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Sommaire
Avertissement : Les 6 rapports constituant ce volume 2 sont des compléments à certains thèmes présentés dans le Volume 1. Ils ont été rédigés lors des travaux de la Commission Prospective entre les années 2010 et 2012, avant le colloque de mai 2012. De ce fait certains de ces compléments n'ont pas été mis à jour pour l'édition finale d'avril 2013. Néanmoins, que le lecteur assidu se rassure, toutes les informations fournies dans ces compléments sont correctes !
Les rapports thématiques complémentaires
Volume du marché
Sécurité et qualité de
service
Gestion du trafic aérien
Air Traffic Management (English Version)
Environnement
Energie
Apports de l’Espace
Consulter le Volume I : Rapport de synthèse
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Table des matières
RÉSUMÉ ................................................................................................................................ 5
1. OBJET DE L’ÉTUDE ET HYPOTHÈSES UTILISÉES ............................................................... 11
1.1 DOMAINES COUVERTS PAR L’ÉTUDE ............................................................................... 12
1.2 RÉFÉRENCES DES DONNÉES .......................................................................................... 13
2. CONSTAT ET ANALYSE DU PASSÉ (PÉRIODE 1970-2010) .................................................... 17
2.1 EVOLUTION GLOBALE DU TRAFIC « PASSAGERS » ........................................................... 17
2.2 RÉPARTITION GÉOGRAPHIQUE ....................................................................................... 19
2.3 EVOLUTION DES AUTRES PARAMÈTRES OPÉRATIONNELS (TRAFIC « PASSAGERS ») ........... 20
3. MODÉLISATION DU TRAFIC « PASSAGERS » ..................................................................... 23
3.1 PRINCIPES DE LA MODÉLISATION ................................................................................... 23
3.2 MODÉLISATION DU TRAFIC EN PKT À PARTIR DES RESSOURCES UTILISÉES ....................... 24
3.3 ALLOCATION DES RESSOURCES EN FONCTION DES SOLLICITATIONS DE TRANSPORT ET MODÉLISATION DU TRAFIC PAR ET ENTRE RÉGIONS ................................................... 28
3.4 RÉPONSE « OPÉRATIONNELLE » DU SYSTÈME DE TRANSPORT AÉRIEN .............................. 30
4. APPLICATION DE LA MODÉLISATION DU TRAFIC « PASSAGERS » ....................................... 33
4.1 HYPOTHÈSES RETENUES : ............................................................................................. 33
4.2 RÉSULTATS .................................................................................................................. 36
4.3 TRAFICS RÉGIONAUX POUR L’ANNÉE 2010 (MODÉLISATION ET CONSTAT) .......................... 38
4.4 EVOLUTION DES TRAFICS PAR ET ENTRE RÉGIONS DE 2010 À 2050 (MODÉLISATION) ........... 40
5. SENSIBILITÉ DU TRAFIC « PASSAGERS » .......................................................................... 41
6. TRAFIC DE FRET ............................................................................................................ 43
6.1 EVOLUTION PASSÉE DU TRAFIC DE FRET ........................................................................ 43
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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6.2 IMPORTANCE RELATIVE DU TRAFIC DE FRET ................................................................... 43
6.3 MODÉLISATION ET PRÉVISION DU TRAFIC DE FRET .......................................................... 44
7. BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................. 45
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RÉSUMÉ
Le thème « volume du marché » s’intéresse à l’évaluation du trafic aérien et à son évolution. L’analyse a porté essentiellement sur l’évolution du trafic « passagers »1. Ce dernier, exprimé en PKT (Passagers Kilomètres Transportés), a été multiplié par 100 de 1950 à 2000. Quelle sera son évolution d’ici 2050 ? Dans leur projection à moyen terme (2030), les constructeurs et les compagnies aériennes retiennent une croissance annuelle voisine de 5% (conduisant à une multiplication du trafic par 7 entre 2010 et 2050.
Pourquoi développer ici une nouvelle approche alors que nous avons à notre disposition les modélisations proposées ainsi par les constructeurs, les compagnies aériennes et les administrations ? Plusieurs raisons ont motivé notre choix :
- La première raison porte sur le caractère trop simpliste du modèle prévisionnel généralement appliquée : en effet, basé sur un taux de croissance annuelle de 5%, une telle hypothèse ne semble pas pertinente pour une projection à l’horizon 2050.
- L’activité de transport aérien se développant dans un environnement contraint, il nous est apparu nécessaire de prendre en compte les limitations interférant dans son développement : ralentissement économique, raréfaction de l’énergie, impact de l’environnement et contraction des potentiels d’amélioration d’efficacité tant technique qu’opérationnel ;
- Enfin, le trafic aérien ne pouvant être dissocié de l’ensemble des transports, l’approche proposée intègre les réflexions menées dans le domaine global des besoins de transport (Laboratoire d’Economie des Transports dirigé à Lyon par le Professeur Yves Crozet.
L’analyse retenue aborde dans un premier temps le trafic aérien dans sa globalité mondiale. L’approche est ensuite élargie aux six grandes régions du monde retenues classiquement pour l’activité : Amérique du Nord, Europe, Amérique latine, Asie Pacifique, Afrique et Moyen-Orient ; cette décomposition conduit à distinguer trente-six flux de trafic : six à l’intérieur de chaque région et trente entre les régions.
Dans les projections à l’horizon 2050, deux périodes seront prises en considération:
- le passé de 1970 à 2010 pour l’élaboration et la justification de la modélisation basée sur les données statistiques à notre disposition,
- l’avenir de 2010 jusqu’à l’horizon 2050, pour l’application de la modélisation retenue. 1 Rappelons ici que l’activité « transport de passagers » représente plus de 80 %) du chiffre d’affaires des compagnies aériennes et que c’est sur celle-ci que nous disposons d’une base statistique suffisante pour mener nos analyses. Les autres revenus des compagnies ont pour origine le transport de fret (part de l’ordre de 15% stable depuis les années 1980 : voir analyse § 5) ainsi que diverses autres activités.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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La modélisation proposée repose sur l’approfondissement et la réponse aux trois questions :
- Quel niveau de ses ressources le passager est-il prêt à consacrer pour satisfaire son besoin de transport aérien ?
- Comment le passager compte-t-il utiliser cette ressource en fonction des diverses sollicitations qui se présentent dans la satisfaction de son besoin de transport ?
- Quelle est la réponse opérationnelle apportée par le système de transport aérien (constructeurs et compagnies) pour satisfaire ce besoin ?
A la question « quel niveau de ressources le passager est-il prêt à consacrer pour satisfaire son besoin de transport aérien », l’analyse de l’évolution du chiffre d’affaires du transport de passagers comparée à celle du PIB au niveau mondial apporte un élément de réponse : après une croissance soutenue jusqu’au début des années 90, la part de ressources consacrée au transport aérien tend vers un plafond représentant 1,1% du PIB ; la même réflexion élargie à chacune des régions conduit au même type d’évolution.
La documentation existante dans le domaine du transport conforte ce résultat :
- ainsi Boeing, dans ses prévisions à 20 ans (Outlook 2010,2011 et 2012) fait le même constat de plafonnement du chiffre d’affaires des compagnies aériennes rapporté au PIB sans toutefois exploiter cette corrélation dans ses modèles de prévisions ; de son côté ; Airbus met en évidence une dépendance de même nature dans son analyse du « large potentiel de croissance de la propension à voyager ».
- une corrélation similaire est aussi signalée pour l’ensemble des transports dans les dossiers du LET (la part globale de ressources utilisées atteint alors un niveau voisin de 10% du PIB).
A la deuxième question, « Comment utiliser ces ressources en fonction des diverses sollicitations ? » une réflexion menée à partir de données statistiques OACI présentées en fonction de la distance à parcourir met en évidence une propension à se déplacer évoluant en proportion de l’inverse du carré de la distance. On obtient ainsi un modèle de type « gravitaire » ; de tels modèles gravitaires sont utilisés pour représenter de nombreux comportements sociétaux en particulier dans le domaine des transports.
Pour répondre à la troisième question, « quelle réponse opérationnelle apporte le système de transport aérien ? » seule reste à définir la capacité de l’avion (deuxième caractéristique de mission à côté de la distance à parcourir). L’examen statistique des flottes fait apparaître une croissance de la capacité de l’avion en fonction du rayon d’action (résultant de l’adaptation de la mission en fonction des décalages horaires et recherche d’une plus grande efficacité opérationnelle) et du volume global de passagers P à transporter (selon les statistiques OACI, la croissance du nombre de passagers est absorbée à 60% par le nombre de vols et à 40% par l’augmentation de la capacité).
Ces réflexions conduisent à la modélisation retenue pour représenter les évolutions du trafic :
- un premier modèle donne les estimations, au niveau mondial et pour chacune des régions, des trafics en PKT à partir des évolutions de PIB retenues (mesuré en $), du niveau alloué de ressources (exprimé en % de PIB) et du prix du billet (exprimé en $ par passager et par kilomètre):
)2010(03,015,01,1%)/( −×−×−= AnnéeeenPIBCA
).....$....(.$).().%.'.()(kmparetpassagerparenbilletduprix
enPIBPIBenAffairesdChiffrePKTTrafic ×=
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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- le modèle gravitaire permet d’élargir ces résultats prévisionnels à l’ensemble des flux de trafic régionaux. Ainsi, le nombre NA,B de « passagers déplacements » entre les deux régions A (caractérisée par son PIB PA) et B (caractérisée par son PIB PB) situées à une distance moyenne d peut être estimé en proportion du produit des PIB (PA * PB) des régions considérées, divisé par le carré de la distance d entre les régions. Pour estimer le volume TA,B de trafic en PKT, il suffit alors de prendre en compte la distance de chaque déplacement.
×
=AB
BAAB d
PPnelproportionN 2 et
×=×=
AB
BAABABAB d
PPnelproportiondNT
- un modèle de « réponse opérationnelle du système de transport aérien » donne l’emport moyen E en fonction du volume trafic (nombre P de passagers) et de la distance « d » à parcourir.
( ) ( ))66,018,2 4,0 +××+×= PdE
L’application de la modélisation repose sur les hypothèses suivantes :
- bases économiques tant au niveau mondial que régional définies par le thème « économie » : remarquons une notable réduction de la part relative de l’Europe dans le monde (de 45% en 1970, à 32,5% en 2010 et 17,5% projeté en 2050), réduction compensée par une augmentation équivalente de la part de la région « Asie Pacifique ».
- prix du baril de pétrole exprimé en US dollars croissant de 80 en 2010 à 250 en 2050. - chiffre d’affaires des compagnies modélisé sous la forme d’un pourcentage du PIB. - prix de vente du billet défini par le thème « structure d’exploitation » en prenant en compte l’amélioration,
de l’efficacité opérationnelle et l’augmentation du prix du pétrole. - matrice des distances (internes et entre régions) caractéristique de la géographie des réseaux. Le graphique ci-dessous montre l’évolution des PKT au niveau mondial en fonction du temps selon les diverses prévisions :
- La courbe rouge correspond au constat statistique ; - Le trait pointillé bleu prolongeant la courbe précédente jusqu’en 2050 présente l’estimation obtenue par le
présent modèle.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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- Les triangles verts et les ronds bleus correspondent aux prévisions de Boeing et d’Airbus.
Le tableau ci-après détaille les résultats donnés par la modélisation pour les flux de trafic des trois plus importantes régions (Europe, Amérique du Nord et Asie Pacifique) pour les trois années :2010 (comparaison des résultats donnés par le modèle avec les réalisations), 2030 (comparaison des résultats donnés par le modèle avec les prévisions de Boeing) et 2050.
Evolution du trafic "passagers"
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
giga PKT
constat modèle prévisions Boeing prévisions Airbus
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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2010 GV modèle (constat)
2030 GV modèle (Boeing)
2050 GV modèle
Hypothèses PIB monde (téra dollars)
% - Europe
- Amérique du Nord - Asie Pacifique
CA compagnies en % PIB
baril de pétrole en dollars
52
32,3%
29,0%
26,6%
0,95 (0,91)
80
90
24,6%
24,7%
36,7%
1,02
210
156
17,6%
21,9%
42,4%
1,055
250
Trafic en téra PKT - monde - Europe - Amérique du Nord - Asie Pacifique
5,1 (5,1)
1,6 (1,4)
1,6 (1,4)
1,4 (1,4)
9,0 (13,3)
1,9 (3,3)
2,2 (2,7)
3,8 (5,0)
15,5
2,2
3,3
7,7
Passagers (en giga) - monde - Europe - Amérique du Nord - Asie Pacifique
2,7 (2,6)
0,7 (0,7)
0,9 (0,8)
0,9 (0,8)
4,8
0,7
1,2
2,2
7,9
0,8
1,7
4,0
Vols (en méga) - monde - Europe - Amérique du Nord - Asie Pacifique
29 (28)
6,2
8,8
8,7
42,2
6,8
10,8
15,7
61,2
7,1
13,8
21,2
Le graphique et le tableau mettent en exergue les résultats suivants :
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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- la bonne concordance tant au niveau mondial que régional entre valeurs estimées et réalisations passées conforte la validité de la modélisation
- un niveau de prévisions moins optimiste que celui affichées par Airbus et Boeing correspondant en moyenne à un décalage d’une quinzaine d’années pour l’obtention d’un même niveau de trafic : ainsi le trafic prévu aujourd’hui par Airbus et Boeing pour 2030, ne serait atteint selon notre modèle qu’aux environs de 2045.
- conséquence directe des évolutions économiques retenues, une forte réduction de la part de l’Europe et une montée en puissance de la région Asie Pacifique : entre 2010 et 2050, la part relative de l’Europe dans le trafic mondial chute ainsi de 30 à 17% comme sa part de PIB.
- des prévisions du nombre de passagers et du nombre de vols, informations très utiles pour le dimensionnement des aéroports et de l’ATM (ceci est un plus de notre modélisation par rapport aux prévisions d’Airbus et Boeing qui ne donnent pas ces informations).
La modélisation apporte une vision immédiate de la sensibilité des résultats comme le montre le tableau ci-dessous mesurant les conséquences de trois hypothèses sur l’évolution du trafic en 2050 :
- moindre pessimisme en matière de prévision du PIB en 2050 (plus 10%), - part des ressources allouées plus élevée (1,2% au lieu de 1,1%, ). - prix plus faible du baril de pétrole en 2050 (200 dollars soit -20%).
Trafic en 2050 base PIB +10% CA /PIB = 1,2% Baril 200 dollars
PKT (en téra) 15,5 17,0 17 17,5
Passagers (en giga) 7,9 8,7 8,7 9,0
Vols (en méga) 61,2 65 65 67
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1. OBJET DE L’ÉTUDE ET HYPOTHÈSES UTILISÉES
Le thème « volume du marché » s’intéresse à l’évaluation du trafic aérien et à son évolution. L’analyse a porté essentiellement sur l’évolution du trafic « passagers »2. Ce dernier, exprimé en PKT (Passagers Kilomètres Transportés), a été multiplié par 100 de 1950 à 2000. Quelle sera son évolution d’ici 2050 ? Dans leur projection à moyen terme (2030), les constructeurs et les compagnies aériennes retiennent une croissance annuelle voisine de 5 % (conduisant si elle se prolongeait à une multiplication du trafic par 7 entre 2010 et 2050.
Une première question se pose : pourquoi développer ici une nouvelle approche alors que nous avons à notre disposition les résultats des modélisations proposées par les constructeurs, les compagnies aériennes et les administrations ? Plusieurs raisons ont motivé notre choix :
- le caractère simpliste du schéma prévisionnel utilisé (basé sur un taux de croissance annuelle constant voisin de 5%) ne nous semble pas pertinent pour une projection à l’horizon 2050.,
- la comparaison entre prévisions et réalisations au cours de la décennie passée met en évidence un certain optimisme des modèles de prévision (voir § 2.1)
- l’activité de transport aérien se développant dans un environnement contraint (« les arbres ne montent pas jusqu’au ciel ! »), il nous est apparu nécessaire de prendre en compte dans la prévision les diverses limitations intervenant dans son développement : ralentissement de la croissance économique, raréfaction de l’énergie et contraction des potentiels d’amélioration d’efficacité tant sur le plan technique qu’opérationnel ;
- le trafic aérien ne peut être isolé et dissocié de l’ensemble des autres modes de transport : aussi avons-nous intégré dans notre l’approche les réflexions menées dans le domaine global du transport par le Professeur Yves Crozet et son équipe du Laboratoire d’Economie des Transports à Lyon.
La modélisation proposée repose sur l’approfondissement et la réponse aux trois questions :
- Quel niveau de ses ressources le passager est-il prêt à consacrer pour satisfaire son besoin de transport aérien ?
- Comment le passager compte-t-il utiliser cette ressource en fonction des diverses sollicitations de son besoin de transport ?
2 D’un côté la disponibilité des informations est plus grande dans ce domaine et de l’autre l’évolution du fret depuis les années 1980 montre une relative constance de sa part de marché (part de volume transporté et de chiffre d’affaires voisine de 25% au cours de la période).
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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- Quelle est la réponse opérationnelle apportée par le système de transport aérien (constructeurs et compagnies) pour satisfaire ce besoin ?
1.1 DOMAINES COUVERTS PAR L’ÉTUDE
. L’analyse a porté essentiellement sur l’évolution du trafic « passagers » :
- d’un côté la disponibilité des informations est plus grande dans ce domaine - et de l’autre l’évolution du fret depuis les années 1980 montre une relative constance de sa part de
marché (part de volume transporté et de chiffre d’affaires voisine de 25%).
Les composantes du trafic aérien selon la nature et la finalité
Le trafic aérien recouvre un grand nombre d’activités dont il est nécessaire de définir avec précision la typologie et les domaines concernés. Il faut ainsi distinguer dans l’ensemble des activités aériennes les composantes :
- commerciales, - militaires, - d’aviation générale. La présente analyse concerne les activités aériennes commerciales (90 % du volume global mesuré tant en trafic qu’en consommation de carburant) quelle que soit leur nature (passagers ou fret, régulier ou à la demande)3 et plus particulièrement le trafic passagers régulier, le seul pour lequel il existe une base d’informations statistiques suffisante pour mener à bien notre étude.
Le moyen de transport
Toutes les formules d’avion (à pistons, turbopropulseurs, turboréacteurs…) seront prises en compte sans distinction dans l’analyse.
Etendue géographique
Le trafic aérien, s’affranchissant des frontières naturelles ou politiques a depuis son origine une dimension mondiale ; une première analyse à l’échelle mondiale (y compris la composante URSS ou CIS) est complétée par une approche régionale séparant le monde en six grandes régions (celles classiquement retenues par les conjoncturistes pour ce type d’analyse) :
- Europe (y compris l’URSS et la CIS), repérée par l’indice « Eu » ; - Amérique du Nord (Etats-Unis et Canada), ), repérée par l’indice « An » ; - Asie-Pacifique, repérée par l’indice « Ap » ; - Afrique, repérée par l’indice « Af » ; 3 L’évolution depuis les années 1970 du trafic fret montre une grande corrélation avec celui des passagers (voir le §2.4 traitant de
cette question)
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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- Amérique Latine, repérée par l’indice « Al » ; - Moyen-Orient, repérée par l’indice « Mo » . Une telle décomposition conduira à une partition du trafic global en 36 composantes :
- 6 pour les trafics dits « régionaux » à l’intérieur de chaque région ; - 30 pour les trafics dits « extrarégionaux » entre 2 régions.
Etendue temporelle de l’analyse
Dans nos projections à l’horizon 2050 et de manière à équilibrer le passé et l’avenir, nous avons distingué
- la phase dite « du passé » (couvrant les 4 dernières décennies de 1970 à 2010), en tant que base statistique sur laquelle nous établirons notre modélisation ;
- la phase dite « de prévision » (couvrant les 4 prochaines décennies de 2010 à2050). Tant pour le passé que pour l’avenir, les informations (données statistiques ou résultats prévisionnels) sont présentées annuellement ; de manière à alléger l’exposé et pour tenir compte des cycles décennaux constatés dans les évolutions du trafic, nous avons limité notre présentation à une information décennale.(1970, 1980, 1990, 2000, 2010, 2020, 2030, 2040 et 2050)
1.2 RÉFÉRENCES DES DONNÉES
Les données (statistiques ou prévisionnelles) relatives au trafic aérien proviennent de plusieurs sources :
- l’exploitant : ITA (institut du Transport Aérien), compagnies… - le constructeur d’avions ou de moteurs : Airbus, Boeing, SNECMA….4 - les administrations : DGAC, OACI, UE, OCDE… - les analystes du secteur : Merrill Lynch, Morgan Stanley, Goldman Sachs… Les analyses menées ici reposent sur deux sources principales complémentaires :
- les statistiques de l’OACI relevées dans les rapports annuels, - les prévisions des constructeurs présentant le constat du passé ainsi que les prévisions à 20 ans. Les données relatives à l’environnement du trafic aérien et intervenant sur son développement proviennent des autres thèmes en charge des domaines concernés :
- le thème « économie » pour l’évolution du PIB, - le thème « structures d’exploitation » pour l’évolution du prix du billet, - le thème « construction aéronautique » pour les caractéristiques de la flotte.
Dans la mesure du possible, les analyses et les prévisions reposent sur les conditions 2010 de référence tant pour les statistiques du marché que pour les aspects économiques.
4 Bibliographie : références 2 (Airbus), 3 (Boeing) et 4 (SNECMA)
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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Schéma opérationnel du transport aérien
La mesure des caractéristiques du trafic et du transport aérien nécessite la définition de paramètres spécifiques. Cet exposé a pour objet de souligner la complexité du système et d’éclairer le domaine d’application en rappelant les liaisons entre besoin de trafic, flotte en service et conditions d’exploitation.
Ces relations sont présentées dans le schéma donné en figure 1 ; les valeurs indiquées correspondent à la présentation pour l’exercice 19995 seule année pour laquelle la documentation à notre disposition donne le détail d’informations suffisant. Le schéma fait apparaître plusieurs étages : - le besoin de trafic caractérisé par :
- le nombre de passagers : N = 1,796 giga passagers, - la distance moyenne parcourue : R1 = 1715 km par passager, - le trafic global : PKT = N * R1 = 3,080 Téra PKT.
- l’efficacité opérationnelle par siège caractérisée par :
- le volume de sièges-km offerts : SKT = 4,378 Téra SKT - le taux de remplissage k = PKT / SKT = 0,704 - la vitesse « bloc » moyenne V = 675 km / h - le nombre moyen d’heures « bloc » d’un siège H = 3502 heures d’utilisation « bloc » par
année - l’efficacité par siège E = k * V * H = PKT / S = 1,663 méga PKT par siège
- les facteurs opérationnels par mission (ou par vol) caractérisés par :
- le nombre de mouvements M = 16,156 méga mouvements - le nombre de sièges moyen C2 = SKT / R1 / M = 158 sièges par avion-mission - l’étape moyenne R2 = 1370 km par mission
- la flotte en service caractérisée par :
- le nombre d’avions : A = 10349 - le nombre de sièges offerts : S = 1,852 méga sièges - la capacité moyenne : C1 = S / A = 179 sièges par avion physique.
- les facteurs opérationnels globaux caractérisés par :
- la distance parcourue D = M * R2 = 22,1 giga km pour l’ensemble de la flotte - le nombre de sièges moyen au km C3 = SKT / D = 198
Remarque : cette analyse fait apparaître plusieurs valorisations dans l’estimation des facteurs :
- 3 capacités moyennes : C1 moyenne de la flotte C2 moyenne par mission < C1 (petits avions pour court-courrier)
C3 moyenne en opération > C1 (gros avions pour long-courrier)
- 2 distances moyennes : R1 moyen par passager R2 moyen par mission < R1 (petits avions pour court-courrier)
5 Bibliographie : référence 2 (GMF 2000 d’Airbus)
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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Figure 1 : Schéma opérationnel du transport aérien
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2. CONSTAT ET ANALYSE DU PASSÉ (PÉRIODE 1970-2010)
Nous avons retenu la période de 1970 à 2010 comme base de nos analyses statistiques du marché de transport passagers (régulier et à la demande) ; le fret sera abordé séparément et d’une manière globale en fin d’exposé.
La présentation comportera plusieurs points :
- évolution globale du trafic au niveau mondial, - répartition géographique du trafic, - évolution des autres paramètres opérationnels,
2.1 EVOLUTION GLOBALE DU TRAFIC « PASSAGERS »
L’évolution du trafic présentée en figure 2 est basée sur les données statistiques à notre disposition6 (transport régulier et à la demande). Les informations apportées par les constructeurs comportant aussi des prévisions, nous les avons rappelés sur le graphique les prévisions passées en comparaison avec les réalisations : on constate ainsi pour les années permettant une comparaison directe que les prévisions proposées dépassent toujours la réalité de l’ordre de 10 % à 20 %. Nous avons aussi indiqué en pointillés les résultats obtenus par notre modélisation.
6 Bibliographie : références 1, 2 et 3
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Figure 2 : Evolution du trafic passagers
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1000
2000
3000
4000
5000
6000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
giga PKT
constat prévisions Boeing prévisions Airbus modèle
L’évolution souligne une croissance continue malgré quelques perturbations ; pour affiner l’étude il est important d’analyser la croissance annuelle.
- Pour cela nous retiendrons les données d’Airbus et de Boeing (très proches de celles présentées par l’OACI pour l’ensemble des trafics « régulier » et « à la demande7 ») présentant les informations statistiques sur la période passé et apportant des valeurs prévisionnelles de projection pour l’avenir8.
- Les variations annuelles fluctuant fortement en fonction des cycles économiques sur 10 ans, nous avons été conduits à retenir comme tendance la valeur moyenne de croissance sur des périodes glissantes de 10 années (positionnée au milieu de la période) ;
- Ces évolutions sont présentées figure 3 sous la forme de taux annuel (taux de l’année, taux moyen sur 10 années, taux prévisionnels retenus par Airbus et Boeing) ; cette approche fait de nouveau apparaître le caractère généralement optimiste des prévisions tant d’Airbus que de Boeing par rapport au constat lissé sur 10 ans.
7 la part relative du trafic « à la demande » est passée de 10% au début des années 80 à 5% en 2010 8 les prévisions en général sur 20 ans ont été ramenées en taux moyen annuel et positionnées au milieu de la période.
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2.2 RÉPARTITION GÉOGRAPHIQUE
Les statistiques donnent une répartition géographique mais le découpage diffère selon les sources :
- l’OACI sépare selon la nationalité des opérateurs trafic « domestique » et trafic « international » ; - les constructeurs séparent les flux de trafics à l’intérieur et entre les régions. En raison d’une répartition conforme à la partition retenue pour notre analyse (voir §1.1.4), les statistiques recueillies dans les prévisions Outlooks » de Boeing nous permettent de suivre pour les six régions étudiées l’évolution des parts de trafic régionales et extrarégionales ; dans notre analyse, nous avons supposé que la part de trafic au départ de chacune des régions vers une autre région représente la moitié du flux de trafic entre cette deux régions (voir §3.2).
Le tableau ci-dessous présente l’évolution au cours de la période 1970-2010.
EVOLUTION DE LA REPARTITION GEOGRAPHIQUE DU TRAFIC ( GIGA PKT )1970 1980 1990 2000 2010
rég extra total % rég extra total % rég extra total % rég extra total % rég extra total % Eur 60 74 134 24,3 135 207 342 27,1 258 321 579 26,5 440 537 977 28,8 697 777 1474 30,2 A d N 200 140 340 61,6 364 274 638 50,5 589 470 1059 48,5 857 618 1475 43,5 919 732 1651 33,8 A L 13 5 18 3,3 40 29 69 5,5 52 27 79 3,6 85 34 119 3,5 164 47 211 4,3 As Pac 31 15 46 8,3 98 64 162 12,8 243 147 390 17,8 465 273 738 21,8 981 407 1388 28,4 AF 5 3 8 1,4 11 9 20 1,6 15 18 33 1,5 19 20 39 1,2 89 -26 63 1,3 MO 3 3 6 1,1 18 14 32 2,5 19 26 45 2,1 28 14 42 1,2 93 93 1,9total 312 240 552 100,0 666 597 1263 100,0 1176 1009 2185 100,0 1894 1496 3390 100,0 2850 2030 4880 100,0partt en % 56,5 43,5 100,0 52,7 47,3 100,0 53,8 46,2 100,0 55,9 44,1 100,0 58,4 41,6 100,0
Figure 3 : taux annuel de croissance
-6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00
10,00 12,00 14,00 16,00
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
% taux annuel taux 10 ans prévisions Boeing prévisions Airbus
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On constate :
- au niveau mondial, une répartition proche de l’équilibre entre trafics régional et extrarégional ; - une croissance de l’« Asie-Pacifique » au détriment de l’Europe et de l’Amérique du Nord.
2.3 EVOLUTION DES AUTRES PARAMÈTRES OPÉRATIONNELS (TRAFIC « PASSAGERS »)
L’analyse de l’évolution du transport aérien ne se limite pas à celle du trafic en PKT ; pour répondre aux exigences des diverses organisations concernées, la connaissance d’autres paramètres opérationnels (voir leurs définition au §1.2) s’avère nécessaire
Les statistiques disponibles pour la période 1970 à 2010 ne permettent pas d’apporter une réponse complète9 ; le tableau ci-dessous présente l’ensemble des informations recueillies ;
- ainsi pour le trafic global en PKT il a été possible de séparer (grâce aux données « Boeing »), le trafic régional (interne aux 6 grandes régions y compris le trafic domestique) et le trafic extra régional (entre les 6 grandes régions).
- en revanche, pour ce qui concerne les autres paramètres opérationnels (voir leurs définition au §1.3), seules les statistiques OACI apportent des éléments de réponse (globalement de 1970 à 2000 et détaillés pour 2000 et 2010) tels, la distance parcourue, le nombre de vols, l’emport moyen, le taux de remplissage, et la capacité moyenne des avions.
9 nous verrons plus loin que la modélisation proposée (§4) permet d’obtenir une vision du schéma opérationnel grâce à une
reconstitution pour le passé et une projection pour l’avenir
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1970 1980 1990 2000 2010INTRA REGIONALPKT (tera) 312 830 1400 1934 2887passagers (méga)distance (km)vols (kilo)emport moyenk remplissagecapacitéEXTRA REGIONALPKT (tera) 240 420 781 1447 1994passagers (méga)distance (km)vols (kilo)emport moyenk remplissagecapacitéTOTALPKT (tera) 552 1250 2182 3381 4881passagers (méga) 400 800 1350 1850 2650distance (km) 1380 1563 1616 1828 1842vols (kilo) 10000 12500 17000 21500 28000emport moyen 40 64 79 86 95k remplissage 0,55 0,64 0,68 0,71 0,78capacité 73 100 117 121 121
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3. MODÉLISATION DU TRAFIC « PASSAGERS »
L’évolution du trafic aérien y compris ses composantes opérationnelles dépend de nombreux facteurs ; citons les plus importants :
- le développement dans un monde limité, - le prix du billet, - la croissance du PIB, - les fluctuations attachées aux cycles économiques, - l’impact environnemental, - la rareté et le renchérissement du pétrole, - les infrastructures, - le terrorisme : l’analyse ses épisodes de terrorisme rencontrés (attentats palestiniens des années 70, 1ère
Guerre du Golfe en 1991 et attentats à New York en 2001) met en évidence un rattrapage rapide (moins de 5 années) des pertes de trafic en résultant.
Ces éléments seront pris en compte dans notre approche de modélisation du trafic et des autres paramètres opérationnels (tant au niveau mondial que régional).
Beaucoup de travaux ont été menés pour estimer le développement du trafic aérien en particulier par les constructeurs aéronautiques. Nous aurions pu nous raccrocher à ces prévisions en les prolongeant jusqu’en 2050 mais nous avons préféré ne pas suivre cette voie et développer notre propre réflexion sur le sujet (voir § 1 ci-dessus). L’approche que nous allons développer s’efforce de mettre en lumière les corrélations entre les évolutions du trafic et les principaux ressorts intervenant dans son développement.
3.1 PRINCIPES DE LA MODÉLISATION
La méthodologie retenue analyse et modélise trois interrogations que nous nous sommes posées lors de notre réflexion sur le développement du trafic aérien :
- quel niveau de ses ressources, la communauté économique est-elle prête à utiliser pour satisfaire son besoin de déplacement et plus particulièrement de transport aérien ?
- de quelle manière sont réparties ces ressources en fonction des sollicitations de déplacements? - quelle réponse opérationnelle, le système de transport aérien (constructeurs aéronautiques et
compagnies aériennes) apportera-t-il à cette demande
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3.2 MODÉLISATION DU TRAFIC EN PKT À PARTIR DES RESSOURCES UTILISÉES
Les ressources utilisées sont mesurées par le chiffre d’affaires « passagers » des compagnies aériennes. Cette information disponible pour le transport régulier dans les statistiques OACI pour la période 1970-2010 met en évidence une forte croissance au cours du passé ; de manière à homogénéiser les chiffres d’affaires et les trafics concernés il a été nécessaire de consolider les chiffres d’affaires du transport « régulier » et du transport « à la demande », ce que nous avons fait en supposant un chiffre d’affaires « passagers » pour le transport « à la demande » basé sur un prix du billet (au km et passager transporté) moitié de celui du transport « régulier »..
A - Principe : pour répondre à notre 1ère interrogation, nous avons comparé les évolutions au niveau mondial du chiffre d’affaires « passagers »du transport aérien et du PIB et avons constaté (voir figure 4) une étroite corrélation entre le chiffre d’affaires « passagers » consolidé du transport aérien « passagers » et la croissance du PIB :
Le ratio de ce chiffre d’affaires rapporté au PIB, a présenté ainsi une forte croissance jusqu’à la décennie 80 avant de se stabiliser depuis les années 90 à un niveau voisin de 0,9% et de tendre asymptotiquement vers une valeur plafonnant au-delà de 1%. Par rapport aux éditions précédentes, nous avons été conduit à relever le niveau de ce plafond (passant de 0,85% à 1,1% du PIB) pour tenir compte de :
- de l’incorporation du trafic « passagers » non régulier (de l’ordre de 10% et en décroissance) non pris en compte dans les analyses précédentes ;
- de nouvelles estimations présentées par le thème « Structures d’exploitation » pour le prix du billet en 2010 et 2050 (hausse de 20%) ; pour en estimer l’impact, nous avons suivi les préconisations exposées par Yves Crozet lors du Colloque de mai 2012 observant que le satisfaction d’un besoin peut conduire l’usager à compenser une partie des hausses de coût par une augmentation de son allocation de ressources.
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0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
% du PIB
année
Figure 4 : CA "passagers" en % du PIB constat modèle
Une analyse par régions (en retenant un partage à 50 % des trafics extrarégionaux et en supposant de plus un même prix du billet en $ / km /passager pour l’ensemble des régions) conduit à un même constat : les ratios « chiffres d’affaires rapporté au PIB » obtenus pour l’ensemble des régions convergent vers des pourcentages voisins avec un décalage dans le temps dépendant de la maturité économique des régions (voir figure 4 A) :
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Ces résultats sont aussi confortés par les analyses des constructeurs :
- Boeing exprime une même dépendance dans ses « Outlook » (prévisions de trafic à 20 ans) ; ainsi, dans son « Outlook 2010 » (observation reprise dans ses mises à jour en 2011 et 2012) : pour l’ensemble des trafics passagers et fret Boeing précise, « air travel revenues consistently total about 1 percent in countries around the world » ) ;
- Airbus présente de son côté dans ses documents de prévisions à 20 ans (dénommés GMF : Global Market Forecast) un diagramme désigné sous la rubrique « Large potential to increase propensity to travel » montrant l’évolution du nombre de voyages par habitant en fonction du PIB par habitant : la figure 5 reprend ce diagramme et met en évidence une bonne corrélation entre la tendance moyenne retenue par Airbus et les résultats obtenus par la modélisation pour un prix moyen du billet voisin de 150 € (déplacement de 1 500 km à 0,1 $ /km / passager)
Figure 4 A : Transport aérien régional en % du PIB
0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 1,100
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
% monde am du n europe asie
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Pour l’ensemble des déplacements quel que soit le mode de transport utilisé, les travaux conduits au sein du Laboratoire d’Economie des Transports sous la direction d’Yves Crozet conduisent à une même corrélation avec le PIB avec une part globale de ressources utilisées atteignant un niveau voisin de 10 % du PIB).
B – Modélisation de l’évolution du trafic mondial : celle-ci est proposée à partir de ces analyses ; en effet, le chiffre d’affaires s’exprimant de deux façons à partir soit du PIB soit des PKT
)2010($....)2010($'....)2010($)/()2010($'..
kmrparpassagecebilletduprixPKTceAffairesdChiffreetcePIBPIBpartCAceAffairesdChiffre
××=×=
on obtient ainsi le modèle proposé pour l’évolution du trafic mondial exprimé en PKT
)..2010$...()2010$.()/.()(
kmpassagerparcebilletduprixcePIBPIBCApartPKTTrafic
×−−×
=
avec pour modèle d’estimation de la part CA / PIB :
)2010(03,015,01,1%)/( −×−×−= AnnéeeenPIBCA
Figure 5 "Propensity to travel" (GMF Airbus)
0,01
0,10
1,00
10,00
0 5 10 15 20 25 30 35 PIB par tête en K$
voyages par tête
GMFairbus mod, billet 150$
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3.3 ALLOCATION DES RESSOURCES EN FONCTION DES SOLLICITATIONS DE TRANSPORT ET MODÉLISATION DU TRAFIC PAR ET ENTRE RÉGIONS
A – Principe : pour répondre à notre 2ème interrogation et voir comment utiliser les ressources dégagées pour le transport aérien, il nous faut analyser la propension à se déplacer. L’analyse des statistiques de trafic des cinquante dernières années permet d’appréhender les facteurs dimensionnant le volume des passagers-déplacements entre deux pôles économiques A et B séparés par la distance dAB et de poids économiques mesurés par leur PIB respectifs PA et PB:
- une proportionnalité aux poids économiques PA et PB : ce résultat est le prolongement du résultat exposé précédemment à propos des ressources utilisées pour le trafic aérien.
- une proportionnalité à l’inverse du carré de la distance dAB : ce résultat, obtenu à partir de l’évolution statistique pour l’année 2009 du nombre de passagers-déplacements en fonction de la distance (données obtenues auprès de l’OACI), est mis en évidence figure 6 à partir du graphique en coordonnées logarithmiques montrant une évolution de la propension à se déplacer « P » en proportion de « 1 / d2 »
Figure 6 : Evolution de la propension "P" à se déplacer (coordonnées logarithmiques)
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
100 1000 10000 100000
d (Km)
Méga déplacements / Km constat modèle
Cette analyse met en évidence une propension au déplacement entre deux pôles économiques A et B suivant une loi d’attraction du type « gravitation universelle » (proportionnalité aux poids économiques PA et PB et à l’inverse du carré de la distance dAB ). On peut ainsi en déduire :
- le nombre NAB de passagers-déplacements entre A et B :
×
=AB
BAAB d
PPnelproportionN 2
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- le volume TAB du trafic en PKT entre A et B en multipliant par le nombre de passagers-déplacements par
la distance dAB :
×=×=
AB
BAABABAB d
PPnelproportiondNT
2 – Modélisation des trafics régionaux et extrarégionaux : l’approche régionale conduit à une partition du trafic global en 36 composantes :
- 6 pour les trafics dits « régionaux » à l’intérieur de chaque région ; - 30 pour les trafics dits « extrarégionaux » entre 2 régions.
La formulation de la propension au déplacement, présentée ci-dessus, va permettre une modélisation des 36 composantes régionales du trafic à partir d’une approche en plusieurs étapes.
1e étape, repérage des divers flux régionaux considérés:
- chaque région est repérée l’indice « i » ou « l’indice j » (i et j variant de 1 à 6) - chacun des 36 flux régionaux entre les régions « i » et « j » est repéré par l’indice « i » et « l’indice j » :i
et j variant de 1 à 6 avec ,i =j pour les déplacements régionaux à l’intérieur de la région « i » et i ≠ j pour les déplacements extrarégionaux de la région « i » vers la région « j » : remarquons que l’ensemble des déplacements entre les régions « i » et « j » est constitué des deux déplacements (strictement égaux par nature) de « i » vers « j » et de « j » vers « i » ;
- des trafics Ti,i en PKT : régionaux Ti,i pour la région « i » et extrarégionaux Ti,j de la région « i » vers la région « j » par l’indice « i,j » :avec Ti,j; = Tj,i ;
- des passagers-déplacements Ni,j : régionaux Ni,i pour la région « i » et extrarégionaux Ni,j de la région « i » vers la région « j » par l’indice « i,j » :avec Ni,j; = Nj,i entre les régions « i » et « j » par l’indice « i,j » avec Ni,j; = Nj,i .
2e étape, le positionnement géographique des flux régionaux est caractérisé par l’ensemble des parcours moyens « di,j » correspondant aux flux de trafic entre la région « i » et la région « j » ( « di,i » représente le parcours moyen intérieur à la région « i » ) : remarquons à ce stade la relation entre trafic et passagers-déplacements Ti,j; = Nj,i * di,j.
En appliquant cette dernière relation, il est possible de définir une distance moyenne « di » applicable à la région « i » et une distance moyenne « dmoyen » applicable à l’ensemble du monde :
∑∑
∑∑
====
ii
ii
monde
mondemoyen
jji
jji
i
ii N
T
NT
detN
T
NT
d ............,
,
3e étape, le poids économique de chaque région est mesuré par la part relative « p, » du PIB de la région i rapportée au PIB mondial ; la sommation des « p, » pour les 6 régions respecte la relation : 161 =Σ = iài p
4e étape, la modélisation du trafic Ti,j et des passagers-déplacements Ni,j entre les régions « i » et « j » reprend la formulation exposée ci-dessus en appelant K le facteur de proportionnalité (applicable pour chaque flux ainsi que pour l’ensemble du monde) .
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ji
ji
ji
jiji
ji
jiji d
ppK
dT
Netd
ppKT
,2
,
,,
,
., ..............
××==
××=
La modélisation permet d’estimer le trafic Ti par sommation des trafics au départ de cette région :
imoyen
i
j j moyeni
jj
iji
jijii d
pK
d
ppK
dp
pKTT ×=××=××== ∑ ∑∑
,,,
La modélisation retrouve ici le résultat constaté et signalé au §3.2 de la proportionnalité du trafic régional Ti à la part de PIB de la région concernée.
5e étape, estimation du coefficient K en faisant varier i et j de 1 à 6, le modèle estime les 36 composantes régionales du trafic ; leur somme représente le trafic total T pour l’ensemble du monde (estimé au §3.2 ci-dessus) :
××== ∑∑
ji
jijiu d
ppKTT j
,,
Cette expression permet déterminer la relation entre K et T ; en effet
- « d moyen » représentant la valeur moyenne mondiale des distances « dij » - et en prenant en compte la relation 161 =Σ = iài p on obtient :
soit moyendTK ×=
3.4 RÉPONSE « OPÉRATIONNELLE » DU SYSTÈME DE TRANSPORT AÉRIEN
En vue de répondre à la 3e interrogation, le système de transport aérien propose un service (assuré par une compagnie aérienne) reposant sur l’utilisation d’un avion (réalisé par un constructeur) dans une mission de transport « passagers » caractérisé par :
- un rayon d’action répondant aux besoins (régionaux « di,i » et extrarégionaux « di,j »)..
( )moyenmoyen
ji
ij
ji
ij
ji
ddpp
dpp
dpp
KT 1
=×
=×
=
×= ∑ ∑∑ ∑
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- un emport moyen Ei,j lié directement à la capacité Ci,j en sièges de l’avion (en prenant en compte le taux d’occupation des sièges). L’emport moyen Ei,j doit être rapproché du nombre Mi,j de vols pour assurer le volume des passagers à transporter Ni,j = Mi,j * Ci,j .
L’emport moyen (et donc la capacité) associé à chacun des trafics varie en fonction du rayon d’action (plus celui-ci est élevé, plus l’emport moyen et la capacité augmentent) et du nombre de passagers Ni,j à transporter (l’évolution passée montre que l’augmentation du nombre de passagers est assurée à 60% par celle du nombre de vols et 40% par celle de l’emport moyen) :nous avons retenu pour représenter l’évolution de l’emport, le modèle suivant :
.
( ) ( ))66,018,2 4,0,,, +××+×= jijiji NdE
- avec une croissance en fonction de « d » (exprimée en milliers de km) exprimant un doublement de la capacité en passant de d = 2,5 à d = 6,6 ;.
- un effet du nombre de passagers N élevé à la puissance 0,4 pour tenir compte de son impact à 40% sur l’emport moyen.
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4. APPLICATION DE LA MODÉLISATION DU TRAFIC « PASSAGERS »
4.1 HYPOTHÈSES RETENUES :
Evolution du PIB
Le tableau ci-dessous présente l’évolution du PIB mondial et de sa répartition entre les 6 régions considérées : Evolution du PIB et de sa répartition régionale
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050PIB (tera $ ce2010) 17,5 23,4 31,7 42,9 51,3 66,0 90,0 120,0 156,0Part "région" Eur 0,447 0,422 0,397 0,356 0,323 0,286 0,246 0,211 0,176 A d N 0,299 0,290 0,294 0,314 0,290 0,270 0,247 0,233 0,219 A L 0,054 0,069 0,059 0,061 0,065 0,070 0,075 0,084 0,094 As Pac 0,154 0,170 0,204 0,224 0,266 0,312 0,367 0,395 0,424 AF 0,023 0,027 0,021 0,019 0,024 0,027 0,030 0,035 0,040 MO 0,023 0,022 0,025 0,026 0,032 0,035 0,035 0,042 0,047total 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
Les estimations retenues (voir figure 7) sont basées :
- pour la période historique de 1970 à 2010 sur statistiques de la banque Mondiale ; - pour l’évolution prévisionnelle de 2010 à 2050 sur un prolongement des tendances passées proposé par
le thème « économie » et conduisant à une multiplication du PIB mondial (voir figure 7) par un facteur 3 entre 2010 et 2050 (soit une croissance annuelle moyenne de 2,8% sur la période).
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Évolution du prix du billet
Connaissant au niveau mondial les évolutions du trafic et du chiffre d’affaires passagers des compagnies, nous avons pu estimer le prix moyen du billet en $ aux conditions économiques 2010, par kilomètre et par passager (voir figure 8).
L’évolution historique fait apparaître une forte décroissance au cours de la période s’expliquant par :
- l’évolution du coût du kérosène (en proportion de celle du baril de pétrole) ; - la réduction de la consommation kilométrique par passager ; - les améliorations d’efficacité opérationnelle soit une réduction des autres coûts de 2% par an. Pour la période prévisionnelle, le thème « structure d’exploitation » a estimé à 10% entre 2010 et 2050, l’augmentation du prix moyen du billet en conditions économiques 2010 (voir figure 8) prenant en compte :
- une augmentation du coût du kérosène lié à celui du baril passant de 80 $ en 2010 à 250 $ en 2050 (y compris l’effet d’une éventuelle taxe sur le carbone) ;
- une réduction des autres postes de 20% due à une amélioration d’efficacité de 0,5 % par an.
