certainement durable. Par ailleurs, l’épidémie et le confinement qui en résulte remettent la question du changement climatique au premier plan, avec la chute spectaculaire des émissions de gaz à effet de serre. Le secteur appelle à des aides d'État pour être sauvé. Pour beaucoup, ces aides doivent être données en contrepartie d'un virage environnemental une fois la crise passée. Afin de baisser nos émissions de CO2 pas de secret, il faut passer par une hybridation de la propulsion des aéronefs dans un premier temps et pourquoi un jour arriver au tout électrique.
Le projet HASTECS au cœur de l’actualité :
L’objectif principal de l'initiative HASTECS (Hybrid Aircraft Academic reSearch on Thermal and Electrical Components and Systems) projet de l'Union Européenne est de coupler les études thermiques et électriques pour un avion régional. Le but étant d’identifier les technologies et ruptures les plus prometteuses et de mettre au point les outils qui permettront d’accroitre de manière significative l’efficacité des processus électriques au sein de systèmes de propulsion hybride. Les cibles considérées sont les suivantes :
Cible 2025
Moteur électrique + refroidissement
Densité de puissance 5 kW/kg
Rendement croisière 96 %
Rendement décollage 94.5 %
Electronique de puissance + refroidissement
Densité de puissance 15 kW/kg
Rendement croisière 98 %
Rendement décollage 96.5 %
Cible 2035
Moteur électrique + refroidissement
Densité de puissance 10 kW/kg
Rendement croisière 98.5 %
Rendement décollage 97 %
Electronique de puissance + refroidissement
Densité de puissance 25 kW/kg
Rendement croisière 99.5 %
Rendement décollage 99 %
Dans notre cas, seule l'architecture électrique hybride série a été étudiée dans ce projet, car elle conduit à une grande puissance de dimensionnement ainsi que de grandes contraintes sur la chaîne de traction électrique ; la poussée étant entièrement assurée par les composants électriques de l'appareil. À partir d'un ensemble de données d'entrée et de conditions environnementales données, différents modèles de "substitution" sont utilisés pour simplifier les évaluations de rendements et des masses de chaque composant. Le système propulsif est reconçu par un processus en boucle reliant les variations de poids et les conséquences sur la poussée : cette approche de conception intégrée permet d’évaluer les effets boules de neige causés par l’ajout de masse.
L’enjeu principal de cette étude est de fournir des modèles de substitution afin de les intégrer dans un processus d’optimisation pour progresser efficacement (avec un temps de calcul raisonnable) vers un compromis optimal de l'ensemble de la chaîne de traction électrique hybride (masses, rendement).
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In 2019, transport was the fastest growing sector in the world, contributing to environmental degradation. Finding sustainable solutions is a key element in addressing this problem, particularly for the aviation sector, which accounts for around 2% of global CO2 emissions. The Clean Sky2 (H2020 EU) consortium is helping aircraft manufacturers to find solutions that are quieter and greener. Since the 2010's, there has been a worldwide effervescence of more electric aircraft projects in the world. In 2020, there are more than 170 such projects. With the appearance of the Covid-19, measures taken around the world have practically interrupted commercial air passenger traffic. All forms of transport are heavily affected, aviation is massively and certainly sustainably affected. Moreover, the epidemic and the resulting containment is bringing the issue of climate change back to the forefront, with a spectacular drop in greenhouse gas emissions. The sector is calling for state aid to be rescued. For many, this aid must be given in return for an environmental shift once the crisis is over. In order to reduce our CO2 emissions, there is no secret, we must first go through a hybridisation of aircraft propulsion and why not, one day we should move to full-electricity.
The HASTECS project at the heart of the news :
The main objective of the HASTECS (Hybrid Aircraft Academic reSearch on Thermal and Electrical Components and Systems) initiative, a European Union project, is to couple thermal and electrical studies for a regional aircraft. The aim is to identify the most promising technologies and breakthroughs and to develop the tools to significantly increase the efficiency of electrical processes within hybrid propulsion systems. The targets considered are the following:
Target 2025
Electric motor + cooling
Specific Power 5 kW/kg
Cruise efficiency 96%.
Take-off efficiency 94.5 %.
Power electronics + cooling
Specific Power 15 kW/kg
Cruise efficiency 98%.
Take-off efficiency 96.5 %.
Target 2035
Electric motor + cooling
Specific Power 10 kW/kg
Cruise efficiency 98.5
Take-off efficiency 97%.
Power electronics + cooling
Specific Power 25 kW/kg
Cruise efficiency 99.5
Take-off efficiency 99%.
In our case, only serial hybrid electric architecture was studied in this project, as it leads to a high dimensioning power as well as constraints on the electric drive train; the thrust being entirely provided by the electric components of the device. Based on a set of input data and given environmental conditions, different "substitution" models are used to simplify the efficiency and mass evaluations of each component. The propulsion system is redesigned through a loop process linking weight variations and thrust consequences: this integrated design approach allows the evaluation of snowball effects caused by the addition of mass.
The main challenge of this study is to provide substitution models in order to integrate them in an optimisation process to progress efficiently (with a reasonable calculation time) towards an optimal compromise of the whole hybrid electric powertrain (mass, efficiency).
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