Avion "vert" : le Technion (Israël) développe une méthode pour produire de l'hydrogène en plein vol
[:fr]L’avion est un moyen de transport terriblement polluant : il émet trois fois plus de gaz à effet de serre que la voiture, alors même que le trafic aérien pourrait tripler d’ici à 2030. Son impact sur le climat a doublé en vingt ans et cette source de pollution connaît la plus forte croissance. La conception intégrée de systèmes énergétiques pour les avions est donc l’enjeu majeur de ces prochaines années. Au niveau européen, le programme ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) impose au transport aérien des contraintes environnementales de réduction du bruit, des émissions polluantes (NOx, HC, fumées, CO2) et de la consommation. Parmi les solutions envisagées, les piles à combustible (PAC) représentent une source d’énergie embarquée qui peut se substituer au moteur pour la production d’électricité. Leur rendement énergétique est élevé (> 45 %), leur fonctionnement est silencieux et l’absence d’émissions est un atout phare.
Dans ce domaine, les travaux du Dr Shani Elitsur à la faculté d’Ingénierie aérospatiale du Technion – Institut Technologique Israélien – représentent une belle avancée. Avec son équipe de chercheurs, le Dr Elitzur vient de développer un moyen de produire de l’hydrogène à partir d’eau et d’aluminium. Cette méthode, brevetée, peut être utilisée à bord des avions en plein vol pour produire de l’hydrogène avec de l’eau (y compris les eaux usées de l’avion) et des particules d’aluminium, en toute sécurité et à moindre coût. L’hydrogène peut ensuite être transformé en énergie électrique pour une utilisation en vol. Cette percée pourrait ouvrir la voie à des avions moins polluants et plus électriques qui remplaceraient les systèmes hydrauliques et pneumatiques généralement alimentés par le moteur principal.
« L’hydrogène produit à bord de l’avion pendant le vol peut être acheminé vers une pile à combustible pour la production d’énergie électrique », a déclaré le Dr Shani Elitzur, chercheur principal de l’étude au Technion. « Cette technologie offre une bonne réponse à plusieurs défis, tels que le stockage de l’hydrogène, en évitant les problèmes liés au stockage de l’hydrogène à l’état liquide ou gazeux ». Bien que l’utilisation des combustibles à partir d’hydrogène représentent depuis un certain temps une solution potentielle d’énergie plus verte, le stockage de l’hydrogène reste un problème. Les ingénieurs ont contourné ce problème en utilisant des piles combustible non polluantes – Proton Exchange Membrane (PEM), Pile à combustible à membrane échangeuse de protons – et un processus d’activation de l’aluminium, breveté par les co-auteurs de l’étude, le Pr Alon Gany et le Dr Valery Rosenband. La recherche du Dr Elitzur portait sur la réaction entre la poudre d’aluminium et l’eau (de différents types) pour produire de l’hydrogène.
La technologie repose sur la réaction chimique entre la poudre d’aluminium et l’eau. L’eau douce ou les eaux usées déjà à bord de l’avion, peuvent être utilisées pour l’activation, l’avion n’a donc pas besoin de transporter d’eau supplémentaire. La réaction spontanée et continue entre l’aluminium en poudre et l’eau est activée par le processus thermochimique d’activation de l’aluminium que les chercheurs ont développé. Les propriétés protectrices du film d’oxyde ou d’hydroxyde couvrant la surface des particules d’aluminium sont modifiées par une petite fraction d’activateur à base de lithium diffusé en aluminium, permettant à l’eau à température ambiante de réagir spontanément avec l’aluminium. Le processus génère de la chaleur, ce qui, selon les chercheurs, peut être utilisé pour un certain nombre de tâches, y compris l’eau de chauffage et les aliments dans la cuisine, les opérations de dégivrage ou le chauffage du carburant de l’avion avant le démarrage des moteurs.
Cette technologie fournirait « l’hydrogène produit à bord de l’avion pendant le vol qui peut être acheminé vers une pile à combustible pour la production d’énergie électrique », décrit Shani Elitzur.