Figure 7 : Taux de croissance annuel du PIB mondial en %
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
%
WB annuel WB moyenne 10 ans modèle GV WB prévisions
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Figure 8 : Evolution du prix du billet (cent $ 2010 par passager km)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
année
cent $ ce 2010 prix global part "carburant" part "hors carburant"
Matrice des distances régionales « di,j »
La matrice des distances régionales et extrarégionales (voir tableau ci-dessous) a été établie à partir des positionnements des régions ainsi que des informations et statistiques de l’OACI et des constructeurs : di,j (milliers km) Région de DépartRégion d'Arrivée Eur A d N A L As Pa Afr M O Eur 1,8 7,0 6,0 8,0 2,5 3,0 A d N 7,0 1,3 4,0 9,0 8,0 8,0 A L 6,0 4,0 0,8 10,0 8,0 10,0 As Pac 8,0 9,0 10,0 1,2 9,0 5,0 AF 2,5 8,0 8,0 9,0 1,0 4,0 MO 3,0 8,0 10,0 5,0 4,0 0,5
Les distances « extrarégionales » entre les régions longues vérifient la relation « di,j = dj,i » Les distances « régionales » internes à chaque région sont par nature plus courtes ; elles ont évolué en raison de la mise en place de communautés économiques régionales puis plus tard de la concurrence des transports terrestres avec la mise en service des TGV (une telle concurrence ne joue pas pour les liaisons extrarégionales en raison de la position monopolistique du transport aérien au-delà de 2000 km) :
- Europe : 2,2 en 70, 2,1 en 80, 2 en 90, 1,9 en 2000 et 1,8 au-delà ; - Am du Nord : 1,2 jusqu’en 2000, et 1,3 au-delà ; - As Pac : 1,2 jusqu’en 2000 et 1,3 au-delà Ces chiffres conduisent à une valeur moyenne pondérée d moyen voisine 3400 km (voir § 3.3 : 4ème étape de la modélisation)
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4.2 RÉSULTATS
Application du modèle au trafic mondial pour la période 1970-2050
L’évolution du trafic mondial en PKT estimé par le modèle est présentée figure 9.
Figure 9 : Evolution du trafic "passagers"
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
giga PKT
constat modèle prévisions Boeing prévisions Airbus
On constate ainsi :
- pour la période 1970-2010 une bonne cohérence entre les réalisations et les résultats donnés par le modèle : ainsi la multiplication par 9 du trafic entre 1970 et 2000 s’explique en tant que produit des facteurs, 2,9 (pour la croissance du PIB), 1,7 (pour l’augmentation de la part de PIB allouée au transport aérien) et 1,8 (pour la diminution du prix du billet) ;
- un triplement du trafic « passagers » entre 2010 et 2050 : le facteur 3,1correspond au produit des facteurs 3 (pour la croissance du PIB), 1,1 (pour l’augmentation de la part de PIB allouée au transport aérien) et 0,9 (pour l’augmentation du prix du billet) ,
- une croissance plus faible que celles annoncées par les prévisions d’Airbus et de Boeing.
Evolution des paramètres opérationnels pour la période 1970-2050
Le tableau ci-dessous, présente au niveau mondial, les évolutions des paramètres opérationnels :
- trafic en PKT (multiplication par 3,1 entre 2010 et 2050), - nombre de passagers, (multiplication par 3 entre 2010 et 2050), - distance moyenne parcourue (pratiquement inchangée) entre 2010 et 2050, - emport moyen (multiplication par 1,3 entre 2010 et 2050) , - nombre de vols (multiplication par 2,2 entre 2010 et 2050), - coefficient de remplissage et capacité
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Evolution du trafic : résultats "modélisation 2013"(comparaison avec constat)1(base édition 6) 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
mod, const, mod, const, mod, const, mod, const, mod, const, mod, mod, mod, mod,PIB (tera $2010) 17,2 16,6 22,7 23,4 29,9 31,2 39,5 40 52,0 52 68,5 90,3 119,1 156,9CA/PIB en % 0,602 0,600 0,731 0,778 0,827 0,842 0,898 0,875 0,95 0,913 0,989 1,018 1,039 1,055billet ($2010 /pas /km) 0,158 0,195 0,153 0,152 0,125 0,126 0,103 0,106 0,097 0,096 0,102 0,102 0,104 0,107CA passagers (giga $) 104 99 166 182 247 263 354 350 494 475 678 919 1237 1326T(en giga PKT) 658 552 1085 1250 1980 2181 3438 3443 5093 4960 6711 9013 11894 15472INTRA REGIONALPKT (tera) 424 312 686 830 1273 1400 2230 1934 3239 2887 4239 5748 7537 9815passagers (méga) 283 474 909 1659 2432 3179 4202 5442 6898distance ( km) 1499 1447 1400 1344 1332 1333 1368 1385 1423emport moyen 62 66 76 88 94 101 113 120 129vols (kilo) 4580 7133 11927 18803 25771 31394 37344 45390 53271k remplissagecapacitéEXTRA REGIONALPKT (tera) 234 240 399 420 707 781 1207 1447 1854 1994 2472 3265 4357 5657passagers (méga) 42 72 123 207 318 421 548 736 954distance ( km) 5590 5546 5770 5844 5829 5867 5960 5918 5926emport moyen 82 85 93 99 104 107 112 119 128vols (kilo) 509 841 1323 2081 3070 3922 4881 6332 7884k remplissagecapacitéTOTAL 5089 7974 13250 20884 28841 35316 42225 51722 61155PKT (tera) 658 552 1085 1250 1980 2181 3437 3381 5093 4881 6711 9013 11894 15472passagers (méga) 325 400 546 800 1032 1350 1866 1850 2750 2650 3600 5005 6178 7852distance ( km) 2026 1400 1986 1456 1919 1630 1842 1820 1852 1850 1864 1897 1925 1970emport moyen 64 40 68 64 78 79 89 86 95 96 102 112 119 128vols (kilo) 5089 10000 7974 12500 13250 17000 20884 21500 28841 28000 35316 42225 51722 61155k remplissage 0,55 0,64 0,68 0,71 0,78capacité 73 100 117 121 121 La comparaison avec les valeurs constatées pour la période 1970 à 2010 (lorsque ces informations sont disponibles) fait apparaître une bonne cohérence et conforte la validation de la modélisation proposée.
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4.3 TRAFICS RÉGIONAUX POUR L’ANNÉE 2010 (MODÉLISATION ET CONSTAT)
Le tableau ci-après distinguant les trafics intérieurs et entre régions donne une comparaison détaillée pour l’année 2010 entre les résultats de la modélisation et les réalisations constatées (Boeing Outlook 2011 pour les volumes de PKT et statistiques OACI pour les autres paramètres). La cohérence des résultats au niveau détaillé des trafics régionaux (en particulier pour les volumes en PKT) apporte une sérieuse validation à la modélisation proposée.
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2010 Comparaison "modélisation / constat"Modélisation Constat
trafic à partir Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO total PKT vers Eur 994 229 60 184 53 59 1579 697 247 92 175 78 84 1373 A d N 229 1105 80 146 15 20 1594 247 918 86 122 5 23 1401 A L 60 80 90 29 3 4 266 92 86 164 342 As Pa 184 146 29 1006 12 29 1406 175 122 981 3 65 1346 AF 53 15 3 12 10 3 97 76 5 3 50 18 152 Mo 59 20 4 29 3 35 150 84 23 65 18 77 267 total 1579 1595 265 1406 97 150 5093 1371 1401 342 1346 154 267 4881 interne 994 1105 90 1006 10 35 3239 697 918 164 981 50 77 2887 externe 585 491 176 401 87 115 1854 674 483 178 365 104 190 1994Passagers Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 552 33 10 23 21 20 659 A d N 33 850 20 16 2 2 923 A L 10 20 112 3 0 0 146 As Pa 23 16 3 838 1 6 887 AF 21 2 0 1 10 1 36 Mo 20 2 0 6 1 70 100 total 659 923 146 887 36 100 2750 750 800 150 750 70 130 2650interne 552 850 112 838 10 70 2432 700externe 107 73 34 49 26 29 318 100Emport Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 108 146 110 154 66 73 107 A d N 146 104 89 162 118 121 105 A L 110 89 52 148 109 131 59 As Pa 154 162 148 100 128 90 102 AF 66 118 109 128 38 66 57 Mo 73 121 131 90 66 42 48 moyen 107 105 59 102 57 48 95 107 77 82 114 80 127 95interne 108 104 52 100 38 42 94 73externe 101 125 98 143 70 79 104 104Nombre de v Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 5127 224 91 149 324 271 6185 A d N 224 8177 225 100 16 21 8762 A L 91 227 2145 20 4 3 2489 As Pa 149 100 20 8379 11 65 8723 AF 324 16 4 11 260 13 627 Mo 270 21 3 65 13 1684 2055 total 6184 8764 2487 8723 627 2055 28840 7000 10000 2000 7000 500 1000 28000interne 5127 8177 2145 8379 260 1684 25771externe 1058 587 342 344 367 371 3070
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4.4 EVOLUTION DES TRAFICS PAR ET ENTRE RÉGIONS DE 2010 À 2050 (MODÉLISATION)
Le tableau ci-dessous présente pour les trafics intérieurs et entre régions, les évolutions entre 2010 et 2050 des paramètres opérationnels: PKT, nombre de passagers, emport et nombre de vols.
Evolution de 2010 à 2050 (donnée par la modélisation)année 2010 année 2050
trafic à partir Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO total PKT vers Eur 994 229 60 184 53 59 1579 932 298 149 505 152 149 2186 A d N 229 1105 80 146 15 20 1594 298 1997 279 559 59 70 3261 A L 60 80 90 29 3 4 266 149 279 478 216 25 24 1171 As Pac 184 146 29 1006 12 29 1406 505 559 216 6082 102 216 7679 AF 53 15 3 12 10 3 97 152 59 25 102 87 25 451 Mo 59 20 4 29 3 35 150 149 70 24 216 25 239 723 total 1579 1595 265 1406 97 150 5093 2186 3261 1171 7679 451 723 15472 interne 994 1105 90 1006 10 35 3239 932 1997 478 6082 87 239 9815 externe 585 491 176 401 87 115 1854 1254 1264 693 1597 365 484 5657Passagers Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 552 33 10 23 21 20 659 518 43 25 63 61 50 759 A d N 33 850 20 16 2 2 923 43 1536 70 62 7 9 1727 A L 10 20 112 3 0 0 146 25 70 478 22 3 2 600 As Pac 23 16 3 838 1 6 887 63 62 22 3801 11 43 4003 AF 21 2 0 1 10 1 36 61 7 3 11 87 6 176 Mo 20 2 0 6 1 70 100 50 9 2 43 6 478 589 total 659 923 146 887 36 100 2750 759 1727 600 4003 176 589 7853interne 552 850 112 838 10 70 2432 507 1504 468 3722 85 468 6754externe 107 73 34 49 26 29 318 236 186 119 197 87 108 934Emport Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 108 146 110 154 66 73 107 106 153 124 183 78 84 107 A d N 146 104 89 162 118 121 105 153 124 109 201 134 136 125 A L 110 89 52 148 109 131 59 124 109 80 185 123 145 86 As Pac 154 162 148 100 128 90 102 183 201 185 181 155 118 180 AF 66 118 109 128 38 66 57 78 134 123 155 54 77 67 Mo 73 121 131 90 66 42 48 84 136 145 118 77 65 69 moyen 107 105 59 102 57 48 95 107 125 86 180 67 69 128interne 108 104 52 100 38 42 94 106 124 80 181 54 65 129externe 101 125 98 143 70 79 104 110 141 122 166 88 99 121Nombre de vols Eur AdN A L AsPac Af MO total Eur AdN A L AsPac Af MO totalvers Eur 5127 224 91 149 324 271 6185 4888 279 201 346 779 589 7082 A d N 224 8177 225 100 16 21 8762 279 12420 638 309 55 64 13765 A L 91 227 2145 20 4 3 2489 201 638 5998 117 26 16 6996 As Pac 149 100 20 8379 11 65 8723 346 309 117 20966 73 367 22177 AF 324 16 4 11 260 13 627 779 55 26 73 1617 83 2633 Mo 270 21 3 65 13 1684 2055 589 64 16 367 83 7382 8501 total 6184 8764 2487 8723 627 2055 28840 7082 13765 6996 22177 2633 8501 61155interne 5127 8177 2145 8379 260 1684 25771 4888 12420 5998 20966 1617 7382 53271externe 1058 587 342 344 367 371 3070 2194 1346 998 1211 1016 1119 7884
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5. SENSIBILITÉ DU TRAFIC « PASSAGERS »
La modélisation permet de plus une mesure immédiate de la sensibilité des résultats aux hypothèses retenues : le tableau ci-dessous mesure les conséquences sur l’évolution du trafic de trois hypothèses :
- moindre pessimisme en matière de prévision du PIB en 2050 (plus 10%), - part des ressources allouées plus élevée (1,2% au lieu de 1,1%, ). - prix plus faible du baril de pétrole en 2050 (200 dollars soit -20%).
base PIB +10% CA /PIB = 1,2% Baril 200 dollars
PKT (en téra) 15,5 17,0 17 17,5
Passagers (en giga) 7,9 8,7 8,7 9,0
Vols (en méga) 61,2 65 65 67
La modélisation retenue permet une mesure immédiate de la sensibilité du marché aux hypothèses retenues ainsi le tableau suivant présente l’évolution de la situation en 2050 selon les deux scénarios :
- croissance annuelle du PIB relevée de 0,1% (soit + 4% en 2050) ; - coût du carburant réduit de 250 $ à 200$ (-20%) à PIB inchangé ;
Estimation du Trafic « passagers » en 2050 base PIB +10% CA/PIB 1,2% Pétrole -20%
Hypothèses :
- CA 2050 en % du PIB
- PIB mondial en giga $ ce 2010
- Billet en $ 2010 par passager*km
1,055
156000
0,107
1,055
171600
0,107
1,16
156000
0,107
1,055
156000
0,095
Trafic « Monde » :
- en PKT (giga)
- Nombre de passagers (méga)
- Nombre de vols (méga)
- Emport moyen (sièges)
15500
7900
61,2
128
17000
8700
65
133
17000
8700
65
133
17500
9000
67
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6. TRAFIC DE FRET
6.1 EVOLUTION PASSÉE DU TRAFIC DE FRET
Le trafic total comprend le fret proprement dit auquel il faut rajouter le trafic de la poste (en relative décroissance de 13% du total en 1980 à 3% aujourd’hui). Les statistiques OACI permettent de suivre depuis 1980 (figure 10) l’évolution du trafic « fret » exprimé en TKT (Tonnes * Km* Transportées).
6.2 IMPORTANCE RELATIVE DU TRAFIC DE FRET
Pour mesurer et comparer l’importance du trafic de fret par rapport à celui des passagers, deux approches sont possibles :
- équivalence entre tonnes de fret et nombre de passagers : la comparaison des MVOE d’un même avion décliné en versions « passagers » et « fret » montre un supplément d’aménagement commercial de l’ordre de 40 kg par passager ; ceci nous conduit à retenir une équivalence de 7 passagers par tonne de fret (1000kg / 140 kg) ;
- comparaison du chiffre d’affaires du fret par rapport à celui des passagers : selon le thème « structure d’exploitation » la part « CA fret » représente de l’ordre de 50% du « CA non-passagers » des compagnies aériennes.
Les deux approches conduisent à des évolutions proches montrant depuis plus de vingt années évolution stabilisée de la part de fret entre 15 et 20% du trafic des passagers.
La mise en œuvre opérationnelle du transport de fret peut être réalisée selon deux modes :
- dans les soutes, en complément du transport des passagers ; - dans des avions spécifiquement dédiés au fret : la figure 10 donne l’évolution de la flotte correspondante
pour les avions de transport à réaction selon les données des GMF Airbus et Outlook Boeing.
Figure 10: Evolution du trafic "fret"
0 20 40 60 80
100 120 140 160 180
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : VOLUME DU MARCHE
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Selon Airbus10, la part du transport assurée en soute des avions passagers a augmenté avec l’arrivée des avions à grande capacité équipée de vastes soutes en passant ainsi de moins de 50% avant 1970 à plus de 60% à partir des années 90 : le trafic de fret en avions dédié voisin de 10% niveau corrélé avec l’évolution de la flotte dédiée au fret représentant un pourcentage voisin de 10% de la flotte passagers.
6.3 MODÉLISATION ET PRÉVISION DU TRAFIC DE FRET
On retient, en accord avec le constat, une évolution parallèle à celle du trafic de passagers ; en retenant une équivalence de 8 passagers pour 1 tonne de fret, on considérera que le trafic de fret représente 15% du trafic de passagers.
En prolongement d’une croissance du trafic de fret parallèle à celle du trafic de passagers depuis une trentaine d’années, nous supposerons qu’il en sera ainsi dans l’avenir ; ; une telle hypothèse conduit à retenir le même facteur multiplicatif de trafic voisin de 3 entre 2010 et 2050.
10 Bibliographie : référence 2
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7. BIBLIOGRAPHIE
1 – OACI : Rapports annuels du conseil – Appendice 1 (années 1999 à 2012)
2 – AIRBUS : Global Market Forecast (années 1990 à 2012)
3 – BOEING : Current Market Outlook (années 1995 à 2012)
4 – SNECMA : étude de marché
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TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ................................................................................................................................ 5
1. BESOIN DE SÉCURITÉ ....................................................................................................... 7
2. ETAT DES LIEUX. .............................................................................................................. 9
2.1 DISPARITÉ GÉOGRAPHIQUE ............................................................................................. 9
2.2 GROS AVIONS VERSUS PETITS AVIONS ........................................................................... 10
2.3 AVIONS DE DERNIÈRE GÉNÉRATION VERSUS AVIONS ANCIENS ......................................... 10
3. CAUSES D’ACCIDENTS ................................................................................................... 11
4. PERCEPTION DE LA SÉCURITÉ ........................................................................................ 13
5. OBJECTIFS DE SÉCURITÉ ............................................................................................... 15
6. MOYENS POUR PARVENIR AUX OBJECTIFS DE SÉCURITÉ .................................................. 17
7. ENQUÊTES ACCIDENTS .................................................................................................. 19
8. EMERGENCES ET ÉVENTUALITÉS .................................................................................... 21
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RÉSUMÉ
Dans le domaine de la sécurité du passager, le niveau global actuel est de 0,5 accident fatal par million de vols. Cela fait de l’avion le moyen de transport le plus sûr de tous, même s’il existe malheureusement de fortes disparités d’un continent à l’autre. L’augmentation prévisible par 3 du nombre de passagers transportés en 2050, correspondant à un accroissement par 2 du nombre de vols, devra donc être accompagnée par un niveau de risque global en diminution dans un rapport 4, aucun continent ne devant avoir un niveau de sécurité 2 fois plus faible que le niveau moyen mondial. Cela sera possible grâce à la mise en place d’indicateurs mesurant l’efficacité des actions dans le domaine de la sécurité, à davantage de coordination au niveau mondial dans la surveillance de la conception et de la maintenance des aéronefs, des programmes de formation des pilotes, et grâce à une conduite indépendante au niveau mondial des enquêtes sur les accidents et incidents, actuellement diligentées au niveau national.
Une éducation "citoyenne et une amélioration drastique de l’information en cas d’incident ou d’accident permettront de faire admettre à l’usager que même en 2050 il existe des évènements extérieurs et des cas de force majeure (météo, cendres volcaniques, séismes,…) pouvant altérer temporairement un service de Transport Aérien qui ne peut, malgré les meilleurs efforts de chaque intervenant, être garanti exempt d’aléas.
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1. BESOIN DE SÉCURITÉ
Deux aspects méritent d’être soulignés :
- un besoin de sécurité en absolu qui pourrait se traduire par ne pas réduire son espérance de vie du fait de l’utilisation d’un moyen de transport;
- un besoin de se déplacer avec le moyen le plus sûr;
Par ailleurs, le transport aérien est perçu en terme de sécurité différemment aux autres moyens de transport (route, voie ferrée, métro, autobus, télésièges). On sait à quel point la sécurité du voyage par la route est préoccupante (3994 morts en France en 2010 et objectif de moins de 3000 morts à l’horizon 2014), même si c’est celle du transport aérien qui frappe l’opinion lorsque survient l’accident. Néanmoins, il est difficile d’avoir des indicateurs comparables pour les différents moyens de transport ; un professeur américain Harold Barnett lors d’une conférence au MIT (Massachussett Institute of Technology, Boston, USA) a proposé de l’exprimer en risque de diminution de l’espérance de vie du voyageur) ; la courbe ci-après donne un aperçu de l’échelonnement des risques :
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2. ETAT DES LIEUX.
Les objectifs de sécurité aérienne ont été introduits dans la réglementation depuis les années 1970 et n’ont pas évolué depuis. Ils se résument à "moins d’un accident par million d’heures de vol", avec les exigences qui en résultent au niveau réglementaire pour l’aéronef et ses systèmes. Depuis 2009, les taux sont exprimés par million de vols et non million d’heures de vol car le risque est plus important pendant les phases décollage et atterrissage qu’en croisière. En moyenne, un vol dure environ deux heures de vol.
Globalement, les objectifs sont tenus. De 2000 à 2009 il y a eu 31 accidents par an en moyenne et 808 décès avec une variation de 50 % d’une année à l’autre. Le taux d’accidents mortels par dix millions de vols s’améliore d’années en années. Si l’on regarde le nombre de décès par an moyenné sur 10 ans, il était de 1256 en 1995, de 1090 en 2000, de 914 en 2005, de 760 en 2010 (source flight safety fundation) ; on peut noter une décroissance significative alors que le nombre de vols croissait de 25 à 30 millions de vols dans cette période. Une stagnation semble se produire de 2005 à 2010.
2.1 DISPARITÉ GÉOGRAPHIQUE
On constate néanmoins une forte disparité suivant les continents (taux d’accidents mortels par 10 millions de vols, réf. EASA Annual Safety Review de 2010 avec valeurs moyennées sur les 10 dernières années)
Monde 5
Amérique Latine 12,9
Amérique du Nord 2,0
Europe 3,1
Europe, non membres EASA 24,6
Afrique 47,7
Asie Centrale et de l’Ouest 24,4
Asie du Sud et du Sud Est 11,1
Asie de l’Est 2,6
Australie et Nouvelle Zélande 3,3
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2.2 GROS AVIONS VERSUS PETITS AVIONS
Le nombre d’accidents mortels par million de vols est assez différent suivant la taille de l’avion; l’OACI et l’EASA donnent respectivement pour le monde et l’Europe les répartitions suivantes :
Monde (source OACI) Europe (source EASA)
Avions de 2250kg à 5700kg 45% 27%
Avions de 5700kg à 27000kg 28% 46%
Avions de plus de 27000kg 27% 27%
Même si les recommandations faites par la commission sont générales, les données sur les causes ne sont disponibles que pour les avions de plus de 27000 kg; une analyse plus fine pour chaque catégorie mériterait d’être faite.
2.3 AVIONS DE DERNIÈRE GÉNÉRATION VERSUS AVIONS ANCIENS
Pour la catégorie d’avions de plus de 27000 Kg, les deux grands avionneurs ont classé leurs produits selon 4 générations du fait de l’introduction des Glass Cockpit et de l’introduction des protections du domaine de vol; chaque nouvelle génération contribue à l’amélioration de la sécurité (cf planche suivante) :
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3. CAUSES D’ACCIDENTS
Les trois principales causes d’accident pour les avions de plus de 27.000 kg sont la perte de contrôle, la collision avec le sol et la sortie de piste et représentent respectivement pour les deux dernières décennies les valeurs suivantes :
Période 1991-2000 Période 2001-2010
Perte de contrôle 33 20
CFIT collision avec le sol 27 17
Sortie de piste (décollage ou atterrissage) 15 17
Les autres causes y compris les collisions en vol ou incursions sur la piste représentent 2 à 3 cas par décennie.
Des progrès significatifs ont été obtenus sur la collision avec le sol et les sorties de piste avec des plans d’actions tant du coté concepteur que du coté exploitants; la perte de contrôle soulève le problème du rôle du pilote compte tenu de l’évolution des automatismes et en conséquence de sa formation. Les autres causes sont traitées cas par cas. Le nombre d’accidents pour cause inconnue est de 3 par décennie soit moins de 4%.
Il apparait par ailleurs un écart entre le niveau de sécurité des compagnies régionales et celui des compagnies internationales. Des actions ont été menées aux Etats-Unis puis en Europe pour surveiller le niveau de sécurité des compagnies aériennes opérant sur leurs territoires, ce qui s’est traduit par la publication de "listes noires. C’est un premier pas, qui permet de guider le passager dans le choix de l’opérateur pour son voyage.
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4. PERCEPTION DE LA SÉCURITÉ
Toutefois, la sécurité n’est pas qu’une notion objective. Elle est également subjective avec la perception par l’opinion publique du niveau de sécurité. Le caractère spectaculaire des accidents font que l’opinion publique se focalise sur ceux-ci même si leur occurrence est rare. De ce fait, il est impératif que, en nombre absolu, le nombre d’accidents d’avions commerciaux n’augmente pas, quel que soit l’accroissement du trafic. Par ailleurs, il est utile de dédramatiser le transport aérien, qui ne fait la Une de l’actualité que dans les cas d’accidents ou d’incidents graves ou pas. Il est nécessaire de repenser totalement la communication en ce sens.
Enfin, la rapidité de diffusion d’informations non vérifiées et de rumeurs diverses fait que les incidents sont "analysés" et soi-disant "expliqués" bien avant que les enquêtes techniques et judiciaires aient livré leurs conclusions. De ce fait, si ces conclusions ne vont pas dans le sens attendu, elles ne sont pas crues et l’hypothèse de "complots" pour cacher la vérité réapparaît. Il est là aussi essentiel d’améliorer la communication et d’affirmer l’objectivité des enquêtes accidents.
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5. OBJECTIFS DE SÉCURITÉ
L’augmentation du niveau de sécurité doit rester une priorité comme cela est souligné par l’OACI, qui propose de diminuer par 2 le taux d’accidents sans fixer de date. La FAA a comme objectif, pour les compagnies américaines, de réduire par 2 le nombre de décès pour 100 millions de personnes à bord par an, d’ici 2025 (par rapport au niveau de 8,4 en 2009).
- Recommandation 1 : Fixer un objectif d’amélioration de la sécurité d’un facteur 4 d’ici à 2050, par rapport au niveau de 2009 sur un plan mondial, aucun continent ne devant avoir un niveau de sécurité 2 fois plus faible que le niveau moyen mondial. Compte tenu de l’augmentation attendue du trafic, ces objectifs assureront que le nombre d’accidents dans l’absolu n’augmentent pas, et cela permettra que la sécurité des vols en bouts de ligne (pour les passagers des pays développés) soit mieux assurée, sans priver les pays en voie de développement du bénéfice du transport aérien.
- Recommandation 2 : Le choix d’un indicateur doit être fait. Lors de sa conférence sur la sécurité de 2010, l’OACI a recommandé la création d’un groupe de travail sur ce sujet, sachant que cet indicateur doit pouvoir se décliner de façon à pouvoir informer le pouvoir politique et le public d’une part, et mesurer l’efficacité des actions des différents acteurs du transport aérien d’autre part.
- Recommandation 3 : Redéfinir la fonction de l’équipage et des pilotes. La cause primaire reste l’erreur humaine; les avions sont de plus en plus équipés d’automatisme et de ce fait les qualités manœuvrières du pilote ne semblent plus primordiales pour assurer la sécurité dans des situations de pannes très peu fréquentes alors que la gestion du vol mérite toute son attention, afin de lui permettre de faire face à des situations imprévues. Cette redéfinition aura un impact tant sur la conception des aéronefs que sur les critères de sélection et les programmes de formation des pilotes.
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6. MOYENS POUR PARVENIR AUX OBJECTIFS DE SÉCURITÉ
L’OACI a décidé la création d’une nouvelle annexe relative à la sécurité en complément des annexes existantes. Cette décision est la bienvenue.
- Recommandation 4 : Il est recommandé que la surveillance de la conformité aux dispositions de cette nouvelle annexe ainsi que celle des annexes 6 (Operation of Aircraft) et 8 (Airworthiness of Aircraft) soit transférées d’ici 2025 à des entités supranationales, pratiquement à l’échelle des continents (alors que l’OACI se limite à conférer cette responsabilité aux Etats). On rencontre déjà cette situation en ce qui concerne la conception et l’organisation des autorités en charge de la surveillance de conception. Pour gagner en efficacité et ne pas avoir à résoudre toutes les particularités nationales qui paralysent toute évolution, il apparait nécessaire de se doter au niveau de chaque continent d’une organisation centrale disposant de suffisamment de moyens pour pouvoir effectuer la surveillance opérationnelle des compagnies aériennes en train d’évoluer en compagnies multinationales. Un embryon de cette organisation existe déjà avec les comités CAST (Commercial Aviation Safety Team) et ses partenaires ECAST et EHEST (hélicoptères) (Europe), COSCAP (Etats du Golfe), COSCAP (Russie et Asie), ASET (Afrique).
On observe une grande désaffection des étudiants pour toutes les matières à caractère scientifique ou technique.
- Recommandation 5 : Il est impératif de motiver les jeunes en scolarité et de les attirer vers les métiers de l’aéronautique. Il est nécessaire d’avoir des professionnels den qualité à tous les niveaux et dans tous les métiers du transport aérien pour satisfaire les objectifs de sécurité.
Les facteurs humains sont un élément essentiel. Très souvent, les formations initiales sont plus le fruit d’une évolution historique que d’une véritable réflexion sur les objectifs (par exemple, la formation d’un pilote commence par la maniabilité de base, suivie de vol à vue sans radionavigation, puis de radionavigation, suivie d’IFR léger, puis d’extension au bimoteur léger, avant de passer aux avions plus modernes avec gestion en équipage).
- Recommandation 6 : Revoir totalement les programmes de formation afin de prendre en compte dès le début les nouveaux équipements et systèmes ainsi que l’organisation opérationnelle.
Le problème de la scolarité est mondial et on observe de grandes disparités à travers le monde. Il est nécessaire de remédier à cet état de fait.
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- Recommandation 7 : Renforcer les pouvoirs de contrôle et de surveillance de l’OACI (et donc ses moyens) afin de s’assurer du niveau de formation des personnels aéronautiques à travers le monde et du maintien des compétences.
Si le facteur humain est primordial, les équipements et systèmes doivent aussi permettre une amélioration de la sécurité. Néanmoins il est primordial que l’équipage soit conscient à tout moment des fonctions assurées automatiquement
- Recommandation 8 : En recherche aéronautique, l’accent doit être mis sur l’interface homme-machine, sachant que l’équipage doit rester le décideur de la conduite du vol.
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7. ENQUÊTES ACCIDENTS
Les enquêtes accidents sont un moyen pour, d’une part, augmenter la sécurité, et, d’autre part, fournir aux familles des victimes les informations auxquelles elles ont droit sur les causes. L’opinion publique n’a souvent plus confiance dans les conclusions du BEA, qu’on croit dépendant de la DGAC, et s’imagine facilement que le BEA est au service de l’Etat et des constructeurs. La situation est la même dans les autres pays.
- Recommandation 9: on ne pourra sortir de cette suspicion que si, d’ici 2025, les enquêtes techniques sont faites par des organismes reconnus sur le plan international, couvrant la même territorialité que les organismes de surveillance évoqués dans la recommandation 1 du § 2.1.3, mais indépendants de ceux-ci, et reconnus au-dessus des intérêts nationaux comme l’OACI. Un organisme mondial doit être considéré pour 2050. Les organismes d’enquête doivent pouvoir échanger toutes leurs données en matière d’accidents et d’incidents. Ces organismes sont chargés d’informer les familles des victimes.
L’opinion publique ne comprend pas les délais des enquêtes, ni la différence entre les enquêtes techniques et les enquêtes judiciaires. Cela ajoute au flou, à l’incompréhension et à la défiance.
- Recommandation 10 : Il est recommandé que l’enquête judiciaire, s’il y a lieu d’en faire une, utilise comme base les résultats de l’enquête technique. Il est également nécessaire que les conclusions des enquêtes accidents soient communiquées publiquement, clairement et complètement.
Les avions doivent pouvoir être localisés à tout moment de leur vol afin d’assurer le plus rapidement possible les secours SAR et de retrouver rapidement les enregistreurs de sécurité en cas d’accident.
- Recommandation 11 : D’ici 2020, tous les aéronefs de transport public doivent être munis de moyens permettant de les localiser à tout moment de leur vol grâce à un organisme de contrôle.
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8. EMERGENCES ET ÉVENTUALITÉS
La démarche prospective sur la qualité de service tient évidemment compte des compréhensions des situations actuelles et passées, ainsi que des tendances observées ou imaginées comme les plus probables. Toutefois, à l’horizon 2050, il est possible que le paysage soit profondément différent, du à l’influence d’événements nouveaux ou sous-estimés. Il est donc intéressant de chercher à dresser une liste de ces faits émergents ou éventualités qui pourraient représenter de véritables points de rupture dans l’évolution des différentes composantes de la sécurité globale, telle que, par exemple :
- Prolifération des avions individuels : de même que la voiture personnelle est devenue le principal véhicule de déplacement, l’avion individuel pourrait se développer sensiblement. Cela nécessiterait une baisse importante des prix d’achat, ainsi que des coûts à l’heure de vol (qui pourraient être obtenus pour des avions tout électrique), des avions très automatisés permettant un apprentissage rapide et peu onéreux et exigeant des qualités des pilotes peu différentes de celles des conducteurs d’automobile. Même si cela n’aurait que peu de conséquences du point de vue environnemental du fait du tout électrique, cela induirait néanmoins des coûts d’investissement (plates-formes), des problèmes d’ATM et surtout des incidences sur la sécurité du fait de l’engorgement des espaces aérien et aéroportuaire. Il est fort probable que le niveau de sécurité exigible pour ce transport individuel sera différent de celui du transport commercial. Il est donc important d’étudier les conséquences de cette éventualité.
- Exigence d’un niveau de sécurité beaucoup plus contraignant : cette éventualité est d’autant plus probable qu’il y a peu de chances que la tendance actuelle à une judiciarisation à outrance ne perdure pas. Cette mesure aurait des conséquences importantes sur les coûts, sur la construction aéronautique et pourrait être un frein à la croissance du transport aérien.
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Table des matières
1. LES CARACTÉRISTIQUES DE L'ATM ................................................................................. 5
1.1 LA SÉCURITÉ COMME PREMIÈRE PRIORITÉ ..................................................................... 5
1.2 LA RELATION DU TRANSPORT AÉRIEN AU TEMPS ............................................................ 5
1.3 UN PROCESSUS DE DÉCISION DYNAMIQUE DANS L’INCERTAIN .......................................... 6
1.4 ATM, CNS ET AUTRES FONCTIONS .................................................................................. 6
1.5 LES DIFFÉRENTES "COUCHES"DE L’ATM ......................................................................... 7
1.6 DE LA PRÉVISION DE TRAJECTOIRE ................................................................................ 7
2. LES FONCTIONS OPÉRATIONNELLES EN 2050 .................................................................. 9
2.1 L'ORGANISATION DE L’ESPACE AÉRIEN .......................................................................... 9
2.2 LA GESTION DE L’ESPACE AÉRIEN, DES FLUX DE TRAFIC ET DE LA CAPACITÉ .................. 10
2.3 LE SÉQUENCEMENT, LA SÉPARATION ET L'ANTICOLLISION............................................. 11
2.4 LE CONTRÔLE DANS LES ZONES TERMINALES .............................................................. 13
2.5 LE CONTRÔLE AU SOL ................................................................................................ 13
3. LES SYSTÈMES TECHNIQUES EN 2050............................................................................ 15
3.1 NAVIGATION ............................................................................................................... 15
3.2 SURVEILLANCE .......................................................................................................... 15
3.3 COMMUNICATION ........................................................................................................ 16
3.4 SYSTÈMES ATM/ATC ................................................................................................... 17
3.5 DÉVELOPPEMENT DES SYSTÈMES. ............................................................................... 19
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1. LES CARACTÉRISTIQUES DE L'ATM
De façon résumée, l’ATM (Air Traffic Management) comprend l'Airspace Management (ASM) qui organise l’espace aérien avec notamment le réseau de routes aériennes, l'Air Traffic Flow Management (ATFM) qui adapte la demande à la capacité disponible et l'Air Traffic Control (ATC).
1.1 LA SÉCURITÉ COMME PREMIÈRE PRIORITÉ
L’objectif des services de la circulation aérienne, dont le contrôle est un des éléments, est de fournir les informations nécessaires à une exécution sûre et efficace des vols, d’empêcher les collisions entre aéronefs, aussi de fait entre les aéronefs et les obstacles, et d’assurer un écoulement sûr et ordonné des vols.
La sécurité, par la prévention des collisions, est la raison d’être du contrôle de la circulation aérienne ; elle a un impact négatif sur la capacité, l’efficacité des vols1 et l’environnement. En 2010, cet objectif sécurité est plutôt satisfait puisque la part des accidents attribuables à l'ATM (ou dans lesquels l’ATM est impliqué) n’est que de quelques pour cent dont une part importante consistant en collisions avec le sol2. Mais en 2010 l’ATM impose encore trop de contraintes.
La "fonction" de sécurité se doit d’assurer l’anticollision entre avions, entre les avions et les obstacles naturels et artificiels, voire avec les phénomènes météorologiques dangereux. Est-il plus efficace que cette fonction soit assurée au sol, en l’air ou plutôt dans une complémentarité des deux suivant le "lieu et l’heure" en fonction de la densité de trafic et des capacités au sol ? Cette dernière option a la préférence des auteurs du rapport.
1.2 LA RELATION DU TRANSPORT AÉRIEN AU TEMPS
Le trafic ferroviaire où les horaires servent de référentiel pour assurer l’ordre des circulations, a rendu nécessaire la synchronisation des horloges. L’heure de départ à la minute près a été le référentiel primordial du système. À l’inverse, dans le transport aérien, aucun des nombreux acteurs n’a de relation contractuelle forte avec l’heure. De nombreuses raisons expliquent que chaque acteur a son propre agenda : disponibilité des avions et des équipages, contraintes de sécurité, météorologie, mesures de sûreté (les passagers et leurs bagages dans le même avion), fournitures des différents services à l'avion (carburant, repas, etc.), encombrement des aéroports et des aérogares. On peut imaginer un "agenda" commun, mais il est absurde d’essayer d’imposer une relation contractuelle temporelle à un seul des acteurs : l’ATM.
1 L’efficacité des vols est réduite du fait que les avions ne peuvent suivre leur trajectoire horizontale et verticale optimum.
2 CFIT: Controlled Flight into Terrain en anglais.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : GESTION DU TRAFIC AERIEN
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1.3 UN PROCESSUS DE DÉCISION DYNAMIQUE DANS L’INCERTAIN
Un système de contrôle du trafic aérien efficace est celui qui, dans l’incertain, impose, aux usagers de l’espace aérien, le minimum de contraintes et de modifications de leurs plans et de leurs trajectoires pour satisfaire leurs besoins et en premier lieu leur sécurité.
Face à l’incertitude croissante avec l’éloignement de l’horizon de prévision, il est vain de vouloir résoudre les conflits entre avions de façon très anticipée. Le système ATM est structuré en "couches" temporelles (décrites au § 4.5), appelées "filtres", qui ont chacune pour objectif de délivrer aux filtres aval des situations de trafic acceptables telles que le dernier filtre puisse assurer la sécurité.
Cette organisation perdure pour tous les espaces, y compris dans les espaces aériens peu denses afin de s’assurer que cette densité n’augmente pas, car elle est nécessaire pour assurer la sécurité par des séparations entre avions par une fonction de détection-résolution de conflit3 efficace, compte tenu des informations disponibles. L’amélioration de la qualité de la navigation et les possibilités de partage d’informations sur les vols améliorent la précision et la prévisibilité des trajectoires et permet une résolution anticipée des conflits sans pénaliser les vols.
Ce partage des informations permet également une gestion de l’espace aérien et des flux de trafic plus dynamique et s’adaptant plus finement à la demande réelle.
1.4 ATM, CNS ET AUTRES FONCTIONS
Selon le règlement (CE) n° 549/2004 du Parlement européen et du Conseil européen du 10 mars 2004 fixant le cadre pour la réalisation du ciel unique européen, les "services de navigation aérienne : [sont] les services de la circulation aérienne, les services de communication, de navigation et de surveillance, les services météorologiques destinés à la navigation aérienne et les services d’information aéronautique".
Dans le présent rapport, il est principalement question des fonctions opérationnelles assistées par des traitements de l'information et des systèmes techniques au sol et à bord des avions, résumés sous le sigle : CNS (Communication, Navigation, Surveillance).
On a cru souvent qu'il suffisait d'améliorer ces systèmes techniques pour que les fonctions opérationnelles en soient automatiquement transformées.
Par exemple le "concept CNS/ATM" élaboré par le comité FANS (Future Air Navigation System) de l'OACI dans les années 80, reposait sur les moyens satellitaires. Il donnait l'illusion que l’utilisation des satellites de navigation et de communication, et la transmission par les avions de leurs positions suffiraient à résoudre le problème de l’ATM. Cela est vrai dans les espaces peu denses, mais pour les zones denses d’autres moyens sont nécessaires.
3 Un "conflit"est la "perception"par le contrôleur d'une situation avec une forte probabilité de non respect des normes de
séparation. Le flou de cette définition est caractéristique de la difficulté du travail du contrôleur.
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1.5 LES DIFFÉRENTES "COUCHES"DE L’ATM
Fonction principale Description Horizon temporel
Organisation de l’espace aérien
Notamment le réseau de routes, et découpage en secteur
1 année
Gestion de l’espace aérien et des flux de trafic et de la capacité Stratégique Pré tactique
Slot aéroports coordonnés Réservation d’espace ouverture de routes services offerts par volumes et secteur
6 mois >1 jour
Négociation des capacités avec les centres <=1 jour
Ajustement de l'ouverture des secteurs Slot Central Flow Management Unit
<1 heure Avant décollage
Planification et synchronisation
Organisation / déconfliction Séquencement vers les pistes ou les points de congestion
Après décollage < 2 heures 30 minutes
Maintien des séparations tactiques4
Séparation embarquée pour les avions équipés et depuis le sol pour les autres 10 minutes
Filet de sauvegarde sol Si nécessaire 2 minutes
Filet de sauvegarde embarqué Adapté au mode séparation 30 secondes
1.6 DE LA PRÉVISION DE TRAJECTOIRE
La gestion du trafic est basée sur un partage sûr et sécurisé d’informations nécessaires entre les usagers de l’espace aérien (pilotes et compagnies), les opérateurs navigation aérienne et les aéroports.
Parmi ces informations, une des plus importantes si ce n’est la plus importante est la trajectoire, "souhaitée" par le "mobile" et que l’ATM doit s’efforcer de modifier le moins possible. Or cette trajectoire dite 4D, pour "Quatre Dimensions": x, y, z et le temps, est certainement le sujet qui génère le plus d’incompréhension entre les différents acteurs.
La notion de trajectoire 4D est ambiguë car il peut s’agir : 4 Le contrôle de la circulation aérienne comporte deux fonctions souvent difficiles à discerner : la séparation des avions entre eux et le séquencement (ou synchronisation) des avions qui doivent se partager une ressource commune, par exemple une piste. En effet en séquençant les avions on est amené d’une certaine manière à les séparer ou à préparer leur séparation.
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1. soit d’une description de la trajectoire avec des points géographiques, des niveaux de vol et des temps estimés de passage sur ces points, une sorte de plan de vol amélioré ;
2. soit de points de "rendez-vous", imposant une heure de passage précise sur un point (du type RTO Required Time of Overflight ou RTA Required Time of Arrival) ;
3. soit d'un asservissement sur toute la trajectoire. Cette option n’est mentionnée ici que parce qu’elle a été envisagée, mais elle nous semble devoir être rejetée car le coût en énergie pour contrer toutes les variations météorologiques risque d'être important et non justifié.
La précision de la prévision que l’on peut atteindre en temps dépend de l’horizon temporel et de la qualité des informations météorologiques disponibles à bord. Par exemple, une précision de la seconde pour assurer des séparations nous semble imposer des modes de fonctionnement des moteurs inefficaces pour pallier les fluctuations des conditions météorologiques. Par contre la notion de trajectoire au sens 1) et 2) avec une précision de l’ordre de cinq minutes avant le décollage est utile pour la gestion des flux, tandis qu'après le décollage une précision d'une minute permet l’organisation et le séquencement des vols, pour la réduction du nombre de conflits mais non pour leur élimination. Les FMS (Flight Management System) actuels semblent avoir des performances suffisantes.
La détermination de la précision requise et possible pour l’ATM nécessite encore des travaux de recherche et d'expérimentation avec les constructeurs d’avions, de FMS et les centres de recherche météorologiques.
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2. LES FONCTIONS OPÉRATIONNELLES EN 2050
2.1 L'ORGANISATION DE L’ESPACE AÉRIEN
En zones et périodes denses, l'organisation de l'espace aérien est la suivante.
Il n’y a pas de routes dites "libres", mais au contraire des "autoroutes" hautement capacitives "déconflictées" par construction (autoroutes séparées autant que possible minimisant les points de croisement à altitude identique) sur lesquelles le trafic est ordonnancé par l’ATM (avec notamment la possibilité d'imposer les vitesses), et les séparations maintenues par les pilotes aidés par les systèmes embarqués (concept de "maintien de distance").
L’optimum global ne résulte pas de l’obtention de l’optimum pour tout cas individuel, aussi est-il impossible de donner à chaque avion sa trajectoire optimum. En particulier les "autoroutes" peuvent ne pas être des "routes directes" point à point.
La capacité est alors gagnée au détriment de l’efficacité5 (route plus longue que l'orthodromie et donc consommation et a fortiori émissions plus élevées).
L’optimisation de ce réseau de routes résulte d’un arbitrage entre capacité et efficacité, ainsi que de choix convenus au niveau européen6 en fonction des flux de trafic, lesquels varient suivant la saison, le jour de la semaine, l’heure de la journée et/ou tout autre événement spécifique (par exemple événement sportif comme une coupe d’Europe).
La sectorisation doit être aussi adaptée à la gestion du réseau d’autoroutes et donc être gérées de manière dynamique comme celui-ci.
L’optimisation dynamique du réseau de routes et de la sectorisation nécessite de poursuivre des travaux de recherche.
Les zones d’entraînement militaires sont plus complexes et plus étendues pour tenir compte de l’évolution des missions et des nouveaux types d’aéronefs militaires (y compris les drones). Mais du fait d’une défense consolidée au niveau européen, leur localisation et leurs heures d’ouverture sont optimisées afin de satisfaire au mieux les exigences opérationnelles militaires et de perturber le moins possible le trafic civil (le dessin et la gestion temps réel des zones militaires et l’organisation de l’espace aérien civil sont intégrés et gérés au niveau européen : concept de "gestion flexible de l'espace aérien"7).
5 Pour l’ATM, l'efficacité est la capacité pour les vols de suivre une trajectoire le plus près possible de l’optimum de l’aérodrome
de départ à celui de destination. 6 Les modèles numériques correspondants restent à développer sur la base d'un corpus scientifique. 7 "FUA: Flexible Use of Airspace" en anglais.
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Même si les coordinations entre centres ont fait des progrès, pour éviter la perte de capacité aux frontières des centres, les centres de contrôle auront été regroupés, en veillant à ne pas dépasser un nombre de personnels ingérable. Le découpage en centres et zones de qualification prend en compte les grands flux de trafic, afin de minimiser les coordinations.
En période et/ou dans des zones faiblement denses, les compagnies aériennes peuvent optimiser les trajectoires des vols en fonction de leurs impératifs techniques et économiques (concept de "routes libres" devenu maintenant "trajectoires préférées des utilisateurs"8), voire même, dans ces zones ou pendant ces périodes, elles peuvent ne plus avoir besoin des services de l’ATM au sol, pour assurer les séparations tactiques, si leurs avions sont équipés pour les assurer.
2.2 LA GESTION DE L’ESPACE AÉRIEN, DES FLUX DE TRAFIC ET DE LA CAPACITÉ
En 2010, contrairement à ce qui se passait aux États-Unis où son équivalent le Air Traffic Control System Command Center (ATCSCC)9 avait un pouvoir décisionnaire pour l’optimisation des flux de trafic, en Europe, la mission de la Central Flow Management Unit (CFMU) était plus passive, et institutionnellement limitée à la "protection" des secteurs de contrôle contre tout dépassement de la demande par rapport à la capacité (auto-déclarée) par les centres de contrôle.
Les erreurs de prévision de la demande, surestimant le nombre de vols attendus, et les capacités locales auto-déclarées, prenant mal en compte les effets réseau, le système mis en place par la CFMU était intrinsèquement sous-capacitif, malgré l’existence d’outils de prévision et d’analyse qui lui aurait permis de jouer un rôle plus actif. En 2050, la CFMU a un rôle actif de gestionnaire du réseau européen, identique à celui de l’ATCSCC aux États Unis L’ATCSCC régule le trafic aérien quand les conditions météorologiques, les équipements, les fermetures de piste, ou d'autres conditions impactent le trafic aérien. Dans ces cas, l'ATCSCC prend des mesures, en coopération avec les compagnies aériennes, pour modifier la demande en fonction de la capacité des centres de contrôle sur lequel il a une vraie autorité.
Les grands changements par rapport à 2010 pour atteindre les objectifs de performances (doublement de la capacité, meilleure efficacité et prédictibilité,…) sont les suivants :
- Partage d’informations entre tous les acteurs (organismes de contrôle du trafic aérien, météorologie, aéroports, opérations militaires, et surtout compagnies aériennes) pour réduire l’incertitude. Au-delà d’une meilleure optimisation du réseau, ce partage d’informations donne à l’ensemble des acteurs (dont les compagnies aériennes) la possibilité d’optimiser leurs opérations par une meilleure connaissance de l’ensemble des contraintes.
- Gestion dynamique de l’espace et de la capacité au niveau européen (choix des schémas de routes, coordination civils militaires, sectorisation, capacité déclarée…) afin de l’adapter plus finement à la demande.
8 "User Preferred Trajectory" en anglais. 9 Voir http://www.fly.faa.gov/flyfaa/usmap.jsp
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- Gestion des créneaux, sur une base réellement contractuelle entre la CFMU et les compagnies aériennes; ces créneaux sont attribués aux arrivées plutôt qu’aux départs, avec une allocation quasi en temps-réel pour tenir compte de tous les événements et, enfin, un mécanisme d’incitation ou réglementaire est mis en place pour qu’ils soient respectés.
- Gestion des crises au sens large, qu’elles résultent d’un événement imprévisible tel que la fermeture d’une partie de l’espace, ou qu’elles soient dues à un événement plus prévisible comme une demande excédant largement la capacité (par exemple évènement sportif, ou perte de capacité pour des raisons météorologiques par exemple). Dans ces cas le gestionnaire européen du réseau développe des scénarios cherchant à minimiser l’impact, et négocie (voire impose si nécessaire) la mise en œuvre du scénario, optimal pour la collectivité, à retenir.
2.3 LE SÉQUENCEMENT, LA SÉPARATION ET L'ANTICOLLISION
Le contrôle de la circulation aérienne comporte deux fonctions souvent difficiles à discerner : d’une part le séquencement (ou synchronisation) des avions qui doivent se partager une ressource commune, par exemple une piste, et, d’autre part, la séparation des avions. En effet en séquençant les avions on est amené d’une certaine manière à les séparer ou à préparer leur séparation.
Une troisième notion est aussi reconnue avec l’anticollision qui est une fonction activée en cas d’échec du maintien des séparations. Elle est assurée par des moyens sol (STCA - Short-Term Conflict Alert) ou bord (ACAS - Airborne Collision Avoidance System).
Pour le transport aérien commercial et d'affaires
Afin de limiter le nombre de conflits et de séquencer le trafic à l’arrivée, le trafic est organisé par changement de route, de niveau, de vitesse ou d’heure de décollage et réévalué périodiquement à partir du décollage et supervisé depuis le sol par les centres de contrôle en route.
La séparation tactique restante est déléguée à bord pour les avions équipés et gérée depuis le sol pour les autres.
Pour les avions se séparant eux-mêmes, la fonction anticollision (filet de sauvegarde) exercée depuis le sol n’est probablement plus efficace à cause de la durée de la boucle air-sol-air qui exigerait des minima de séparations trop importants, mais cette fonction demeure nécessaire pour détecter les avions au comportement aberrant. Comme décrit au paragraphe suivant, cette fonction de "police" est encore plus importante pour les avions entièrement "autonomes".
Vu la faible fréquence des actions de "séparation tactique" et connaissant les expérimentations menées au Centre Expérimental Eurocontrol, la délégation, "sous contraintes", du sol au bord de la fonction de séparation est accueillie favorablement par les pilotes qui, ainsi, restent maîtres des actions de gestion de leur vol.
La coexistence dans un même volume d’espace d’avions équipés et d’avions non équipés est indispensable pour la mise en service progressive de ce type de délégation ; elle est assurée par les contrôleurs qui restent responsables de l’accorder ou non.
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Mais pour inciter, voire accélérer l’équipement des avions, une redevance plus élevée a été instituée pour les avions non équipés et même, dans certains espaces ou à certaines périodes de la journée, les avions non équipés sont exclus.
Basés sur des trajectoires partagées entre les acteurs, la déconfliction stratégique et le séquencement sont effectués par le système sol, tandis que les séparations tactiques sont de plus en plus déléguées à bord.
Pour l’aviation militaire
L’aviation militaire applique dès à présent nombre de normes civiles d’exploitation. De ce fait, l’intégration d’avions militaires dans l’espace aérien géré par les services de l’ATM ne pose aucune difficulté particulière.
Pour le travail aérien
Le travail aérien profite des développements de l’aviation générale autour des aéroports, mais suit généralement des procédures spécifiques dans des espaces limités de travail et n’entre en principe pas en conflit avec les autres activités aéronautiques.
Pour l’aviation de loisir
Les aéronefs opèrent de façon de plus en plus automatisée dans une sorte de "vol aux instruments léger".
Dans des espaces aériens non contrôlés, la prévention des collisions est de la responsabilité exclusive des pilotes (et des systèmes embarqués certifiés) qui sont informés de la position et des intentions des autres aéronefs (qu’ils soient ou non conduits par un pilote à bord.)
Dans les espaces aériens contrôlés, ils s’intègrent à l’aviation de transport dans la mesure du possible ou en sont exclus en fonction de la densité et de la complexité des trajectoires.
Ces aéronefs sont surveillés en permanence par rapport aux trajectoires des avions de transport et aux zones dans lesquels ils sont autorisés à voler. Comme pour la conduite automobile, le développement important de ce type d’aviation ne peut faire l’hypothèse d’un comportement vertueux de tous les pilotes. Une fonction de police, avec des moyens de surveillance et un fonctionnement par échantillonnage, est en place et, publiquement annoncée, de façon qu’elle soit connue et dissuade de contrevenir aux règles.
Pour les drones
Soit ils sont pilotés à partir du sol, d’une certaine taille et ont des missions et donc des trajectoires qui les apparentent à du transport commercial ou du travail aérien : ils sont traités comme tels.
Soit ils ont des missions qui s’apparentent à des avions militaires en exercice : ils sont cantonnés à des zones réservées.
Soit ils sont de faible taille : ils sont traités comme le transport aérien individuel et donc "autonomes".
Soit ils sont si petits que leur impact avec un autre avion ne conduit pas à des dommages significatifs pour celui-ci, mais éventuellement à la destruction du drone".
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2.4 LE CONTRÔLE DANS LES ZONES TERMINALES
La "régulation en approche" est une des fonctions importante du contrôle du trafic aérien.
C’est un sous-ensemble de la fonction générale du contrôle du trafic aérien, mais sa spécificité nous a semblé nécessiter un § particulier
En effet sa difficulté est de trouver l'équilibre entre des séparations d’avions trop faibles, ce qui diminue la marge de sécurité, notamment du fait des turbulences de sillage, ou trop grandes, ce qui impacte la capacité, qui est de l'ordre d'un avion à poser par minute.
En 2010, cette régulation se faisait au moyen d'instructions de cap et de vitesse dont la succession rapide et souvent non prévisible ne simplifiait pas la tâche des pilotes dans une phase de vol déjà délicate. Cette fonction entièrement "manuelle" reposait sur la formation et l'entraînement des contrôleurs, avec le risque parfois conjugué d'un comportement "style jeu vidéo" et d'une insuffisance d'entraînement. Il y avait donc de grandes variations de performances entre contrôleurs, voire d'un jour à l'autre pour un même contrôleur.
En 2050, la séquence à l'arrivée est anticipée depuis un horizon temporel, pouvant aller jusqu'au départ bloc, et les heures d'arrivée au point d'entrée de la zone terminale requises sont définies à 5 minutes près.
Les trajectoires d'arrivée sont des descentes continues, définies avec précision en 3 dimensions ; elles sont permises par des modèles météorologiques fins et des moyens de navigation horizontale et verticale qui amènent l’appareil jusqu'à la piste en prenant en compte les contraintes locales, en particulier les nuisances aux riverains.
Les aéronefs sont mis en séquence sur ces descentes continues par le système sol, alors que les espacements/séparations sont maintenus par le pilote en utilisant ses équipements embarqués sans intervention du contrôleur. Les procédures permettent à l'avion de suivre sa trajectoire jusqu'à la piste et de se séparer de l'avion précédent en tenant compte de façon dynamique de la turbulence de sillage affectant la paire d'avions (selon les types, les masses, et les configurations adoptées) et dont l'évolution est mieux connue grâce à des modèles météorologiques à maille fine.
La précision de navigation et de surveillance ainsi qu'une meilleure connaissance des turbulences de sillage permet de construire des pistes parallèles indépendantes plus rapprochées.
On ne remet pas en cause la règle obligeant que la piste soit dégagée pour permettre son utilisation par un autre aéronef.
L’hypothèse faite par les auteurs du rapport est qu’il n’y pas de drones de transport de passagers. Les drones sont exclus des grands aéroports et pour les autres pendant le trafic de passagers. Ils décollent et atterrissent donc dans des endroits ou à des moments réservés.
2.5 LE CONTRÔLE AU SOL
Sur la plateforme aéroportuaire, les moyens embarqués permettent à l’équipage d'avoir la conscience de la situation de se positionner précisément sur la piste et les taxiways et de suivre de manière plus fiable les ordres de circulation optimisés, calculés par les systèmes sol. Les systèmes d'alertes délivrent des informations à bord en cas de risque détecté par le système de surveillance bord et/ou sol et permettent de réduire ainsi notablement les risques les plus graves de collision que sont les incursions de piste.
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Les départs sont gérés de façon à minimiser les temps d'attente moteur en route et à satisfaire les besoins de régulation jusqu'à l'aérodrome d'arrivée. Sur l'aérodrome le partage approprié d'informations entre les acteurs est généralisé permettant à ceux-ci d’adapter en temps réel leurs interventions en fonction de la réalité du trafic et de minimiser le temps de rotation sol des aéronefs.
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3. LES SYSTÈMES TECHNIQUES EN 2050
3.1 NAVIGATION
Les systèmes de navigation par satellite sont appelés aussi Global Navigation Satellite System ou GNSS. Les satellites de navigation (GPS, Galileo) et leurs compléments sol/spatiaux sont les systèmes primaires, mais ils ne sont pas suffisants. Il est nécessaire de conserver des moyens additionnels indépendants. En effet, tout système unique peut souffrir de défaillance. Des perturbations électromagnétiques susceptibles d’affecter la gamme des fréquences utilisées pour les GNSS (volontaires ou dues à des phénomènes comme les orages solaires) pourraient par exemple entraîner des problèmes de sécurité et conduire à interrompre le transport aérien dans certaines zones.
En 2010, un des points communs de défaillance du système ATM en terme de séparation était l’altitude barométrique – transmise vocalement par le pilote, par les modes dits C et S du radar secondaire ou par data-link.
Donc en 2050, pour la navigation dans le plan vertical, l’altimétrie barométrique (mode commun) et l’altimétrie GNSS se contrôlent mutuellement. Nota : On sait que les compléments locaux et globaux aux satellites de navigation améliorent beaucoup la précision de positionnement, la fiabilité et la sécurité du système de navigation par satellite (GNSS). On peut raisonnablement penser que des compléments locaux seront installés dans toutes les zones où une performance système accrue est requise (par exemple les aéroports majeurs).
Remarque: Que peut-on attendre en terme de capacité de l'amélioration de la précision de navigation verticale ? En dehors des approches de précision, pour les montées et les descentes, avant d’envisager la navigation 4D, il faudrait que la navigation 3D ait fait des progrès suffisants pour non seulement localiser correctement les avions dans les trois dimensions, mais aussi de suivre une trajectoire définie de manière précise en 3D afin de permettre de réduire leur séparation verticale durant leurs montée ou descente en tenant compte des turbulences de sillage. La navigation par satellite devrait le permettre mais avec quelles performances d’intégrité et de continuité ? Il a fallu quarante ans pour démontrer la capacité des systèmes embarqués à satisfaire les exigences pour la séparation verticale de 1 000 pieds au-dessus du niveau 290 pour des avions stables en croisière ! On peut imaginer la problématique en phase évolutive. On touche là aux limites de connaissance des auteurs du rapport.
3.2 SURVEILLANCE
On distingue 3 types de surveillance qui continuent à cohabiter : - La surveillance indépendante (car elle ne dépend pas du tout de l'avion) : indispensable pour la
défense aérienne et assurer la protection contre les avions non coopératifs, non équipés de transpondeur ou avec un transpondeur unique en panne, ou égarés. Pour cela on continue à utiliser des
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radars primaires et, s’ils sont développés industriellement pour des besoins militaires, des systèmes de surveillance passive (radar multistatique par écoute multi site de signaux émis ou réfléchis par des cibles) ;
- La surveillance indépendante coopérative (car elle suppose que l'avion émette des informations) : Les avions équipés de transpondeur Mode-S répondent aux interrogations des radars. Ils transmettent leur identification et leur altitude, mais l’idée d’utiliser la liaison radar Mode-S comme support aux liaisons de données numériques10 a été abandonnée, mais reste utilisé pour les paramètres descendants et améliorer la surveillance. Deux types de moyen sol sont utilisés pour déterminer de manière indépendante la position, les Radars Mode-S classiques ou la multilatération Mode-S qui détermine la position par triangulation, cette dernière fonction pouvant être limitée à un aérodrome et son approche ou bien développée sur vaste espace (Wide Area Multilateration).
- La surveillance dépendante coopérative (car elle dépend entièrement de l'avion) (en anglais Automatic Dependant Surveillance ou ADS) : l’avion émet son identification, sa position11 et d’autres informations qui sont captées par des récepteurs sol. Un nouveau standard de liaison de données supportant l’ADS-B a été développé et déployé palliant les limitations des standards de 2010 (Mode-S 1090, UAT12 ou VDL -VHF Data link -mode4) tant en terme de capacité, d’interopérabilité que de sûreté et qui pourrait être basé sur des équipements embarqués multi-modes et sur des satellites relais en orbite basse. Pour les zones océaniques, désertiques et hostiles, la surveillance est basée sur l’ADS-C, utilisant des liaisons satellites, dont les données sont transmises à un nombre réduit de serveurs et redistribuées aux organismes concernés (ANSP, AOC).
La surveillance sol sera complétée par des systèmes de surveillance embarquée nécessaires à la délégation de séparation vers le bord. Cette surveillance embarquée repose sur deux systèmes :
- l’ACAS, tout en restant un filet de sauvegarde, a évolué pour tenir compte des nouveaux modes de séparation embarquée et de la réduction possible des minima de séparations,
- l’ADS-B in (dans sa fonction de réception des émetteurs ADS-B out des avions situés à proximité) qui supporte lesdites séparations et permet d'avoir conscience de la situation du trafic environnant.
Au-delà de la surveillance des autres aéronefs, des moyens embarqués permettent aussi de détecter les phénomènes dangereux : fortes turbulences orageuses, turbulence de ciel clair ou turbulence de sillage.
3.3 COMMUNICATION
Les services de communications supportent les liaisons Sol-Sol, Air-Sol et Air-Air. - La communication Sol-Sol intègre les voix et les données dans un même réseau numérique basé sur
les technologies grand public (Internet Protocol futur ?) avec les qualités de service requise, en particulier en terme de sécurité et sûreté de fonctionnement. Ces réseaux sont opérés par des fournisseurs de service spécialisés.
- La communication Sol-Air et Air-Air repose sur des liaisons numériques, basées sur plusieurs 10 Il a fallu plus de trente années pour mettre en service le réseau mode S (entre sa définition aux débuts des années 80 et sa
mise en service et utilisation effective en 2010). 11 On fait l'hypothèse qu'on aura enfin daté les informations de positions 12 Universal Access Transceiver: www.mitre.org/news/releases/10/uat_beacon_radio_07_23_2010.html
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systèmes normalisés par l’OACI utilisant ou dérivés des technologies non spécifiques à l’aéronautique comme celles de la téléphonie mobile. Entre le pilote et le contrôleur, des liaisons vocales sol-bord continuent à exister et sont nécessaires pour les actions tactiques. Leur qualité est améliorée grâce à la numérisation assurant une meilleure sécurité par identification de l'émetteur et du destinataire.
Les liaisons de données air-sol et air-air sont utilisées pour les échanges d’intentions de vol et d’informations de trajectoires, y compris les heures de passage requises (RTO, RTA) et leurs modifications, ainsi que pour la diffusion d’information météo, de la situation de trafic et d’informations aéroportuaires.
En zone continentale, les stations de communication du réseau principal sont basées au sol avec un secours satellitaire si nécessaire, tandis que pour les zones océaniques, désertiques ou hostiles (où les équipements ne peuvent pas être sécurisés) les stations sont sur des satellites.
Le mode-S n’est utilisé que pour la transmission d’intention de vol propre à améliorer la surveillance comme l’ADS-B et l’ACAS, et à boucler les instructions et les clairances tactiques vocales.
On peut imaginer que les avions constituent entre eux un réseau maillé "indépendant"en utilisant alors peu de relais sol ou satellite. Chaque avion assure le rôle de relais de transmission et de routeur en une sorte d’Internet basé sur les mobiles. Les contraintes de sécurité et de performances pourraient invalider ce type de concept13.
3.4 SYSTÈMES ATM/ATC
Les systèmes de traitement de l’information et d’assistance automatisée pour supporter les fonctions de l’ATM reposent sur des serveurs d’information accessibles par des protocoles ouverts qui facilitent la connexion de fonctions d’assistance automatisée, d’accès et de présentation d’une information largement partagée entre tous les acteurs.
Les systèmes et les serveurs d’information
Ils reposent sur des serveurs/services d’information basés sur un modèle d’information commun (Common Reference Model).
Un serveur de surveillance regroupe toutes les informations sur la position des avions, leur identité et leurs intentions dérivées des informations reçues des systèmes embarqués. Ces informations sont diffusées vers les acteurs concernés, y compris aux avions.
Un serveur de données vol (plans de vol et trajectoires) regroupe toutes les informations sur les trajectoires prévues, souhaitées, agréées, autorisées et exécutées. Elles sont utilisées à des fins de prévision, d’organisation du trafic, de déconfliction stratégique, de support d’aide à la décision des différents acteurs et d’analyse a posteriori.
13 Un brevet existe sur ce sujet et il semble que la société Aerosat essaie de promouvoir le concept
http://www.flightglobal.com/articles/2009/01/28/321752/aerosat-eyes-aircraft-to-aircraft-relay-communications.html
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D’autres serveurs alimentent les acteurs en données présentes et prévisionnelles sur l’espace aérien, les procédures en vigueur, l’état de l'infrastructure et la météorologie.
L'information aéronautique sur les zones réglementées et leur statut, sur les routes aériennes et sur le type d’opérations aériennes qui peuvent y avoir lieu, ainsi que l'information météorologique sont aussi gérées au niveau européen, en conformité avec les recommandations de l’OACI.
Cette information sur la météorologie et sur le découpage de l’espace aérien et sur les règles qui y sont appliquées est publique et accessible au sol comme à bord via un internet fortement sécurisé. Des fournisseurs de service privés les utilisent pour produire de la valeur ajoutée en facilitant la navigation, notamment celle des pilotes privés.
SWIM (System Wide Information Management)
SWIM embarque à la fois des éléments issus de l’Internet (équivalent Web2.0) et des protocoles d’accès et de partage d’information, avec des modes d’échanges flexibles (XML). Au lieu de développer des échanges bilatéraux point à point, des fonctions du type "Publish and subscribe" permettent de diffuser et modifier ces informations et d’y accéder.
SWIM est la base du partage d’informations et supporte la prise de décision collaborative (CDM).
Le développement de SWIM pour les fonctions non critiques au plan de la sécurité est mis en œuvre d’abord. Les serveurs d’informations plans de vol/trajectoires et surveillance sont intégrés dans SWIM pour le partage d’informations.
L’intégration de SWIM à bord des avions pour les fonctions non critiques ne pose pas plus de problème que l’accès à internet pour les passagers, ce qui suppose une liaison de données performante. Une des questions est de savoir si on accède à ces informations via des interfaces communes (type browser internet Microsoft IE, Firefox) ou via des applications spécifiques (permettant par exemple plus aisément d’en contrôler les usages (Itunes, Iphone Appli…))
L’utilisation de SWIM pour des applications aéronautiques critiques passera par un réseau air-sol spécifique, pour satisfaire les exigences de qualité de service.
Assistance automatisée
Le système repose sur une assistance automatisée où l’homme continue à jouer un rôle tant à bord qu’au sol, mais ce rôle a évolué. Cela nécessite une intégration homme-machine supportant un partage des rôles et d’autorité entre les pilotes, les contrôleurs et les systèmes.
Les systèmes embarqués et l’ATM
De façon générale, les pilotes disposent d’une vision augmentée des autres avions, de la situation météorologique, du relief et de la configuration des aéroports.
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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3.5 DÉVELOPPEMENT DES SYSTÈMES.
Les systèmes sont de plus en plus performants, complexes, interconnectés et ouverts. Cela conduit à des exigences de sécurité et de sûreté plus fortes.
On ne disposait pas en 2010 des méthodes et moyens d’ingénierie satisfaisants pour les développer dans les temps et les budgets prévus.
Si on veut que ces objectifs soient atteints cela suppose des progrès considérables sous peine d’un échec financier et technologique.
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TABLE OF CONTENTS
1. CHARACTERISTICS OF ATM ............................................................................................ 5
1.1 SAFETY AS THE FIRST PRIORITY .................................................................................... 5
1.2 THE RELATION OF AIR TRANSPORT WITH TIME ................................................................ 5
1.3 A PROCESS OF DYNAMIC DECISION IN UNCERTAINTY ....................................................... 6
1.4 ATM, CNS AND OTHER FUNCTIONS ................................................................................. 6
1.1 THE DIFFERENT "LAYERS" OF ATM ................................................................................. 7
1.2 TRAJECTORY PREDICTION ............................................................................................. 7
2. OPERATIONAL FUNCTIONS IN 2050 .................................................................................. 9
2.1 AIRSPACE ORGANISATION ............................................................................................. 9
2.2 MANAGEMENT OF AIRSPACE, TRAFFIC FLOWS AND CAPACITY ....................................... 10
2.3 REGULATION, SEPARATION AND ANTI-COLLISION .......................................................... 11
2.4 CONTROL IN TERMINAL ZONES .................................................................................... 12
2.5 CONTROL ON THE GROUND ......................................................................................... 13
3. TECHNICAL SYSTEMS IN 2050 ....................................................................................... 15
3.1 NAVIGATION ............................................................................................................... 15
3.2 SURVEILLANCE .......................................................................................................... 15
3.3 COMMUNICATION ........................................................................................................ 16
3.4 ATM / ATC SYSTEMS .................................................................................................... 17
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1. CHARACTERISTICS OF ATM
Air Traffic Management (ATM) encompasses Air Traffic Control (ATC), Air Space Management (ASM) and Air Traffic Flow Management (ATFM).
1.1 SAFETY AS THE FIRST PRIORITY
The objective of ATC is to give information necessary for an efficient and sure execution of flights, to prevent collisions between aircraft, and between aircraft and obstacles, and to assure a safe and ordered flow of flights.
Safety, as the prevention of collisions, is the “raison d’être” of ATM; it has a negative impact on the capacity, the efficiency of flights and on the environment. In 2010, this objective of safety is properly satisfied since the part of accidents attributable to ATM (or where ATM is involved) is only a few per cent of which an important part consisting of collisions with the ground: CFIT: Controlled Flight Into Terrain. But in 2010 ATM still imposes too many constraints.
The "function" of safety has to assure prevention of collisions between aircraft, between aircraft and natural and artificial obstacles, or with dangerous meteorological phenomena. Is it more efficient when this function is insured on the ground, in the air or rather in a complement of the two according to the "place and the time", according to the density of traffic and of the capacities on the ground, but improved compared with what was in place in 2010? This last option has the preference of the authors of the report.
1.2 THE RELATION OF AIR TRANSPORT WITH TIME
For railways, timetables are the reference to assure the management of traffic, imposing in return the synchronisation of clocks. Departure within the minute was the primordial frame of reference of the system. Conversely, in air transport, no actor has a strong contractual relation with time. Many reasons explain that every actor has his own agenda: availability of aircraft and of crews, constraints of safety, meteorology, security measures (the passengers and their luggage in the same aircraft), supplies of different services to the aircraft (fuel, catering, etc.), and congestion of airports and terminals. It is possible to imagine a common "agenda", but it is absurd to try to impose a temporal contractual relation on the only one of the actors: ATM.
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1.3 A PROCESS OF DYNAMIC DECISION IN UNCERTAINTY
A system of efficient air-traffic control is one which, in uncertainty, imposes on the airspace users, a minimum of constraints and of modifications of their plans and their trajectories to meet their needs and above all their safety.
Facing increasing uncertainty with increasing time to the horizon of prediction, it is vain to want to solve conflicts between aircraft at a very early stage. The ATM system is structured in temporal "layers" (described in § 4.5), called "filters", with each having the objective of delivering manageable traffic situations to the filters downstream, in a way that allows the last filter to ensure safety.
This organisation is used for all airspaces, including in not very dense airspaces - to make sure that this density does not increase. Keeping the density below a certain threshold is necessary to ensure safe separation between aircraft, using effective conflict detection and resolution, based upon available information. Improvements of the quality of navigation and of the possibilities for sharing flight information improve the precision and the predictability of trajectories and allow preliminary resolution of conflicts, without penalising flights.
This sharing of information also allows more dynamic airspace and traffic flow management, as information on events becomes available to all the applicable actors, which is better tuned to real needs.
1.4 ATM, CNS AND OTHER FUNCTIONS
According to the regulation (EC) n ° 549/2004 of the European Parliament and of the European Council of March 10th, 2004 defining the frame for the realisation of the Single European Sky, ‘air navigation services’ means air traffic services; communication, navigation and surveillance services; meteorological services for air navigation; and aeronautical information services.
This report deals mainly with operational functions, assisted by data processing using ground and airborne technical systems, summed up under the acronym: CNS (Communication, Navigation, and Surveillance)
It is often thought that it is enough to improve these technical systems so that operational functions are automatically transformed.
For example the «concept CNS / ATM» worked out by the FANS (Future Air Navigation System) committee of ICAO in the eighties, was based on satellite means. It fostered the fantasy that the use of the satellites for navigation and communication, and the transmission by the aircraft of their positions would be enough to solve the ATM problem. It is true in the not very dense areas, but although for dense airspace satellites do provide better operations, other means are still necessary.
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1.1 THE DIFFERENT "LAYERS" OF ATM
Main Fonction Description Time Horizon
Airspace Organisation Route network and Sectors 1 year
Airspace, strategic flow and capacity management Pre-tactical
Coordinated airport slots Airspace reservation Opening of routes Services offered by volumes and sectors
6 months >1 day
Negotiation of capacity with centres <=1 day
Adjustment of sector opening Slot Central Flow Management Unit
<1 hour Before take off
Planning and synchronisation
Organisation / de-confliction Sequencing towards runways and choke points
After take off < 2 hours 30 minutes
Maintaining tactical separation
On-board separation for equipped aircraft and from the ground for the others 10 minutes
Ground safety net If necessary 2 minutes
Airborne safety net Adapted to mode of separation 30 secondes
1.2 TRAJECTORY PREDICTION
The management of traffic is based upon safe and secure sharing of necessary information between the users of airspace (pilots and companies), the air navigation service providers, and airports.
Among this information, one of the most important elements, if not the most important, is the trajectory, "expected by the airspace user” and that ATM must try hard to change as little as possible. And this said 4D (for "Four Dimensions": x, y, z and the time) trajectory, is indeed the subject which generates most incomprehension between the different actors.
The notion of 4D trajectory is ambiguous because it can be:
1) Either a description of the trajectory with geographical points, flight levels and time estimated of passage at these points, a kind of improved flight plan;
2) Or points of "rendezvous", imposing precise time of passage at a point (either RTO Required Time of Over flight or RTA Required Time of Arrival);
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3) Or full adjustment along the whole trajectory. This option is mentioned here only because it has been envisaged, but it seems to us that it should be discarded because of the cost in energy of countering all meteorological variations, which is likely high and unjustified.
The precision of time prediction which it is possible to attain depends upon the time horizon and on the quality of available meteorological information on board. For example, a precision of 1 second to assure separations seems to us to impose inefficient modes of engine operation to overcome the fluctuations of meteorological conditions. On the contrary, the notion of trajectory in sense 1) and 2) with a precision in the order of five minute is useful for the management of flows before take-of on one hand, on the other hand, after take-of, one minute precision allows the organisation and the regulating of flights, for the reduction among conflicts but not for their elimination. Therefore performance of today FMS (Flight Management System) seems sufficient.
The determination of required and possible precision for ATM still requires research work and experimentation with the aircraft manufacturers, the constructors of FMS and the meteorological research centres.
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2. OPERATIONAL FUNCTIONS IN 2050
2.1 AIRSPACE ORGANISATION
In dense zones and periods, the organisation of airspace is the following.
There are no "free" airways, but on the contrary "highways" with high capacity "deconflicted by design” (highways which are separated as much as possible to minimise crossing points at the same altitude) on which traffic is organised by ATM (with, notably, the possibility of imposing required speeds), with separations ensured by pilots helped by on board systems (concept of «maintaining of distance»).
The total optimum does not result from the getting an optimum for any individual case; therefore it is impossible to give its optimum trajectory to each and every aircraft. Especially "highways" can not be point to point «direct routes».
Capacity is then earned at the detriment of efficiency (longer than great-circle distances and therefore higher fuel consumptions and emissions).
The optimisation of this route network results from arbitration between capacity and efficiency, as a result of choices at the European level according to the traffic flows, which vary according to season, day of the week, the hour of the day and/or other specific events (for example sports events like European or worldwide championships, or emergencies with high military en-route traffic).
The organisation of the airspace must also be adapted to the management of the route network and therefore managed in a dynamic way as well.
The dynamic optimisation of the network of routes and of airspace sectorisation still requires some research work to be carried out.
The military training zones are more complex and wider to take into account the evolution of missions and the new types of military aircraft (including UAVs). But due to defence which is consolidated at European level, their location and their opening time are optimised to best satisfy military operational requirements and to constrain civil traffic the least possible (the design and the real time management of the military zones and the organisation of civil airspace are integrated and managed at European level: the concept of «flexible use of airspace»).
Even if coordination between centres has progressed, to avoid the loss of capacity at the borders between centres, control centres will have been consolidated, so as not to have an unmanageable number of staff. The consolidation of centres and qualification zones takes into account the large flows of traffic, to minimise coordination.
In non dense periods and/or zones, airlines can optimise the trajectories of flights according to their technical and economic requirements (the concept of " free routes " turned into «user preferred trajectories »), or even,
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in these zones or during these periods, they may no longer need the services of ground ATM to assure tactical separations, if their aircraft are appropriately equipped and the crews properly trained.
En zones et périodes denses, l'organisation de l'espace aérien est la suivante.
2.2 MANAGEMENT OF AIRSPACE, TRAFFIC FLOWS AND CAPACITY
In 2010, what was in place in the United States was: the Air Traffic Control System Command Centre (ATCSCC)1, which had authority for the optimisation of traffic services and flow: The ATCSCC regulated air traffic when meteorological conditions, equipment shutdowns, closures of runways, or other conditions had an impact on air traffic. In these cases, ATCSCC took measures, in cooperation with airlines, to change aircraft route requests and to change the capacity of ATC centres over which it had a true authority.
In Europe, the mission of the Central Flow Management Units (CFMU) was more passive, and institutionally limited to the "protection" of the sectors of control against any overload of requests in comparison with the capacity (auto-declared) by control centres.
With errors of demand prediction, overrating the number of expected flights, and the self-declared local capacities, awkwardly taking into account network effects, the system set up by CFMU was intrinsically under capacitive, in spite of the existence of prediction and of analysis tools which would have allowed it to play a more active role. In 2050, the CFMU has the active role of managing the European network, identical to that of the ATCSCC to the United States The significant changes in comparison with 2010 to reach the performance targets (doubling capacity, better effectiveness and predictability) are the following:
- Sharing of information between all actors (ATC organisms, meteorology, airports, military operations, and especially airlines) to reduce uncertainty. Beyond better optimisation of the network, this sharing of information gives all the actors (among which airlines) the possibility of optimising their own operations by better knowledge of all constraints.
- Dynamic management of the airspace and of the capacity at European level (choice of route schemes, military-civil coordination, sectorisation, declared capacity …) to adapt them more finely to traffic demand.
- Management of slots, on a genuinely contractual base between the CFMU, the airports and the airlines; these slots are allocated at arrivals rather than at departures, with near-real-time allocation to take into account all events and, finally, a mechanism of incentives or a regulation is set up to make sure that these slots are respected.
- Management of crises in the broad sense, either the result from unforeseen events such as the closing of a part of the airspace, or due to a more foreseeable event, such as a request that substantially exceeds the capacity (for example a sporting event, or loss of capacity for weather reasons). In these cases the European network manager develops scenarios that try to minimise the impact, and negotiates (or imposes, if necessary) the implementation of the selected scenario, which is optimal for the all the users, as a whole.
1 http://www.fly.faa.gov/flyfaa/usmap.jsp
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2.3 REGULATION, SEPARATION AND ANTI-COLLISION
Air traffic control includes two functions which are often difficult to discern: on the one hand regulating (or synchronising) aircraft which have to share a common resource, for example a runway, and, on the other hand, the separation of aircraft. Indeed by sequencing aircraft, ATC prepares the ground for safe separation between aircraft, and for separating them.
There is also a third notion: anti-collision, which is a function that is activated in case of failure to maintaining safe separation. It is assured by ground (STCA – Short-Term Conflict Alert) or airborne (ACAS – Air Collision Avoidance System) means, operating with different time horizons.
Air transport, business aviation and large UAVs
To limit the number of conflicts and to sequence the traffic at arrival, traffic is organised by change of route, of level, of speed or of take-off time and periodically reassessed from take-off and supervised from the ground by en-route control centres.
The remaining tactical separation task is delegated to the aircraft for equipped aircraft, and managed from the ground for the others.
For aircraft that self separate,, the anti-collision function (short term conflict alert) exercised from the ground is probably less efficient because of the length of the air-ground-air loop which would imply overly large separation minima, but this function remains necessary to discern aircraft with aberrant behaviour. As described in the following paragraph, this "police" function is even more important for the full fledged “autonomous aircraft”.
In view of the infrequent nature of " tactical separation "actions and in the light of experiments at the Eurocontrol Experimental Centre, the delegation, «under constraints», of the separation function by the ground to the air is favourably welcomed by the pilots who thus remain on top of the management of their flight.
The coexistence in the same volume of airspace of equipped aircraft and not equipped aircraft is necessary for the progressive transition of this type of delegation; it is assured by the controllers who remain responsible to accept it or not.
But to encourage, or even to speed up the equipment of aircraft, a higher charge is instituted for unequipped aircraft and even, in some areas or in some periods of the day, unequipped aircraft are excluded.
Based on trajectories shared between the actors, strategic deconfliction and regulation are performed by the ground system, while tactical separations are more and more delegated to the aircraft.
Military aviation
The military aviation already applies number of civilian standards of exploitation. Therefore, the integration of military aircraft in the air space managed by the ATM service providers is natural.
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Air work
The air work takes advantage of developments for the general aviation around airports, but most of the time follows specific procedures in limited airspaces and, as a rule, does not conflict with the other aeronautical activities.
General aviation and small autonomous UAVs
They operate in a way more and more automated as a kind of «light Instrument Flight Rules".
In not controlled airspaces, the prevention of collisions is the exclusive responsibility of the pilots (and the certified on board systems) who are informed about position and intentions of other aircraft (whether or not the pilot is aboard.)
In controlled airspaces, they integrate with the aviation of transport if at all possible or are excluded from it according to density and to complexity of trajectories.
These aircraft are permanently checked in comparison with the trajectories of transport aircraft and in zones in which they are authorised to fly. As for the behaviour of the car drivers, the development of this type of aviation cannot make the hypothesis of a virtuous behaviour of all pilots. A function of police, with means of surveillance and a functioning by sampling exist and, publicly announced, so that it is known and dissuades from contravening rules.
2.4 CONTROL IN TERMINAL ZONES
The "regulation in approach" is one of the important functions of ATC.
It is a subset of the general function of the air-traffic control but its specificity seemed to us to require a dedicated paragraph.
Indeed its difficulty is to find balance between too small separations between aircraft, which may decrease the safety margin, notably due wake wortex, or too large separations, which has an impact on the capacity, which is in the order of landing one plane every minute.
In 2010, this regulation was carried out with instructions of heading and speed often not foreseeable and quick succession of which did not simplify the task of the pilots in an already delicate stage of flight. This entirely "manual” function was based upon the training and the experience of the controllers, with sometimes the risk of both a “video game” behaviour and of an insufficiency of training. There were therefore large variations of performances between controllers, or even from one day to the next for the same controller.
In 2050, the sequence at arrival is anticipated far ahead, even as much as from departure block time, and the time of arrival at the fix of the final zone entrance are defined with an accuracy of 5 minutes.
The trajectories of arrival are continuous descents, accurately defined in 3 dimensions; thanks to fine meteorological models and means of horizontal and vertical navigation which bring the aircraft down to the runway by taking into account local constraints, especially nuisances to the residents.
Aircraft are sequenced on these continuous descents by the ground system, while spacing / separations are taken care of by the pilot thanks to its airborne equipment without intervention of the controller. Procedures
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allow the aircraft to follow its trajectory down to the runway and to separate itself from the previous, taking into account in a dynamic way the turbulence of wake wortex affecting the pair of aircraft (according to types, masses, and selected configurations) and which evolution is better known thanks to meteorological models with fine grid.
The precision of navigation and of surveillance as well as better knowledge of wake worteces make it to build independent parallel tracks closer to each other.
We do not question the mandatory rule that the runway is clear to allow its use by another aircraft.
The hypothesis made by the authors of the report is that it not there no passengers' transport UAV. UAV are excluded from large airports and for others during passengers' traffic. They take off and land therefore in places or at reserved times.
2.5 CONTROL ON THE GROUND
On the airport platform, on board means allow the crew to have the situation awareness of position precisely on the runway and taxi ways and to follow in a more reliable way the optimised orders of circulation, computed by the ground systems. The systems of alerts issue from information aboard in case of risk discerned by the system of surveillance edge and/or ground and allow reducing significantly the most serious risks of collision of runway incursions.
Departures are managed in order to minimise the time of waiting while the engines are running and to satisfy the needs of regulation up to the airport of arrival. On the airfield the appropriate distribution of information between the actors is generalised allowing them to adapt their real-time interventions according to the reality of traffic and to minimise the time of ground rotation of aircraft.
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3. TECHNICAL SYSTEMS IN 2050
3.1 NAVIGATION
The systems of navigation by satellite are called so Global Navigation Satellite System or GNSS. The satellites of navigation (GPS, Galileo) and their ground/space complements are the primary systems, but they are not sufficient. It is necessary to keep independent additional means. Indeed, any unique system can suffer from failure. Electromagnetic disturbances likely to affect the range of frequencies used for GNSS (voluntary or due to phenomena as the solar storms) could trigger problems of safety and lead to interrupt air transport in some zones.
In 2010, one of the common points of failure of the ATM system in term of separation was barometric altitude – transmitted vocally by the pilot, by the modes C and S of the secondary radar or by data – link.
Therefore in 2050, for navigation in vertical plan, the barometric altimetry and the GNSS altimetry control themselves mutually.
Note: It is known that the local and wide area complements (or “augmentations”) to navigation satellites improve precision of positioning, reliability and safety of the system of navigation by satellite (GNSS) quite a lot. It is reasonably possible to think that local or regional augmentations will be installed in all zones where a performance system augmented is requested (for example large airport).
Remark: What can be expected in term of capacity from the improvement of the precision of vertical navigation? Except approaches of precision, for climbing and descents, before thinking of 4D navigation, 3D navigation would has to make sufficient progress not only to locate aircraft correctly in three dimensions, but also to follow a trajectory defined precisely there 3D to allow to reduce their vertical separation during their rise or descent by taking into account turbulence of wake. The navigation by satellite should allow it but with what performances of integrity and of continuity? Forty years were needed to show the capacity of systems on board to satisfy requirements for the vertical separation of 1000 feet above level 290 for stable aircraft in cruise! It is possible to imagine problems in progressive stage. They touch the borders of knowledge of the authors of the report there.
3.2 SURVEILLANCE
3 types of surveillance still exist:
• Independent surveillance (so called because it no way depends on the aircraft): necessary for air defence and assure protection against the lost or not co-operative aircraft, not equipped with a transponder or with their unique transponder out of service. For such purpose primary radars are still used and, if they are industrially developed for military needs, and as well systems of passive surveillance (multistate radar listening multi site signals either emitted or reflected by targets);
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• Co-operative independent surveillance (so called because it assumes that the plane issues information): Aircraft equipped with Mode S transponder reply to radar interrogation. They transmit their identification and their altitude, but the idea of using Modes link as a Data Link means has been discarded2, but keep being used for down linking parameters and to improve surveillance. Two types of ground means are used to determine the aircraft position in an independent way: the classical Mode S radars or the multilateration Modes which computes position by triangulation, this last function can be limited to an airport and its approach or developed on a larger scope (Wide Area Multilateration).
• Co-operative dependent surveillance (because it entirely depends on the aircraft) with the Automatic Dependant Surveillance (ADS): the aircraft issues its identification, its position3 and other information which are collected by the ground receivers. A new standard of data link supporting ADS-B has been developed which is overcoming the limitations of the standards of 2010 (Modes 1090, UAT4 or VDL-VHF Data link-mode 4) in term of capacity, interoperability and of security, that could be based on multi-modes equipments on board and low earth orbit relay satellites.
For the oceanic, desert and hostile zones, surveillance is based upon ADS-C, using satellites links, whose data are transmitted to a limited number of servers and redistributed to concerned organisms (ANSP, AOC).
The ground surveillance will be supplemented by on board surveillance systems necessary for the delegation of separation to the airborne systems. This on board surveillance is based upon two systems:
• ACAS, while kept as a safety net, evolved to take into account new modes of on board separation and possible reduction of the separations minima,
• ADS-B in (in its function of reception of transmitters ADS-B out of aircraft located nearby) which supports aforementioned separations and allows the situation awareness of surrounding traffic.
Beyond the surveillance of other aircraft, on board means also allow to discern dangerous phenomena: strong stormy turbulence, turbulence of clear sky or wake turbulence.
3.3 COMMUNICATION
The services of communications support links ground-to-ground, air-to-ground and air-to-air.
• ground to ground communication integrates voices and data into the same numerical network based on general purpose technologies (future Internet Protocol?) with qualities of service requested, especially in term of security and safety of functioning. Specialised service suppliers operate on these networks.
• ground-to-air and air-to-air communication is based on numerical links, based on several systems standardized by ICAO using or spin off from technologies not specific for aeronautics like those developed for mobile telephony.
Between the pilot and the controller, air ground vocal links still exist and are necessary for tactical actions. Their quality is improved thanks to the numeration ensuring a better safety by identification of the transmitter and of the addressee.
2 It has taken 30 years between the initial studies of Modes S and its actual operation. 3 Hopefully with the time 4 Universal Access Transceiver: www.mitre.org/news/releases/10/uat_beacon_radio_07_23_2010.html
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The air-to-ground and air-to-air data links are used for exchanges of intentions of flight and of information of trajectories, including the requested times (Requested Time of Overflying and Requested Time of Arrival) and their modifications, as well as for the broadcasting of weather forecast information, of the situation of traffic and of airport information.
In continental zone, the communication stations of the main network are based on the ground with a satellite complement if necessary, as for the oceanic, desert or hostile zones (where equipment cannot be provided) where stations are on satellites.
Mode S is used only for the reliable transmission of intention of flight to improve surveillance as ADS-B and ACAS, and to close the loop of instructions and aural tactical clearances.
It is possible to imagine that aircraft constitute between themselves an "independent" network then using few ground or satellite relays. Every aircraft plays the role of relay of transmission and server as a kind of Internet based on mobiles themselves. The constraints of safety and performances could invalidate this type of concept.
3.4 ATM / ATC SYSTEMS
The data processing systems and of automated support functions of ATM are based on servers of information connected with open protocols which make easier the connection of functions of automated assistance, the access and the presentation of information widely shared between all actors.
Systems and servers of information
They are based on servers / services of information based on a common model of information (Common Reference Model).
A server of surveillance regroups all information on the position of aircraft, their identity and their intentions derived from information down linked from the on board systems. This information is broadcast to the concerned actors, including aircraft.
A server of data flight (flight plans and trajectories) regroups all information on trajectories forecasted, expected, agreed upon, cleared and carried out. They are used for the purpose of prediction, organisation of traffic, strategic deconfliction, and decision support for the different actors and, after the fact, analysis.