Selon les chercheurs, leur technologie fournirait : des opérations plus silencieuses à bord ; des réductions drastiques d’émissions de CO2 ; stockage compact, pas besoin de réservoirs de stockage d’hydrogène à bord ; production d’énergie électrique plus efficace ; une réduction du câblage (plusieurs piles à combustible peuvent être situées près de leur point d’utilisation) : efficacité thermique (la chaleur générée par pile à combustible peut être utilisée pour le dégivrage, le chauffage par jet d’essence) : des vapeurs inflammables réduites dans les réservoirs de carburant (production de gaz inerte).
Les fabricants d’aéronefs, Boeing ou Airbus, mènent des recherches sur l’utilisation à bord de piles à combustible. Selon les chercheurs de Technion, les piles à combustible peuvent jouer un rôle d’économie d’énergie dans des opérations de maintenance pour des tours de dégivrage ou des tours de piste. «La production et le stockage efficaces de l’hydrogène représentent l’avenir pour des besoins énergétiques efficaces et sans danger pour les avions», a résumé le Pr Gany.
Publication dans the International Journal of Hydrogen Energy, mars 2017
Par Esther Amar pour Israël Science Info et Muriel Touaty, DG du Technion France
[:en]Aerospace engineers at the Technion-Israel Institute of Technology have developed and patented a process that can be used onboard aircraft while in flight to produce hydrogen from water and aluminum particles safely and cheaply. The hydrogen can then be converted into electrical energy for inflight use. The breakthrough could pave the way for non-polluting, more-electric aircraft that replace current hydraulic and pneumatic systems typically powered by the main engine.
The groundbreaking work was reported in a recent paper published in the International Journal of Hydrogen Energy.
« Hydrogen produced onboard the aircraft during flight can be channeled to a fuel cell for electrical energy generation, » said lead researcher Dr. Shani Elitzur of the Technion Faculty of Aerospace Engineering. « This technology offers a good solution to several challenges, such as hydrogen storage, without the problems associated with storing hydrogen in a liquid or gas state. »
While the use of hydrogen fuels has been a potential greener energy solution for some time, storing hydrogen has always been a problem. The engineers were able to work around the hydrogen storage problem by using non-polluting Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells and a process of aluminum activation patented by the paper’s co-authors, Prof. Alon Gany and Dr. Valery Rosenband.
Dr. Elitzur’s research was focused on the reaction between the activated aluminum powder and water (from different types) to produce hydrogen. The foundation for the technology is in the chemical reaction between aluminum powder and water to produce hydrogen. Either fresh water or waste water, already onboard the aircraft, can be used for activation, which means the aircraft does not need to carry any additional water.
The spontaneous and sustained reaction between powdered aluminum and water is enabled by a special thermo-chemical process of aluminum activation the researchers developed. The protective properties of the oxide or hydroxide film covering the aluminum particle surface are modified by a small fraction of lithium-based activator diffused into aluminum bulk, allowing water at room temperature to react spontaneously with the aluminum.
The process does generate heat, which the researchers say can be used for a number of tasks, including heating water and food in the galley, de-icing operations, or heating aircraft fuel prior to starting the engines.
According to the researchers, their technology would provide:
- Quieter operations on board an aircraft
- Drastic reductions in CO2 emissions
- Compact storage; no need for hydrogen storage tanks onboard aircraft
- More efficient electric power generation
- A reduction in wiring (multiple fuel cells can be located near their point of use)
- Thermal efficiency (fuel cell generated heat can be used for de-icing, heating jet fuel)
- Reduced flammable vapors in fuel tanks (Inert gas generation)
« The possibility of using available, onboard wastewater boosts both the efficiency and safety of the system, » explained Dr. Rosenband. « Also, the PEM fuel cells exhibit high efficiency in electric energy generation. »
Aircraft manufacturers, including Boeing and Airbus, have already investigated using onboard fuel cells. Boeing has experimented with them in smaller aircraft, in anticipation of using them on its 787-8, the current state-of-the-art electric airplane. According to the Technion researchers, fuel cells can even play an energy saving role in airline and airport ground support operations when they are on used for systems such as de-icing and runway light towers.
« Efficient hydrogen production and storage represents the future for efficient and safe aircraft inflight energy needs. » summarized Prof. Gany.
Publication in International Journal of Hydrogen Energy, March 2017[:]