Other servers feed the actors with present and future data on airspace, procedures in force, state of facilities and meteorology.
The aircraft information on the regulated zones and their status, on the airways and on the type of air operations which can take place there, as well as meteorological information is also managed at European level, in compliance with recommendations of ICAO.
This information on the meteorology and on the organisation of airspace and on the rules which are applied is there public and accessible to the ground as to the air via a strongly secured Internet. Private service suppliers use them to produce the added value by making the navigation easier, notably for private pilots.
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ADDITIONAL THEMATIC REPORT : AIR TRAFFIC MANAGEMENT
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SWIM (System Wide Information Management)
SWIM incorporates at the same time elements coming from the Internet (t Web2.0 equivalent) and from the protocols of access and of distribution of information, with flexible modes of exchanges (XML). Instead of developing bilateral exchanges little by little, functions of type " Publish and subscribe " allow to diffuse and to change this information and to achieve it.
SWIM is the base of the distribution of information and supports the collaborative (CDM) decision-making.
The development of SWIM for not critical functions on the plan of safety is first implemented. The servers of information plans of flight / trajectories and surveillance are included into SWIM for the distribution of information.
The integration of SWIM on board of aircraft for not critical functions raises more issues than puts down the access to Internet for the passengers, what assumes a competitive link of data. One of the questions is to know if one could achieve this information via common interfaces (type Internet browser IE Microsoft, Firefox) or via specific applications (allowing for example more easily to control manners (ITunes, I Phone Application))
The use of SWIM for critical aircraft applications will rely on a specific air-to-ground a network to satisfy requirements of service quality.
Automated assistance
The system is based on an automated assistance where the man continues playing a role both in the air and on the ground, but this role evolved. It requires a man – machine integration supporting a distribution of roles and of authority between the pilots, the controllers and systems.
On board systems and ATM
Generally speaking, the pilots have an augmented vision of other aircraft, meteorological situation, grounds and airports configuration.
Development of systems
Systems are more and more efficient, complex, interconnected and open. It leads to stronger and stronger requirements of safety and security.
Satisfactory means and methods of engineering were not available in 2010 to develop systems on time and budgets.
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Table des matières
1. RÉSUMÉ .......................................................................................................................... 7
1.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 7
1.2 BRUIT ............................................................................................................................ 7
1.3 EMISSIONS LOCALES ET QUALITÉ DE L’AIR ....................................................................... 9
1.4 PARTICULES ................................................................................................................. 10
1.5 EFFET DE SERRE ET RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE ........................................................ 11
1.6 INTERDÉPENDANCES ET EXIGENCES ENVIRONNEMENTALES - CRITÈRES ET PRIORITÉS ..... 16
1.7 EMERGENCES DANS LE CONTEXTE ENVIRONNEMENTAL ................................................... 17
1.8 RÉCAPITULATION DES PRINCIPAUX FACTEURS-CLÉS GÉNÉRIQUES ................................... 18
1.9 RÉFÉRENCES DU CHAPITRE 1 ........................................................................................ 19
2. VUE D’ENSEMBLE .......................................................................................................... 21
2.1 DÉFIS ENVIRONNEMENTAUX ET RÉPONSES ..................................................................... 21
2.2 EFFETS SUR LES AUTRES DOMAINES .............................................................................. 24
3. INTRODUCTION .............................................................................................................. 27
4. CONTEXTE GÉNÉRAL ..................................................................................................... 29
5. OBJET DE L’ÉTUDE ........................................................................................................ 33
5.1 PÉRIMÈTRE DU DOMAINE - CONTENU ET LIMITES - FRONTIÈRES AVEC LES AUTRES DOMAINES .................................................................................................................... 33
5.2 DÉFIS ENVIRONNEMENTAUX .......................................................................................... 33
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6. DONNÉES EXOGÈNES ET ENDOGÈNES............................................................................. 35
6.1 RAPPEL DES DONNÉES EN PROVENANCE DES AUTRES DOMAINES (OU EN-DEHORS D’EUX) ......................................................................................................................... 35
6.2 RAPPEL DES DONNÉES PROPRES AU DOMAINE ÉTUDIÉ .................................................... 39
7. RÉPONSES AUX DÉFIS .................................................................................................... 47
7.1 PROJECTION DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX - PRINCIPAUX RÉSULTATS .................... 47
7.2 EXIGENCES ENVIRONNEMENTALES ................................................................................ 62
7.3 IMAGE DE MARQUE DU TRANSPORT AÉRIEN ET COMMUNICATION ..................................... 68
7.4 ASPECTS NON TRAITÉS ................................................................................................. 70
7.5 BESOINS ANALYTIQUES COMPLÉMENTAIRES IDENTIFIÉS .................................................. 70
8. POINTS CLÉS EN DIRECTION DES DÉCIDEURS .................................................................. 73
8.1 EN GUISE DE PRÉAMBULE ............................................................................................. 73
8.2 QUELLE EST LA NATURE ET QUELLES SONT LES CONSÉQUENCES DES PROBLÈMES ENVIRONNEMENTAUX LIÉS AU TRANSPORT AÉRIEN ? QUELLES CIBLES VISER ? ........................................................................................................................ 74
8.3 DES SOLUTIONS SONT-ELLES EN PLACE AU NIVEAU DU TRANSPORT AÉRIEN? OUI (TECHNOLOGIE, OPÉRATIONS, ATM, INCITATIONS D’ORDRE ÉCONOMIQUE). ........................ 75
8.4 SONT-ELLES SUFFISANTES ? NON, PARCE QUE LES BESOINS DE DÉVELOPPEMENT DÉPASSENT LES CAPACITÉS D’AMÉLIORATIONS, ET QUE LE MONDE A BESOIN DE L’AVIATION POUR SE DÉVELOPPER. ................................................................................ 75
8.5 QUE PEUT-ON FAIRE DE PLUS ? ...................................................................................... 75
8.6 QUELLES SONT LES PERSPECTIVES GÉNÉRALES OUVERTES POUVANT CHANGER L’APPROCHE DES PROBLÉMATIQUES ENVIRONNEMENTALES FUTURES EN LIAISON AVEC LE TRANSPORT AÉRIEN, ET POUVANT DONC CONSTITUER DES PISTES DE RÉFLEXION ? ................................................................................................................ 77
8.7 LES « FAUSSES BONNES IDÉES » DANS LE DOMAINE DE L’AVIATION ET DE L’ENVIRONNEMENT ....................................................................................................... 77
9. BIBLIOGRAPHIE / RÉFÉRENCES (NON EXHAUSTIVES) ........................................................ 79
10. SIGLES ET ABRÉVIATIONS .............................................................................................. 85
11. ANNEXES ...................................................................................................................... 87
ANNEXE I - LE THÈME ENVIRONNEMENT CONDENSÉ ................................................................. 88
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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ANNEXE II – CONTEXTE GÉNÉRAL DE L’AVIATION ET DE L’ENVIRONNEMENT ................................ 90
ANNEXE III – DONNÉES COMPLÉMENTAIRES SUR LES ÉMISSIONS, LE CHANGEMENT CLIMATIQUE ET LA POLLUTION LOCALE .......................................................................... 95
ANNEXE IV – DONNÉES GÉNÉRALES COMPLÉMENTAIRES SUR LA CROISSANCE DU TRAFIC AÉRIEN, LA TECHNOLOGIE, LES PRODUITS, LA FLOTTE ET L’EFFET DES CARBURANTS FUTURS ....................................................................................................................... 99
ANNEXE V – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES FACTEURS ÉCONOMIQUES ............... 102
ANNEXE VI – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES FACTEURS OPÉRATIONNELS ........... 105
ANNEXE VII – OBJECTIFS ENVIRONNEMENTAUX DE L’INDUSTRIE ET DE L’OACI .......................... 107
ANNEXE VIII – L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ACTUEL DU TRANSPORT AÉRIEN .......................... 114
ANNEXE IX – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES QUESTIONS DE BRUIT DES AVIONS ... 124
ANNEXE X - LES FAUSSES BONNES IDÉES (FBI) SUR LES QUESTIONS ENVIRONNEMENTALES ...... 132
ANNEXE XI – PRÉVISIONS OACI .............................................................................................. 134
ANNEXE XII – BILAN ENVIRONNEMENTAL DES CARBURANTS ET COMBUSTIBLES ALTERNATIFS ............................................................................................................. 135
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1. RÉSUMÉ
1.1 INTRODUCTION
Les questions environnementales couvrent un vaste domaine transverse où règnent de nombreuses et grandes incertitudes et où des problématiques s’imbriquent étroitement les unes avec les autres : celles des ressources énergétiques et des matières premières, celles des ressources alimentaires et en eau et celles du changement climatique, de la qualité de l’air et de la pollution.
Les problématiques environnementales ont des interactions importantes avec les aspects socio-économiques et politiques. Les incertitudes sur les évolutions à l’horizon 2050 sont de tous ordres.
Le rapport est centré sur les trois sujets jugés les plus significatifs concernant l’impact du transport aérien sur l’environnement : le bruit ; les émissions locales et la qualité de l’air ; les émissions de gaz à effet de serre et le réchauffement climatique.
Nous avons pris des hypothèses cohérentes avec celles provenant d’autres thèmes, concernant la croissance du trafic, les gains associés aux produits futurs et les carburants alternatifs.
1.2 BRUIT
Le bruit est protégé par un cadre règlementaire très mature au niveau national et international (norme et procédures de certification OACI - réf.1), qui a stimulé les progrès techniques passés, lesquels ont permis de réduire fortement les nuisances sonores, exprimées par des niveaux de bruit individuel (75 % du bruit perçu), ou cumulé sur une période, ou correspondant à des contours ou des surfaces d’exposition. La sévérité de la norme est accrue et les procédures de certification affinées périodiquement.
Selon les prévisions AAE de trafic et d’améliorations technologiques, la tendance générale devrait se poursuivre grâce au renouvellement de la flotte par des avions toujours plus performants sur le plan acoustique, malgré la croissance du nombre de vols. Ainsi, l’énergie sonore totale pourrait diminuer de l’ordre de 15 à 20 % entre 2010 et 2050 (voir figure 0.1), sans compter le fait que pour les aéroports ayant un trafic important, les plus critiques, l’énergie sonore sera répartie sur un plus grand nombre d’aéroports à l’horizon 20501
1 Le nombre d’aéroports commerciaux avec plus de un million de passagers par an devant passer de 500 en 2010 à environ 700 en
2050.
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Figure 0.1 : Évolution de l’Énergie Sonore Totale 2010-2050 (Projection basée sur estimations AAE)
On peut donc nourrir un relatif optimisme pour cette période, et envisager même que dans les compromis entre bruit et CO2 (voir ci-dessous), on dispose d’une petite marge côté bruit, sous les réserves suivantes :
− La prévision de l’évolution globale n’est qu’une indication ; elle ne suffit pas, le bruit étant par définition un phénomène aux effets locaux : il faudra donc toujours s’en préoccuper, notamment pour les aéroports à forte densité de trafic pour lesquels le bruit restera un enjeu majeur.
− Il faut noter la situation différente de la zone Asie par rapport à l’Europe et aux USA, notamment du fait de l’augmentation plus forte de son trafic, accompagnée toutefois de l’augmentation planifiée du nombre d’aéroports pour lesquels il est encore temps de prévoir des mesures préventives.
− Il importe que les nuisances sonores soient correctement prises en compte, notamment les raies spécifiques du spectre acoustique, ce qui peut affecter la perception du bruit au voisinage de l’aéroport, mais aussi éventuellement en route (cela pourrait être le cas avec les « open rotors » du futur) La réglementation du bruit au niveau aéroportuaire doit tenir compte du risque de réveil occasionné par le bruit d’un événement isolé, en ajustant la limite de la zone de construction autorisée - avec isolation - de telle sorte que l’avion récurrent le plus bruyant du trafic ne dépasse pas en limite de ladite zone le niveau d’intensité sonore provoquant le réveil fenêtre close. Les effets aggravants induits par la concentration/répétition des événements liés aux variations de densité du trafic aérien dans certains intervalles de temps.
− Le principe OACI de l’approche équilibrée (réf. 2) doit être appliqué partout, pour gérer les problèmes de bruit autour des aéroports de la manière la plus efficace, exhaustive et coordonnée, tant sur le plan environnemental qu’au niveau des coûts, en considérant les quatre piliers principaux : réduction du bruit à la source, aménagement des sols, procédures de moindre bruit et restrictions opérationnelles.
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La réduction du bruit à la source, pilier fondamental de cette approche, suppose que les efforts de recherche et développement technologiques appropriés - qui sous-tendent nos prévisions - soient poursuivis intensivement, avec des ressources adaptées en conséquence2.
Il est donc essentiel de profiter des bénéfices de la technologie et des mesures opérationnelles, en désignant et renforçant, dans chaque cas où la situation l’exige, une autorité compétente responsable du contrôle de l’urbanisation qui surveille l’application de l’ensemble des règlementations locales, nationales et internationales, et empêche toute implantation d’habitation non assurée d’une exposition au bruit inférieure à la limite règlementaire adoptée. Les mesures appropriées d’aide à l’isolation, voire à la climatisation, pourraient faire partie des responsabilités placées sous cette autorité.
1.3 EMISSIONS LOCALES ET QUALITÉ DE L’AIR
Dans ce domaine, l’étude porte principalement sur le sujet le plus sensible pour l’aviation qu’est celui des émissions d’oxydes d’azote (NOx).
On notera que les gains possibles provenant de procédures opérationnelles, en termes de réduction de NOx à basse altitude, ne peuvent être que minimes, les procédures couramment utilisées minimisant déjà les puissances moteur utilisées, donc les émissions de NOx3.
Les moteurs et avions futurs bénéficieront de niveaux d’émissions de NOx réduits, d’une part grâce aux améliorations technologiques qui découleront des recherches spécifiques poursuivies dans ce domaine (voir figure 0.2) et d’autre part grâce aux réductions de consommation de carburant, elles-mêmes dépendant d’autres progrès technologiques. La projection des émissions globales de NOx au niveau mondial, à basse altitude (effet sur la qualité de l’air) ou en altitude (effet sur le réchauffement climatique), montre une quasi stabilité sinon une légère augmentation (7%) entre 2010 et 2050 (voir figure 0.3), qui peut être moindre, voire devenir une tendance inverse, si l’on tient compte de la répartition de la quantité totale sur un plus grand nombre d’aéroports.
2 Si la croissance de la flotte mondiale devait dépasser significativement les prévisions de la CP, la contrainte de limitation de bruit
pourrait stimuler une refonte de la flotte (avions plus gros, limitation des fréquences, application plus radicale de technologies ou procédures anti-bruit).
3 La corrélation entre les émissions de NOx à basse altitude et celles en montée et croisière est telle que les effets bénéfiques de la réglementation et des gains à basse altitude se répercutent aussi sur les émissions totales de NOx.
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Figure 0.2 - Coeff. de réduction NOx 2010-2050 Figure 0.3 - Multiplicateur global NOx 2010-2050
Ce découplage réussi entre trafic et émissions lié à l’effet direct attendu des technologies dédiées et à l’effet indirect de la réduction relative de la consommation de carburant, dépend du rythme des progrès technologiques (qui s’accompagnent en ce qui concerne les NOx (ainsi que pour les émissions d’hydrocarbures, de CO et de fumées), d’une norme de certification moteur limitative dont la sévérité augmente régulièrement (OACI - réf. 3).
Les situations locales, comme pour le bruit, devront être surveillées, notamment là où les limites réglementaires de qualité de l’air sont parfois atteintes, sous l’effet combiné de diverses causes, car même si l’aviation contribue peu par rapport à la desserte aéroportuaire, le problème peut devenir une contrainte pour le développement d’un l’aéroport (c’est le cas pour Londres Heathrow).
Il faut veiller aussi à ce que la recherche et le développement apportent les gains attendus.
1.4 PARTICULES
Les particules émises par les avions/moteurs sont l’objet d’une préoccupation croissante, du fait de l’impact des particules en général sur la qualité de l’air et la santé humaine, lequel est jugé avec une sévérité croissante, au fur et à mesure que les progrès de la connaissance mettent en évidence une dangerosité avérée.
Au niveau aéronautique, les connaissances scientifiques et les moyens de mesure, quantification et évaluation d’impact des particules sont limités ; la recherche, active, devrait être intensifiée, qui pourrait déboucher sur une norme au niveau OACI dans les prochaines années. Les caractéristiques des particules émises (dont la taille et la composition) sont des facteurs cruciaux en ce qui concerne leur impact.
Aux particules émises par l’aviation est par ailleurs attribué un effet potentiel sur les formations nuageuses en altitude, effet mal connu à ce jour : il faut attendre des progrès de la science pour pouvoir comprendre le rôle des particules et évaluer leur impact dans ce domaine.
Les quantités de particules émises et leurs effets bénéficieront à la fois des réductions de consommation de carburant et des progrès dans la compréhension des phénomènes physico-chimiques associés. Cependant, l’attention générale croissante accordée aux particules, la quantité totale croissante de particules émises par l’aviation, et les délais pour concevoir, élaborer et introduire des solutions, laissent prévoir qu’elles compteront
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parmi les questions majeures à traiter dans les prochaines années, au niveau de l’aviation comme dans les autres domaines.
1.5 EFFET DE SERRE ET RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE
Émissions globales : CO2
L’aviation émet aujourd’hui environ 2% des émissions de CO2 d’origine anthropique. Ce pourcentage pourrait varier entre 3 et 6 % en 2050, selon les hypothèses adoptées sur l’évolution des émissions des autres sources.
La consommation de carburant des avions - et les émissions de CO2 - ont bénéficié de réductions spectaculaires dans le passé (plus de 70 %), fruit des efforts permanents d’amélioration des performances des moteurs et des avions, en réponse aux besoins de mobilité associés à un marché très exigeant et concurrentiel.
L’industrie aéronautique, via les associations des exploitants et des constructeurs, affiche depuis quelques années des objectifs très ambitieux (réf. 4), partiellement adoptés par l’OACI : 1.5 % par an d’augmentation d’efficacité en consommation de carburant jusqu’en 2020 (2 % pour l’OACI), croissance neutre en carbone à partir de 2020, et émissions totales de CO2 divisées par 2 en 2050 par rapport à 2005 (industrie seulement). Ces objectifs se fondent sur un soutien gouvernemental énergique, des progrès et percées technologiques, une optimisation des opérations, de la circulation aérienne (“ciel unique”) et des infrastructures, la commercialisation/priorisation de nouveaux carburants renouvelables, le tout complété par des instruments économiques efficaces et équitables mis en œuvre dans un cadre global via l’OACI. Le diagramme de principe de la figure 0.4, détaille l’empilage et l’évolution des gains grâce auxquels l’industrie espère atteindre ses objectifs. Ce diagramme met par ailleurs en évidence l’importance de l’enjeu et la difficulté d’y répondre, qui exigent des efforts coordonnés dans toutes les directions, impliquant un fort degré de coopération entre tous les acteurs.
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Figure 0.4 - Objectifs de Réduction de l’Industrie Aéronautique - Consommation Carburant & Émissions de CO2
L‘AAE a évalué les différents facteurs jouant sur la consommation de carburant et les émissions de CO2 entre 2010 et 2050, à travers ses propres hypothèses et projections. Il en résulte les gains cumulés suivants, au niveau de la moyenne de la flotte, en consommation par passager.km : 25 % liés à la technologie et aux nouveaux avions introduits4 (facteurs prédominants), 31 % avec les améliorations de gestion du trafic et des opérations, 37 % avec l’augmentation du facteur de remplissage. Aux gains de consommation, s’ajoutent des effets de réduction de CO2 par passager.km : 40 % en cumul avec les biocarburants, 47 % avec les diverses formes de compensation carbone, dont les échanges de quotas d’émissions5. Comme le trafic augmente à un rythme supérieur à celui des améliorations (facteur multiplicatif 3,1), cela équivaut approximativement à doubler la consommation totale de carburant, et à multiplier par 1,6 les émissions totales de CO2, dans cette période (voir figure 0.5).
4 35% au niveau moyenne production (chiffre émanant de l’étude du thème Construction Aéronautique) se transforment en 25% au
niveau de la moyenne de la flotte, selon le calcul de renouvellement de la flotte / effectué par le thème Environnement 5 le second chiffre significatif ne reflète pas le niveau d’incertitudes associé à ces chiffres.
Source : ATAG
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Figure 0.1 - Consommation Carburant & Émissions CO2 - Évolution 2050/2010 (projection est. AAE)
Ces niveaux de réduction sont bien en-deçà des objectifs de l’industrie et de l’OACI, notamment de "croissance neutre en carbone" à partir de 2020 (incluant l’effet des biocarburants), les 47 % (AAE) étant à comparer à 63 % / 65 % (industrie/OACI), et le facteur multiplicatif sur les émissions totales 1.6 (AAE) à 1.09 / 1.14 (industrie/OACI). L’objectif de réduction de 50 % des émissions totales de CO2 de l’aviation6 à l’horizon 2050 par rapport à 2005 suppose une réduction plus draconienne : -85 % par passager.km, compte tenu de l’augmentation du trafic. Ces éléments de comparaison sont représentés sur la figure 0.6. L’objectif européen de Flightpath 2050 (-75 % de CO2 par passager.km par rapport à 2000 - Réf. 5) est proche des objectifs industrie/OACI de croissance neutre en carbone7.
6 Visant à se rapprocher de la division par 4 ou 5 des émissions de CO2, nécessaire pour limiter le taux de CO2 atmosphérique à
400-450 ppm qui maintiendrait l'augmentation de température moyenne à 2-3°C pour « contrôler" le réchauffement climatique. Le secteur, pour rester solidaire et exemplaire, n’échappe pas à la nécessité d’afficher des objectifs inspirés des objectifs généraux…
7 -75% par rapport à 2000 équivaut à -67% par rapport à 2010
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Figure 0.2 - Consommation Carburant & Émissions CO2 2050 / 2010
Comparaison: Projections AAE / Objectifs Industrie / OACI / EU
Ainsi, et malgré une hypothèse de croissance de trafic nettement plus basse que celle de l’industrie, il nous paraît peu vraisemblable que les progrès techniques suffisent à compenser la croissance du trafic et comblent l’écart par rapport aux objectifs affichés8. Cependant, comme ils n’en demeurent pas moins un facteur crucial de réduction des émissions de CO2 du secteur, des efforts de recherche intensifs devront leur être consacrés, notamment pour développer de nouveaux biocarburants et des technologies innovantes. Ne serait-ce qu’atteindre les niveaux d’amélioration projetés par l’AAE suppose des efforts de R&D très conséquents.
La compensation carbone9 peut contribuer aussi à se rapprocher des objectifs. Pour éviter des effets régionaux ou globaux chaotiques très pénalisants sur le transport aérien, il importe cependant que les mesures de "compensation" mises en œuvre, en particulier dans les système d’échanges de quotas d’émissions, le soient au niveau d’une gouvernance mondiale, assurant : i) égalité d’accès, équité, absence de discrimination et de distorsion de concurrence, et ii) maîtrise des coûts pesant sur la viabilité économique du secteur (carburant et charges environnementales associées), en tenant
8 Projections et objectifs correspondent en fait à des angles d’approche différents. Un objectif à long terme, ambitieux par nature,
facilite un engagement ferme dans un programme de recherche intensif, avec des ressources adaptées, permettant de parer aux obstacles, effets imprévus et compromis, inévitables en cours de route. Un objectif tend ainsi à exiger un effort au-delà de ce qu’il vise, pour assurer une marge de réserve, tandis qu’une projection tend à incorporer un degré de prudence lié aux incertitudes, donc allant en sens inverse.
9 Elle consiste à soustraire des émissions de CO2 imputables au transport aérien, la part de quotas d’émissions achetés hors du secteur dans le cadre de systèmes d’échanges et plafonnement des quotas d’émissions.
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compte du rôle socio-économique du transport aérien10. D’autres formes de compensation indirectes sont étudiées par les autorités. Dans tous les cas, il faudra combiner tous les moyens possibles, et l’OACI devrait jouer un rôle majeur.
Des mesures complémentaires pourraient inclure le financement - dont l’origine est à définir, mixte éventuellement - de diminutions d’émissions de CO2 dans d’autres modes de transport ou secteurs (en faisant valoir un meilleur « rendement pratique », si les coûts d’amélioration dans l’autre mode ou l’autre secteur concerné sont moindres que dans l’aviation, ce qui est probable), éventuellement des mesures de dérogation spécifique pour l’aviation, sur la base des services importants, irremplaçables dans certains cas, rendus par celle-ci et de la faible contribution passée et présente du secteur.
Les mesures envisageables et les implications locales et régionales des décisions politiques correspondantes soulèvent des questions d’ordre géopolitique et socio-économique qui pourraient receler des menaces pour la viabilité du transport aérien ; les questions d’accords entre pays industriels majeurs, émergents et en voie de développement, devront être résolues.
Si l’on doit faire appel à des mesures d’exception pour permettre au transport aérien d’atteindre des objectifs ambitieux et pour l’affranchir de l’atteinte d’objectifs irréalisables, il n’en demeure pas moins que les efforts de recherche pour améliorer les produits futurs doivent être poursuivis et soutenus fermement, avec un souci d’efficacité technico-économique : ces améliorations restent en effet la composante majeure et prioritaire dans la réduction des émissions, qui limite l’appoint nécessaire de mesures spécifiques (aux effets parfois difficiles à maîtriser), et par là-même en légitime l’application.
Effet des traînées de condensation - Possibilités d’actions spécifiques pour l’aviation ?
Les effets directs des traînées de condensation sont faibles. Les seuls effets indirects susceptibles d’être significatifs proviennent de leur contribution éventuelle aux formations de cirrus (phénomène encore très mal appréhendé aujourd’hui). Pourrait s’y superposer une composante de gêne subjective potentielle liée à la multiplication des traînées dans le ciel.
La faisabilité et l’efficacité de mesures opérationnelles (notamment pour l’Atlantique Nord) restent à confirmer, en particulier en termes d’effet de serre global, prenant en compte l’effet combiné des émissions de CO2 et de vapeur d’eau (compte tenu des déroutements, changements d’altitude, engorgements du trafic, qui en sont à 10 C’est l’enjeu d’un différend entre l’Union Européenne et quasiment le reste du monde, concernant l’entrée de l’aviation dans le
système européen d’échange de quotas d’émissions de CO2 (réf. 6). Dans un contexte de crise économico-financière, les compagnies aériennes et les états, très préoccupés par les distorsions de compétition et les pénalités financières engendrées par le système, ont manifesté de fortes réactions de rejet depuis son entrée en vigueur début 2012. Certains états (Chine, USA,…) légifèrent pour interdire à leurs compagnies de respecter les règlements européens, certains menacent d’appliquer des mesures de sanction ou rétorsion (Chine). Les compagnies aériennes, IATA et les constructeurs se sont insurgés et ont exprimé aussi leur forte préoccupation. Tous se tournent vers l’OACI pour que soit mis sur pied rapidement au niveau international un système d’échanges de quotas équitable, dans un cadre d’action multidirectionnel. Dans la perspective des échéances 2013 (en particulier la 38ème session de l’Assemblée OACI), et pour ne pas gêner les initiatives de l’OACI, la Commission Européenne a proposé de suspendre pendant un an la mise en œuvre de la Directive Européenne incriminée, pour les vols extra-européens (novembre 2012).
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la fois la cause ou la conséquence, ainsi que les réserves supplémentaires de carburant à transporter), sans ignorer les aspects de complexification du trafic et des liaisons Météo-ATM, etc.
Le sujet mériterait des études complémentaires dans le futur, mais leur niveau de maturité ne permet pas aujourd’hui de faire d’autre recommandation que celle de poursuivre les recherches correspondantes.
De façon plus générale, la situation du transport aérien vis-à-vis des gaz à effet de serre autres que le CO2 devra être réévaluée sur la base de connaissances scientifiques consolidées, lorsqu’elles le seront, les incertitudes étant trop grandes aujourd’hui pour pouvoir en tirer des conclusions utilisables.
1.6 INTERDÉPENDANCES ET EXIGENCES ENVIRONNEMENTALES - CRITÈRES ET PRIORITÉS
Les interdépendances environnementales et les compromis entre bruit, émissions locales et globales sont inhérents à la nature transverse du sujet et intrinsèques à toutes les phases de la conception, du choix des objectifs généraux à celui des configurations et technologies, d’intégration des systèmes propulsifs, optimisation et utilisation des moteurs. Ils apparaissent aussi au niveau réglementaire (effets de durcissement d’une norme dans une catégorie, sur les autres catégories, par exemple entre bruit, NOx et CO2), et au niveau de la recherche (sujets, priorités). Les compromis environnementaux sont multiples, liés à divers phénomènes physiques et facteurs en jeu, comme la température interne des moteurs, leur taux de dilution, la consommation spécifique, la traînée aérodynamique, la surface acoustiquement traitable des nacelles, avec des effets de sens variable sur le bruit, les émissions d’oxydes d’azote, la consommation de carburant et les émissions de gaz carbonique.
Ces compromis concernent chaque nouvel avion, auquel correspondent des critères adaptés aux objectifs qui lui sont fixés, en liaison étroite avec les paramètres économiques. Interdépendances et compromis sont difficiles à analyser compte tenu de la complexité, des incertitudes, du caractère évolutif des phénomènes considérés, des effets de nature très différente : temporels (temps de résidence des émissions gazeuses dans l’atmosphère) et spatiaux (effet local ou global, influence de l’altitude). Les compromis sont d’autant plus difficiles à réaliser qu’il n’existe pas de critère ou d’échelle de comparaison uniques, universels. Néanmoins, il est essentiel d’avoir une compréhension quantitative précise des coefficients d’échange en jeu.
Le niveau de raffinement technique et des rendements des composants augmentent avec le temps et se rapprochent des limites physiques ultimes. Chaque évolution apporte, au-delà des gains primaires recherchés, des effets secondaires indésirables dans d’autres domaines. Les arbitrages deviennent ainsi de plus en plus difficiles, par exemple entre consommation spécifique moteur (donc CO211) et émissions de NOx des moteurs, entre bruit et consommation carburant (donc CO2) sur avion. Des choix de types et de configuration moteur
11 Il faut reconnaître le fait que c’est l’économie de carburant qui a été recherchée initialement, plutôt que la réduction des émissions
de CO2 l’économique primant sur l’environnemental. En fait, tout se ramène la plupart du temps à un choix économique, le critère environnemental n’étant souvent qu’un critère intermédiaire. Toutefois, avec l’importance croissante du “facteur CO2”, notamment à cause de son impact économique, les critères finiront par se confondre au moins en partie…
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doivent être faits, encore plus cruciaux dans le futur (comme entre "open rotor" et turbofan avancé) en pesant les impacts sur la consommation de carburant (CO2), le bruit et les autres paramètres-clés.
Ainsi, interdépendances et arbitrages se multiplient et nécessitent une analyse spécifique multi-critères toujours plus pointue, où interagissent les facteurs environnementaux, socio-économiques et stratégiques.
1.7 EMERGENCES DANS LE CONTEXTE ENVIRONNEMENTAL
Si des produits innovants émergent des études de nouveaux concepts d’aéronefs, il est probable qu’ils apportent des bénéfices environnementaux, compte tenu des critères généralement adoptés.
Nos projections d’émissions de CO2 reposent sur une hypothèse relativement conservatrice en ce qui concerne les propriétés, la disponibilité et l’utilisation des biocarburants. La découverte éventuelle de nouveaux biocarburants performants de nième génération, les progrès qui pourraient résulter des efforts de recherche importants entrepris sur ce sujet ne sont pas exclus, même si la probabilité de progrès décisifs reste modeste.
Des émergences pourraient concerner les opérations et la circulation aérienne, avec une généralisation des "pratiques sobres" en consommation de carburant et d’énergie au niveau des compagnies aériennes et des aéroports. Le "roulage électrique" est déjà à l’étude, avec un système de propulsion logé dans le train d’atterrissage). Les gains potentiels ne peuvent concerner toutefois qu’une fraction limitée des émissions de CO2, compte tenu de la faible part du total que représentent les opérations au sol et à basse altitude. Les procédures de vol en formation et de ravitaillement en vol appliquées au domaine civil semblent improbables, pour raisons pratiques, de sécurité, et de gains potentiels nets discutables. Des procédures visant à réduire en altitude les émissions de NOx, ou de particules, ou la formation de traînées de condensation (et formations nuageuses induites) sont à l’étude, mais avec une faible probabilité d’émergence, car le bilan global de l’effet sur le changement climatique n’est pas garanti (risque de surconsommation carburant dû à changements de trajectoires / effets NOx liés à l’altitude / perturbations du trafic)12.
On ne peut exclure en outre que des restructurations majeures au niveau de la composition de la flotte, des opérations, voire des opérateurs, permettent une optimisation globale dans le futur, apportant des gains significatifs susceptibles de faciliter un rapprochement des objectifs environnementaux. Toutefois, de telles restructurations impliqueraient des répercussions d’une telle ampleur qu’elles nécessiteraient outre une forte anticipation, une approche exhaustive, des évaluations approfondies qui n’ont pu être faites au niveau de la CP, et dans tous les cas avec une faible probabilité d’aboutir à l’horizon considéré.
Des gains supplémentaires pourraient résulter d’une modélisation affinée des interdépendances environnementales, d’un couplage optimisé des normes ou d’une compensation carbone élargie.
Si des efforts de compensation additionnels à l’usage de biocarburants efficaces étaient rendus obligatoires par la réglementation internationale, il pourrait alors convenir d’instituer des systèmes d’échanges de permis d’émissions efficaces et équitables entre secteurs, entre acteurs et entre leurs clients.
12 De telles procédures supposent selon le cas une chaîne coordonnée complexe entre avions-avertisseurs transmettant les informations météorologiques, services météorologiques, services de contrôle de la circulation aérienne, avions avertis.
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On ne peut exclure un relâchement de contraintes environnementales, sous impératifs énergétique et économique, l’octroi de permis spéciaux ou dérogations vis-à-vis d’objectifs de réduction de CO2 reconnus inatteignables par l’aviation, lié à la volonté de protéger le rôle socio-économique majeur et les services irremplaçables du transport aérien (valorisés par une communication idoine, s’appuyant sur la faible contribution passée et présente du secteur)13.
Des émergences de sens opposé sont aussi possibles, par exemple à travers une norme de CO2 et/ou des pénalités plus sévères, notamment si était mis en évidence un effet aggravant important lié aux traînées de condensation et aux nuages induits, si une nouvelle Organisation Mondiale de l’Environnement ou la CCNUCC prenaient des mesures restrictives/pénalisantes prioritaires, directement ou à travers l’OACI. L’affichage d’objectifs de recherche très ambitieux pourrait aussi induire des répercussions sur le cadre réglementaire14.
1.8 RÉCAPITULATION DES PRINCIPAUX FACTEURS-CLÉS GÉNÉRIQUES
- La multiplicité des acteurs et des facteurs, la complexité des interactions, le nombre et l’importance des incertitudes, les enjeux politiques et socio-économiques croissants qui sous-tendent les questions environnementales dont la criticité croît, nécessiteront un processus coopératif-itératif visant à faire converger le possible, le probable et le souhaitable, sans détruire ce qui est considéré comme vital. Pour réduire les incertitudes, il serait utile de resserrer progressivement le champ des hypothèses, en tenant compte des relations entre elles et par une recherche ciblée dans les domaines où elles sont les plus grandes et susceptibles de recéler des effets importants (voir point suivant).
- Les efforts dans les domaines technologiques et opérationnels doivent être maintenus et accentués, dans le sens de la plus grande efficacité possible : pour cela, la recherche doit être équilibrée entre disciplines et entre recherche amont (générique, multidirectionnelle, à large spectre, incluant la recherche
13 Protéger le transport aérien implique des mesures qui lui soient adaptées (par exemple: objectifs d'émissions adaptés, autorisations d’émissions spécifiques à certaines dessertes, réservation de carburants spécifiques pour ses besoins). Ceci nécessite de pouvoir s'appuyer sur une image de marque très positive et influente du secteur, impliquant l'ensemble des acteurs concernés, dont les décideurs. Les gouvernants qui contribuent aux efforts continus d’améliorations doivent logiquement contribuer à développer en parallèle une communication positive sur les efforts menés par le secteur aéronautique en vue de protéger l’environnement. Il serait nécessaire d’en faire un des premiers de la classe. Cette image doit être confortée par le niveau élevé des efforts de recherche, associé à: - des normes établies avec anticipation, bien dosées, claires, justes, cohérentes, efficaces et partagées - en notant que le futur standard de CO2 non seulement a peu de chances de créer une incitation supplémentaire significative par rapport à toutes celles qui existent déjà, mais pourrait avoir des effets contre-productifs, auxquels il faudra parer ; - des performances techniques, environnementales et économiques de haut niveau des produits ; - des caractéristiques de haut niveau aussi en matière de sécurité, fiabilité technique et opérationnelle, confort et traitement du passager dans toutes les phases ; - un standard élevé, adapté à un secteur de haute technologie, pour tout ce qui concerne la valorisation du domaine et des métiers techniques, la formation. 14 Certaines émergences peuvent basculer dans un sens ou dans l’autre, selon les circonstances, les facteurs et les enjeux politico-économiques ; par exemple, les progrès en matière de captation/stockage de CO2 pourraient conduire aussi bien à un relâchement général des contraintes, qu’à un durcissement pour l’aviation, si celle-ci apparaissait en forte croissance relative par rapport à des secteurs où les émissions de CO2 non captées seraient en forte diminution.
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destinée à comprendre les phénomènes atmosphériques et les effets de l’aviation, où des spécialistes du secteur du transport aérien devraient contribuer activement) et aval (recherche appliquée, avec des essais représentatifs mettant en œuvre des démonstrateurs).
- Des « trans-expertises » doivent être développées pour mieux appréhender les aspects transverses et multidisciplinaires propres au domaine environnemental.
- Un traitement efficace du bruit exige la gestion rigoureuse de l’urbanisation autour des aéroports par un organisme qui en a la charge, afin de préserver le bénéfice des efforts technologiques et opérationnels; ce traitement bénéficierait en outre d’un cadre règlementaire assoupli et optimisé minimisant les contraintes et intégrant les interdépendances environnementales.
- La mise en œuvre du concept de compensation des émissions étendu à une notion d’optimisation globale, si les autorités ont recours à elle pour résorber ou faire tolérer dans certaines limites, la croissance des émissions de CO2 du transport aérien, doit être réglementée, affinée et négociée de façon à respecter l’équité et à préserver la viabilité. Ce concept peut englober :
1. des permis spéciaux d’émissions compensés par des mesures de réduction dans d’autres modes de transport ou secteurs jugés moins prioritaire, mais où la rentabilité des réductions serait assez grande pour justifier l’ « échange » (et/ou la pénalité moindre) ;
2. des mesures de dérogation ou dispenses spécifiques, s’appuyant sur le rôle socio-économique majeur et les services irremplaçables du transport aérien (qu’une communication idoine devrait aider à promouvoir) et faisant valoir la faible contribution passée et présente du secteur.
- Dans le cadre de ce qui précède, les mesures, en particulier en matière d’échanges de quotas d’émissions, doivent être prises via une gouvernance mondiale, garante de l’équité et de la maîtrise des coûts, afin d’éviter des effets régionaux et globaux très pénalisants pour le transport aérien et de protéger sa viabilité économique.
- La recherche relative aux particules et à leurs effets doit être intensifiée, avec une implication accrue des acteurs du transport aérien pour assurer un traitement pertinent, efficace et équitable des questions relatives aux particules émises par l’aviation, dans des délais compatibles avec le caractère d’urgence des mesures à appliquer.
- La communication des entités impliquées dans les questions environnementales liées au transport aérien doit rester étroitement connectée au réservoir d’expertise scientifique et technique, afin de protéger durablement la robustesse, la cohérence et la crédibilité. Ceci est essentiel dans un secteur de haute technologie et sur des sujets aussi complexes, multiples et imbriqués. Cela conditionne aussi la visibilité pour les décideurs, la transparence et l’image de marque du secteur tout entier.
- Une approche globale devrait être facilitée et développée pour prendre en compte efficacement l’articulation des problématiques environnementales avec les autres: scientifique, énergétique, géopolitique, économique et sociale, en évaluant le disponible, les besoins, les interactions, et en lançant les actions appropriées.
1.9 RÉFÉRENCES DU CHAPITRE 1
(1) OACI - Convention relative à l’aviation civile internationale - Annexe 16 - Volume I - Bruit des aéronefs
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OACI - Manuel technique environnemental (Doc 9501 - vol. I)
(2) OACI - Orientations relatives à l'approche équilibrée de la gestion du bruit des aéronefs (Guidance - Doc 982)
(3) OACI - Convention relative à l’aviation civile internationale - Annexe 16 – Volume II – Emissions des moteurs d’aviation
OACI - Manuel technique environnemental (Doc 9501 - vol. II)
(4) Air Transport Action Group (ATAG) - www.atag.org (5) European Commission - Flightpath 2050 Europe’s Vision for Aviation - Report of the High Level
Group on Aviation Research (6) Directive européenne 2003/87/CE du 13/10/2003 établissant un système de quotas d’émissions de
gaz à effets de serre dans la Communauté et modifiant la directive 96/61/CE du Conseil Directive européenne 2008/101/CE du Parlement Européen et du Conseil du 19/11/2008 modifiant la directive 2003/87/CE afin d’intégrer les activités aériennes dans le système communautaire d’échanges de quotas d’émissions de gaz à effet de serre.
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2. VUE D’ENSEMBLE
2.1 DÉFIS ENVIRONNEMENTAUX ET RÉPONSES
Le bruit autour des aéroports a engendré, au cours du temps, un système réglementé/géré à plusieurs niveaux (que l’on retrouve dans l’ « approche équilibrée » reposant sur plusieurs piliers) :
- général conceptuel, avec une norme nationale et internationale obligeant les constructeurs à fabriquer des avions et moteurs utilisant la meilleure technologie disponible.
- local opérationnel, les aéroports les plus exposés par le volume du trafic ou les plus sensibles en fonction de leur situation géographique, limitant le bruit émis sur certains points (avec des amendes en cas de dépassement), dans les conditions réelles d’exploitation, et/ou l’énergie sonore globale du trafic, et/ou introduisant des quotas opérationnels en fonction du niveau de bruit, et/ou introduisent diverses restrictions. Ceci est complété selon les cas par des procédures opérationnelles spécifiques, des incitations au travers de taxes et de pénalités.
Les niveaux de bruit effectivement émis par les avions autour des aéroports étant bien corrélés avec les niveaux de bruit certifiés de ces avions, les indicateurs utilisés pour limiter le bruit portent soit sur des niveaux mesurés, soit sur des niveaux certifiés, comme c’est souvent le cas pour les indicateurs d’énergie sonore cumulée.
Il faut s’assurer cependant que les indicateurs et les niveaux certifiés restent représentatifs de la gêne sonore ressentie
Effet direct et « cause unique », le bruit des avions, qui constituait à la base un souci majeur pour les aéroports, s’est ainsi transformé en risque de restrictions pénalisantes pour les compagnies aériennes, et en enjeu majeur pour les constructeurs. Chaque aéroport constitue un cas particulier, bien que les tendances se ressemblent à l’intérieur d’une même région ou entre certains aéroports.
Depuis le début de la décennie, la problématique du bruit a évolué, car une fois « débarrassés » des avions les plus bruyants, aéroports et compagnies ont vécu une période appréciable de répit. Globalement, les études internes de la Commission Prospective suggèrent que malgré l’augmentation prévisible du trafic, le bruit devrait rester maîtrisé grâce aux progrès significatifs des avions, à condition évidemment que les réductions de bruit visées se concrétisent. L’évolution de la situation de certains aéroports à fort trafic, comme Paris-CDG ou Londres-Heathrow, devra être cependant surveillée. Il faut s’assurer d’une part que les indicateurs restent représentatifs et d’autre part que les risques de dépassement des valeurs limites sont minimisés.
La gestion de ce risque, pour éviter qu’il ne contraigne le développement futur du transport aérien, devrait comprendre :
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- d’abord une vérification au niveau local de la pertinence des indicateurs (et leur adaptation si nécessaire) par rapport à la composition évolutive de la flotte, notamment en ce qui concerne les nouveaux types d’avions
- au niveau local et international, la recherche d’aménagements souples du cadre réglementaire qui pourraient permettre une optimisation globale maintenant le niveau de gêne au-dessous du seuil acceptable tout en minimisant les contraintes sur le trafic
- dans tous les cas, la poursuite des efforts d’amélioration opérationnels et technologiques, notamment en les étendant à l’étude de configurations non conventionnelles, tout en prenant en compte leur impact sur les autres facteurs environnementaux, et notamment sur la consommation de carburant.
En parallèle, il paraît crucial que soient prises en charge efficacement, par des autorités compétentes, les questions de gestion de l’urbanisation autour des aéroports en forte expansion, pour éviter de reproduire les problèmes européens en particulier, où les effets d’urbanisations intempestives viennent malencontreusement neutraliser les bénéfices opérationnels et technologiques. Le développement de nouveaux aéroports, qui sera plus important dans les pays en fort développement, en Asie notamment, devrait contribuer à un effet général de « dilution » de l’énergie acoustique produite, mais la conception des aéroports futurs doit prendre pleinement en compte la dimension du bruit et intégrer l’expérience accumulée dans ce domaine, en particulier la nécessité de réglementer le développement de l’urbanisation environnante.
La prise en compte des interdépendances entre les émissions de bruit et des gaz à effet de serre dans le cadre réglementaire devrait aussi être discutée entre les acteurs concernés.
Enfin, il peut s’avérer judicieux que les autorités aéroportuaires et les services de l’aviation civile déploient les moyens de « dépassionner le climat » par un dialogue ouvert, régulier et productif avec les riverains, enrichi par les retours d’un système de surveillance fiable, comme cela se pratique dans certaines régions et dans certains aéroports dans le monde (comme à Canberra en Australie).
L’effet du transport aérien sur la détérioration de la qualité de l’air autour des aéroports est une préoccupation plus indirecte et diffuse, mais importante dans la mesure où la concentration de certains gaz aujourd’hui atteint et parfois dépasse le seuil acceptable - comme dans le cas des NOx à Londres-Heathrow - et ceci bien que la contribution des avions devienne en général modeste dès que l’on s’éloigne des abords immédiats de l’aéroport.
Pour les NOx, si l’utilisation de moteurs conformes au standard de certification le plus récent permet de diminuer les émissions, on ne peut espérer gagner que très peu à travers la modification des procédures opérationnelles telles qu’utilisées aujourd’hui. Pour stabiliser ou limiter l’augmentation des NOx liée à l’augmentation du trafic, il faudra poursuivre la recherche, et l’approfondir en tenant compte de l’impact sur les émissions de CO2.
De même les efforts de recherche relatifs aux émissions de particules, et à leurs effets devront être à la mesure des préoccupations croissantes et de plus en plus fondées dont elles sont l’objet (avec à la clef un nouveau standard OACI à venir).
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La gestion du risque de contrainte de développement induit par le dépassement des concentrations limites autour des aéroports doit aussi inclure la minimisation des émissions autres que celles induites par le décollage et l’atterrissage des avions, notamment :
- en minimisant le carburant utilisé par les avions au cours des roulages au sol par une meilleure planification des mouvements et des procédures spécifiques adaptées (un ou deux moteurs éteints)
- en développant pour la desserte de l’aéroport et le trafic routier interne à l’aéroport des moyens non polluants utilisant l’électricité.
Concernant les émissions de CO2, les scénarios envisagés à l’horizon 2050 combinant croissance du trafic aérien et amélioration de l’efficacité montrent une augmentation nette des émissions de CO2, le niveau atteint dépendant du rythme de croissance que l’on prédit et des autres incertitudes, lesquelles sont multiples et importantes. Pour espérer minimiser dans le futur la croissance des émissions de CO2 associée à celle du trafic, la nécessité de gains importants de consommation carburant des avions (ou de réductions directes ou « équivalentes » de CO2) implique :
- L’adoption éventuelle de configurations alternatives dont il faudra évaluer la « faisabilité et la certificabilité/sécurité », ce qui obligera à faire des efforts importants dans les domaines de la technologie, incluant des vols de démonstrateurs. Il est peu probable que le nouveau futur standard de CO2 qui doit être introduit par l’OACI augmente plus qu’elle ne l’est déjà la criticité de la réduction de consommation du carburant, mais il ne la réduira pas !
- Des arbitrages, car l’évolution technologique ne permettra pas, comme cela a été le cas dans le passé, d’optimiser à la fois le bruit et les émissions de CO2. Il faudra en effet arbitrer des « conflits » de criticité croissante entre bruit et CO2 et entre CO2 et NOx en particulier. Il n’existe pas de critères magiques permettant de décider quelle doit être la priorité, car chaque situation est spécifique, temporelle, et dépend, pour le bruit surtout, d’aspects locaux et régionaux. L’évolution de la règlementation devra faciliter des arbitrages sensés être globalement bénéfiques pour la communauté, replaçant ainsi le transport aérien dans l’ensemble des problématiques environnementales. Ceci nécessitera probablement le développement de méthodologies adaptées, avec le concours indispensable des constructeurs. Au niveau des aéroports, une approche équilibrée généralisée englobant le bruit et les émissions locales et globales, souhaitable, semble se profiler à l’horizon.
- Le recours à des moyens complémentaires tels que la « compensations d’émissions » au sens large, à travers par exemple les systèmes d’échanges de permis ouverts vers d’autres secteurs - à calibrer avec soin pour qu’ils ne soient pas transformés en « pseudo-taxe » contre-productive - et à travers l’utilisation de carburants alternatifs compatibles - à condition de ne pas mobiliser inconsidérément les terres agricoles, ni affamer le monde, ni détruire inconsidérément les forêts, « poumons verts » de la planète…
Contribution du transport aérien à l’effet de serre et au changement climatique L’effet de serre dépend non seulement du CO2, mais aussi, indirectement, des NOx, et de l’effet des traînées de condensation et des particules par l’intermédiaire probable des cirrus induits, avec des incertitudes très grandes.
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Là comme ailleurs, la lutte contre les incertitudes implique une recherche adaptée et équilibrée, et un « filtrage » des hypothèses, associant les plus cohérentes entre elles pour resserrer l’éventail, à l’aide d’une approche probabiliste.
Comment le transport aérien sera-t-il affecté par les perspectives préoccupantes et incertaines du réchauffement climatique à l’horizon 2050 ?
Le transport aérien a une influence mineure aujourd’hui sur celui-ci, mais sa visibilité le met « dans le collimateur » de l’opinion publique et des décideurs, d’autant plus que sa contribution relative à l’effet de serre, par rapport aux autres secteurs (même à l’intérieur du secteur des transports), pourrait augmenter dans le futur. Cependant, on constate dans beaucoup d’analyses que l’on tend à mésestimer le fait que si les autres secteurs sont soumis à de fortes pressions de nature environnementale conduisant à des efforts importants d’améliorations, ou à des contraintes, il est vraisemblable que le transport aérien « subisse une loi semblable », ce qui devrait limiter les écarts entre secteurs dans des projections réalistes.
On peut noter que des mesures diverses selon les régions et les pays pourraient créer des effets régionaux spécifiques sur le transport aérien et le climat.
Enfin, on peut remarquer que la contribution du transport aérien a été si modeste depuis son origine jusqu’à aujourd’hui, que l’on pourrait considérer légitime de lui accorder, en compensation, le bénéfice d’un droit à une contribution relative plus importante dans le futur, dans certaines limites, en s’appuyant sur les services considérables et indispensables qu’il apporte sur le plan socio-économique et culturel, à la fois au niveau individuel et collectif.
2.2 EFFETS SUR LES AUTRES DOMAINES
Le domaine environnemental est transverse par nature, et fortement interconnecté avec les autres domaines intéressant le transport aérien. Une interaction forte avec la plupart des autres thèmes, comme ceux couvrant les aspects sociaux et économiques, l’énergie, la construction aéronautique, les structures d’exploitation et l’ATM, était donc incontournable et anticipée. Dans ce contexte, les hypothèses provenant d’autres domaines ont été adoptées dans les modélisations environnementales - qui interfèrent nécessairement dans un processus itératif.15
Nous anticipons une possible déception de la part de ceux qui espéraient peut-être découvrir des critères environnementaux nets et précis, des outils de décision magiques, mais « les faits sont obstinés », et les incertitudes, les situations et angles de vue spécifiques empêchent parfois de donner mieux que des indications générales et des tendances. Des groupes d’experts très qualifiés, aux USA en particulier, se sont penchés sérieusement sur ce type de questions pendant des années mais il ne semble pas qu’ils aient réussi
15 Cette notion d’itération nous paraît essentielle, car pour progresser dans notre démarche analytique, nous avons sans cesse
besoin de nous référer à des informations « extérieures » au domaine. Cependant, il faut admettre qu’il peut y avoir aussi sur le plan pratique certaines limitations méthodologiques qui font que les hypothèses en provenance d’un domaine ne sont pas directement injectables dans l’autre à cause de la structure des données et des méthodes différentes de part et d’autre, d’où la nécessité de compromis, de substitutions, voire de renoncements parfois, pour surmonter au mieux les obstacles.
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à progresser très significativement. Ce n’est pas une raison pour renoncer, mais il faudra peut-être aborder ces questions sous des angles différents.
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3. INTRODUCTION
“Le temps du monde fini commence“ Paul Valéry (Regards sur le monde actuel – 1931)
Le transport aérien contribue à l’impact des activités humaines sur l’environnement. Pour les émissions gazeuses, cet impact est aujourd’hui mineur par rapport à celui des autres contributeurs. La question se pose différemment pour le bruit, concentré autour des aéroports, bien que si l’on rapporte la gêne à l’ensemble de la population, ou à celle qui bénéficie du transport aérien, on pourrait encore considérer que l’impact relatif du transport aérien est limité.
La spécificité du domaine est telle que sa contribution relative pourrait croître dans l’avenir, en tenant compte de divers facteurs, tels que : l’impact spécifique de certaines émissions en altitude, la sensibilité du taux de croissance du trafic aérien à celui de la population et à celui du PIB, l’évolution possible de la problématique du bruit si celui « en route » devenait gênant, les améliorations provenant d’autres secteurs qui pourraient s’avérer plus faciles et rentables au fil du temps, conduisant alors à un impact comparativement plus important du secteur aérien.
Celui-ci pourrait revendiquer que soit tenu compte dans sa contribution future, de la longue période à très faible contribution jusqu’à aujourd’hui.
Néanmoins, le transport aérien demeure une cible visible et facile, en raison de l’activité concentrée sur un nombre relativement limité d’acteurs « visibles » : constructeurs, exploitants ou aéroports, ce qui, à impact donné, le rend plus « vulnérable », et oblige à rappeler sans cesse son rôle indispensable, irremplaçable.
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4. CONTEXTE GÉNÉRAL
“General notions are generally wrong” Lady Mary Wortley Montagu (letter – 1710)
Évoquer le transport aérien et les questions environnementales aujourd’hui conduit à un double constat :
a) les sujets concernant l’environnement et les énergies - elles-mêmes impliquées dans une double problématique : ressources énergétiques et impact sur le climat - ont pris une grande ampleur ;
b) le transport aérien, miroir du niveau d’activité mondial, a connu un essor et des mutations correspondant à une demande croissante et évolutive corrélée au développement, aux attentes d’ordre économique et social et aux événements extérieurs.
Cependant, d’autres mutations apparaissent à l’horizon, et le contexte géopolitique évolue rapidement…Toute réflexion approfondie sur l’environnement, les transports, et leurs interactions conduit à des questions générales sur les choix et priorités de la société, l’économie, la politique, la place des sciences et de la technologie, la disponibilité et l’utilisation des ressources, voire à des questions encore plus vastes et ouvertes sur les modes de penser et de vivre du futur, et sur les besoins associés en termes de ferments théoriques, scientifiques, philosophiques, sociologiques et psychologiques. On ne s’étendra pas ici sur les débats autour du principe de précaution.
Essayer d’envisager ce que sera, ou ce que devrait être, ou ce que pourrait être le transport aérien à l’horizon 2050, suppose que l’on soit capable de prévoir les évolutions, mutations à venir, les transformations et les ruptures, d’anticiper, encourager, ou freiner, selon le cas, certaines tendances; par conséquent, cela suppose aussi que l’on essaye d’identifier les facteurs les plus influents de ces mutations et ceux sur lesquels on peut agir de la manière la plus efficace. Quel rôle et quelle part les questions environnementales vont-elles prendre dans ces mutations intriquées du transport aérien et du contexte général ?
Compte tenu du caractère évolutif et mutant des questions environnementales et du Transport Aérien, les deux en forte croissance au cours des années passées - avec des soubresauts importants -, combiné au contexte général géopolitique et économique mondial, complexe et mutant aussi, et compte tenu des interactions et incertitudes multiples de toutes sortes, il n’est pas facile de « se projeter dans l’avenir » et d’ imaginer comment se développeront les problématiques environnementales à l’horizon 2050, comment se situera alors le transport aérien par rapport à elles. Ceci n’est pas indépendant de l’évolution de la disponibilité des ressources énergétiques : quelle énergie (quel combustible) sera disponible, pour quel usage, et quand ? Cette question est bouclée avec celle de l’influence du contexte économique et géopolitique en général.
D’autres facteurs jouent un rôle d’une telle importance qu’ils « recouvrent » dans certains cas la préoccupation environnementale : c’est le cas de la consommation de carburant, objet d’enjeux économiques et commerciaux majeurs, qui ne sont pas nouveaux, mais ne cessent de « monter en puissance ».
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Un premier lien entre transport aérien et environnement s’est noué dans les questions de bruit au voisinage des aéroports, avec les premières générations d’avions à réaction bruyants, et avec le cas singulier du Concorde, il y a une quarantaine d’années. Une interaction plus récente au niveau des émissions des moteurs, a entraîné le développement d’un cadre réglementaire aux USA, en Europe et au niveau international (OACI). Dans les deux domaines existent des standards maintenant internationaux et des procédures de certification associées.
A ce jour, les préoccupations de bruit restent prioritaires du point de vue des aéroports, mais les questions de qualité de l’air et de pollution ont progressé en criticité, et celle du réchauffement climatique aussi, devenant de plus en plus prégnante, d’envergure planétaire par définition, conduisant à évaluer l’impact des émissions de l’aviation sur l’effet de serre. Cependant, apparaissent déjà là des effets très dissimilaires, à différents niveaux (importance relative, locale ou globale ; effet spatial ; effet temporel lié à la persistance très variable des produits dans l’atmosphère; nature des conséquences ; possibilités de régulation, de prévention ou protection ; etc.) : le bruit des avions est un facteur quasiment exclusif par rapport aux autres sources, dans le voisinage aéroportuaire. Il affecte toutefois une population très réduite au niveau planétaire, mais les effets politiques locaux sont importants et se répercutent au niveau national et international.
Le bruit a été fortement combattu depuis plusieurs décennies par les constructeurs avec l’aide indéfectible des organismes de recherche, ce qui a conduit à réduire le bruit perçu de l’aviation en moyenne de 75%.
En parallèle, les standards internationaux concernant le bruit des avions ont évolué en plusieurs étapes, avec des niveaux limites de certification chaque fois abaissés. Des limites plus sévères de la norme correspondante de l’OACI ont été introduites en 2013 (« chapitre 5 »), pour une application à partir de 201816.
L’évolution de l’énergie acoustique globale produite par l’aviation ne semble pas représenter un risque significatif, les améliorations prévues étant de nature à compenser l’augmentation du trafic, mais la situation de chaque aéroport restera à surveiller.
Les émissions locales - à basse altitude - des avions (moteurs) contribuent à la détérioration de la qualité de l’air au voisinage des aéroports : elles se mêlent aux émissions plus importantes provenant des autres sources, calorifiques, industrielles ou de trafic, de la zone de chalandise, et leur impact relatif devient vite très secondaire lorsqu’on s’éloigne de l’aéroport. L’évolution prévisible des émissions (NOx en particulier) ne semble pas préoccupante, les améliorations technologiques combinées aux effets des réductions de consommation de carburant devant compenser aux incertitudes près l’effet d’accroissement du trafic. Dans tous les cas, le nombre de personnes affectées reste limité, et l’effet par rapport à l’ensemble des pollutions locales autour de la planète aussi.
Au niveau des émissions de CO2, l’aviation représente environ 11.5% des émissions de l’ensemble des transports (statistiques OACI - 2010) et 2% des émissions d’origine anthropogénique (GIEC - 2007).
16 La nouvelle norme du chapitre 5 abaisse la limite cumulative à -7 EPNdB au-dessous de la limite du chapitre 4, avec une condition
supplémentaire d’une marge d’au moins 1 EPNdB au-dessous de la limite du chapitre 3 pour chacun des 3 points de certification. Elle est applicable aux nouveaux types d’avions soumis à la certification après le 31 décembre 2017 (31.12.2020 pour les aéronefs de masse inférieure à 55T).
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La part de l’aviation dans l’effet de serre est ainsi très limitée, et l’effet dans le temps diffère beaucoup selon les gaz émis (ainsi la persistance du CO2 qui s’étale sur des siècles est beaucoup plus longue que celle des autres émissions).
La consommation de carburant, en raison de son poids économique direct et indirect (prix du carburant, capacité de transport, distance franchissable, coûts opérationnels) a depuis longtemps été au centre des préoccupations liées au transport aérien : elle a entraîné d’importants développements de technologies et de configurations, sans conduire toutefois à des concepts radicalement différents des avions commerciaux. La consommation de carburant a été réduite par de multiples évolutions des moteurs, dont le turbofan double flux, et l’augmentation progressive du taux de dilution, qui ont permis des gains importants à la fois en consommation spécifique et en bruit ; mais, le diamètre du fan augmentant, on atteint une limite en performances globales avec la taille des nacelles et les vitesses de l’air en bout de pale, ces dernières étant génératrices de bruit et de pertes d’efficacité (d’où le développement récent de turbofans à réducteur de vitesse). La consommation de carburant a aussi bénéficié de l’évolution de l’aérodynamique, des réductions de masse structurale (avec l’emploi croissant de métaux légers, d’alliages légers et de matériaux composites, de techniques structurales innovantes), et des améliorations des systèmes.
Tous ces efforts incessants ont conduit à des améliorations d’efficacité, en termes de consommation de carburant, supérieures à 70% depuis les premiers avions à réaction. Ces progrès ont permis au transport aérien de se développer avec un niveau de performance élevé, à travers des systèmes économiquement viables, dans un contexte de forte concurrence commerciale interne au secteur.
Plus récemment, les émissions d’ oxydes d’azote (NOx) ont été réduites grâce à des modifications au niveau des chambres de combustion et des systèmes d’injection de carburant, ceci étant d’autant plus important que les efforts de réduction de consommation spécifique des moteurs impliquaient souvent par ailleurs une augmentation des températures de combustion entraînant la formation de plus grandes quantités de NOx. Là apparaît la notion d’interdépendances environnementales, qu’il est important de prendre en compte, à tous les niveaux.
On s’intéresse par ailleurs de plus en plus aux particules émises par les moteurs, et à leurs effets potentiels sur la qualité de l’air et la santé humaine, et sur le réchauffement climatique.
Le transport aérien a pu dans l’ensemble jusqu’à ce jour répondre aux attentes croissantes des marchés, des citoyens et des voyageurs, malgré les soubresauts et les crises, dont la dernière récente en 2008-2009.
En 2050, le transport aérien pourra-t-il continuer à répondre aux attentes de toutes les parties prenantes ? Quelles sont les mutations à prévoir ou possibles ? Quel sera le niveau des exigences environnementales, et comment se placeront-elles les unes par rapport aux autres ? Quels seront les facteurs prépondérants? Quels seront les impacts sur les acteurs concernés ? Que deviendront les conditions économiques et le prix du carburant ? Comment évoluera le taux de croissance du trafic aérien? Quelles sont les possibilités d’améliorations, les ruptures envisageables ? A quel rythme ? Quelles sont les limites insurpassables et les tendances asymptotiques à prendre en compte (par exemple au niveau des rendements et efficacités) ? Quels produits futurs peut-on envisager, à quelle date ? Y aura-t-il adéquation entre les besoins de recherche, les ressources disponibles et les coûts (de plus en plus élevés en s’approchant des limites physiques…) ? Qu’est-ce qu’il est possible de faire aujourd’hui et dans l’intervalle, pour que le résultat atteint en 2050 soit
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satisfaisant, ou le moins pénalisant possible, en vertus de quels critères ? Quels scénarios envisager, selon quelles hypothèses ? Avec quelles incertitudes ? Quels risques ? Quels effets globaux et régionaux ?
Ces questions sous-tendent ce document et notre tentative pour apporter des éléments de réponses.
Des compléments sur le contexte général sont fournis dans l’annexe II.
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5. OBJET DE L’ÉTUDE
5.1 PÉRIMÈTRE DU DOMAINE - CONTENU ET LIMITES - FRONTIÈRES AVEC LES AUTRES DOMAINES
L’environnement est lié à des questions et contextes multiples : le bruit, les émissions locales (qualité de l’air à basse altitude, pollution), et les émissions globales (effet de serre et impact climatique) sont les trois aspects principaux couverts par le thème environnement. Les domaines concernés sont vastes, présentent de multiples interdépendances entre eux, et sont étroitement liés à d’autres domaines, questions et aspects-clés du transport aérien, et bien au-delà, l’environnement étant par nature un sujet transverse, comme cela a déjà été souligné. Parmi les sujets liés, les énergies renouvelables ne seront envisagées que sous l’angle des bilans environnementaux relatifs aux carburants alternatifs. Le développement durable sera évoqué dans une annexe spécifique, avec d’autres sujets de préoccupation liés à l’environnement, comme les ressources en eau, en nourriture et en matières premières.
L’impact environnemental du Transport Aérien implique des liens et des échanges avec la plupart des autres thèmes, plus particulièrement : Construction Aéronautique, Société, Economie, Energie, Volume du Marché, Structures d’Exploitation, Gestion du Trafic Aérien.
Le thème, quant à lui, couvre les aspects suivants :
- défis environnementaux - critères environnementaux - bilans environnementaux - modélisations et projections - solutions, conclusions et recommandations Le tableau joint en annexe I, qui a servi à lancer l’étude dans ses grandes lignes, précise ces points ainsi que les liens avec les autres domaines.
A noter cependant que le déroulement de l’étude a conduit à s’écarter parfois de ce tableau, soit pour se concentrer sur les points les plus importants, aux dépens d’autres jugés moins importants, soit pour ajuster les activités et les priorités du thème en fonction de l’avancement et de la cohérence au niveau d’ensemble de la CP. Les points non traités ou nécessitant des analyses complémentaires font l’objet des sections 7.4 et 7.5 de cette étude.
5.2 DÉFIS ENVIRONNEMENTAUX
Les principaux défis sont liés aux aspects suivants :
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a) Les exigences environnementales: critères/hiérarchie/équivalence/évolution ? b) Les incertitudes fortes à tous les niveaux (scientifique, énergétique, technique, technologique, industriel,
politique, socio-économique, géopolitique, modélisation,…). Parmi les incertitudes les plus significatives, on citera celles concernant :
- La croissance de la population et de l’économie - Le phénomène du réchauffement climatique et les effets de l’aviation - L’influence des émissions locales, et des particules en particulier, en relation avec les activités du
transport aérien - La disponibilité et le prix de l’énergie (y compris les carburants alternatifs) - Le prix des billets et l’évolution de la demande en général, en liaison avec les comportements en
matière de consommation des voyages et de protection de l’environnement - Le développement technologique - Les politiques gouvernementales et réglementaires et les influences qui s’exercent dans ce contexte - La capacité de développement des aéroports - La rentabilité des compagnies aériennes
c) La durée de vie des avions et les avions les plus âgés (au-delà de trente ans) ayant de ce fait un impact environnemental plus sévère
d) Les différents niveaux de législation : mondial versus régional, local…ou individuel (discriminations, droits d’émissions individuels)
e) La stratégie de communication et l’image du transport aérien. Un défi générique important consiste par ailleurs à faire la part des « vrais » et des « faux » problèmes, des « vraies » et des « fausses » solutions, à tenter de comparer les divers facteurs influents, en prenant en compte les variables temps et ressources, et certains facteurs plus ou moins irrationnels, dans un contexte plein d’incertitude, notamment en ce qui concerne l’activité économique.17
17 A propos des incertitudes sur les prévisions économiques, le célèbre économiste américain John Kenneth Galbraith écrit dans
“Les Mensonges de l’économie” (2004) : « …un fait d’une évidence incontournable, mais généralement ignoré : on ne peut anticiper avec certitude le comportement futur de l’économie, le passage des périodes fastes à la récession ou à la dépression et vice-versa. Les prédictions sont surabondantes mais les connaissances ne sont pas solides. Tout est lié à la conjonction protéiforme de l’action incertaine de l’État, du comportement inconnu des entreprises et des individus et, au niveau mondial, de la paix ou de la guerre. Il faut tenir compte aussi d’imprévisibles innovations technologiques ou autres, et de la façon dont consommateurs et investisseurs y réagiront. Ajoutons à cela l’impact variable des exportations, des importations, des mouvements de capitaux, et de la réaction des entreprises, de la population et de l’État. Conclusion plus qu’évidente : la résultante de tant d’inconnues ne peut être connue. C’est vrai pour l’économie en général, c’est vrai aussi pour un secteur ou une entreprise en particulier. La prévision économique a toujours fonctionné de cette façon. Et il en sera toujours ainsi. ». Les crises récentes qui ont pris de court les économistes semblent lui donner raison…
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6. DONNÉES EXOGÈNES ET ENDOGÈNES
6.1 RAPPEL DES DONNÉES EN PROVENANCE DES AUTRES DOMAINES (OU EN-DEHORS D’EUX)
Faits acquis
Évolution de l’effet de serre et du réchauffement climatique (données scientifiques)
Le GIEC, organisme référent de l’ONU, via la CNUCC, est chargé d’établir et mettre à jour un état synthétique des connaissances scientifiques sur l’évolution du climat, au niveau mondial. Il a publié un rapport majeur en 1999 (données de 1992), mis à jour en 2007 (données de 2005) sans que les caractéristiques relatives à l’aviation aient été particulièrement révisées. L’aviation a un effet sur la composition de l’atmosphère qui contribue à affecter le climat et la couche d’ozone dans la haute atmosphère. Les principaux éléments ressortant de l’étude sont résumés dans la figure 1 ci-dessous, extraite des publications scientifiques de 2008 sur lesquelles s’appuie encore le GIEC à ce jour.
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Figure 1
L’impact de l’aviation sur le climat provient d’effets des émissions de CO2 (effets à long terme), auxquels s’ajoutent des effets à beaucoup plus court terme, notamment d’autres émissions, qui incluent vapeur d’eau, particules et oxydes d’azote. Le forçage radiatif de l’aviation (effet net dans l’équilibre des quantités de rayonnement émis et absorbés par la planète) se chiffrait à 55 mW.m-2 (hors effet cirrus) ou 78 mW.m-2 (effet cirrus inclus), soit respectivement 3.5% ou 4.9% du forçage radiatif total d’origine anthropogénique dans les données citées en 2005.
Les effets des émissions de CO2 sur la température de surface moyenne globale durent plusieurs siècles, au lieu de durées plus faibles voire beaucoup plus faibles qu’une vie humaine pour les autres émissions.
Les émissions d’oxydes d’azote (NOx) produisent de l’ozone, un gaz à effet de serre, mais détruisent le méthane, un autre gaz à effet de serre ; l’effet net total, dans l’état des connaissances rapportées, est un réchauffement de l’atmosphère. Les émissions de NOx des avions subsoniques (cas de la flotte d’avions civils actuelle) ne semblent pas avoir un effet sur la couche d’ozone stratosphérique.
Selon les scénarios considérés par le GIEC qui supposaient une réduction radicale des émissions des autres secteurs que l’aviation, son forçage radiatif pourrait dans ce cas être d’ici à 2050 multiplié, par un facteur 3 ou 4 par rapport au niveau 2000. Cette interprétation est toutefois sujette à discussion (voir plus loin).
Il est important de noter que malgré les progrès faits dans les modélisations et en dépit des efforts de recherches déjà faits, de très fortes incertitudes subsistent quant aux effets physico-chimiques de l’aviation sur la troposphère, notamment par le biais des traînées de condensation, des particules et des cirrus induits, pouvant faire varier substantiellement l’effet global de l’aviation sur le forçage radiatif. Il est indispensable que les recherches soient poursuivies et intensifiées, compte tenu des répercussions, dans une perspective qui n’est pas limitée évidemment au transport aérien. Par ailleurs, le GIEC a été et continue d’être au centre de débats animés et profonds, autour de certains points de ses rapports et autour de ses processus, entraînant un renforcement des procédures de consolidation au niveau de l’ONU, et si cela ne semble pas devoir remettre en cause l’aspect qualitatif des conclusions ci-dessus, cela en tout cas ajoute aux incertitudes qui les sous-tendent.
Ces débats ont soulevé des questions plus fondamentales sur le rôle de la science, l’indépendance et les motivations des scientifiques et les relations entre la science et le politique, le principe de précaution, qui ne sont pas traités dans la présente étude.
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Données complémentaires sur les émissions, le changement climatique et la pollution locale, les règlements environnementaux : voir annexe III.
Données complémentaires générales sur la croissance du trafic aérien, la technologie, les produits, et la flotte et l’effet des carburants futurs : voir annexe IV.
Facteurs économiques
Les instruments économiques sont en général considérés comme un adjuvant aux autres mesures pour réduire les impacts environnementaux, et utilisés pour inciter, moduler et prévenir.
Les mesures d’ordre économique constituent un « quatrième pilier » qui accompagne les trois autres que sont les améliorations technologiques, opérationnelles et de gestion de la circulation aérienne (ATM).
Les facteurs économiques ne sont pas indépendants des autres : ainsi, des études économiques d’impact (efficacité en coût, ou coûts-bénéfices) sont destinées à évaluer l’effet potentiel d’autres mesures, afin d’optimiser celles-ci (par exemple : nouvelle norme), l’efficacité économique étant alors utilisée comme un critère commun ou comparatif, contribuant à l’arbitrage final (sans le piloter entièrement). Ces études, de même que les mesures d’ordre économique, sont des sujets très sensibles pour les opérateurs, qui subissent en fin de compte de plein fouet l’impact économique combiné de l’ensemble des mesures, qui vient s’ajouter aux charges existantes. Les constructeurs sont sensibles aussi à ces aspects, par rebond. Notons ici l’effet cumulé sur les exploitants des augmentations de prix du pétrole, qui à travers le prix du carburant pèsent sur leurs coûts, et qui au travers des impacts économiques généraux contractent leurs revenus, auquel s’ajoute l’impact de mesures économiques à visée environnementales (achat forcé de permis d’émissions, taxe carbone, etc.).
Les études menées dans le passé au sein de l’OACI ont montré que les mesures d’ordre économique, ou « basées sur le marché » (systèmes d’échanges et plafonnement de quotas d’émissions « cap-and-trade », redevances, taxes), étaient d’une efficacité limitée (avec une décroissance significative d’efficacité dans cet ordre sur le plan environnemental et un impact économique croissant).
Les facteurs économiques, au-delà de ce rôle de « levier », ont un poids considérable évident sur l’ensemble du contexte : trafic, produits, effets sur l’environnement ; ils s’immiscent dans les questions environnementales comme partout ailleurs, en faisant souvent passer les autres aspects au second plan, tout en ayant un impact de premier plan sur eux. Le lien entre les questions environnementales et économiques tend à devenir de plus en plus fort, du fait de la croissance des impacts et des risques environnementaux, et des mesures préventives et curatives correspondantes (cf « économie verte », « croissance verte », « énergie verte », etc.), intriquée aussi avec les problématiques des ressources énergétiques et de leurs coûts. La notoriété et l’impact du rapport de Nicholas Stern de 2006 sur l’ « économie du changement climatique » reflètent cette émergence majeure. Les questions de disponibilité, de coût, les questions de réduction de consommation de carburant, d’émissions, et d’impact environnemental, y compris au niveau du transport aérien, sont ainsi difficiles à dissocier.
L’annexe V fournit des informations complémentaires sur les facteurs économiques.
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Facteurs opérationnels
Les facteurs liés aux opérations en vol, aux opérations aéroportuaires, à la gestion du trafic aérien, et dans d’autres phases de la vie des avions, jouent un rôle important dans l’impact sur l’environnement. Des efforts significatifs ont été consentis dans les divers domaines, par les divers acteurs concernés, avec des gains appréciables obtenus. D’autres gains sont attendus de la poursuite de ces efforts dans le futur.
L’annexe VI fournit des informations complémentaires sur les facteurs opérationnels.
Autres données générales liées à l’environnement
On ne citera pas ici, car elles sont pratiquement sans limites, les innombrables données existantes sur l’environnement et les multiples disciplines qui s’y rattachent (voir contexte général), dont nous n’utiliserons qu’un nombre très limité pour le bénéfice de notre étude.
Hypothèses retenues
Hypothèses d’évolution du trafic aérien
Dans les « scénarios » environnementaux envisagés, nous avons adopté l’hypothèse de croissance des PKT établie par le thème « Volume du Marché », fondée sur une analyse pertinente et conduisant à un niveau réaliste, comme diverses sources et études récentes le confirment (voir annexe IV).
Le taux de croissance annuel moyen au niveau mondial en PKT est ainsi égal à 2.87 % entre 2010 et 2050.
Ce taux annuel moyen conduit à un facteur multiplicatif sur le trafic (PKT) de 3.10. Ces chiffres n’excluent pas évidemment des différences régionales importantes, avec des taux nettement plus élevés dans les pays émergents que dans les pays anciennement industrialisés. Par ailleurs, pour les études relatives au bruit, nous avons utilisé la prédiction d’évolution du nombre de vols établie par le thème « Volume du Marché » (de 28 millions de vols en 2010 à 60,2 millions de vols en 2050), soit un facteur 2,15 sur le nombre de vols ou de mouvements.
Enfin, nous avons utilisé la prédiction (approximative) d’évolution du nombre d’aéroports de plus de 1 million de passagers par an du thème « Structures d’Exploitation » (de 500 en 2010 à 700 en 2050).
Hypothèse de coefficient de remplissage
Les coefficients moyens de remplissage des avions adoptés correspondent à ceux établis par le thème « Volume du Marché », soit 0,78 en 2010, et 0,85 en 2050. Ceci conduit à un effet bénéfique de -8.2 % en termes de consommation de carburant sur la période considérée (-0,22% en moyenne par an).
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Autres hypothèses « externes »
1. Facteurs économiques et compensation carbone18 : il a été noté que le facteur coût du carburant pesait lourdement sur l’ensemble de la situation économique du secteur, et se potentialisait avec les effets de mesures économiques. La compensation carbone a un double aspect, économique et environnemental comme le mettent en évidence les systèmes d’échanges de permis d’émissions.
2. Carburants alternatifs: cette source de réduction potentielle des émissions de CO2 pourrait être assimilée à une forme de compensation carbone, dans la mesure où il s’agit d’une économie d’émissions de provenance externe (spontanée, en amont, par différence avec la compensation liée à l’achat de quotas d’émissions, qui représente une action volontaire ou imposée, en aval).
3. Autres effets limitatifs (aéroports, trafic, réseau, infrastructures, etc.) Les hypothèses quantitatives associées sont présentées simultanément avec les autres (voir ci-dessous).
6.2 RAPPEL DES DONNÉES PROPRES AU DOMAINE ÉTUDIÉ
Faits acquis
Objectifs
Objectifs ACARE – 2020
Les objectifs européens relatifs à l’impact environnemental de l’aviation concernent les produits livrés futurs incorporant des technologies mûres à partir de 2020, par rapport à une référence de produits en exploitation en 2000 :
- Bruit : réduction du bruit perçu de moitié, soit -10dB par opération (d’atterrissage ou de décollage, donc -30dB en cumulé sur les 3 points de certification)
- Emissions de CO2 : réduction de 50% (cellule, moteurs, ATM et opérations) - Emissions de NOx : réduction de 80% des émissions de NOx globales Ces objectifs sous-tendent de multiples projets à visée environnementale, dont certains sont des plateformes technologiques ou des projets intégrés de grande envergure avec démonstrateurs, dans le cadre des programmes-cadres pluriannuels gérés et partiellement financés par la Commission Européenne.
Des objectifs identiques et une approche par projets similaire existent au niveau français à travers les activités du CORAC.
18 La compensation carbone, dans le contexte d’un marché du carbone, consiste pour le transport aérien en l’achat de quotas
d’émissions de CO2 au travers d’un système d’échanges et plafonnement de quotas d’émissions (ceci conduisant à la possibilité de réduire d’autant la part d’émissions imputable au secteur).
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Objectifs européens Flightpath 2050 (par rapport à un avion nouveau typique de 2000)
- Bruit : réduction du bruit perçu de 65% (soit environ -15 dB par opération, ou -45 dB cumulés) - Emissions de CO2 : réduction de 75% par passager.km19 - Emissions de NOx : réduction de 90% des émissions de NOx globales - En outre : 0-émissions au roulage ; conception et fabrication d’aéronefs recyclables ; politique
énergétique forte faisant de l’Europe un centre d’excellence sur les carburants alternatifs renouvelables ; Europe à l’avant-garde de la recherche sur l’atmosphère, des plans d’action et standards environnementaux.
Objectifs de l’industrie et de l’ OACI
L’Industrie d’une part, l’OACI d’autre part ont établi des scénarios et des objectifs qui sont rappelés dans l’annexe VII.
Impact environnemental actuel du transport aérien: la situation est présentée dans l’annexe VIII.
Prévisions
Vue générale du futur concernant le bruit des avions : voir annexe IX.
Prévisions de l’Industrie (GMF-AIRBUS, Outlook-Boeing, prévisions motoristes, IATA, compagnies aériennes, ACI, aéroports, etc.)
L’industrie aéronautique, dont l’activité et les produits s’inscrivent dans le long terme, se doit de disposer d’outils prévisionnels élaborés. Une partie des données reste nécessairement confidentielle, mais par ailleurs, pour des besoins de marketing et discussions avec leurs clients, elle produit aussi des prévisions disponibles pour le grand public. Celles des constructeurs (notamment le GMF-Airbus et l’Outlook-Boeing), lesquels sont situés en amont de la chaîne, avec des investissements considérables en jeu (recherche, développement, production, chaînes d’assemblage, essais en vol) sont particulièrement approfondies, et « auscultées » par tout le secteur.
Prévisions de l’OACI :
Des projections de l’OACI couvrant la période 2006-2036, basées sur des travaux datant de plusieurs années, montraient un taux de croissance des TKT de 4.1% environ, que nous-mêmes et divers observateurs sont en
19 correspondant à une réduction de 67% par rapport à 2010. Ceci équivaut approximativement à l’objectif de croissance neutre en
carbone à partir de 2020 poursuivi par la communauté aéronautique (industrie, OACI).
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droit de questionner aujourd’hui : leur tendance n’est-elle pas optimiste20, sur la base d’analyses indépendantes plus récentes, et ne conduisent-elles pas à une estimation pessimiste quant à l’évolution des impacts ?. Quoi qu’il en soit, les scénarios présentent un large éventail, selon les hypothèses d’améliorations technologiques et opérationnelles (voir annexe XI).
Autres prévisions (GIEC, EUROCONTROL, Commissions UK, etc.)
Au même titre que pour l’ensemble des données sur l’environnement, il existe un nombre très important de prévisions concernant l’évolution à plus ou moins long terme, pour la situation globale, par régions, ou par secteurs, pour tous les aspects. On n’en dressera pas la liste ici, mais cette étude tente d’intégrer les résultats des analyses les plus pertinentes.
Hypothèses retenues
Bruit
Hypothèses d’amélioration de la flotte
En bruit EPNdB avion cumulé (3 points de certification) : si on combine les objectifs ACARE, OACI et industrie, on peut estimer un gain pour la flotte en moyenne, de l’ordre de 12 EPNdB cumulés en 2050, que l’on peut répartir en 5 dB pour le bruit de survol et le bruit latéral (décollage), et 2 dB en approche.
Pour les avions de types nouveaux, cette amélioration pourrait atteindre 15-21 dB (6-8 dB aux points de certification de décollage, 3-5 dB en approche). Un tel niveau d’amélioration suppose cependant un changement de configuration (avec probablement un masquage de sources), et il ne s’applique pas aux configurations de type « open rotor » dont le potentiel d’amélioration est nettement plus limité et demeure incertain sur la base des connaissances actuelles (0 - 5 EPNdB cumulés, avec des incertitudes importantes à lever par les recherches ciblées prévues). Ces hypothèses sont cohérentes avec les données du thème « Construction Aéronautique ».
Autres hypothèses dans les prédictions d’évaluation du bruit et de son impact
Les autres hypothèses utilisées sont les hypothèses externes déjà mentionnées concernant la croissance du trafic moyen mondial, du nombre de vols et d’aéroports (plus celles des riverains d’aéroports en zones d’exposition au bruit sous-jacentes dans les scénarios OACI de populations affectées, dans l’annexe XI).
Divers termes correctifs ont été en outre introduits dans l’analyse, notamment pour prendre en compte dans le renouvellement de la flotte les effets d’ordre de remplacement des avions (car, en général, ce sont d’abord
20 Les prévisions de l’OACI concernées intègrent des données prévisionnelles des constructeurs, lesquelles peuvent difficilement
échapper à une relative part d’optimisme, sous l’emprise de facteurs d’ordre non-technique
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les appareils les plus anciens et les moins performants qui sont remplacés), et de la tendance de la masse des avions à augmenter.
CO2
Hypothèses d’amélioration de la flotte par renouvellement (y compris nouveaux types d’avions)
En s’appuyant sur une étude de renouvellement de flotte par grandes catégories d’avions, faite en 2008 et réactualisée depuis, on aboutit à une réduction de la consommation moyenne de carburant de la flotte de 0.72% par an, pour la période 2010-2050. Cette valeur est relativement conservative par rapport à la plupart des études existantes.
Autres hypothèses quantifiées (y compris les hypothèses externes, regroupées ici pour la clarté de l’exposé) : celles-ci sont résumées dans le tableau suivant.
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Hypothèses ∆ % moyen annuel
∆ % 2050
-2010
Fact.
Multipl.
2050/2010
∆ %
2050
-2010 cum.
Sources autres thèmes Informations complémentaires
Croissance du trafic (PKT) +2.87 +210 3.10 - Vol. du Marché
Gain consommation carburant (techno.)
-0.72
(-1.07, hors renouvellement)
-25 0.75 -25
Construc. Aéron. (-35%, hors renouvellement)
+ modèle renouvellement de flotte
(études constructeurs - 2008, réactualisées)
Gain de consommation carburant ATM + OPS -0.16 -6 0.94 -29,5
ATM (part: -3% )
Estimation part Opérations (OPS)
-3% total ATM+OPS = -6%
Ajustement « potentiel évolutif » (ape)
- assimilable pour une grande part à une optimisation du réseau au sens large
-0.13
(part consom. carburant:
-0,06)
-5 0.95
(Part consom. carburant :0,975)
-
Estimation (capacité limitée hors restrictions volontaires, plafonnements temporaires/locaux, quotas et compensations supplémentaires, actions et ajustements sur organisation, infrastructure,...)
Gain de consom. carburant ATM + OPS + ape / ops
-0.93 -31.2 0.69 -31.2 Résultat de calcul (inclut ½ de
l’ajustement potentiel évolutif ape = part consom. carburant = -2.5%)
Effet coefficient de remplissage -0,21 -8,2 0,92 -36,9 Vol. du Marché Résultat de calcul
Gain de consommation carburant total, -1,14 -36,9 0,63 -36,9 Résultat de calcul (inclut l’effet du
coefficient de remplissage)
Gain CO2 Biocarburants
-0.13
(cum:
-1,27)
-5 0.95 -40
Estimation (10% introduction x 50% d’effet de réduction sur cycle C -5%)
Gain CO2 compensation Economie Carbone -0.26 -10 0.90 -46
Estimation (plafonds / échanges de permis d’émissions / crédits carbone,…)
Gain CO2 conso.carb.+ compensation hors ape -1.53 -46 0.54 -46 Résultat de calcul
ape - effet supp. CO2
(voir ci-dessus) -0,06 -2,5 0,975 -47,4 Estimation (voir ci-dessus)
Total gains CO2 -1.59 -47,4 0.53 -47,4 Résultat de calcul (inclut ape - effet supplémentaire CO2 = -2,5%)
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La réduction totale d’émissions de CO2 atteint donc 47% environ, soit 1.6% par an (effets biocarburants et compensation carbone inclus. Ces hypothèses sont illustrées dans le diagramme de la figure 2 ci-dessous.
* inclut effets a.p.e. = ajustement potentiel évolutif (assimilable pour une grande part à une optimisation du réseau au sens large ) dont 1/2 dans l’effet sur la consommation carburant (intégrée dans OPS), et la totalité sur l’effet CO2 (compensation).
Figure 2 - Réduction des émissions de CO2 du transport aérien entre 2010 et 2050
Remarque : les émissions aéroportuaires de CO2 autres que celles liées aux avions en vol n’ont pas été estimées isolément, compte tenu de la très grande variabilité locale. Cependant, compte tenu du faible pourcentage qu’ils représentent par rapport au total des émissions de l’aviation, on peut considérer que les effets de réduction de CO2 correspondants sont pris en compte dans le facteur Opérations et ATM ci-dessus.
NOx
Hypothèses d’amélioration de la flotte
L’hypothèse de base provenait d’une étude conduite par les constructeurs européens en 2008 dans un contexte mixte ASD-ACARE-OACI/CAEP. Cette étude prenait en compte une réduction des NOx moyenne
pour la flotte, renouvelée avec introduction de moteurs à émissions de NOx réduites.
Cette hypothèse a été ajustée pour tenir compte d’estimations faites par les motoristes dans le contexte des travaux OACI-CAEP/8, où un facteur de réalisation était introduit, conduisant à un net fléchissement des améliorations, surtout après 2026.
L’hypothèse finale retenue est illustrée par le graphique ci-dessous (figure 3), qui montre une réduction de 46% des émissions de NOx entre 2010 et 2050.
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Figure 3
Autres hypothèses dans la prédiction d’évaluation des émissions de NOx
Les autres hypothèses utilisées dans l’analyse sont celles de la croissance du trafic moyen mondial et de taux de réduction de la consommation de carburant détaillées précédemment.
Particules
Toute prédiction d’évolution des quantités d’émissions de particules repose également sur des hypothèses de croissance du trafic, de quantité de carburant consommé et des propriétés physico-chimiques du type de carburant consommé.
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7. RÉPONSES AUX DÉFIS
7.1 PROJECTION DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX - PRINCIPAUX RÉSULTATS
Bruit
Situation prévisionnelle du bruit de certification
En liaison avec les objectifs et hypothèses exposés précédemment, elle est représentée schématiquement sur le diagramme de la figure 4 ci-dessous, qui montre également les niveaux de bruit des avions actuels.
Ce diagramme est focalisé sur les bimoteurs, sachant que le développement de nouveaux types d’avion sera concentré principalement sur cette catégorie dans la période considérée21.
Figure 4
21 On notera que le diagramme n’est pas à jour en ce qui concerne le chapitre 5 adopté en 2013 par l’OACI, qui abaisse la limite
cumulative de 7 EPNdB (le point d’interrogation (« En dicussion - 2016 ? ») n’a donc plus de raison d’être. Cependant, cela ne change pas les prévisions pour les niveaux futurs.
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Projection quantitative du bruit du trafic global
Comme d’autres caractéristiques, une telle projection repose sur une double prédiction : d’une part celle du taux de croissance du trafic, d’autre part celle du taux d’amélioration des performances acoustiques des avions lié à la fois aux performances intrinsèques de ces derniers (par l’intermédiaire de la masse) et aux améliorations d’ordre technologique et opérationnel. L’infrastructure joue également un rôle, et surtout, la position relative des populations, des bâtiments et des habitations par rapport aux pistes de décollage et atterrissage.
Au cours du temps, les deux grandes variables (taux de croissance et améliorations) se combinent à travers le renouvellement progressif des flottes et l’augmentation du nombre d’avions et d’opérations.
Toute tentative d’analyse quantitative globale concernant le bruit ne peut être que superficielle, car le contexte de chaque pays, le contexte régional et local, la situation de chaque aéroport sont différents, et les types de trafic et les types d’avions sont des paramètres majeurs. Dans une vision prospective à l’horizon 2050, avec le nombre de variables en jeu et l’importance des incertitudes, on peut facilement concevoir la difficulté d’un exercice complet et détaillé.
D’une façon simpliste, si on considère le facteur multiplicatif 2,15 sur le nombre de mouvements, dans la période 2010-2050, on en déduit un nombre de décibels moyen à « gagner », par mouvement, pour conserver l’énergie sonore, de 3.3 dB 22.
La comparaison des chiffres ci-dessus aux hypothèses de réduction de 5 EPNdB au décollage et 2 EPNdB en approche (cf. section 6), suggère que l’énergie sonore devrait diminuer au décollage mais pourrait augmenter pour l’approche, avec les réserves qu’impose une approche globale simpliste23.
En particulier, les situations locales peuvent différer beaucoup, or c’est à ce niveau que se posent concrètement les questions de nuisance ou gêne sonore.
Dans les évaluations et dans les mesures à venir, il est donc important de s’assurer que les indicateurs utilisés et les niveaux certifiés soient représentatifs de la gêne sonore causée par le trafic aérien. 22 soit 0.08 dB par an en moyenne. Par rapport aux études menées au sein de l’OACI (CAEP) dans la période 2007-2010, avec le
concours des constructeurs et des centres de recherche (principalement européens et nord-américains), on reste au-dessous de la fourchette de 0.1 - 0.3 dB par an telle qu’elle ressort de ces études. Mais ceci concerne les avions nouveaux améliorés, et non la moyenne de la flotte.
23 Il convient de relativiser ce genre d’évaluation globale moyenne, à visée principalement indicative, compte tenu :
1) des effets asymptotiques des améliorations technologiques avec le temps, compensés en partie par le fait que la flotte de référence (2010) possède encore un potentiel d’améliorations important par rapport à l’état de l’art technologique dont bénéficient (ou bénéficieront) les nouveaux avions, en liaison aussi avec la réglementation incitative et les gains opérationnels possibles ;
2) des incertitudes sur le taux de croissance, des particularités régionales et aéroportuaires, des niveaux de bruit et des problématiques variables selon les catégories d’avion et les caractéristiques de la flotte fréquentant chaque aéroport, selon aussi que l’on considère le décollage ou l’atterrissage.
L’énergie sonore totale combine en effet des opérations (décollages et atterrissages) d’avions divers (avec introduction progressive de types d’avions nouveaux, incorporant diverses technologies, avec des effets de réduction de bruit différents selon le type, opérés à des masses diverses sur différents aéroports avec des procédures différentes, d’où la prudence requise dans le maniement des chiffres.
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Dans le cas où la situation de bruit se dégraderait dans certains aéroports se poserait une fois de plus la question d’éloigner les habitats autant que nécessaire dans le cadre d’une gestion des sols volontariste et préventive, qui est indispensable de toute façon.
Une étude prévisionnelle de l’évolution de l’énergie sonore totale émise par la flotte mondiale entre 2010 et 2050, indique une tendance générale rassurante, avec ou sans incorporation de moteurs de type « open rotor » dans une partie de la flotte, et que soit pris ou non en compte l’effet de dilution lié au nombre croissant d’aéroports. Toutefois, il s’agit là d’une analyse approximative et très globale, à laquelle s’appliquent donc impérativement les réserves déjà exprimées à ce sujet.
Les résultats de l’étude sont résumés dans les figures 5.1 à 5.4 ci-dessous.
Figure 5.1
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Figure 5.2
Figure 5.3
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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Figure 5.4
Concernant la correction liée au nombre croissant d’aéroports (données du thème « Structures d’Exploitation ») : la correction correspond en fait au nombre en augmentation des aéroports de plus d’ 1million de passagers par an (environ 200), rapporté non pas au nombre supplémentaire de ces aéroports en 2010 (500) mais au nombre total d’aéroports en 2010 (environ 1600), ce qui assure un ratio minorant (12.5% = 200/1600) au lieu de 40% (200/500) qui serait à coup sûr un majorant. Ceci permet de tenir compte du poids relatif dominant des aéroports à grand trafic, en termes d’énergie sonore totale cumulée. Cependant, pour simplifier et pour rester indépendant de cette correction approximative, le résumé de l’étude n’a retenu que les niveaux non corrigés de cet effet, ce qui ne change rien aux conclusions. Ces niveaux sont rassemblés sur la figure 5.5 ci-dessous.
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Figure 5.5 : Évolution de l’Énergie Sonore Totale 2010-2050 (Projection basée sur estimations AAE)
Conclusion et Perspectives sur le bruit – Interdépendance Bruit-Emissions
Le bruit est protégé par un cadre réglementaire solide et éprouvé au niveau national et international (norme et procédures de certification OACI, qui a stimulé les progrès techniques passés, lesquels ont permis de réduire fortement les nuisances sonores, exprimées par des niveaux de bruit individuel (75 % du bruit perçu), ou cumulé sur une période, ou correspondant à des contours ou des surfaces d’exposition.
La tendance générale devrait se poursuivre grâce au renouvellement de la flotte par des avions toujours plus performants sur le plan acoustique, malgré la croissance du nombre de vols. Ainsi, au vu des résultats des études récentes sur l’énergie sonore totale ci-dessus mentionnées, il apparaitrait un découplage entre l’énergie sonore totale et le trafic, et la problématique du bruit ne devrait donc pas conduire à des difficultés majeures insurmontables. Ces résultats laissent même espérer que dans les compromis entre bruit et CO2 (voir ci-dessous), on pourra disposer d’une marge relative côté bruit. Toutefois, ces résultats ne prennent pas en compte les situations locales et ils doivent être impérativement mis en perspective. Il est donc prudent de considérer que la situation du bruit, à l’horizon 2050, peut demeurer localement un sujet de préoccupation et une contrainte potentielle, et qu’il faudra dans tous les cas poursuivre les efforts dans les différents domaines (technologiques, opérationnels et infrastructurels), en prenant en compte les aspects d’interdépendances environnementales (voir ci-dessous). En effet, sur certaines plateformes potentiellement critiques à forte densité de trafic, le bruit restera un enjeu majeur, et devra être surveillé, en prenant en compte dans les analyses ainsi que dans le cadre réglementaire (sur la base des études psycho-acoustiques appropriées), tous les éléments contributifs de la gêne acoustique, notamment :
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- les caractéristiques du spectre acoustique pouvant affecter la perception du bruit au voisinage de l’aéroport, mais aussi éventuellement en route ;
- le risque de nuisance sonore provoquée par un événement isolé24 - les effets aggravants induits par la concentration/répétition des événements liées aux variations
de densité du trafic aérien dans certains intervalles de temps. La zone Asie présente une situation différente par rapport à l’Europe et aux États-Unis, compte tenu de l’augmentation plus forte de son trafic, accompagnée toutefois de l’augmentation du nombre d’aéroports pour lesquels il est encore temps de prévoir des mesures préventives. Le principe OACI de l’approche équilibrée doit être appliqué partout, pour résoudre les problèmes de bruit autour des aéroports de la manière la plus efficace, tant sur le plan environnemental qu’au niveau des coûts, en considérant les quatre piliers principaux : réduction du bruit à la source, aménagement des sols, procédures de moindre bruit et restrictions opérationnelles.
La réduction du bruit à la source, pilier fondamental de cette approche, suppose que les efforts de recherche et développement technologiques appropriés - qui sous-tendent nos prévisions - soient poursuivis intensivement, avec des ressources adaptées en conséquence25.
Il est donc essentiel de profiter des bénéfices de la technologie et des mesures opérationnelles, en désignant et renforçant, dans chaque cas où la situation l’exige, une autorité compétente responsable du contrôle de l’urbanisation qui surveille l’application de l’ensemble des règlementations locales, nationales et internationales26, et empêche toute implantation d’habitation non assurée d’une exposition au bruit inférieure à la limite règlementaire adoptée. Déjà aujourd’hui, dans les processus OACI de renforcement de la norme acoustique et de l’élaboration d’objectifs technologiques à moyen et long terme, la notion de prise en compte de l’impact potentiel sur les autres paramètres environnementaux (CO2 en particulier). Les discussions en marge des processus d’accroissement de sévérité de la norme de certification acoustique mentionnés précédemment (le plus récent ayant eu lieu en 2013) pourraient être l’occasion pour les constructeurs d’ouvrir ou poursuivre le dialogue avec les autorités (dont l’EASA) sur plusieurs points, dans un souci d’efficacité, avec l’objectif de maximiser le bénéfice global en termes de bruit, en incitant - plutôt qu’inhibant - certaines initiatives de progrès « calibrées », et en réfléchissant notamment aux possibilités de certification modulable :
- selon des paramètres d’exploitation par exemple la destination, pour satisfaire les contraintes au cas par cas, et par ailleurs :
- dans une perspective élargie au gain environnemental global (bruit-émissions), selon les types de configuration et les gains potentiels en CO2 et autres émissions (quitte à introduire des seuils
24 la limite de la zone de construction autorisée - avec isolation – devra être ajustée de telle sorte que l’avion récurrent le plus
bruyant du trafic ne dépasse pas le niveau d’intensité sonore acceptable. 25 Si la croissance de la flotte mondiale devait dépasser significativement les prévisions de la CP, la contrainte de limitation de bruit pourrait stimuler une refonte de la flotte (avions plus gros, limitation des fréquences, application plus radicale de technologies ou procédures anti-bruit). 26 Les mesures appropriées d’aide à l'isolation phonique, voire à la climatisation, pourraient faire partie des responsabilités placées
sous cette autorité.
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d’amélioration dans ces domaines, pour permettre une marge de tolérance par rapport au niveau de sévérité futur de la norme acoustique).
Cette réflexion s’inscrit dans une problématique d’interdépendances environnementales et de nouveaux critères intégrés.
La question de l’interdépendance bruit/consommation-émissions de CO2 se pose en effet de façon critique dans certains choix de configuration du futur, notamment pour la motorisation des remplaçants potentiels futurs des avions monocouloirs. En effet les gains potentiels en consommation liés à l’utilisation de moteurs à très haut taux de dilution tels que les « open rotors » à hélices contrarotatives paraissent très attractifs, mais ces moteurs présentent par rapport aux moteurs actuels, un potentiel d’amélioration de bruit très limité contrairement aux turboréacteurs classiques ou à réducteur, d’où une problématique qui reste ouverte à ce jour. Dans l’évaluation du bruit associé à de nouvelles configurations d’avions-moteurs, notamment dans le cas des « open rotors », il faudra en outre prendre en compte le bruit « en route » s’il devient une source de nuisance pour des populations plus éloignées des aéroports que celles considérées au voisinage, et la possibilité que la nuisance ou la gêne - liée à des tonalités de bruit particulières - puisse changer de nature, et ne plus être caractérisée par les mêmes paramètres de bruit « conventionnels ». Ceci pourrait conduire à des conditions de certification spécifiques pour ces configurations, avec des interdépendances possibles entre exigences de bruit et exigences d’émissions (notamment dans le contexte d’une future norme possible de CO2).
Des efforts de recherche importants sont consacrés aux nouvelles configurations, destinés en particulier à définir la faisabilité, la certificabilité, les impacts réels dans les divers domaines (bruit extérieur, gêne, bruit intérieur, performances au niveau avion, fiabilité, coûts, etc.). La problématique évoquée constitue une articulation essentielle qui pourrait gouverner certains choix cruciaux à venir, la poursuite de ces efforts ne peut donc être que vivement encouragée, et soutenue par des financements appropriés.
Emissions de CO2
Résultats bruts de la modélisation / projection 2050
Avec les jeux d’hypothèses définis précédemment, le modèle avec renouvellement de flotte donne les résultats globaux suivants pour un taux de réduction de -0.72% par an et le taux de croissance de 2.87% par an : par rapport à 2010, les émissions de CO2 (corrigées des effets de compensation) sont multipliées par 1.6 en 2050 (trafic PKT multiplié par 3.1), tandis que la consommation de carburant est multipliée par un facteur 2.0 : voir figure 6.
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* inclut effets a.p.e. = ajustement potentiel évolutif (assimilable pour une grande part à une optimisation du réseau au sens large ) dont la moitié dans l’effet sur la consommation carburant (intégrée dans les effets OPS), et la totalité dans l’effet CO2 (intégrée dans l’effet compensation).
Figure 6: Projections des émissions de CO2 en 2050 (transport aérien - flotte mondiale)
Analyses de sensibilité associées à la modélisation
En marge des évaluations ont été testées différentes hypothèses de taux de croissance du trafic et de taux d’amélioration des avions qui ont permis de mettre en évidence et quantifier l’influence absolue et relative de ces facteurs majeurs, ainsi que celle des autres facteurs.
Ceci confirme comme attendu la forte influence du rythme de croissance du trafic sur les tendances et sur les niveaux atteints. Evidemment, la sensibilité proprement dite aux pourcentages de variation annuels est la même.
Remarques importantes sur l’analyse des émissions de CO2
L’analyse ne porte que sur les émissions de CO2, elle ne prend pas en compte à ce stade l’impact global sur l’effet de serre, par exemple via des coefficients multiplicatifs. L’usage de ce genre de simplification serait en effet injustifié, car il conduirait à mélanger des phénomènes dont la nature, l’évolution sont très différentes (les NOx ont un temps de résidence dans l’atmosphère bien inférieur à celui du CO2, ils ont des effets différents selon l’altitude et le lieu), pour lequel le niveau de connaissances est très variable (par exemple, l’effet des traînées de condensation sur les cirrus reste inconnu), et qui font l’objet de traitements
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très différents, au niveau technologique notamment (exemple NOx et CO2), conduisant à des compromis dans les éléments de conception, de configuration et de choix technologiques (voir aspects « trade-offs »)..
Il faut noter les incertitudes importantes attachées aux résultats ci-dessus : elles portent sur les hypothèses, notamment celles relatives aux améliorations des avions, aux hypothèses et au modèle simplifié de renouvellement de la flotte, sur les divers facteurs pris en compte, et en nombre limité. Ainsi, les facteurs liés à la compensation des émissions (y compris ceux liés aux biocarburants à l’ATM et aux opérations, aux compensations réglementaires supplémentaires à venir comportent tous de fortes incertitudes (une réalité incontournable et récurrente de toute notre étude). D’autres éléments incertains n’ont pas été pris en compte de façon spécifique dans cette analyse : le rythme de croissance différentiel des pays émergents et des pays en voie de développement par rapport aux pays industrialisés, l’introduction dans la flotte de nouveaux avions construits par de nouveaux constructeurs (date d’entrée en service du type, performances, cadences de production et ventes difficiles à prévoir), l’apparition possible à l’horizon 2050 de concepts radicaux et de ruptures technologiques, encore mal appréhendés ou pas du tout aujourd’hui27, les effets secondaires, tels que ceux des opérations au sol et en maintenance.
Comparaison des résultats aux objectifs de l’Industrie et de l’OACI
Les résultats ci-dessus ont été comparés aux objectifs détaillés dans l’annexe VII, notamment les objectifs de l’Industrie de 1,5% d’augmentation d’efficacité de carburant par an jusqu’en 2020 (OACI : 2% par an jusqu’en 2050), de croissance neutre en carbone à partir de 2020, et de réduction des émissions totales de CO2 de l’aviation en 2050 par rapport au niveau de 2005.
Les résultats de notre étude prévoient des réductions de consommation de carburant nettement inférieures à celles que l’on dérive des objectifs ci-dessus, comme le montrent les figures 7 et 8 ci-dessous, qui confirment le caractère très ambitieux des objectifs annoncés. Pour la clarté des diagrammes, seules sont reportées sur ces figures les courbes de nos résultats (portant la marque CP), concernant la consommation de carburant, tous effets confondus, et de même pour les émissions de CO2.
27 C’est en tenant compte de tous ces aspects que le champ des hypothèses quantitatives utilisées a été relativement restreint, dans un souci de vraisemblance et de réalisme, en écartant les hypothèses extrêmes et en optant pour des hypothèses modérées et équilibrées après avoir exercé un examen critique des hypothèses des scénarios connus de nous en provenance de sources crédibles.
Une des raisons (qui mériterait d’être approfondie) nous ayant influencé dans le sens de cette modération - qui a aussi influencé le choix et le niveau des facteurs retenus - est la considération suivante : plus on fait une hypothèse optimiste de croissance (dans le sens d’un taux plus élevé), plus on doit anticiper des risques élevés que cette croissance génère des crises énergétiques et des problèmes environnementaux accrus, plus l’on devrait s’attendre à des effets à la fois incitatifs (efforts de réduction accrus : restructurations) et limitatifs, qui iront dans le sens de tempérer cette croissance ou ses effets. De là, on peut faire l’hypothèse d’une interdépendance / élasticité entre les hypothèses et d’un certain « rééquilibrage spontané » dans le choix du jeu d’hypothèses quantitatives retenu.
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Figure 7: Réductions de consommation de carburant et d’émissions de CO2
Figure 8
Les résultats principaux ont été résumés dans le graphique ci-dessous (figure 8 bis), où a été rajouté pour comparaison le niveau Flightpath 2050 des objectifs européens.
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Emissions CO2 - Aviation mondiale - 2050 / 2010Estimations CP & Comparaisons avec les Objectifs
Réduction %/PKT x 3.1 (Trafic est. CP) Effet conso. totale et émissions de CO2
3.1
Estimations CP
* cnC: croissance neutre en carbone à partir de 2020 ** - 75% / PKT par rapport à 2000*** -50% CO2 total par rapport à 2005
3.1
***
Figure 8 bis
Il ressort de ces résultats comparatifs que, malgré l’hypothèse sous-jacente de croissance du trafic moindre que celles couramment annoncées : - Le déploiement de l’ensemble des moyens techniques, opérationnels, et l’utilisation à un niveau
réaliste des biocarburants (compte tenu de leur disponibilité, de la logistique de leur distribution et des effets incertains sur le cycle global du carbone) freinera vraisemblablement sans l’arrêter la croissance des émissions de CO2.
- Ces progrès seuls, et à plus forte raison les progrès technologiques seuls, ne permettront pas d’atteindre les objectifs annoncés par les organismes cités.
Des instruments économiques de compensation sont étudiés par les autorités, principalement basés sur des systèmes d’échanges et plafonnement de quotas d’émissions, qui impliquent pour les opérateurs des surcoûts s’ajoutant à ceux du carburant, déjà lourds dans leur budget. L’ensemble des implications - importantes - de l’étude des projections d’émissions de CO2 est discuté plus loin.
3.1
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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NOx
Résultats de la modélisation / projection 2050
L’étude de 2008 évoquée précédemment concernant les hypothèses de la modélisation des émissions de NOx concluait que la quantité émise par l’aviation pouvait se stabiliser dans le futur malgré la croissance du trafic, grâce aux améliorations technologiques (accompagnées et stimulées par le standard international évolutif concernant la certification des moteurs, et par les règles locales) et grâce aux actions conduisant à réduire la consommation de carburant moyenne de la flotte.
Les résultats de la nouvelle étude réalisée sur la base d’hypothèses de trafic, de réduction d’émissions de NOx et de consommation de carburant réactualisées comme indiqué précédemment sont illustrés par la figure 9 ci-dessous.
Figure 9
Ceci confirme comme dans l’étude concernant le bruit un net découplage entre les émissions et le trafic (facteur multiplicatif en 2050 de 1.07 contre un facteur ~ 3.1 pour le trafic). Ce découplage repose sur la poursuite des efforts de recherche et développement technologique sur les NOx (chambres de combustion et systèmes d’injection de carburant) mais aussi sur les réductions de consommation de carburant, à technologie de combustion donnée. Le facteur de réduction de 2.9 entre trafic et émissions de NOx se partage en 1.8 d’effet technologie dédiée et 1.6 d’effet dû à la réduction de consommation de carburant. Du point de vue des émissions de NOx de l’aviation à basse altitude, on pourrait faire valoir au même titre que pour le bruit (calcul de l’énergie sonore totale), le fait que l’augmentation prévisible du nombre d’aéroports entre 2010 à 2050, de 1600 à 1800 environ, soit +12.5%, devrait théoriquement diminuer d’autant la « charge
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moyenne » des émissions locales. Le facteur multiplicatif de 1.07 (+7%) deviendrait alors 0,95 (-5%), traduisant ainsi une quasi-stabilité, sinon une légère réduction. Cependant, comme dans le cas de l’énergie sonore totale, cette correction à valeur purement indicative n’a pas été retenue dans le résumé final de cette étude.
L’analyse faite au niveau des émissions totales de NOx ne vaut évidemment que dans une perspective globale, compte tenu de la variabilité des effets locaux. Il faut noter les contraintes que représentent d’une part les limites technologiques (sous-tendant le facteur de réalisation adopté pour l’hypothèse de réduction de NOx ajustée), et d’autre part le « trade-off » entre NOx et CO2 (SFC). Ce dernier point est illustré par la figure 10 ci-dessous.
Figure 10
En conclusion, l’évolution des émissions de NOx ne semble pas de nature globalement à devenir un facteur contraignant sévère, sous réserve que les progrès technologiques soient poursuivis et fructueux, à la fois au niveau des éléments impliqués dans la production des NOx, et au niveau de la réduction de consommation de carburant.
0 10 20 30 40 50 60
SFC
SFC
(lb/
lb-h
r, or
EI N
Ox)
Overall Pressure Ratio
• Higher engine pressure ratio and bypass ratio reduce CO2/improve fuel efficiency (SFC) and facilitate noise reduction
• Higher pressure ratio requires higher flame temperature, reducing CO and HC emissions but increasing NOx formation rate
NOX
CO2/NOx Trade
Improving CombustorTechnologyImproving CombustorTechnology
• Better NOx technology needed to avoid increased emissions
• Better NOx technology needed to avoid increased emissions
• Better NOx technology needed to avoid increased emissions
• Better NOx technology needed to avoid increased emissions
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Dans tous les cas, comme pour le bruit, les effets locaux sur la qualité de l’air à basse altitude doivent faire l’objet d’une attention particulière: l’aviation a beau être un contributeur modeste de la détérioration de la qualité de l’air, sur certains aéroports comme à Londres-Heathrow, la question est régulièrement posée et a été / peut toujours être un obstacle parmi d’autres à une extension et/ou à l’ouverture d’une piste supplémentaire, parce que les limites de pollution sont fréquemment atteintes ou dépassées dans des zones proches, et cela même si le trafic routier est le principal « fautif ».
En outre, l’effet de serre indirect lié aux émissions de NOx en altitude doit être pris en compte, avec toutes les incertitudes qui demeurent (notamment en ce qui concerne les différences d’effet des NOx selon l’altitude des émissions et les conditions ambiantes, qui n’ont pas été abordées ici).
Particules
Les particules émises par l’aviation - comme celles produites par d’autres secteurs, mais avec leurs caractéristiques propres - sont une cause de préoccupation croissante, en raison de leurs effets sur la qualité de l’air et la santé, mais aussi, indirectement, sur le réchauffement climatique, via les cirrus induits.
Ce domaine en cours de défrichement fait déjà l’objet de réglementations locales et régionales, non spécifiques à l’aviation, qui se préciseront probablement et se durciront, au fur et à mesure des progrès scientifiques résultant des recherches qui leur sont dédiées et affinent leur niveau de dangerosité.
Un standard international est en gestation pour l’aviation (OACI). Celui-ci pourrait être considéré comme un complément (ou remplaçant, mais c’est peu vraisemblable) pour le paramètre « smoke » dans la certification des moteurs.
On peut anticiper que le cas des particules non-volatiles et celui des particules volatiles vont donner lieu à des traitements spécifiques à divers niveaux du processus réglementaire, comme c’est le cas au niveau scientifique et technique.
Afin de projeter dans le futur la quantité totale de particules émises, on pourrait s’appuyer en première approximation sur le fait qu’elle est proportionnelle à la consommation de carburant (voir ci-dessus), d’où un facteur multiplicatif de l’ordre de 2. Cependant, une analyse plus fine serait nécessaire pour tenir compte des caractéristiques des particules émises et de leurs conditions d’émission.
Pour estimer la variation de la quantité de particules émises au-dessous de 3000 ft (effets sur la qualité de l’air locale) entre 2010 et 2050, on peut aussi corriger les projections OACI, en leur injectant notre hypothèse de trafic (taux de croissance annuel 2.87%): on obtient alors un facteur multiplicatif globalement cohérent avec le précédent.
L’interprétation de ces augmentations (effets sur la santé et le climat) ne pourra être faite que sur la base de connaissances scientifiques approfondies dans ces domaines, encore insuffisantes aujourd’hui.
La recherche consacrée à ce sujet doit être intensifiée à la mesure de l’ampleur croissante des préoccupations associées, qui en font un des problèmes majeurs à traiter dans le futur.
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7.2 EXIGENCES ENVIRONNEMENTALES
Critères environnementaux
Au terme de nos analyses, quels éléments retenir ?
Nous avons traité des aspects concernant le bruit, l’impact du transport aérien sur le bruit, la qualité de l’air et l’effet de serre, et leur relation avec la croissance du trafic :
Le bruit est un effet « manifeste » direct, perceptible par définition, une gêne pour un nombre limité de personnes mais pour qui l’aviation est le « responsable » sans contestation possible, ce qui entraîne de fortes réactions locales se répercutant à tous les échelons jusqu’au niveau international. Un phénomène « bottom-up » et amplificateur efficace qui a déjà montré ses « muscles », et il redescend par un effet « top-down » puissant à travers les règlements internationaux (standard OACI). Le bruit peut devenir une contrainte sérieuse pour la croissance future, dans certains aéroports, certains pays, certaines régions, l’Europe en tête, compte tenu de la situation qui reste tendue au niveau de certaines plateformes de grand trafic. Notre modélisation a montré une franche tendance à la baisse de l’énergie sonore totale, mais cette tendance reste tributaire de la réduction du bruit des avions, alimentée par la recherche et stimulée par la réglementation locale et internationale. Seule l’introduction de matériels aux performances acoustiques supérieures permet d’éviter que l’énergie sonore totale ne soit entraînée à la hausse par la croissance du trafic. Malgré les projections moyennes encourageantes au niveau mondial, la pression, relayée par les aéroports, reste donc forte localement et au niveau réglementaire.
La qualité de l’air est aussi un effet local, avec des répercussions diffuses, où les réglementations locales et régionales, ne peuvent que se durcir au fur et à mesure de la détérioration inévitable résultant de la croissance. L’aviation est visée comme un des contributeurs, d’où des contraintes potentielles significatives. Un standard existe au niveau des émissions produites par les moteurs, et les limites de NOx baissent régulièrement (voir annexes III et VII). Les moteurs s’améliorent, mais maintenir le découplage par rapport à la croissance du trafic suppose que les améliorations se poursuivent dans le futur, à la fois pour la consommation de carburant et les caractéristiques de la combustion, or le défi grandit au fur et à mesure que l’on se rapproche des limites technologiques et que les compromis deviennent de plus en plus pointus (voir ci-après). La modélisation est elle-même difficile et les incertitudes sont très grandes dans ce domaine, notamment en ce qui concerne les effets. Les particules sont un souci croissant qui va se répercuter à moyen terme sur l’aviation ; Elles ajoutent à l’incertitude et aussi à la « menace potentielle » de contraintes liées au sujet. Elles « jouent », comme les NOx, dans les deux catégories : qualité de l’air et effet de serre, et les deux méritent à ce titre une attention particulière.
L’effet de serre est la « grande menace » du futur, où l’aviation contribue très modestement, mais est très « visible », et étant facile à viser, elle l’est en effet, et fortement.
Le problème environnemental global est une réalité : chaque jour apporte son lot de nouvelles informations, analyses, preuves et confirmations, malgré les grands débats encore ouverts entre scientifiques sur certains points.
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Cependant la problématique est complexe, pour de multiples raisons : grandes incertitudes sur les phénomènes atmosphériques concernés, sur la vitesse et sur les conséquences du réchauffement climatique, les possibilités de solutions préventives, d’actions correctives ; enchevêtrement des problématiques environnementales, énergétiques, et de celles concernant les matières premières, les ressources alimentaires et d’eau potable ; interactions complexes entre qualité de l’air, pollution, réchauffement climatique, maladies, biodiversité, agriculture, forêts, et alimentation, etc. Une appréciation correcte des effets et des solutions suppose une analyse très rigoureuse du cycle de carbone à travers l’ensemble des activités humaines, ce qui est un défi majeur en soi.
Dans le cas de l’aviation, d’autres incertitudes s’ajoutent (effets induits des traînées de condensation et des particules sur les cirrus, effet des NOx en altitude) et des contraintes supplémentaires (vulnérabilité économique du secteur, sensibilité au prix du carburant, limitations dans l’usage de carburants alternatifs qui doivent impérativement posséder des propriétés « adaptées », questions difficiles de compromis entre l’ensemble des objectifs, et en particulier entre objectifs environnementaux, avec toujours la sécurité qui coiffe toutes les autres exigences.
L’aviation a consacré depuis de nombreuses années des efforts très importants à l’optimisation des performances des avions et à la réduction de la consommation de carburant, et elle a obtenu d’excellents résultats. Ces efforts à l’origine ne visaient pas spécifiquement des objectifs environnementaux (bruit excepté), mais des objectifs de performances, de mission et de coûts opérationnels qui étaient et restent plus que jamais des critères cruciaux de compétitivité. Malgré cela, et malgré les objectifs environnementaux « rajoutés » à la liste des exigences de conception, d’opérations, l’industrie au sens large, aidée par les organismes de recherche, peinera pour faire plus que ce qu’elle fait déjà dans le but d’améliorer ses produits dans le futur, sachant que les progrès sont de plus en plus limités et coûteux, et comme l’étude l’a montré, le taux de réduction de la consommation de carburant pourra difficilement compenser l’augmentation du trafic. Ce n’est probablement pas le futur standard de CO2 en préparation à l’OACI qui bouleversera cette situation. Les économies de consommation de carburant (et de production de CO2) devront venir d’ailleurs. C’est ce que montrent les modélisations et projections environnementales envisagées ci-dessus. La compensation par l’achat de quotas d’émissions, l’utilisation de carburants alternatifs appropriés pourraient être des voies pour combler - au moins partiellement - le « déficit environnemental », à certaines conditions :
- les systèmes d’échanges et plafonnement de quotas d’émissions doivent être viables, équitables et efficaces, ce qui implique qu’ils soient définis selon ce principe et au niveau mondial (les systèmes sur le point d’être mis en œuvre au niveau européen comportent des risques d’iniquité et de biais de concurrence qui sont un motif d’inquiétude très sérieux pour les compagnies aériennes en Europe et dans le monde, et l’objet de fortes critiques de leur part) ;
- les carburants alternatifs doivent répondre aux besoins techniques, être viables sur les plans logistique et économique (distribution et prix), efficaces au sens environnemental (cycle de carbone démontré, déforestations et réaffectations de sols prises en compte), et non dévastateurs pour les terres agricoles et les ressources alimentaires associées.
Ces « spécifications » très exigeantes donnent un aperçu du défi, d’autant plus que leur vérification, pour certaines, est très difficile, et compte tenu des incertitudes très grandes.
Le concept de compensation pourrait être élargi à la notion d’optimisation globale.
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Il n’est pas exclus par exemple que des restructurations majeures des flottes, des opérations, voire des opérateurs, permettent une telle optimisation avec des gains conséquents, mais leurs répercussions seraient d’une telle ampleur qu’elles nécessitent un examen approfondi préalable, et de toutes façons, le temps de mise en place serait très long.
Par ailleurs, dans l’optique où certaines fonctions du transport aérien seraient considérées comme relevant d’un service public à haute rentabilité, des mesures particulières pourraient lui être appliquées sous certaines conditions : par exemple la compensation d’émissions par mesures complémentaires d’équilibrage avec d’autres modes de transport ou secteurs : ainsi on pourrait imaginer qu’ un abaissement minime (acceptable) de la limite d’émissions de CO2 des voitures - transport individuel - puisse équilibrer une tranche d’émissions supplémentaire au bénéfice de l’aviation commerciale - transport collectif, crucial pour beaucoup de trajets. De même éventuellement, par rapport certains moyens de chauffage ou à l’utilisation de certaines sources d’énergie pour les besoins individuels. Ceci soulève évidemment des questions d’ordre sociologique, économique, politique et éthique, quant aux priorités et à l’équité des efforts entre modes et entre secteurs, qui débordent de notre domaine d’étude.
On notera que dans l’ « équation de la compensation » pourraient intervenir d’autres considérations, par exemple : i) l’évolution de la part contributive de l’aviation dans les émissions de CO2, ii) l’appréciation évolutive de la situation globale des effets de serre, et iii) la possibilité que le transport aérien puisse faire valoir des droits d’émissions spéciaux liés à sa très faible contribution aux émissions CO2 d’origine anthropogénique cumulées depuis son origine.
Interdépendances - Priorités - Retour sur les critères
La question des interdépendances environnementales se traduit en pratique par la nécessité de compromis et d’arbitrages entre les principaux paramètres environnementaux : bruit, émissions locales (NOx en particulier) et émissions globales (CO2 principalement). Cette question se pose sous des formes et dans des contextes divers : recherche technologies, conception, développement / optimisation des avions, opérations, réglementation28.
28 Des séminaires importants leur ont été consacrés, au niveau européen (réseaux de recherche AERONET et X-NOISE), américain (FAA) et international (OACI). Des efforts particuliers concernent le développement d’outils de modélisation / analyse sophistiqués, dont un exemple typique est l’EDS (Environmental Design Space) développé par FAA avec le centre d’excellence sur l’environnement PARTNER (lequel regroupe tous les grands constructeurs et les universités de renom dans l’aéronautique aux US). L’Europe aussi a lancé des projets de recherche en vue de développer des outils similaires, et des discussions continuent au sein de l’OACI (CAEP) d’où les questions étaient initialement issues : comment tenir compte de l’effet qu’aurait dans un certain domaine (consommation de carburant et CO2 par exemple) une mesure potentielle prise dans un autre domaine (bruit ou NOx par exemple), dans le but d’optimiser les évolutions réglementaires, en donnant des outils ou méthodes d’analyse adaptés aux décideurs. Dans la pratique, la mise au point de ce type d’outils ou méthodes est rendue très difficile au niveau technique (chaque produit est l’objet d’optimisations multidimensionnelles très complexes mettant en jeu chez les constructeurs une myriade de méthodes et d’outils spécialisés), et au niveau de la propriété industrielle, dans la mesure où les données et les outils eux-mêmes sont confidentiels.
Il y a là par ailleurs, un écueil potentiel fondamental à éviter qui consisterait à déposséder le concepteur de son rôle et de sa responsabilité, en imposant de l’extérieur des critères internes de conception et d’optimisation, ce qui conduirait à des confusions de rôles (entre régulateurs et concepteurs par exemple), à des situations, interférences et décisions aberrantes, et à des effets contre-productifs.
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Pour trancher dans les situations d’interdépendances environnementales, une des difficultés majeures réside dans l’absence d’une mesure commune pour comparer des impacts. On peut essayer de se baser sur la valeur monétaire, sur des études d’efficacité en coût, ou de coûts-bénéfices (solutions souvent mises en avant aux USA), mais évidemment, cela ne suffit pas pour faire un choix qui ne peut et ne devrait pas uniquement relever d’une dimension économique. Il reste donc toujours à faire une appréciation comparative, basée sur un ensemble de données et d’analyses, de taux d’échange auxquels il est difficile de substituer un paramètre commun unique.
Dans nos propres analyses, une question significative relative aux interdépendances environnementales se pose à propos du choix de la motorisation pour les successeurs des courts- moyens courriers actuels : faut-il privilégier le bruit ou les émissions de CO2 ?
En posant de façon simpliste cette question, on peut considérer que l’enjeu consiste à peser un avantage (plus ou moins spéculatif) de ~ 10 à 15 dB cumulés en faveur d’un avion équipé de turbofans modernes contre un avantage (plus ou moins spéculatif) de ~ 10 à 15 % de consommation de carburant en faveur d’un avion équipé d’open rotors à hélices contrarotatives. Le choix est critique du point de vue des constructeurs et des compagnies aériennes compte tenu de l’importance du marché potentiel de ces avions, cependant il se traduira par des effets (bruit et consommation de carburant) d’ampleur plus réduite au niveau de la flotte mondiale dont ces avions ne constitueront qu’une partie (les open rotors ont peu de chances de pouvoir être installés sur les avions les plus gros). Par ailleurs, une forte incertitude affecte les termes de comparaison de ce « trade-off » 29.
Mais le fait de poser de façon simpliste la question ne rend pas la réponse simple, car les conséquences des écarts en question ne sont pas faciles à évaluer, et surtout la conclusion peut fortement dépendre du point de vue duquel on se place : l’aéroport aurait très probablement tendance à privilégier le facteur bruit qui peut jouer sur son développement, la compagnie pèsera les impacts sur ses revenus, fonctions des coûts opérationnels et autres (coûts d’acquisition, coûts de carburant, coûts de maintenance, frais financiers, redevances, pénalités, etc.) ; la question ne se pose pas pour le riverain de l’aéroport.
A noter que la situation serait encore différente pour les comparaisons entre bruit et qualité de l’air, ou entre CO2 et qualité de l’air.
Comme dans tous les choix stratégiques entre produits, beaucoup de facteurs et critères interviennent, la plupart du temps dépendant à la fois du produit particulier considéré, de son constructeur, et de l’utilisateur auquel il est destiné. L’appréciation et le choix final peuvent être bien différents, selon les constructeurs et les compagnies aériennes, comme l’expérience passée, et le fonctionnement du marché lui-même en témoignent !
Cette réflexion montre encore au passage l’emprise des facteurs économiques et tendrait à donner raison à ceux qui, faute d’une mesure de comparaison unique, ou d’un critère d’équivalence agréé, s’en tiennent au facteur commun « monétisé » (en $ ou en €). 29 L’incertitude devra être réduite, pour ne pas fausser un choix déjà difficile en soi: ceci ne pourra intervenir que progressivement, au travers des activités de recherche et de développement lancées, impliquant avionneurs et motoristes. De plus, les termes de la comparaison risquent d’évoluer dans des versions ultérieures, par exemple si on suppose que des solutions futures apparaissent permettant de réduire l’écart sur le bruit (réduction restant au stade de la spéculation aujourd’hui).
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Dans tous les cas, cela tend à relativiser l’importance des critères environnementaux, en tant que critères de valeur, tels qu’ils sont pris en compte dans le contexte de la réalité actuelle. C’est d’ailleurs, sur cette base que les régulateurs soucieux de la qualité environnementale cherchent à inciter les compagnies et les constructeurs à « aller dans la bonne direction », au travers de mesures d’ordre économique.
Il faut admettre que les critères environnementaux, les équivalences, les taux d’échanges et priorités entre les différents facteurs (bruit, qualité de l’air et changement climatique) ne sont pas des nombres figés auxquels il suffirait d’appliquer des « recettes » prédéfinies: il n’en est rien, car inéluctablement, chaque situation doit être analysée de manière spécifique et détaillée: la catégorie et le type d’avions concernés, le type d’utilisation du produit, les contraintes de conception et opérationnelles, les autres critères d’optimisation du produit, l’organisation, la structure de routes, le niveau de technicité des compagnies aériennes utilisatrices, le potentiel d’amélioration du produit, le niveau de connaissances et l’expérience acquise avec certaines technologies, tout cela et bien d’autres facteurs entrent en ligne de compte, et la situation évolue sans cesse avec le temps.
Il n’y a pas de critères environnementaux uniques et de recettes simples. Les acteurs impliqués sont en très grand nombre et très divers, par secteurs et types d’activités, aux différents niveaux : local, national, régional, international, ils sont répartis dans le monde, avec des points de vue et des perspectives différents.
A chaque niveau, les différents acteurs concernés par les interdépendances environnementales et les arbitrages correspondants seront amenés à interpréter les situations, les résultats d’analyses et les tendances, à la lumière du contexte, puis à trancher en fonction des orientations stratégiques, politiques, socio-économiques, environnementales, et en fonction des situations locales, en essayant d’anticiper au mieux. On remarquera que les interdépendances ne sont pas toujours des compromis entre paramètres agissant en sens opposés30.
Place future du transport aérien en termes d’émissions
Pourquoi et comment appréhender la place future du transport aérien
Activité très visible et globale dans un monde faisant face lui-même à un contexte et à des problèmes globaux (et locaux aussi), on peut prévoir que le sort du transport aérien sera étroitement lié au monde « extérieur » à elle, car non seulement il dépendra du contexte général - ce qui est une évidence - mais aussi il se jouera en
30 Par exemple, pendant longtemps, les augmentations du taux de dilution des turbofans double flux ont profité à la fois au bruit, à la consommation spécifique des moteurs et à la consommation de carburant des avions. Au-delà d’un certain diamètre du fan, la situation change. Et les « descentes continues » sont bénéfiques à la fois pour le bruit et la consommation de carburant.
On peut constater macroscopiquement que, grâce à une combinaison d’efforts technologiques multidirectionnels, et malgré les compromis sous-jacents, les performances des avions les plus récents atteignent des niveaux très élevés, nettement supérieurs à ceux de la génération précédente dans la catégorie correspondante, à la fois en termes de masse structurale, de consommation de carburant et de niveau de bruit.
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interaction étroite avec le contexte : les mesures qui lui seront appliquées pourront être fonction de l’impact qu’on lui attribuera, par rapport à d’autres secteurs, en s’inspirant éventuellement des mesures prises dans d’autres secteurs, ou en l’intégrant dans un système plus vaste, comme pour les échanges de permis d’émissions.
Pour pouvoir projeter ce qui attend le transport aérien, il faudrait donc être capable d’évaluer, dans le domaine de l’environnement, comment l’impact du transport aérien (faible aujourd’hui dans le domaine des émissions, bruit mis à part) évoluera par rapport à celui des autres modes et secteurs d’activité.
On se heurte là encore à un défi majeur, car dans cette comparaison, on cumule les incertitudes propres au domaine du transport aérien, dont on a vu l’importance, avec les incertitudes affectant le contexte et les autres secteurs, lesquelles sont au moins aussi importantes !
D’autre part, il faudrait disposer d’indicateurs comparables dans les différents secteurs concernés, et en premier lieu, recenser les indicateurs pertinents pour le transport aérien, et si nécessaire en ajouter de nouveaux. Les discussions menées depuis des années au sein de l’OACI sur les métriques à utiliser montrent que ces questions ne sont pas faciles à appréhender (ce sujet est d’ailleurs au centre des discussions préalables à l’adoption d’un nouveau standard pour le CO2).
Pour l’environnement et plus généralement pour le développement durable, on voit poindre ainsi de nouveaux indicateurs visant à mieux représenter l’état des variables-clés dans les problématiques environnementales, énergétiques, géopolitiques, économiques et sociales.
Esquisse d’estimation de l’ « empreinte environnementale » du transport aérien en 2050 en termes d’émissions de CO2
Partant des 2% de CO2 émis par le transport aérien aujourd’hui (dernière référence connue : 2005) : - Si on se réfère aux engagements post-Copenhague de 16% de réduction globale moyenne des émissions
de CO2 entre 1990 et 2020 pour environ 40 pays, on en déduit un taux moyen annuel de réduction de ~ -0.6% et une réduction de ~ -21% entre 2010 et 2050.
- Le facteur multiplicatif CO2 2010-2050 des scénarios décrits précédemment est 1.63. - On en déduit un pourcentage d’émissions de CO2 de 4.1 % en 2050, chiffre très approximatif, puisque
entaché de toutes les incertitudes déjà mentionnées dans le processus de modélisation, auxquelles s’ajoute l’incertitude majeure sur l’évolution des émissions de CO2 des autres secteurs.
- Si les autres secteurs parvenaient à faire en sorte d’atteindre l’ « objectif-aspirationnel » de -75% des émissions en 2050 par rapport à 1990 (division par 4; ce qui représente -60% par rapport à 2010), on obtiendrait pour le transport aérien un pourcentage de 8.2%. Ce chiffre n’a toutefois guère de sens, car si on atteignait l’objectif de diviser les émissions par 4, cela supposerait des améliorations considérables dans tous les domaines, l’emploi massif de carburants alternatifs, et dans cette situation, le transport aérien serait probablement entraîné lui-même vers des scénarios d’amélioration tels que le ratio avec les autres secteurs serait diminué. Ceci rejoint la remarque que nous avons déjà faite concernant l’interdépendance entre les hypothèses conduisant fréquemment à un « rééquilibrage spontané » à l’intérieur d’un jeu d’hypothèses cohérent.
- On pourrait considérer un autre scénario où les pays n’atteindraient pas l’engagement des -16% de réduction des émissions entre 1990 et 2020, ce qui pourrait se produire, compte tenu des résultats
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observés pour certains pays entre 1990 et 2007 (stabilité des émissions). Dans ce cas, en supposant la stabilité jusqu’en 2050, le pourcentage d’émissions de CO2 du transport aérien atteindrait 3.3% en 2050.
- Si on considère les objectifs de réductions par secteur et totales envisagés récemment par la Commission Européenne, de -54% à -67% pour les transports (sauf maritime) et -79% à -82% au total, entre 1990 et 2050, on aboutit à un ratio de 1.5 à 1.7 entre 2010 et 2050 pour le transport aérien par rapport au total, ce qui fait passer la contribution de l’aviation de 2% aujourd’hui à un chiffre compris entre 3 et 3.4% en 2050.
- Enfin, on pourrait envisager un scénario s’inspirant de l’approche de la Chine qui s’engage à réduire son intensité énergétique (quantité d’émissions de CO2 par unité de PIB) de 40% entre 2005 et 2020. En supposant une évolution similaire pour tous les pays, en se basant sur la croissance du PIB et des émissions de CO2 du transport aérien au niveau mondial, projetés en 2050, en supposant en outre que la réduction d’intensité énergétique se poursuive et atteigne 75% entre 2020 et 2050, on aboutit à un pourcentage d’émissions de CO2 pour l’aviation de l’ordre de 6% si le PIB mondial est multiplié par 3 entre 2010 et 2050, en se référant à l’hypothèse de la CP.
On retiendra finalement que le pourcentage des émissions de CO2 pour l’aviation pourrait varier entre 3 et 6% en 2050, selon les hypothèses relatives à l’évolution des émissions des autres sources. On estime en outre que la part de CO2 de l’aviation dans l’ensemble des moyens de transport pourrait passer de 11.5% en 2010 à un pourcentage de l’ordre de 15 à 25% en 2050. Ces chiffres suggèrent que sous l’angle de sa part contributive aux émissions de CO2 , la situation future du transport aérien devrait pouvoir être envisagée avec une relative sérénité, à condition de veiller à ce que tous les sujets-clés soient pris en compte, notamment :
- il est probable que le transport aérien restera une cible parmi les autres, pour des mesures futures destinées à réduire les émissions,
- il y a lieu de nuancer la sévérité de ce « risque » en termes de conséquences pour le transport aérien, selon la capacité qu’aura celui-ci à faire valoir la dimension de son rôle ; d’où l’importance de son image de marque (voir ci-dessous).
- Au-delà des émissions de CO2, il faudra considérer la contribution globale du transport aérien à l’effet de serre.
Dans tous les cas, la situation dépendra de la combinaison entre l’évolution réelle des paramètres et des circonstances, les confirmations de tendances, les méthodes et résultats d’analyses, les interprétations et les choix stratégiques des décideurs en matière politique, économique, environnementale et sociale, et les décisions effectivement appliquées, dans des secteurs qui ne sont évidemment pas limités à celui du transport aérien.
7.3 IMAGE DE MARQUE DU TRANSPORT AÉRIEN ET COMMUNICATION
“The problem with communication is the illusion it has occurred.”
George Bernard Shaw
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- Le Transport Aérien est visible et vulnérable : il y a un besoin de communication que l’expérience a déjà mis en évidence, et qui va s’amplifier, sous le quadruple effet : i) de la tendance générale de la société vers une sensibilité croissante à l’image - plus qu’à des éléments réflexifs plus profonds31, ii) de la sensibilité croissante aux facteurs environnementaux, iii) de la croissance réelle des problématiques environnementales et des problématiques associées de façon plus ou moins étroite (énergétique en particulier), et iv) des intérêts économiques, financiers et géopolitiques de plus en plus gros, avec la politisation très forte et la multiplication des lobbies qui en résultent.
- Paradoxalement, la crédibilité et le « pouvoir communiquant » à long terme des acteurs de ce secteur de haute technologie reposent moins qu’on pourrait le croire sur la communication officielle, et plus qu’on ne l’imagine sur la qualité technique des experts aéronautiques, la rationalité, la pertinence et l’absence de biais de leurs analyses, dans la mesure où ils sont impliqués aux différents niveaux des processus consultatifs et décisionnels (comités OACI par exemple). Ces experts sont perçus comme un « recours à la compétence », et il est important que cette perception subsiste et corresponde bien entendu à une réalité. Il faut noter que la limitation des ressources chez les différents acteurs peut avoir un impact sur l’implication des experts dans les processus ci-dessus mentionnés, auprès des organismes-clés. Les acteurs doivent prendre conscience des répercussions que cela peut entraîner (pouvant conduire par exemple, à des déséquilibres et distorsions au niveau des points de vue pris en compte). Une focalisation exclusive sur l’image, ce qui risque d’arriver lorsque la communication reste trop superficielle sans reposer sur un « fond d’expertise technico-économique », peut au bout d’un certain temps faire perdre de la crédibilité et soulever une certaine défiance de la part des autres secteurs et des décideurs. Il peut y avoir un risque de sur-communication à éviter.
- La crédibilité et le pouvoir communiquant dépendent du degré de coordination entre les acteurs du secteur, ce qui suppose un consensus qui ne soit pas trop « mou », mais aussi une complémentarité d’argumentaires entre les différentes composantes du secteur, laissant une certaine autonomie et une souplesse de positionnement à chacune, ce qui semble préférable à un alignement systématique, lequel serait ou apparaîtrait rigide, partial ou biaisé, et serait finalement contre-productif. Là encore, une coordination en profondeur par la coopération entre experts constitue une base robuste pour une communication beaucoup plus efficace que si elle reste cantonnée au niveau des « communicants officiels ».
- Lorsqu’on a préservé la présence d’experts d’un niveau et en nombre suffisants dans les instances appropriées, ce qui est une première « condition minimale », on peut se poser la question d’aller au-delà en termes d’efficacité de communication et de capacité de réponse aux critiques : comment, et en développant quels axes stratégiques ? Une formation complémentaire spécifique en communication des experts intervenant dans les processus et organismes extérieurs devrait constituer un élément positif, mais un élément plus fondamental réside dans l’adaptation / l’optimisation des organisations internes des acteurs concernés, de telle façon que les experts et les services de communication soient en étroite relation : une bonne communication interne est requise, avec circuits d’information, systèmes d’alerte, bases de données partagées, « antennes » en relation étroite de part et d’autre, etc. Il peut y avoir aussi d’autres types de répercussions au niveau de l’organisation et des besoins de recrutement, si on parvient à mettre en place différents étages d’expertise, avec des « super-experts » techniques qui restent focalisés sur les tâches internes (ceux-là
31 Tendance que l’on peut regretter, mais qui est une réalité à prendre en compte, peut-être attribuable au ratio exponentiel entre
quantité d’images disponibles et diffusées par rapport au temps de réflexion approfondi disponible ?
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étant rares et n’ayant pas une mobilité orientée vers les mêmes buts) et d’autres experts plus « généralistes », un peu plus « libres » pour dédier leur activité aux instances et activités extérieures, assurant le relais en interne avec les super-experts techniques d’une part, et les services de communication d’autre part. La question peut donc se répercuter jusqu’au niveau de l’organisation, des ressources humaines et du recrutement dans les sociétés concernées.
7.4 ASPECTS NON TRAITÉS
Un certain nombre de sujets n’ont pas été abordés, ou n’ont été que très brièvement évoqués. Ils sont rappelés ci-dessous, accompagnés pour la plupart de justifications très succinctes quant à leur « non-inclusion » dans cette étude :
- Bruit cabine (sujet classé dans le thème « qualité de service », plutôt que dans l’environnement) - Gains potentiels liés aux économies d’énergie à bord de l’avion (effets considérés comme secondaires
par rapport au reste de l’étude) - Impact des nouveaux avions de nouveaux entrants (beaucoup d’incertitudes, peu d’avions en proportion,
de taille modeste) - Impact des vols supersoniques notamment sur la couche d’ozone (peu d’avions en proportion, et de
petite taille très probablement) - Impact aile volante (peu ou pas d’avions, s’il y en avait, ce serait en fin de période) - Avions à hydrogène (peu ou pas d’avions, s’il y en a, ce serait en fin de période) - Autres modes de propulsion (électrique, énergie solaire, etc.) : des études préliminaires basées sur les
limites technologiques actuelles au niveau par exemple de l’efficacité énergétique des batteries et/ou de panneaux photovoltaïques indiquent que pour un temps relativement long sont exclus des avions commerciaux des systèmes de propulsion électrique, avec ou sans panneaux solaires.
- Pollution de l’eau et des sols, produits dangereux, procédures liées à la fin de vie des avions.
7.5 BESOINS ANALYTIQUES COMPLÉMENTAIRES IDENTIFIÉS32
Un certain nombre de besoins émergent de notre étude, dans les domaines suivants, pouvant éventuellement faire l’objet d’études complémentaires :
- Examen critique des hypothèses, des scénarios, et poursuite des analyses de sensibilité (conjointement avec les autres thèmes concernés) : enrichir les hypothèses et les modèles (ultérieurement : considérer des scénarios), ajouter des facteurs si nécessaire.
- Compléter l’analyse des émissions au niveau des différentes phases d’opération avions au sol et aéroportuaires.
- Etendre l’analyse des émissions de CO2 à celle des gaz à effet de serre (sur la base de compléments d’informations disponibles, lorsqu’elles seront suffisamment robustes).
32 Dans une perspective débordant du cadre de l’activité propre du thème et de la CP.
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- Prolonger la réflexion sur l’interprétation et l’implication des résultats des modélisations/projections (possibilités d’action, de recommandations, dans quel but, à quelles conditions, quels coûts).
- Finaliser les études spécifiques concernant les NOx (effet en altitude, prise en compte dans l’effet de serre).
- Affiner les études sur le bruit. - Affiner l’étude des aspects liés aux interdépendances environnementales (méthodologie et cas particulier
des futurs courts-moyens courriers). - Connaissances consolidées sur les effets de l’aviation sur l’atmosphère et le réchauffement climatique,
mais aussi sur l’ensemble du sujet, pour lutter contre les incertitudes et les enjeux qui rendent les progrès difficiles et parfois entravent une approche scientifique sereine. Il s’agit là d’un besoin permanent inhérent à toute démarche scientifique en plein développement.
o On peut espérer que la base de connaissances scientifiques indispensables pour pouvoir correctement évaluer les effets et projeter leur évolution dans le temps, prendre des décisions et adopter des mesures valables, se développe harmonieusement et efficacement, grâce au renforcement de la coordination interdisciplinaire et de la coopération scientifique internationale, et avec une contribution substantielle des experts aéronautiques.
o La recherche doit être fortement stimulée, suffisamment financée, et équilibrée entre la recherche ciblée/appliquée et la recherche ouverte/amont ; la coopération internationale doit être organisée pour contourner les obstacles de propriété industrielle, puis renforcée pour une plus grande efficacité globale.
- Recherche, création, consolidation d’Indicateurs adaptés, intégrant les principaux facteurs techniques et socio-économiques, reconnus de tous.
- Coefficients d’échange consolidés entre les effets environnementaux. - Méthodologie d’optimisation globale (des tentatives existent au niveau Européen et US pour développer
des modèles sophistiqués, notamment pour analyser les interdépendances environnementales, y compris les aspects coûts-bénéfices, mais elles restent très difficiles à développer et se heurtent à des questions de propriété industrielle et de « souveraineté » de la conception chez les constructeurs). Une forte coordination / solidarité est indispensable entre tous les acteurs.
- Leviers efficaces pour une mise en œuvre déterminée de l’approche équilibrée pour le bruit. - Dépendance des progrès accomplis dans divers domaines connexes: procédures opérationnelles,
infrastructures, ATM, etc.), d’où la nécessité d’une coordination et d’une coopération renforcées, de politiques cohérentes alimentées par des bases de données homogénéisées, validées conjointement.
- Données techniques consolidées (bruit, performances, émissions) sur les configurations « radicales » (incluant les open rotors et les ailes volantes courts courriers), d’où nécessité de poursuivre les efforts de recherche et développement entrepris. Le bruit des open rotors (niveau, nature et impact sur les populations) est un élément critique nécessitant une recherche appropriée.
- Données techniques consolidées sur les émissions de particules et leurs effets (sur la qualité de l’air, l’atmosphère et le changement climatique), au niveau scientifique général, et sur les effets spécifiques de l’aviation, d’où des besoins de recherche conséquents (impliquant les motoristes).
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8. POINTS CLÉS EN DIRECTION DES DÉCIDEURS
8.1 EN GUISE DE PRÉAMBULE
- La multiplicité des acteurs et des facteurs, la complexité des interactions, l’importance des incertitudes, les composantes politico-socio-éthico-philosophiques des enjeux forcent à la modestie et à la prudence, et devraient encourager un processus coopératif-itératif approfondi, pour espérer parvenir à une certaine convergence / synthèse entre le possible, le probable et le souhaitable. Compte tenu du rythme global de croissance anticipé dans la période considérée, et même s’il devait varier sensiblement, les efforts dans les domaines technologiques et opérationnels doivent être maintenus pour contribuer à freiner l’accélération des effets en termes de bruit, de qualité de l’air et d’effet de serre. Ces efforts sont cruciaux pour permettre au transport aérien i) de limiter sa contribution en matière d’empreinte environnementale et de consommation énergétique, et ii) de mieux supporter les effets économiques induits par des évolutions inéluctables comme celle du prix du carburant, ou par des mesures complémentaires volontaristes de la part des autorités, comme les systèmes d’échanges de permis d’émissions.
Nous recommandons que de tels systèmes, et tous systèmes de compensation en général, soient conçus, calibrés et appliqués de façon équitable, sans induire de distorsions de concurrence ni mettre en péril la viabilité du transport aérien. Nous recommandons aussi que ces systèmes soient optimisés en termes d’efficacité environnementale et économique. Tout ceci implique que les objectifs et le traitement de ces questions soient confiés à une gouvernance / des autorités internationales compétentes, disposant de pouvoirs et de moyens adaptés, et agissant selon les principes cités.
Il faut s’assurer de la prise en charge effective des questions de gestion d’urbanisation autour des aéroports (pour le bruit en particulier) pour ne pas perdre le bénéfice des gains technologiques et opérationnels, en identifiant une autorité compétente spécifiquement responsable, là où cela s’avère nécessaire, chargée de mettre en place un cadre réglementaire précis sur ce sujet. Les efforts de recherche doivent être équilibrés entre les différentes disciplines, compte tenu des interactions de plus en plus fortes, et doivent concerner aussi les différents domaines où les progrès potentiels sont critiques, dont les technologies aéronautiques ne constituent qu’une partie: les sciences de l’atmosphère et du climat, les particules, les biocarburants notamment. Ceci est indispensable pour réduire le champ des incertitudes et accroître la pertinence et l’efficacité des processus décisionnels. Les solutions efficaces et d’avenir seront celles qui prendront le plus largement en compte, sans a priori, l’ensemble des effets et de leurs combinaisons, avec des coefficients de pondération validés.
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8.2 QUELLE EST LA NATURE ET QUELLES SONT LES CONSÉQUENCES DES PROBLÈMES ENVIRONNEMENTAUX LIÉS AU TRANSPORT AÉRIEN ? QUELLES CIBLES VISER ?
Pour le bruit, le transport aérien constitue la totalité d’un problème de gêne très localisé affectant une frange de population autour des aéroports, qui est jugulé aujourd’hui par la combinaison du cadre réglementaire, des améliorations des avions et de leur utilisation, des restrictions mises en place, mais qui peut resurgir localement en liaison avec la croissance du trafic local. Le bruit est une contrainte potentielle pour le développement du transport aérien (restrictions opérationnelles supplémentaires paralysantes/pénalisantes, amendes, redevances).
Il faudrait maintenir la gêne acoustique - dont on doit s’assurer en permanence qu’elle est correctement représentée par les indicateurs et processus réglementaires utilisés - au-dessous du seuil tolérable tout en minimisant les contraintes, en optimisant le cadre réglementaire international, régional et local, ce qui implique une discussion au sein de l’ensemble des parties prenantes pour mettre en place / ajuster les règlements et procédures appropriés (ex. : masse effective au décollage, systèmes de réduction de bruit, etc.).
Dépassionner le débat autour des questions de bruit en zone aéroportuaire et en général semblerait en outre souhaitable pour créer un climat de confiance productif pour mieux approcher, comprendre et résoudre les problèmes : cela nécessite de développer les moyens de surveillance et communication, et de cultiver la transparence et le dialogue.
Pour la qualité de l’air, le transport aérien par ses émissions contribue de façon significative à un problème très local au voisinage immédiat de l’aéroport, et de façon mineure à un problème local plus étendu en zone urbaine proche de l’aéroport. La détérioration de la qualité de l’air (avec notamment l’effet des particules) est en soi un problème de nocivité sérieux qui menace la santé humaine, et qui tend à s’aggraver : il est donc surveillé et réglementé de manière de plus en plus sévère. Aux mesures et limitations d’ordre général (concentration de produits dans l’air) s’ajoutent des restrictions et des pénalités au niveau de chaque contributeur potentiel, dont le transport aérien fait partie (par exemple : standard d’émissions des moteurs imposant des limites, redevances). La qualité de l’air est donc aussi une contrainte potentielle pour le développement du transport aérien.
En ce qui concerne le réchauffement climatique, le transport aérien est un faible contributeur (mais dont la part relative risque de croître) d’une menace majeure pour la vie sur la planète à long terme : elle fait l’objet d’une attention de plus en plus soutenue, au point de devenir obsessionnelle, au niveau mondial. Cependant, la problématique est très complexe, touche beaucoup de domaines, est associée à la plupart des autres grandes problématiques planétaires (énergétique en particulier) et comporte des incertitudes très grandes à tous les niveaux.
Quoi qu’il en soit, le transport aérien limite spontanément / naturellement sa contribution du fait de ses propres exigences « internes » en matière de réduction de la consommation de carburant, qui conditionnent sa viabilité à la base.
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Les interdépendances « environnementales » - sur un fond commun économique - prennent une importance croissante (à cause de la difficulté physique d’améliorer les caractéristiques en agissant simultanément sur des variables qui sont de plus en plus dépendantes au fur et à mesure des progrès réalisés). Elles tendent dans certains cas à conduire à des choix critiques, notamment entre bruit et consommation de carburant (= émissions de CO2) pour les motorisations et configurations des avions futurs.
8.3 DES SOLUTIONS SONT-ELLES EN PLACE AU NIVEAU DU TRANSPORT AÉRIEN? OUI (TECHNOLOGIE, OPÉRATIONS, ATM, INCITATIONS D’ORDRE ÉCONOMIQUE).
8.4 SONT-ELLES SUFFISANTES ? NON, PARCE QUE LES BESOINS DE DÉVELOPPEMENT DÉPASSENT LES CAPACITÉS D’AMÉLIORATIONS, ET QUE LE MONDE A BESOIN DE L’AVIATION POUR SE DÉVELOPPER.
8.5 QUE PEUT-ON FAIRE DE PLUS ?
Dans la résolution de ces problèmes, à quoi se heurte-t-on ?
à de très grandes incertitudes : quelles sont les pistes possibles pour les réduire ?
- resserrer progressivement le champ des hypothèses pour réduire les incertitudes, affiner les hypothèses et les analyses en prenant en compte l’interdépendance entre hypothèses et le degré d’élasticité entre elles ;
- équilibrer / optimiser les efforts de recherche destinés à mieux comprendre les phénomènes, les conditions, tout en maintenant les efforts orientés vers les améliorations technologiques. Cela peut paraître paradoxal, mais le pragmatisme peut consister aussi à promouvoir la recherche en amont (voire théorique) pour pouvoir réduire les incertitudes dans le champ décisionnel ;
- en prolongement du point précédent : développer une recherche multidirectionnelle et des compétences de « trans-experts » multidisciplinaires - indispensables par exemple pour traiter les questions de cycle complet du carbone, pour produire des outils d’analyse et des modèles fiables et pratiques, modulaires – et développer des réseaux d’expertise ;
- inciter le secteur du transport aérien à contribuer plus activement à la recherche (y compris expérimentale) relative à l’impact de l’aviation sur l’atmosphère et le climat : cela permettrait par l’implication de spécialistes de l’aviation, de rendre cette recherche plus pertinente et efficace, en intégrant dans les processus un filtrage-validation par les spécialistes aéronautiques, dans le cadre d’une coopération fructueuse entre experts, qui aura par ailleurs un effet positif sur l’image de marque du secteur et de la recherche en général.
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à une péréquation en apparence insoluble entre besoins de développement et exigences environnementales : quelles sont les pistes possibles pour y faire face ?
- veiller à ce que l’élasticité entre les hypothèses des scénarios considérés soit prise en compte (certaines combinaisons improbables peuvent aboutir à une interprétation exagérément pessimiste) ;
- considérer que la résolution passe partiellement par la compensation des émissions au sens le plus large (système d’échanges de permis et carburants alternatifs/ biocarburants notamment), déjà reconnu comme faisant partie de la palette d’outils utilisables (à condition que ce soit dans des conditions appropriées, comme cela est précisé ci-dessus) ;
- étendre la notion de compensation à celle d’une optimisation globale : puisque l’on intègre l’aviation dans le reste des activités (échange de permis d’émissions avec d’autres secteurs), pourquoi ne pas aller au bout de cette logique, en prenant en compte les services cruciaux rendus par le transport aérien, et en prévoyant des échanges de permis d’émissions modulés sur la base de l’évaluation des secteurs où les efforts sont les moins pénalisants et de ceux où les concessions sont les plus économiquement et socialement souhaitables (approche basée sur la solidarité et sur des interactions supposées maîtrisées) ? ; on serait amené à valoriser le rôle de transport public de l’aviation, dans une vision « panoramique » englobant les autres moyens de transport (rail, route), les intermodalités ou comodalités possibles et les villes-aéroports ; cette approche repose aussi sur la mise en jeu de « trans-expertises » comme évoqué ci-dessus. Concrètement, on pourrait concevoir que soient accordés au transport aérien des permis spéciaux d’émissions compensés par d’autres mesures de réduction dans d’autres secteurs dont le rôle serait jugé moins prioritaire33, ou pouvant prendre en compte une réduction du bruit ou une réduction de CO2 significative associée à certains produits dans le cadre des interdépendances et arbitrages environnementaux.
- Promouvoir des mesures de dérogation spécifique pour l’aviation, sur la base des services importants et souvent irremplaçables rendus par celle-ci et de la faible contribution du secteur : là pourrait être développé l’argument de la longue période de faible contribution du transport aérien aux émissions de CO2 qui pourrait lui valoir le droit à un « supplément d’émissions » dans le futur, au titre de l’équité, en intégrant le facteur temps, supplément qui pourrait être plus ou moins compensé par des réductions « extérieures ».
- Ne pas exclure (point déjà évoqué) que des restructurations majeures au niveau de la composition de la flotte, des opérations, voire des opérateurs, puissent permettre une optimisation globale dans le futur, apportant des gains significatifs susceptibles de faciliter un rapprochement des objectifs environnementaux. Toutefois, ces restructurations entraîneraient des répercussions d’une telle ampleur qu’elles nécessiteraient outre une forte anticipation, une approche exhaustive, des évaluations approfondies qui n’ont pas été abordées au niveau de la CP ; dans tous les cas le temps nécessaire de mise en œuvre serait tel que les bénéfices environnementaux résultants auraient une faible probabilité d’atteindre un niveau très significatif à l’horizon considéré.
- Faciliter et développer une approche systémique plus efficace prenant mieux en compte l’articulation des problématiques environnementales avec les autres: scientifique, énergétique,
33 Ceci ne va pas sans soulever des questions d’ordre sociopolitique, voire éthique, quant aux priorités et à l’équité des efforts entre
secteurs. L’ensemble de ces remarques nécessitera dans tous les cas un dialogue nourri entre secteurs et au niveau politique au-dessus qui devra arbitrer.
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écologique, géopolitique, économique, sociale et psychologique, en recensant le disponible, les besoins en matière de données statistiques, concepts, outils d’analyse (théoriques, indicateurs, méthodes) ; lancer les études, analyser les interactions, les tendances, et lancer les actions appropriées.
8.6 QUELLES SONT LES PERSPECTIVES GÉNÉRALES OUVERTES POUVANT CHANGER L’APPROCHE DES PROBLÉMATIQUES ENVIRONNEMENTALES FUTURES EN LIAISON AVEC LE TRANSPORT AÉRIEN, ET POUVANT DONC CONSTITUER DES PISTES DE RÉFLEXION ?
La « littérature » abondante sur ce sujet couvre de nombreux points, qui ne sont pas développés dans cette étude34.
Quelques points sont évoqués dans l’annexe II.
8.7 LES « FAUSSES BONNES IDÉES » DANS LE DOMAINE DE L’AVIATION ET DE L’ENVIRONNEMENT
La liste fournie dans l’annexe X couvre en priorité des points concernant le lien entre l’aviation et l’environnement, mais aussi d’autres points plus généraux relatifs au contexte environnemental.
34 Par exemple :
- Globalisation / relocalisation de l’économie et de l’écologie: écologie dynamique (intégrant les perturbations créées par l’homme); écosystèmes et système terre; biodiversité; agir localement en pensant globalement, peut-on réussir aux deux niveaux ? Macroéconomie écologique, éthique environnementale, croissance, décroissance et prospérité; utopies et dystopies ; anthropocentrisme et bio-centrisme; nouvelles approches et nouvelles disciplines; nouveaux modes de penser et de vivre; nouvelles logiques ; décolonisation de l’imaginaire (séparation entre besoins fondamentaux et besoins artificiels, entre satisfactions profondes et bonheur illusoire) ?
- Démythification et démystification du PIB, du PIB par habitant et des indicateurs classiques, nouveaux indicateurs intégrant des valeurs plus représentatives du bien-être et du bien-vivre; à l’âge de l’enchevêtrement numérique: liens entre transport, consumérisme et monde virtuel; place du transport aérien dans la société future ?
- Paradoxes des signes de reprise économique, cohabitant avec des signes de fragilité, de vulnérabilité latente, de timidité sur les marchés et dans les investissements, y compris dans le secteur du transport aérien. De nouvelles crises en perspective ? Comment y parer ?
- Paradoxes des énergies renouvelables : objectifs de pénétration (%), effets environnementaux globaux, efficacité économique à long terme ? Avenir des filières correspondantes (photovoltaïque, éolien, etc.)? Fluctuations dans la fiscalité environnementale? Liens indirects avec le transport aérien ?
- Tendances profondes et à long terme pour l’économie et l’empreinte écologique de la Chine de l’Inde, des autres pays émergents, de l’Afrique? Efficacité des politiques et des mesures? Influence des problèmes sociaux sur la croissance ?
Cette liste n’est pas exhaustive !
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9. BIBLIOGRAPHIE / RÉFÉRENCES (NON EXHAUSTIVES)
Articles, Thèses, Revues, Rapports et Textes réglementaires - ACARE Aeronautics and Air transport : beyond vision 2020 (towards 2050) - Background document -
6/2010 - Airbus - Global Market Forecast 2010-2029 - Aircraft Optimization for Minimal Environmental Impact (N. E. Antoine) - Stanford Univ.) - 8/2004 - Alternatives Economiques - « Et si on changeait tout… » - Hors-série poche n°49 - 4/2011 - Alternatives Economiques - L’état de l’économie 2011- Hors-série n°88 - Aviation and global climate change in the 21st century (D. Lee, R. Sausen, …) - 4/2009 - Bilan Economie 2011 (le Monde - Hors-série) - Bilan Planète 2010 (le Monde - Hors-série) - Boeing - Current market Outlook 2010-2029 - Cahiers français - n° 355 - L’économie verte - 3&4/2010 - Commercial Fleet Report 2009 (Flight Insight - Bombardier) - Critical Issues in Aviation and the Environment (TRB Circular) - 3/2011 - DGAC - Rapport Environnement - 2009 - Directive 2003/87/CE du 13/10/2003 établissant un système de quotas d’émissions de gaz à effets de
serre dans la Communauté et modifiant la directive 96/61/CE du Conseil - Directive 2008/101/CE du Parlement Européen et du Conseil du 19/11/2008 modifiant la directive
2003/87/CE afin d’intégrer les activités aériennes dans le système communautaire d’échanges de quotas d’émissions de gaz à effet de serre
- Documents divers OACI et CAEP (y compris séminaires et conférences) - 2001-2010 - Estimating the climate and air quality benefits of aviation fuel and emissions reductions (C. S. Dorbian,
P.J. Wolfe, I. A. Waitz) - 2/2011 - Etudes constructeurs (ASD et ICCAIA) - 2008 - Greener by Design reports - 2001-2010) - IATA Annual Report - 2010 - International Energy Agency - Key World Energy Statistics - 2010 - International Energy Agency - World Energy Outlook 2010 - International Energy Outlook 2010 - US Energy Information Administration - 7/2010 - La revue internationale et stratégique n° 80 spécial (P. Boniface - collectif) - Armand Colin - 2010
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- Livre blanc - Feuille de route pour un espace européen unique de transports – Vers un système de transport compétitif et économe en ressources - Commission Européenne - 3/2011
- Manière de voir (Le Monde diplomatique) n°112 - Le temps des utopies - 8&9/2010 - Manière de voir (Le Monde diplomatique) n°115 - Batailles pour l’énergie - 2&3/11 - Meeting the UK aviation target – options for reducing emissions to 2050 - Committee on Climate Change -
12/2009 - Problèmes économiques n°3006 - Quelle croissance pour demain? - La documentation française -
11/2010 - Rapport de l’Académie des sciences: “Le changement climatique” - 26/10/2010 (suite à débat du
20/09/2010) - Rapport GIEC: IPCC 4th Assessment Report - 2007 - Rapport GIEC: IPCC special report “Aviation and the Global Atmosphere” - 1999 - Rapports de la Commission Européenne : EU Transport GHG : Routes to 2050 ? (towards the
decarbonisation of the EU’s transport sector by 2050) - 6/2010 - Revue Cités - n°42 - Utopies (collectif) - PUF - 2010 - Sciences du changement climatique - Acquis et controverses (H. Le Treut, J.-P. Ypersele,…) - IDDRI -
2004 - Standards et Recommendations OACI - Textes réglementaires et standards européens (EASA) - Transport impacts on atmosphere and climate: Aviation (D. Lee, U. Schumann,…) - 6/2009
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Livres
2033 Atlas des Futurs du Monde (V. Raisson - collectif) R. Laffont - 2010
Analyse économique des risques climatiques (L. Baechler) Economica - 2006
Atlas du changement climatique (F. Denhez) Autrement - 2009
Biocarburants - la fausse solution (F. Nicolino) Fayard - 2010
Carbone et prospective (N. Maïzi, J-C. Hourcade) Presses des Mines - 2009
Changement climatique: les savoirs et les possibles (Chappellaz,Godard,Huet,Le Treut) La ville brûle - 2010
Climat - Une planète et des hommes (E. Orsenna, M. Petit, collectif) Le cherche midi - 2011
Comment nourrir le monde ? (collectif) L’aube - 2011
Crise : la solution interdite (P. Larrouturou) Desclée de Brouwer - 200
Ecologica (A. Gorz) Galilée - 2008
Economie de l’environnement et du développement durable (L. Abdelmalki, P. Mundler) De Boeck - 2010
Energie et Climat (A. Rojey) Technip - 2008
Energie et environnement (B. Durand) EDP Sciences - 2007
Energie, climat, développement : l’heure des choix (A. Vétillard) L’Harmattan - 2009
Environmental Ethics (D.R.Keller - collectif) Wiley-Blackwell – 2010
Ethique de l’environnement (collectif) VRIN - 2007
Ethique et changement climatique (collectif) Le Pommier – 2009
L’an I de l’ère écologique (E. Morin) Tallandier - 2007
L’avenir climatique - Quel temps ferons-nous ? (J-M. Jancovici) Seuil - 2002
L’avenir en question - Changer pour survivre - (A. Rojey) Armand Colin - 2011
L’économie de l’environnement (P. Bontems, G. Rotillon) La Découverte - 2003
L’énergie de demain (collectif) EDP Sciences - 2005
L’environnement (J. Vernier) - QSJ PUF - 2001
L’homme est-il responsable du réchauffement climatique ? (A. Legendre) EDP Sciences - 2009
L’Utopie (T. More) Librio - 2009
La compensation carbone : illusion ou solution ? (A. Fragnière) PUF - 2009
La mondialisation (P. Moreau Defarges) - QSJ PUF - 2010
La révolution de l’hydrogène - vers une énergie propre et performante ? (S. Boucher) le félin - 2006
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La servitude climatique (J-M.Bélouvé) Bénard - 2009
Le Bluff Technologique (J. Ellul) Hachette - 2009
Le changement climatique - Quand le climat nous pousse à changer d’ère (collectif) Septentrion - 2010
Le Changement climatique (C. de Perthuis, A. Delbosc) collection idées reçues Le Cavalier Bleu - 2009
Le compteur de carbone (M. Lynas, C. Michaut) First - 2007
Le développement durable - Maintenant ou jamais (D. Bourg, G.-L. Rayssac) Gallimard - 2007
Le développement durable (S. Brunel) - QSJ PUF - 2004
Le développement durable (T. Libaert, A.-J. Guérin) Dunod - 2008
Le développement soutenable (J.-M. Harribey) Economica - 1998
Le mythe climatique (B. Rittaud) Seuil - 2010
Le pari de la décroissance (S. Latouche) Fayard - 2010
Le populisme climatique (S. Foucard) Denoël - 2010
Le principe de précaution (F. Ewald, C. Gollier, N. de Sadeleer) - QSJ PUF - 2001
Le prix du carbone (Ellerman, Convery, de Perthuis) Pearson - 2010
Le réchauffement climatique (R. Kandel) - QSJ PUF - 2009
Les 100 mots de l’énergie (J-M. Chevalier) - QSJ PUF - 2008
Les énergies renouvelables (J. Vernier) - QSJ PUF - 2005
Les Etats et le Carbone (P. Criqui, B. Faraco, A. Grandjean) PUF - 2009
Les grandes batailles de l’énergie (J-M. Chevalier) Gallimard - 2004
Les mensonges de l’économie (J.K. Galbraith) Grasset - 2004
Les paradoxes du développement durable (S. Allemand) Le Cavalier Bleu - 2007
Nouveau climat sur la terre (H. Le Treut) Flammarion - 2009
Nouveau voyage au centre de la terre (V. Courtillot) Odile Jacob - 2009
Petit traité de la décroissance sereine (S. Latouche) Mille et une nuits - 2007
Politique climatique: une nouvelle architecture internationale (J.Tirole - collectif)
La documentation française - 2009
Pour la taxe carbone-La politique économique face à la menace climatique (K. Schubert)
Rue d’Ulm-Presses ENS - 2009
Prospérité sans croissance (T. Jackson) De Boeck – 2010
Rapport secret du Pentagone sur le changement climatique (P. Schwartz, D. Randall) ALLIA - 2006
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Regards sur le monde actuel (P. Valéry) Gallimard - 1945
The Global Deal (Nicholas Stern) PublicAffairs - 2009
The Politics of Climate Change (A. Giddens) Polity press - 2009
Trente-trois questions sur l’histoire du climat (E. Le Roy Ladurie) Fayard - 2010
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Sites internet (liste indicative très restreinte)
cordis.europa.eu www.caissedesdepots.fr www.gifas.asso.fr
corporate.airfrance.com www.canso.org www.gifas.org
ec.europa.eu www.coe.int www.greenerbydesign.org.uk
trid.trb.org www.developpement-durable.gouv.fr www.iata.org
web.mit.edu/aeroastro/partner www.ecac-ceac.org www.iea.org
www.acare4europe.com www.eea.europa.eu www.icao.int
www.ademe.fr www.effet-de-serre.gouv.fr www.ipcc.ch
www.aerorecherchecorac.com www.enviro.aero www.nasa.gov
www.airbus.com www.epa.gov www.oecd.org
www.aprec.net www.erea.org www.pnue.org
www.asd-europe.org www.eurocontrol.int www.unfccc.int
www.atag.org www.europarl.europa.eu www2.ademe.fr
www.boeing.com www.faa.gov
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10. SIGLES ET ABRÉVIATIONS
AAE Académie de l’Air et de l’Espace (ASA)
ACARE Auxiliary Council of Aeronautic Research in Europe
ACNUSA Autorité de Contrôle des NUisances Sonores Aéroportuaires
ADEME Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie
AEA Association of European Airlines
AERONET Projet-Réseau de coopération de recherche européen sur la réduction des émissions des moteurs d’avion
ASD AeroSpace and Defence Industries Association of Europe
ATA Air Transport Association of America
ATM Air Traffic Management
CAEP Committee on Aviation Environmental Protection (Comité de la protection de l’environnement en aviation, organe de l’OACI)
CANSO Civil Air Navigation Services organisation
CDM Clean Development Mechanism
CEAC (ECAC) Conférence Européenne de l’Aviation Civile
CNUCC (UNFCCC) Convention-Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques CORAC Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile
CO2 Gaz carbonique
CoE Center of Excellence
CP Commission Prospective (AAE)
CROR Counter-Rotating Open Rotor
dB décibel (unité de bruit)
DGAC Direction Générale de l’Aviation Civile
EASA European Aviation Safety Agency
EDS Environmental Design Space
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EEA European Environment Agency
EPA Environment protection Agency
EPNdB Effective Perceived Noise decibel (unité de bruit)
ERA European Regions Airline Association
EUROCONTROL The European Organisation for the Safety of Air navigation
FAA Federal Aviation Administration
GES (GHG) Gaz à effet de serre (GreenHouse Gas)
GIEC (IPCC) Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (Intergovernmental Panel on Climate Change)
GIFAS Groupement des Industries Françaises Aéronautiques et Spatiales
IATA International Air Transport Association
ICCAIA International Coordinating Council of Aerospace Industries Associations
IEA International Energy Agency
NOx Oxydes d’azote (monoxyde d’azote : NO ; dioxyde d’azote : NO2)
OACI (ICAO) Organisation de l’Aviation Civile Internationale
OCDE Organisation de Coopération et de Développement Economiques
OPR Overall Pressure Ratio (rapport de compression moteur)
PARTNER Partnership for AiR Transportation Noise and Emissions Reduction (FAA-NASA/Transport Canada sponsored Center of Excellence)
PIB (PNB) Produit Intérieur Brut (Produit National Brut)
REACH Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (règlement européen)
RF Radiative Forcing (Forçage Radiatif)
TRL Technology Readiness Level (niveau de maturité technologique - échelle NASA)
SFC (CS) Specific Fuel Consumption (consommation spécifique des moteurs)
X-NOISE Projet-Réseau de coopération de recherche européen en aéroacoustique (réduction du bruit des avions/moteurs)
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11. ANNEXES
I. Le Thème Environnement condensé : ce qu’il couvre et ce qu’il vise (tableau) II. Contexte général de l’Aviation et de l’Environnement
III. Données complémentaires sur les émissions, le changement climatique et la pollution locale IV. Données générales complémentaires sur la croissance du trafic aérien, la technologie, les produits, la
flotte et l’effet des carburants futurs V. Informations complémentaires sur les facteurs économiques
VI. Informations complémentaires sur les facteurs opérationnels VII. Objectifs environnementaux de l’Industrie et de l’OACI
VIII. L’impact environnemental actuel du transport aérien IX. Informations complémentaires sur les questions de bruit des avions X. Les fausses bonnes idées (FBI) sur les questions environnementales
XI. Prévisions OACI XII. Bilan environnemental des carburants et combustibles alternatifs
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ANNEXE I - LE THÈME ENVIRONNEMENT CONDENSÉ
ce qu’il couvre et ce qu’il vise
Bruit Emissions locales (qualité de l’air et pollution)
Emissions globales (effet de serre- réchauffement
climatique)
CRIT
ERES
env
ironn
emen
taux e
t liés
scientifiques
Compréhension des effets physio- et psychologiques du bruit
Compréhension du bang sonique et de ses effets
Compréhension des effets de la composition des carburants et de
l’impact des émissions sur la QA, la santé)
Effets atmosphériques (traînées de condensation, particules, cirrus)
Sociétaux (seuils d’acceptabilité)
Niveaux max compatibles
(gêne pour communiquer, pour le sommeil, etc.)
Niveaux max compatibles Enjeux et débats
gestion occupation des terrains
Empreinte, comparée aux autres modes de transport
Empreinte, comparée aux autres modes de transport
N/A
Techniques, politico-stratégiques, de gouvernance et réglementaires
Politiques - Norme (2016 ?) / catégories - réglements locaux / restrictions
Normes pour bang sonique
Politiques - Normes NOx (+ HC, CO, fumées), particules ? - matières dangereuses, restrictions
règlements locaux, régionaux nationaux, internationaux
Politiques - Norme CO2 (2016?)
économiques Taxes
Amendes (dépassements de limites sur points de mesure)
Redevances Quotas (ETS) - Taxe carbone - compensation et programmes volontaires
Evolution critères ? Hiérarchie? Critères d’équivalence, Nouveaux critères ? (interdép. environnementales
- Evolution des critères liés au bruit
- Importance relative des facteurs bruit, émissions locales, émissions globales
- Evolution des critères liés aux émissions locales
- Importance relative des facteurs bruit, émissions locales, émissions globales
- Evolution des critères liés aux émissions globales
- Importance relative des facteurs bruit, émissions locales, émissions globales
BILANS environnementaux
(Etat des lieux actuel)
- Bruit max
- Bruit cumulé flotte
- Méthodologies et modèles sous-jacents (+ & -)
- Impact vol basse alt., sol, maintenance, activités induites aéroport, pollution
- Méthodologies et modèles sous-jacents (+ & -)
- Impact vol, sol, maintenance et activités induites aéroports
- Méthodologies et modèles sous-jacents (+ & -)
Projections - Evolution bruit max par catégorie d’avion
Evolution émissions de NOx, particules, polluants
- Evolutions émissions de CO2, particules
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Bruit Emissions locales (qualité de l’air et pollution)
Emissions globales (effet de serre- réchauffement
climatique)
scénarios environnementaux*
(Etat des lieux futur 2050)
- Evolution bruit cumulé de flotte - populations affectées par un bruit cumulé > seuil (55 LDN)
- Identifier les implications des différents objectifs affichés par les principaux acteurs dans le monde de l’aviation, et comparer aux analyses du thème
Conclusions
Recommandations
Communication
Voir rapport Voir rapport Voir rapport
*Note postérieure à la réalisation du tableau : l’étude effectivement faite relève de modélisations-projections, plutôt que de projections-scénarios comme envisagé à l’origine.
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ANNEXE II – CONTEXTE GÉNÉRAL DE L’AVIATION ET DE L’ENVIRONNEMENT
« Le passé est irréparable, mais le présent vous est fourni comme matériaux en vrac aux pieds du bâtisseur et c’est à vous d’en forger l’avenir…
Mais ne crois pas que penser le présent soit simple. Car alors te résiste la matière même dont tu dois faire usage, alors que ne résisteront jamais tes inventions sur l’avenir. »
Antoine de Saint-Exupéry
(Citadelle)
Remarques préalables:
la difficulté de prévoir l’avenir dans un champ flou, vaste, incertain, riche en faux-semblants et paradoxes…
- Cette annexe vise principalement à donner un aperçu des liens entre le monde de l’aviation et le contexte environnemental général. Ce dernier, parfois impalpable par ses composantes mouvantes et empreintes de subjectivité, nous place au bord de l’irrationnel, tandis que l’aviation se débat pour continuer à remplir son rôle au service des gens et de l’économie, à travers des attentes et des exigences concrètes multiples et fortes, où les contraintes environnementales et économiques superposées sont de plus en plus prégnantes…
- Les réflexions qu’elle contient ne cherchent pas à induire ou ouvrir un débat, injecter des sous-entendus, porter un jugement sur telle ou telle approche, prendre parti en faveur de tel ou tel courant de pensée. Leur portée se limite à espérer seulement (mais ce serait déjà considérable) que chacun impliqué parvienne à prendre le maximum de recul possible vis-à-vis du nouage complexe, ramifié et évolutif entre aviation et environnement, en vue d’aller vers « le meilleur des mondes possibles35 » dans le futur.
Les sujets environnementaux, par le développement considérable qu’ils connaissent, les questionnements multiples et profonds qu’ils portent, connectés à beaucoup de sujets de réflexion généraux sur le monde actuel et futur, tendent à envahir tous les domaines. Il faut cependant tenter de garder quelques repères pour ne pas s’égarer à travers les questionnements sur des chemins de traverse trop embrouillés, où l’irrationnel se mêle au rationnel. Il faut parvenir à « protéger notre pensée individuelle indépendante » des assauts permanents des médias qui ont tendance à nous suralimenter en informations, chiffres, théories et analyses parfois insuffisamment digérés et/ou validés, et à ne pas laisser détourner notre esprit des questions-clés : quel impact a l’aviation sur l’environnement, comment cet impact évoluera-t-il, peut-on ou doit-on agir pour infléchir l’évolution, dans quel sens, et par quels moyens ? Selon quels critères et quels objectifs, basés sur
35 « Tous les événements sont enchaînés dans le meilleur des mondes possibles…- Cela est bien dit, répondit Candide, mais il faut
cultiver notre jardin. » Voltaire (Candide)
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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quels choix sociétaux préférentiels? Les choix sont-ils réels ou imposés ? Notre connaissance du contexte est-elle bien circonscrite et à jour, ou que lui manque-t-il pour la compléter et la mettre à niveau ?
Les questionnements passent par une multitude de paradoxes et de « mouvements de balanciers » où presque derrière chaque proposition, chaque argument, chaque vision, se profile son symétrique dans le sens opposé : cela reflète sans doute les effets contradictoires factuels qui sous-tendent les phénomènes physiques, les aspects techniques ou socio-économiques : plus la science, les développements techniques et l’analyse économique y pénètrent en profondeur, plus on découvre la complexité des phénomènes, la multiplicité des facteurs et interactions en jeu, et les liens entre les domaines en apparence éloignés. Paradoxalement, le fait d’enrichir la connaissance ne diminue pas la perception de l’incertitude, car elle diminue sans doute, mais la prise de conscience de ses fondements et de l’étendue du champ flou restant devant soi donne en fait l’impression qu’elle grandit. Cela reflète aussi la puissance de la communication qui répand ces contradictions, ces incertitudes et les réflexions associées à travers les médias et la toile internet36 ; peut-être aussi tout cela traduit-il des interrogations, une perplexité et une incrédulité profondes qui caractérisent notre temps, et indique-t-il que nous sommes à une croisée des chemins.
Prenons quelques exemples :
1) Situation économique, croissance et crises conditionnent l’évolution du transport aérien : o On note une reprise du trafic et des commandes d’avion, mais on note une certaine fragilité. Est-on
réellement sorti de la crise ? Il reste bien des inquiétudes, en Europe, aux USA, et aussi dans les grands pays émergents. Est-on entré dans une période de crise quasi-permanente avec des variations plus ou moins importantes? Les transporteurs ne restent-ils pas vulnérables ? La « reprise » apparente ne risque-t-elle pas en outre de freiner le renouvellement de la flotte par des produits nouveaux, dans la mesure où ceux-ci entrent en concurrence avec les produits existants plus rentables pour les constructeurs, malgré la pression des compagnies aériennes en faveur de produits nouveaux ? Les concurrences de nouveaux entrants dans le jeu de la construction aéronautique sont-elles réelles et crédibles ?
o La Chine est un bon exemple de visions très diverses et contradictoires sur un « grand » sujet donné, si on observe celles qui lui sont attachées, notamment au niveau de son essor économique, y compris dans le domaine aéronautique, et également en terme d’impact environnemental. Les uns se focalisent sur le fait que la Chine soit sur le point de devenir la première puissance économique de la planète37, sur sa domination des marchés où ils la perçoivent comme un redoutable concurrent, sur le marché de la construction aéronautique en particulier où selon eux le poids de son entrée devrait se faire sentir et être pris en compte; d’autres pensent que le système politique chinois pèse sur son dynamisme et gêne sa souplesse, observent que sa population vieillit, que son économie et sa monnaie manifestent des signes d’échauffement/essoufflement - certains analystes voient les USA reprendre à terme la suprématie grâce à leur potentiel technologique et leur relative agilité - que les problèmes sociaux et interculturels y prennent de l’ampleur ; d’autres encore voient
36 Ils sont ravis de s’emparer de ces sujets porteurs, mais ils peuvent légitimement considérer que c’est leur droit et leur devoir de
leur accorder une attention soutenue et de contribuer à faire comprendre et mûrir les sujets concernés. 37 Mais jusqu’où va-t-elle croître ? Citons Paul Valéry : « Il faut rappeler aux nations croissantes qu’il n’y a point d’arbre dans la
nature qui, placé dans les meilleures conditions de lumière, de sol et de terrain, puisse grandir et s’élargir indéfiniment. » (Dans : Regards sur le monde actuel - Notes sur la grandeur et la décadence de l’Europe).
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des opportunités de coopération, de développement de marchés, et de compromis fructueux basés sur les atouts et les besoins mutuels.
Les visions au niveau de l’impact environnemental de la Chine sont diverses également, avec la crainte justifiée de son utilisation massive du charbon dans les années à venir - ceci rendant dérisoire le bénéfice des voitures électriques compte tenu de l’origine de l’électricité dans ce cas - la perspective de poursuite du développement avec un effet de modération limité à l’engagement de réduction de l’intensité énergétique - qui confirme le lien fort entre développement économique et impact environnemental et n’empêchera pas la croissance absolue des émissions de CO2 - Pourtant, la Chine, consciente des risques environnementaux, semble par ailleurs vouloir prendre le problème à-bras-le-corps, par exemple en lançant une modernisation de ses centrales à charbon et en fermant les moins efficaces et les plus polluantes.
Sans doute chaque vision, surtout sur des sujets vastes et complexes comme celui du continent qu’est la Chine, comporte une part de réalité, et une part de constructions subjectives et de préjugés. Que dire de la part d’incertitude et de tout ce que l’on connait trop superficiellement, ou mal sur cet immense Empire du Milieu!
Un certain nombre d’éléments de réflexion parmi ceux qui précèdent concernant la Chine pourraient en les adaptant s’appliquer aussi à l’Inde et aux pays dits émergents.
o On parle de réserves de pétrole ou d’autres formes d’exploitation de combustibles fossiles, on exploite de nouvelles réserves très prometteuses au large du Brésil, mais l’explosion de la plateforme pétrolière dans le golfe du Mexique a laissé des questions en suspens. Est-on proche du pic de production de pétrole ou l’a-t-on déjà atteint? son prix va-t-il à nouveau flamber, comme une nouvelle tendance haussière à la mi-2011 pourrait le suggérer? On se réjouit du gaz de schiste et des schistes bitumineux qui pourraient procurer à un certain nombre de pays et au monde entier une grande bouffée d’énergie, mais on se désole des ravages que leur exploitation pourrait provoquer sur la nature environnante (joli cas d’interdépendance entre problématiques environnementale et énergétique !)
o Aux politiques de « croissance à tout prix », reflets d’une vision où la croissance conditionne la prospérité, s’opposent de plus en plus les « objecteurs de croissance », qui veulent découpler la prospérité de la croissance, et les adversaires du « court-termisme » qui contestent le bien-fondé des ressorts actuels du monde de l’économie et de la finance et prônent le retour à des valeurs moins virtuelles et moins fugaces : s’agit-il d’une crise éthique ?
2) La question de la causalité du réchauffement climatique (gaz à effet de serre par rapport à l’influence de l’activité solaire) a été soulevée par plusieurs scientifiques remettant en cause des analyses du GIEC : il ne s’agit pas de trancher le débat ici, mais de rappeler qu’il a été largement commenté sur la place publique, entraînant des remous jusque dans les instances internationales. On peut voir là une manifestation du problème plus général de « crise de confiance » affectant le domaine de la science, combiné à celui de l’envahissement du champ de la pensée par la « fast-communication », qui sont évoqués ci-après.
3) Alors que l’on souligne l’importance du traitement mondial des problèmes globaux, on s’interroge sur l’efficacité du fonctionnement des organismes onusiens lors du sommet de Copenhague sur le changement climatique, et dans les affaires du GIEC.
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4) Les biocarburants : sont-ils une vraie ou une fausse solution, compte tenu des implications en matière de terres agricoles soustraites à l’alimentation, avec utilisation de pesticides en masse, des sols irrécupérables et aggravation du problème de la sécurité alimentaire dans le monde ? Quelle est leur efficacité environnementale globale à terme ? Ces carburants ont-ils un réel avenir dans le domaine de l’aviation ? A quel horizon, et dans quelles conditions ? D’une façon plus générale, le fonctionnement de la compensation carbone et du marché du carbone, des systèmes d’échange de quotas, n’est pas sans poser des questions sur les effets réels à long terme pour l’économie de carbone réalisée, à quel coût et avec quelles répercussions dans tous les domaines potentiellement affectés.
5) D’autres « solutions » environnementales (non directement liées à l’aviation38), donnent lieu à des débats : éoliennes, panneaux photovoltaïques. La course aux énergies propres et aux technologies « vertes » semble parfois guidée plus par des impératifs ou intérêts spécifiques que par des motivations environnementales, avec des effets de rebonds sur la production, la consommation et l’environnement.
6) L’utilisation de l’hydrogène comme combustible primaire est souvent mise en avant, or son utilisation dans l’aviation paraît plus que douteuse (problèmes dissuasifs de masse de réservoir, de logistique, de sécurité et d’efficacité environnementale globale).
7) L’utilisation de l’électricité comme moyen de propulsion est évoquée, mais l’avis des experts et des études simples montrent que la maturité de tels moyens est à un niveau très bas. Ne parlons pas du nucléaire appliqué à l’aviation…
8) Transport aérien et vitesse : l’avion va vite, mais n’abolit pas le temps : sa vitesse n’a guère augmenté au cours des décennies passées (Concorde a été une exception), les temps de développement et les durées de vie des produits restent importants. Paradoxalement, l’aviation n’est pas un facteur d’accélération des rythmes de vie et de communication. L’avion se fait d’ailleurs rattraper par le train sur des distances courtes, en termes de temps porte à porte…Inversement, certains évoquent le bénéfice pour l’environnement que pourrait apporter une baisse de vitesse de croisière sur des vols courts-moyens courriers.
9) En ce qui concerne les avions, la motivation pour diminuer la consommation de carburant correspond à des impératifs économiques et de concurrence, qui ont précédé les exigences environnementales, et qui restent prédominants, même si ces impératifs et ces exigences finissent par se fondre les uns dans les autres.
10) A travers diverses crises, le principe de précaution a été fortement débattu (débat entre scientifiques sur le réchauffement climatique, virus de la grippe H1N1, volcans islandais), mettant en évidence le malaise de la société face à ses choix. Il y a une crise de confiance vis-à-vis du monde scientifique, où les questions de l’indépendance et de l’intégrité des scientifiques et du respect de leur diversité de pensée sont soulevées (peut-être parfois à tort). Des situations nouvelles et des catastrophes se produisent, où interférent les effets de phénomènes climatiques naturels et d’origine anthropogénique superposés (variations d’activité solaire, températures extrêmes, sécheresse, inondations, terres submergées, coulées de boue, dislocation des glaciers et de la banquise, ouragans, incendies, feux de forêts, manque d’eau potable, maladies), les effets d’interventions directes de l’homme (déforestation, barrages). Dans les choix sociétaux et politiques sur fond de crises et catastrophes passées ou possibles / à prévenir dans le futur, quelle sera la place de l’aviation ? Avec quelles différences au niveau régional ? Quelle sera la place pour la recherche, avec quelles priorités ? La question des interférences entre effets environnementaux et
38 malgré le « Solar Impulse », gadget intéressant, mais peu convaincant en termes de possible application au transport aérien, en
l’état des technologies et pour assez longtemps, selon les analyses pertinentes conduites au sein de la CP.
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aspects économiques est posée avec de plus en plus d’insistance : quel sera le coût d’actions trop tardives, par rapport au coût de la prévention ?
11) L’impact de l’aviation sur l’environnement est faible, mais pourrait devenir plus significatif dans le futur, sur le réchauffement climatique, avec des incertitudes importantes concernant les cirrus induits notamment, et de même sur la qualité de l’air avec les particules.
12) On note le paradoxe et la contradiction au niveau de la communication entre le niveau de criticité des problèmes, qui devrait inciter à une réflexion approfondie, et la rapidité avec laquelle les médias et même des organisations réputées sérieuses ont tendance à se précipiter pour s’emparer du côté sensationnel, avoir la primeur de l’information, de l’image et de la formule. Ceci conduisant inévitablement parfois à des erreurs d’interprétation, d’analyse, à des malentendus, et par voie de conséquence à une perte de crédibilité et une méfiance généralisées.
Ce ne sont que des exemples, la liste pourrait être beaucoup plus longue, mais déjà les considérations ci-dessus pourraient nous rendre enclins à une attitude modeste, ouverte et mesurée, à sortir notre tête du brouhaha des médias, pour pouvoir garder notre esprit critique en éveil, faire preuve d’une incrédulité salutaire bien dosée (non érigée en dogme !), exercer si nécessaire notre faculté d’indignation, pour reprendre un terme actuellement à la mode, afin d’être prêts à affronter la rude tâche d’imaginer le transport aérien en 2050, dans le contexte environnemental et général39. Avec en arrière-plan, l’espoir que les modes de conception du futur puissent eux-mêmes s’adapter et progresser tout en intégrant les acquis de l’expérience passée, contribuant ainsi à façonner un futur meilleur…
39 On peut d’ailleurs remarquer que ce type de considération n’est pas complètement étranger aux choix d’hypothèses qui ont été faits dans l’étude présente, où l’on a essayé de garder un recul, une vision centrale aussi nuancée et équilibrée que possible, d’écarter les hypothèses extrêmes et de tenir compte des innombrables interactions et effets compensatoires.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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ANNEXE III – DONNÉES COMPLÉMENTAIRES SUR LES ÉMISSIONS, LE CHANGEMENT CLIMATIQUE ET LA POLLUTION LOCALE
1) Objectifs relatifs au changement climatique
- Objectifs CCNUCC :
L’accord de Copenhague (sommet du COP15, conférence climat, 7-18/12/2009) stipule la nécessité reconnue par l’ensemble des parties que l’élévation de la température moyenne de surface terrestre par rapport au niveau préindustriel reste inférieure à 2°C pour ne pas hypothéquer l’avenir en termes d’effets du changement climatique, ce qui équivaut à maintenir la concentration de CO2 dans l’atmosphère au-dessous de 450 ppm (387 ppm en 2009).
Ceci a été réitéré lors de la conférence climat suivante sommet suivant (Sommet du COP16, Cancun, Mexique, 29/11/2010-10/12/2010).
Objectifs français, européens et d’autres nations :
- En France, on note d’une part un objectif « politique » à moyen terme (2020) de 20% de réduction des émissions de CO2, avec une position « négociable » au niveau des discussions Européennes et Europe-CCNUCC pouvant atteindre 30% de réduction, sous réserve de l’engagement des autres pays… On a noté en outre des objectifs français et européen de division des émissions de CO2 à long-terme (2050) par un facteur 4, ce qui semble extrêmement ambitieux, et ce que certains pourraient qualifier d’irréaliste, en regard du fait constaté de la stabilité des émissions de CO2 en France entre 1990 et 2007.
- En Europe, il semblerait aujourd’hui que l’on soit disposé à « signer » pour 20% d’amélioration en 2020. 30% sont parfois évoqués dans les discussions.
- Les USA affichent un objectif de 17% de réduction en 2020 par rapport à 2005 qui correspond à 3% seulement de réduction par rapport à 1990.
- Le reste du monde a des objectifs de types et de niveaux variables : la Chine et l’Inde par exemple souhaitent l’exprimer en pourcentage de réduction d’intensité énergétique, c’est-à-dire par unité de PIB (40% pour la Chine, 20-25% pour l’Inde, entre 2005 et 2020) ; le Brésil et d’autres pays riches en forêts (et subissant une forte déforestation) souhaitent incorporer l’aspect réduction de déforestation et restauration de terres de pâturages (environ trois-quarts de l’objectif brésilien de 38% de réduction des émissions de CO2 pour 2020).
Le transport aérien est en Europe pris en compte au niveau des vols domestiques parmi les émissions sous le contrôle du protocole de Kyoto (lequel ne considère que les émissions de gaz carbonique du transport aérien). La réduction des émissions des vols internationaux relève de l’autorité de l’OACI, par délégation de la CCNUCC. Cette prérogative a été encore confirmée par l’actuelle secrétaire exécutive de cette organisation.
D’autres initiatives concernant des grandes villes de différentes régions du monde visent à apporter une contribution significative à l’effort de réduction des émissions de gaz à effets de serre.
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Données sur la pollution locale
De nombreuses données existent concernant les mesures, les méthodes d’évaluation et d’analyse, en général et pour les aéroports en particulier.
Selon les estimations faites dans le cadre des travaux de l’OACI (comité environnement, CAEP), les émissions d’avions contribuent à 70-80% du total des émissions de NOx des aéroports, soit 7 à 8% des émissions de celles du voisinage urbanisé des aéroports et de ceux-ci (les aéroports contribuant pour 10%).
Pour comprendre l’influence des émissions sur la qualité de l’air locale, les émissions des aéroports doivent être converties de masses en concentrations ambiantes. Celles-ci décroissent avec la distance de l’aéroport. La contribution est spécifique à chaque aéroport, compte tenu de son trafic, de l’urbanisation voisine dont les réseaux de transport de surface et les industries implantées, et des conditions météorologiques, qui lui sont propres.
L’estimation des émissions locales liées aux activités aériennes est faite à partir de modèles qui ont été développés en Europe - dans certains cas dans le cadre de programmes de recherche financés par la Commission Européenne - et aux USA.
Réglementations concernant les émissions
La réglementation des émissions d’oxydes d’azote (NOx) et de certains autres gaz existe aussi à un niveau local, national et international, notamment avec des limites applicables aux NOx, aux hydrocarbures imbrûlés (HC), à l’’oxyde de carbone (CO) et à un indice de fumée (Smoke Number). Le contexte est expliqué ci-après.
La réglementation concernant les NOx évolue régulièrement dans le sens d’une plus grande sévérité, comme le montrent les figures 1 et 2 ci-dessous.
Figure 1
Historique de la sévérité de la norme de NOx OACIF00 > 89kN
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30Années (depuis CAEE2)
% s
évér
ité n
orm
e N
Ox
OA
CI
Déc 1995
CAEP 2: - 20%CAEP 4 : - 16%
CAEP 6: -12%
CAEE 2
Déc 2003 Déc 2007
CAEP 8: -15%
Jan 1986
Déc 2013
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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Figure 2
Les quantités de polluants dans l’air et dans l’eau en zones urbaines et régionales font aussi l’objet de règlements au niveau local, national et régional (européen notamment), par l’intermédiaire de différentes autorités ou organisations gouvernementales, et des agences pour l’environnement. Ceci a stimulé l’élaboration de modèles permettant d’attribuer à chaque contributeur les émissions qui lui « reviennent » (voir les modèles de dispersion européens et américains).
Des actions ont été prises au niveau régional et international pour harmoniser les règlements locaux concernant les émissions.
Concernant les particules émises par les moteurs, le principe d’une norme est en gestation au niveau international (OACI), qui ne pourra aboutir que lorsqu’une maîtrise suffisante de la mesure des particules et des critères de dangerosité sera atteinte, permettant d’intégrer les résultats des activités de recherche en cours dans une méthodologie de certification robuste.
Des réglementations spécifiques existent par ailleurs concernant l’utilisation de produits dangereux entrant à différents stades de la fabrication, de la maintenance ou du démantèlement des produits industriels, ceci s’étendant aux avions, un exemple typique étant la réglementation « REACH » mise en place en Europe.
Concernant le CO2, les engagements du protocole de Kyoto (couvrant aussi les émissions d’autres gaz à effet de serre qui ne sont pas émis directement par l’aviation : méthane : CH4, oxyde nitreux : N2O, hydrofluorocarbones : HCF, hydrocarbures perfluorés : PFC et hexafluorure de soufre : SF6) ne s’appliquent pas à l’aviation internationale. Les secteurs et catégories de sources concernés par le protocole de Kyoto sont l’énergie, les procédés industriels, les solvants, l’agriculture et les déchets (voir annexe XII).
Après l’ « échec » du sommet de Copenhague sur le changement climatique, la CCNUCC (Convention Cadre des Nations Unies sur le Changement Climatique : UNFCCC en Anglais) a tenu un nouveau sommet à
Norme OACI - Limite NOX LTO - F00 > 89kN
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
OPR
Dp/
F 00
CAEP/6 Standard31/12/2007 CAEP/8 Standard
31/12/2013
- 15%
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Cancun (Mexique), puis d’autres, qui n’ont pas conduit à des avancées significatives, si ce n’est la reconnaissance de l’importance des forêts et la confirmation de l’engagement d’apporter un soutien financier aux pays en développement.
La réglementation européenne et certains règlements nationaux s’appliquant à l’échange de quotas d’émissions de CO2 ont été amendés pour inclure l’aviation, encore que seule la réglementation européenne vise l’aviation internationale pour autant qu’elle touche ses territoires. Des taxes existent dans certains pays sur l’aviation domestique, et des taxes sur le CO2 (taxe carbone) sont évoquées de manière chronique, en Europe en particulier.
Une nouvelle réglementation concernant un standard pour les niveaux d’émissions de CO2 des avions est en cours d’étude à l’OACI/CAEP (comité de la protection de l’environnement en aviation).
D’autres aménagements réglementaires existent, de lutte contre la déforestation et pour créditer de permis d’émissions de CO2 les actions de reforestation, les mécanismes de développement propre et l’aide aux pays en voie de développement, notamment dans le cadre du protocole de Kyoto et de la CCNUCC. On peut remarquer que tous les aspects, réglementaires ou autres, mettant en jeu le cycle complet du carbone, rendent plus compliquée l’appréciation des effets de mesures prises ou potentielles, et aussi plus aléatoires les projections concernant l’impact relatif à long terme du transport aérien.
Il est difficile de prévoir quelle sera, en termes d’engagements, l’issue des négociations censées donner une « suite » au protocole de Kyoto pour la période commençant en 2015…
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ANNEXE IV – DONNÉES GÉNÉRALES COMPLÉMENTAIRES SUR LA CROISSANCE DU TRAFIC AÉRIEN, LA TECHNOLOGIE, LES PRODUITS, LA FLOTTE ET L’EFFET DES CARBURANTS FUTURS
Croissance du trafic aérien
Parmi les facteurs susceptibles d’influencer fortement l’impact de l’aviation sur l’environnement (bruit, émissions locales et qualité de l’air, émissions globales et effet sur le réchauffement climatique), le rythme de croissance du trafic aérien est un des plus évidents. Toutes les études, y compris la nôtre et les analyses de sensibilité associées, mettent en évidence cette dépendance majeure.
Le taux de croissance du trafic aérien est variable selon les régions, car étroitement lié à l’activité économique des régions concernées. Les crises économiques mondiales l’affectent, avec des effets plus ou moins marqués selon les régions et les compagnies aériennes, souvent avec un effet retard, pour l’entrée dans la crise, mais aussi parfois en sortie de crise. Un effet de rebond à la reprise est systématiquement noté, comme dans le cas de la crise actuelle (2007-2010). Les variations importantes et brutales du prix du pétrole ont un effet sensible à cause de l’impact sur les résultats des compagnies aériennes. Le trafic est aussi sensible à des phénomènes naturels ou combinés exceptionnels, avec des effets régionaux plus ou moins prononcés, qui peuvent durer plusieurs semaines ou mois (éruptions volcaniques, tremblements de terre, tsunami, accidents nucléaires), à des états d’alertes plus ou moins prolongés suivant des problèmes sanitaires (épidémies), des conflits militaires, des guerres civiles, des actes ou menaces terroristes.
Compte tenu de l’expérience passée et des divers facteurs cités ci-dessus, parmi lesquels la volatilité du prix du pétrole a des chances de réapparaître ou de s’aggraver, il nous a semblé que tout scénario futur réaliste devait refléter cette variabilité et ce caractère cyclique, tels qu’observés dans le passé.
Il faut noter que toute hypothèse de croissance repose sur une interprétation plurifactorielle de ce que sera l’évolution future du trafic dans un contexte aux ramifications multiples et complexes qui englobe la démographie, la société, l’économie, les besoins, les ressources naturelles, humaines ou financières, le géopolitique ; cette « vision sous-jacente » peut difficilement rester neutre et ne pas intégrer des éléments à caractère subjectif, éthique et politique, lesquels influencent une telle analyse, aussi rationnelle soit-elle.
De multiples données existent provenant de diverses sources sur les taux de croissance prévisionnels et sur les analyses démographiques et économiques qui les sous-tendent (OACI, EUROCONTROL, IATA, etc.).
Nous avons adopté finalement l’hypothèse de croissance en PKT et les hypothèses associées (évolution du nombre de vols, du nombre de passagers, du rayon d’action et de la capacité moyens) telles qu’elles ont été établies par le thème « Volume du Marché », fondées sur une analyse pertinente, robuste et rationnelle, portant notamment sur l’évolution du PIB et du prix du billet. Ces hypothèses conduisent à un niveau modéré réaliste, conforté par les études et tendances récentes, et par ailleurs cohérent avec les résultats de nos analyses cycliques antérieures.
Ce taux est inférieur aux taux utilisés dans diverses études, dont celles de l’OACI/CAEP, qui sont de l’ordre de 4 à 4.5% en moyenne annuelle (par exemple dans les études OACI/CAEP faites pendant le cycle CAEP/8 :
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2007-2010). L’OACI n’avait pas modifié ces estimations compte tenu des grandes incertitudes dans la phase très évolutive où elles ont été produites, entre 2007 et 2009, mais basées sur des statistiques plus anciennes. Cependant, l’OACI/CAEP avait signalé leur tendance vraisemblablement optimiste ne prenant pas en compte les perturbations cycliques et les tendances les plus récentes40.
Produits, Recherche, Technologies, Flotte et autres aspects liés à l’aviation
Un autre facteur très important qui conditionne l’impact de l’aviation sur l’environnement est le niveau technologique et la chronologie de sa mise à disposition, eux-mêmes dépendants de l’intensité des efforts de recherche entrepris, de la pertinence de ces efforts, et du succès des options technologiques choisies.
Le développement de nouveaux types d’avions incorporant ces nouvelles technologies plus performantes sur le plan environnemental, la cadence de fabrication et de renouvellement des anciennes générations d’avions par les actuelles, puis par les nouvelles sont évidemment aussi des facteurs importants.
Des informations multiples sont fournies par les constructeurs (avionneurs et motoristes, ICCAIA), les opérateurs (compagnies aériennes, AEA, ATA, ERA, IATA), les aéroports (spécifiques et ACI) centres de recherche, les organismes de gestion du trafic aérien (CANSO, EUROCONTROL, FAA), des groupes, comités, commissions et organisations nationaux et internationaux (GIFAS, CORAC, Commission Européenne ACARE, OACI, UNFCCC, GIEC, IEA, etc.), les ministères du transport, de l’environnement, les agences de l’environnement (ADEME, EEA, EPA), les autorités de l’aviation civile (DGAC, EASA), des études innombrables et diverses concernant les divers sujets concernés, y compris les études prévisionnelles et les scénarios futurs.
Effet des carburants / combustibles alternatifs du futur
Pour des informations plus détaillées concernant les carburants ou combustibles futurs, on se reportera au document thématique énergie. On se contentera de rappeler ici que les biocarburants de générations avancées pourraient constituer dans le futur des voies d’amélioration possibles en vue de réduire l’impact de l’aviation, à condition de :
- maintenir un niveau adéquat de qualités physico-chimiques du carburant compatibles avec les exigences de sécurité, fiabilité et performances
- assurer des conditions économiques viables impliquant une logistique de fabrication / distribution appropriée et un couplage d’utilisateurs avec d’autres secteurs que l’aviation seule
- assurer un réel gain environnemental au niveau du cycle complet du carbone. L’utilisation de carburants de synthèse ou de mélanges de substitution (« drop-in ») aux propriétés voisines de celles du kérosène est possible, la disponibilité, et le coût étant des facteurs à prendre en compte, notamment au niveau politique.
40 Les prévisions de l’OACI données au CAEP/9 en 2013 sont à des niveaux du même ordre que ceux du CAEP/8 (environ +4.3%
de moyenne annuelle pour le trafic passagers en PKT)
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L’hydrogène paraît une voie peu prometteuse en ce qui concerne l’horizon 2050, voire au-delà, à cause des effets adverses de sa densité et de ses conditions d’utilisation (masse des réservoirs à embarquer dissuasive, sécurité), de son faible rendement énergétique de production et aux conséquences de la production de vapeur d’eau dans l’atmosphère pouvant remettre en cause son bilan environnemental. Des informations complémentaires concernant le bilan environnemental des carburants/combustibles alternatifs sont fournies dans l’annexe XII.
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ANNEXE V – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES FACTEURS ÉCONOMIQUES
Les facteurs économiques liés au bruit
Des redevances locales existent concernant le bruit, dans de nombreux aéroports, le plus souvent finançant l’insonorisation des habitats préexistant à la plate-forme dans les zones où la construction des nouveaux habitats est restreinte.
Le niveau de bruit peut avoir des effets majeurs sur les opérations (restrictions, quotas) et donc sur les revenus des compagnies et parfois sur le confort des passagers (selon l’horaire d’arrivée) ainsi donc que sur celui des riverains à destination. Ceci induit des effets importants sur la concurrence entre compagnies et entre constructeurs.
Les facteurs économiques liés aux émissions
Des redevances existent sur plusieurs aéroports de différents pays, concernant les émissions LTO des moteurs (NOx et hydrocarbures).
Des taxes ont été mise en place par certains pays sur le carburant consommé sur les vols domestiques Il n’existe pas de taxes sur le carburant utilisé sur les vols internationaux, mais cette disposition, incluse dans les accords bilatéraux qui régissent les droits aériens entre états conformément aux recommandations de la convention de Chicago est révisable.
Des marchés régionaux du carbone se développent, stimulés par les mécanismes du protocole de Kyoto et les systèmes d’échanges de quotas d’émissions.
Des projets de fiscalité environnementale (taxe carbone) ont été étudiés en France et en Europe sans avoir encore abouti. On ne peut les exclure dans le futur, avec là encore une application possible à l’aviation.
Les effets majeurs indirects liés au coût du carburant et les effets induits sont évoqués ci-dessous.
Les facteurs liés au coût du carburant et aux autres effets économiques combinés
Le coût du carburant est un enjeu majeur pour les compagnies aériennes, selon la sensibilité de leurs marchés à la passation du surcoût correspondant, avec des effets induits majeurs sur la concurrence entre compagnies et entre constructeurs (avionneurs et motoristes).
Cet enjeu découle d’une situation qui déborde largement du cadre de l’aviation et qui est très succinctement rappelée ci-dessous.
Il est de plus en plus communément admis que l’on arriverait à la fin de l’ère de l’énergie abondante et à bon marché. L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) prévoit un plafonnement à court terme de la production de
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENVIRONNEMENT
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pétrole bon marché. Sur la question de la sécurité énergétique (qui se généralise en question de sécurité dans l’approvisionnement en matières premières), se greffe celle du prix de l’énergie, car la raréfaction du pétrole entraîne inévitablement : des fluctuations du prix du baril, liées aux aspects géopolitiques, et surtout, pour les années à venir, une hausse tendancielle du prix. Enfin, ceci est de nature à rendre plus attractif le charbon (surtout pour les pays qui disposent de réserves importantes comme la Chine), source d’énergie fossile encore disponible en abondance, mais ayant un impact environnemental nettement plus sévère (30% de plus d’émissions de CO2 que le pétrole, 50% de plus que le gaz naturel).
Pour les transports, et l’aviation plus particulièrement, le pétrole est une source d’énergie irremplaçable, à court terme, et de toutes manières, la hausse du prix du baril se répercutera sur le prix des autres combustibles/énergies, étroitement lié à celui du pétrole, à supposer que d’autres ressources soient utilisées.
Les crises énergétiques et climatiques sont intimement liées, car la « vidange » des ressources fossiles alimente le « trop plein » de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
Les deux crises en se combinant peuvent provoquer de graves désordres sociaux et géopolitiques ; cependant, elles peuvent être partiellement « soulagées » par des solutions communes, et par là même les stimuler.
L’augmentation du prix du carburant - quel qu’il soit - paraît inévitable dans le futur, et peut s’accompagner d’autres effets liés à des mesures à portée environnementale touchant l’aviation : quotas d’émissions (applicable en Europe à partir de 2012) ou pouvant l’affecter dans le futur : taxes sur le carburant ou taxe carbone. L’aviation ferait ainsi son entrée sur le marché du carbone, et compte tenu de l’évolution probable de ses émissions, elle devrait acheter des droits d’émissions, ce qui, en fonction des modalités appliquées, aggraverait la situation financière des compagnies déjà vulnérables, notamment avec l’augmentation anticipée du prix du carburant. D’où la forte réticence des compagnies aériennes vis-à-vis du projet européen dans sa forme actuelle, de certains pays (USA, Chine), les discussions « musclées » sur le sujet à tous niveaux, OACI inclus, et des actions menées jusque sur le plan juridique.
Effets combinés des facteurs économiques
Les effets (risques) potentiels cumulés de tous les facteurs économiques évoqués sont : des difficultés financières des compagnies aériennes, une augmentation du prix des billets (tempérée par les gains de productivité (cf. « études du thème Structures d’Exploitation »), une diminution du trafic (nombres de passagers et de vols), parfois le report d’achat de nouveaux appareils et l’attente d’appareils plus performants, ou le rebut d’appareils anciens et/ou plus récents, des restructurations internes (organisation, routes, etc.) ou externes (faillites, rachats, fusions). Les effets globaux sur l’environnement sont difficiles à préciser, car ils peuvent être très variables et de sens différent.
Conclusion
Au-delà de l’importance évidente des facteurs économiques, il faut retenir le risque que représenteraient pour la viabilité du transport aérien - européen en particulier - des mesures
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excessives en termes de quotas d’émissions, ou en général toute mesure pénalisante, à caractère discriminatoire, inéquitable ou génératrice de biais de concurrence. Compte tenu des imbrications du monde économique actuel, qui ne peuvent que se développer dans le futur, de telles mesures pourraient engendrer un chaos tel que leurs effets néfastes se propageraient assez rapidement à l’ensemble du secteur et sans doute à des pans de l’économie, dans le monde entier.
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ANNEXE VI – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES FACTEURS OPÉRATIONNELS
Opérations en vol
Les opérations sont l’objet de constantes améliorations dans le but de réduire le bruit et la consommation de carburant des avions.
Les unes concernent l’organisation des réseaux, fonction des capacités et rayons d’action des avions construits en regard des demandes de trafic de chaque segment de marché : une très importante productivité énergétique donc environnementale (en bruit comme en émissions) a résulté de l’arrivée des machines longs courriers de grande capacité qui ont pu être remplies par la concentration réalisée dans les plates-formes de correspondance des exploitants.
Les autres qui résultent de l’amélioration de la conduite du vol dans les différentes phases sont nécessairement tributaires du type d’appareil et des technologies mises en jeu, souvent en combinaison avec les technologies disponibles au sol.
Les procédures de réduction / optimisation du bruit continuent d’être développées, faisant de plus en plus appel à la sophistication croissante des systèmes avions.
On peut remarquer que les procédures de réduction de poussée des moteurs couramment utilisées au décollage sont favorables aux émissions de NOx ; en revanche, leur effet sur la consommation totale de carburant pour la mission est très légèrement défavorable. On peut ainsi constater que les questions d’interdépendances environnementales ne sont pas absentes du domaine opérationnel.
Les procédures de descente continue, dont l’utilisation se répand dans le monde, permettent des gains à la fois en bruit et en carburant consommé. Leur utilisation, limitée initialement pour des raisons de capacité, progresse cependant grâce aux efforts dédiés à ces problèmes.
On pourra se reporter à la documentation existante des constructeurs et de l’OACI sur ces sujets.
Opérations aéroportuaires
Des gains sont attendus des diverses phases d’opérations au sol, qui impliquent l’aéroport, ses infrastructures et équipements et les compagnies aériennes. Parmi les moyens qui peuvent être des sources de progrès potentiels, on peut mentionner les trains d’atterrissage motorisés, les équipements fournissant à la passerelle l’énergie électrique à l’avion, ceux fournissant le conditionnement d’air, le remplissage carburant en évitant les véhicules de servitudes consommateur d’énergie fossile, les déplacements avions et les attentes de services moteurs en fonctionnement, ainsi que la gestion optimisée des phases de roulage, les systèmes de traction d’avions, …sans oublier l’optimisation de la configuration générale de l’aéroport et la desserte de l’aéroport, dont le trafic routier.
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Gestion du Trafic Aérien (ATM)
Des gains d’efficacité opérationnelle du trafic aérien exigent en fait des améliorations substantielles, car sinon, l’augmentation du trafic entraînera des pertes d’efficacité, comme schématisé dans la figure 1 ci-dessous.
Figure 1
Des informations plus détaillées sont disponibles dans le rapport thématique ATM.
Autres aspects
En termes d’économies de carburant, et donc d’émissions, toutes les phases de la vie d’un avion sont concernées, depuis la conception, le choix des matériaux, les procédés de fabrication, les achats de matériels, l’organisation des chaînes d’assemblage, les essais en vol, les processus de livraison, les procédures et équipements de maintenance, les opérations en vol (voir ci-dessus) jusqu’au démantèlement final des appareils. La conception est évidemment un élément essentiel qui conditionne tous les autres.
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ANNEXE VII – OBJECTIFS ENVIRONNEMENTAUX DE L’INDUSTRIE ET DE L’OACI
Objectifs de l’Industrie
Pour le bruit, l’industrie EU a en point de mire l’objectif ACARE. Cependant, celui-ci est très ambitieux, spécialement pour l’approche.
Le type d’avion et sa masse jouent un rôle essentiel pour le bruit, de même que le type d’opérations (décollage ou atterrissage), les circonstances de sa perception (jour, nuit), et il faut faire appel à la fois à des notions de bruit maximum pour une opération, et de bruit cumulé pour un trafic donné dans une période donnée.
Dans le contexte des activités OACI/CAEP, les constructeurs et les organismes de recherche ont établi des scénarios d’amélioration (voir figure 1 ci-dessous).
Figure 1
On notera que l’objectif ACARE de -10 dB par opération pour les avions de technologie 2020 par rapport à la « génération 1995 », qui correspond à une moyenne de - 0,4dB par an, est plus ambitieux que les niveaux ci-dessus. Toutefois l’objectif affiché par les US (NASA) est lui aussi très ambitieux (-42 dB cumulés en 2025).
Source: OACI/CAEP (CAEP/8)
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Pour le CO2, l’industrie (principalement IATA, associé aux constructeurs, aéroports et organismes de gestion du trafic aérien) affiche un objectif d’amélioration d’efficacité global de 1.5% par an jusqu’en 2020, une « croissance neutre en carbone » au-delà, et un « objectif-aspirationnel » de réduction des émissions « nettes » ( = absolues) de CO2 d’un facteur 2 en 2050 par rapport à 2005.
Pour les NOx, l’industrie affiche des projections d’amélioration jusqu ‘en 2026, avec une évolution que sa représentation rend en absolu pratiquement plate à partir de 2025 (voir figure 2 ci-dessous) mais doit persister pourtant en relatif.
Figure 2
Objectifs OACI
En ce qui concerne le bruit, l’OACI a établi des objectifs à court-terme (2020) et long-terme (2030) au travers d’un processus de revue par des experts internationaux indépendants, où l’industrie (principalement les constructeurs) et les centres de recherche ont apporté des informations-clés. Ces objectifs sont revus, actualisés et complétés sur une base périodique, le dernier exercice ayant abouti aux objectifs entérinés au CAEP/9 en 2013.
Ces objectifs ont été établis par catégories d’avions : régionaux, courts-moyens courriers, long-courriers bimoteurs et long-courriers quadrimoteurs. Pour les avions des trois dernières catégories, les objectifs, par rapport à la limite OACI correspondante du chapitre 4 sont, pour des avions considérés à leur masse nominale, de l’ordre de - 22 à -23 EPNdB cumulés (sur les trois points de certification) en 2020, à niveau de
correction de rapport de compression moteur incluse
Source : OACI / CAEP/8
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maturité technologique TRL 8, et de - 27 à - 30 EPNdB (de l’ordre de - 13 dB pour le moteur à hélice contra-rotative « open rotor », équipant un bimoteur court-moyen courrier) en 2030, mais à TRL6 (voir figures 3, 4, et tableaux 1 et 2 ci-dessous, où apparaissent l’influence des masses et les incertitudes).
Il est important de noter que les configurations « radicales » ne sont pas prises en compte dans l’élaboration de ces objectifs : c’est les cas des configurations « silent aircraft » (aile volante) ou d’autres non retenues parce que leur degré de maturité était incompatible avec une date d’introduction 2030.
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Cum
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Noi
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, EPN
dB
Max. Takeoff Mass (Tonnes)
Medium Term (2020) Cumulative Noise Goals at TRL8
Chapter 4 Limit
Mid-Term Goal for Turbofans
Mid-term Upper Bound
Mid-term Lower Bound
Large Turboprop Goals
LR4
LR2
SMR2RJ
Figure 3
Source : OACI / CAEP/9
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10 100 1000
Cum
ulat
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Noi
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, EPN
dB
Max. Takeoff Mass (Tonnes)
Long Term (2030) Cumulative Noise Goals at TRL6
Chapter 4 Limit
Long-Term Goal for Turbofans
Long-term Upper Bound
Long-term Lower Bound
Long-Term CROR Goal
LR2
RJSMR2
LR4
Figure 4
Cumulative Noise Margin GoalsRelative to Chapter 4, Mid-Term (2020)
Mid-term turbofan goals have not been changed from IEP1 review. Goals have been added for large turboprops. Also, the uncertainty values for noise estimates have been rounded to ±4 EPNdB.
Aircraft Category BPRGoal NR TRL6 NR TRL8 Cum
RefCum
Goal TRL6Cum
Goal TRL8
Regional Jet (RJ)40 tonnes (nominal)
50 tonnes (max)7±17±1
1010
99
4-0.5
149.5
13±48.5±4
Large Turboprops 45 tonnes (nominal)
53 tonnes (max)--
9.59.5
99
30.5
12.510
12±49.5±4
Short Medium Range Twin (SMR2)Turbofans: 78 tonnes (nominal)
98 tonnes (max)CROR: 78 tonnes (nominal)
91 tonnes (max)
9±19±1
--
17.517.5
--
1616--
51.5
--
22.519--
21±417.5±4
--
Long Range Twin (LR2)230 tonnes (nominal)
290 tonnes (max)10±110±1
1616
14.514.5
62.5
2218.5
20.5±417±4
Long Range Quad (LR4)440 tonnes (nominal)
550 tonnes (max)9±19±1
17.517.5
1616
5-1.5
22.516
21±414.5±4
Tableau 1
Source : OACI / CAEP/9
Source : OACI / CAEP/9
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Cumulative Noise Margin GoalsRelative to Chapter 4, Long-Term (2030)
Long-term goals have only been updated for SMR2 and LR2. 3 dB increase from the IEP1 review for turbofans is due to BPR increase from 11 to 13. Goals have been added for SMR2 aft mounted CROR.
Aircraft Category BPRGoal NR TRL6 NR TRL8 Cum
RefCum
Goal TRL6Cum
Goal TRL8
Regional Jet (RJ)40 tonnes (nominal)
50 tonnes (max)9±19±1
17.517.5
--
4-0.5
21.5±417±4
--
Large Turboprops 45 tonnes (nominal)
53 tonnes (max)--
--
--
--
--
--
Short Medium Range Twin (SMR2)Turbofans: 78 tonnes (nominal)
98 tonnes (max)CROR: 78 tonnes (nominal)
91 tonnes (max)
13±113±1
--
25258.58.5
----
51.552
30±426.5±4
* 13.5+2/-6** 10.5+2/-6
----
Long Range Twin (LR2)230 tonnes (nominal)
290 tonnes (max)13±113±1
2222
--
62.5
28±424.5±4
--
Long Range Quad (LR4)440 tonnes (nominal)
550 tonnes (max)11±111±1
2222
--
5-1.5
27±420.5±4
--
* CROR cumulative margin with uncertainties range from 7.5 to 15.5 EPNdB for 78 tonne nominal weight aircraft.** CROR cumulative margin with uncertainties range from 4.5 to 12.5 EPNdB for 91 tonne maximum weight aircraft .
Tableau 2
En ce qui concerne le CO2, l’OACI a adopté un objectif d’amélioration d’efficacité global de la flotte de 2% par an de 2005 à 2050.
Il faut faire une distinction importante entre les objectifs ACARE qui sont des objectifs de recherche ou en quelque sorte de « leader technologique de flotte » en production sur chaîne, et les objectifs de l’industrie et de l’OACI qui sont des objectifs de flotte moyenne en exploitation. Si on fait l’hypothèse que la moyenne de la flotte atteigne effectivement l’objectif ACARE de -50% de CO2 par rapport à 2000, en 2035 (date milieu entre 2020 et 2050), cela correspondrait à une réduction d’émissions moyenne par an de 1.96%, soit + 2% d’efficacité, identique alors à la moyenne annuelle de l’objectif OACI.
En ce qui concerne les NOx, l’OACI a établi en 2006 des objectifs à moyen terme et long terme également au travers d’un processus de revue par des experts internationaux indépendants où l’industrie (principalement motoristes) et les centres de recherche ont apporté des informations-clés
Les objectifs sont les suivants, par rapport à la limite CAEP/6 (rapport de pression de 30) :
Source : OACI / CAEP/9
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- moyen terme (2016) : - 45% - long-terme (2026) : - 60%
Ces objectifs ont été reconduits lors du CAEP/8 en février 2010 suite à une nouvelle revue (voir figures 5 et 6 ci-dessous).
Figure 5
Source: OACI/CAEP (CAEP/8)
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Figure 6
Source: OACI/CAEP (CAEP/8)
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ANNEXE VIII – L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ACTUEL DU TRANSPORT AÉRIEN
Impact du bruit du transport aérien
Le transport aérien peut être cause de nuisance pour les populations, principalement au voisinage des aéroports, mais aussi dans certains cas des populations plus éloignées. Cette nuisance peut se manifester à un niveau individuel (perturbation du sommeil, impact sur la tension artérielle et la santé) ou collectif/sociétal (par exemple perturbation dans l’écoute ou l’attention dans des classes d’école) ou environnemental - au sens commun - (perturbation dans les zones protégées - homme et faune animale - au voisinage de grands parcs naturels, comme le Grand Canyon aux USA).
Aujourd’hui, malgré la rapide montée des problématiques liées aux émissions gazeuses des avions, le bruit représente toujours la principale préoccupation d’ordre environnemental affichée par les aéroports, soumis en permanence à la pression des riverains et associations (plaintes, et parfois procès de grande envergure, comme à Londres-Heathrow) qui ont tendance à être relayés et amplifiés par des enjeux de politique locale, voire nationale.
Le bruit est réglementé par une norme au niveau international, établie par l’OACI, sous la forme de niveaux de bruit limites à respecter sur trois points de mesure, avec une procédure de certification rigoureuse suivie par le constructeur, impliquant pour chaque nouveau type d’avion une campagne d’essais en vol avec des mesures de bruit et de multiples corrections pour se ramener à des conditions de référence. Cette procédure permet non seulement de vérifier la conformité à la limite mais également de fournir les niveaux de bruit de certification et les marges propres à chaque type d’avion. Les limites varient selon le type d’avions (biréacteurs, triréacteurs, quadriréacteurs), selon leur masse au décollage ou à l’atterrissage.
La sévérité de la norme augmente périodiquement, ce qui a donné lieu à plusieurs « chapitres » de limites de bruit, les 2 derniers étant le chapitre 4 (CAEP/5 - 2001), et le chapitre 5 (CAEP/9 - 2013).
Des normes quasiment identiques sont mises en place en Europe (par l’EASA) et aux USA (par la FAA), et répercutées dans la plupart des autres pays (y compris à l’intérieur des pays européens), via leurs autorités de l’aviation civile.
Il y a une forte corrélation entre les bruits certifiés d’un type avion et la moyenne de ceux mesurés en exploitation pour ce même type avion au voisinage des aéroports, à condition que la moyenne considérée recouvre une période de répétitivité des conditions d’exploitation, conditions météorologiques d’une part et opérationnelles d’autre part : programmes, remplissages, et procédures. Pour ces dernières en particulier, la corrélation est différente au décollage selon que l’observation a lieu avant l’endroit où la plupart des avions réduisent la puissance à un niveau soutenable sans limite de durée, ou après. Ces corrélations, mises en évidence au tout début de l’établissement de la certification dans les années 70, ont été vérifiées à nouveau par le CAEP en 2007. Il y a donc en général une bonne prédiction du bruit cumulé autour des aéroports lorsque l’on peut prédire l’évolution du trafic. De plus en plus d’aéroports et d’exploitants de ces aéroports prévoient donc et réalisent une croissance du trafic et une diminution de l’exposition au bruit : Paris,
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Amsterdam, Londres par exemple, avec des dispositions pratiques différentes en apparence. Le bruit au voisinage des aéroports est ainsi limité, par voie législative locale ou nationale dans un assez grand nombre d’aéroports dans le monde, avec des limites sur divers points de mesure et des quotas de créneaux (mouvements horaires ou slots) et/ou des nombres de mouvements limités liés aux niveaux de certification, (vols de nuit à Londres-Heathrow), un trafic global limité par des plafonds d’indice de bruit cumulé (Paris-CDG), des systèmes de couvre-feu, et diverses restrictions opérationnelles; enfin des taxes aéroportuaires sont appliquées, dont le montant est souvent modulé en fonction des niveaux de bruit.
Le nombre des restrictions liées au bruit des avions croît au fil des années. (voir figures 1 et 2 ci-dessous).
Avec un facteur 8.5 entre 1970 et 2000 (moyenne 7.4% par an), l’extrapolation (très théorique et grossière) des chiffres de la figure 11 aboutirait à un facteur 300 en 2050, ou ~ 35 par rapport à 2000, soit ~ 30000 restrictions en 2050 !
Figure 1
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Figure 2
Les émissions de CO2
L’aviation représente 2% des émissions de CO2 provenant de l’utilisation de combustibles fossiles dans le monde (information du GIEC - 2007), soit environ 630 Mt par an.
Le transport dans son ensemble est responsable de 23% des émissions de gaz à effet de serre.
L’aviation produit environ 12% du CO2 provenant du transport (le transport routier représente 76%).
Les émissions de l’aviation en France étaient en 2008 de 19.9 Mt, dont 15.9 pour le transport international et 3.9 pour le transport intérieur, progressant de 51% par rapport à 1990 (13.2 Mt), soit 2.3% par an pour une croissance quasi double du trafic.
Rappelons l’effet cumulatif spécifique aux émissions de CO2, dont le temps de résidence dans l’atmosphère se compte en siècles.
L’aviation a bénéficié des réductions importantes de consommation de carburant qui ont accompagné les générations successives de types d’avion depuis le début de l’aviation, grâce à l’introduction progressive de technologies et de configurations améliorant les performances (architecture avion et des systèmes propulsifs, aérodynamique, systèmes, matériaux et structure) et optimisant les opérations. Parallèlement, la sécurité, la capacité, le rayon d’action et le confort des avions augmentaient, en réponse à la demande.
Le bruit et la consommation de carburant ont simultanément bénéficié de l’apparition de turbofans à double flux et à taux de dilution croissants.
Cependant, le taux de croissance du trafic aérien (de l’ordre de 5+% dans les années 2000) dépassant le taux moyen d’amélioration d’efficacité en consommation de carburant de la flotte mondiale (1.5 à 2%
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mondialement, tous effets confondus), il en a résulté une augmentation des émissions totales du transport aérien avec le temps.
Des programmes intensifs de recherches se poursuivent, particulièrement en Europe et en Amérique du Nord. Il faut cependant souligner la difficulté et le coût croissants de ces efforts liés aux limites physiques, aux configurations nouvelles à explorer, et aux compromis de plus en plus critiques entre les objectifs d’amélioration environnementaux.
Les émissions de NOx et autres gaz
Les émissions gazeuses produites par les moteurs d’avions sont résumées dans les deux diagrammes ci-dessous (figures 3 et 4).
Figure 3 - Emissions gazeuses et solides des moteurs
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Emission Category Primary Issues Local Air Quality
(Ground Level) Climate Change (High Altitude)
Nitrogen Oxides * (NOX) Ozone production - Health/Visibility
GHG evolution (Ozone & Methane) - RF
Unburned Hydrocarbons* (CH4, NMHC/VOC/HAPS-[hazardous air pollutants, e.g. Benzene])
Ozone production - Health/Visibility
--
Carbon Monoxide* (CO) Ozone production - Health ---
Smoke [Smoke Number (SN)*] Soot, Particulate
Aerosols, particle matters (PM) - Health
Contrails /Cirrus formation - RF
Water Vapor (H2O) ---
Contrails/Cirrus formation - RF
Carbon Dioxide (CO2) --- GHG increase - RF
Figure 4 - Problèmes liés aux émissions des moteurs
Les émissions réglementées par l’OACI au niveau international, européen, et par différents pays, via le processus de certification des moteurs, concernent les oxydes d’azote (NOX), l’oxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), et un indice de fumée (« Smoke »).
Ces règlements fixent des limites pour les trois premiers types d’émissions sous la forme de quantités de gaz émis par unité de poussée de référence du moteur (régime décollage max en conditions statiques). En outre, la limite varie avec le rapport de compression total du moteur.
Les émissions gazeuses définies et dans certains cas réglementées au niveau local (dans plusieurs aéroports européens notamment) se limitent à ces trois types d’émissions. En dehors des émissions sonores, les autres émissions qui contribuent à la pollution autour des aéroports sont les émissions de particules : mais ce qui doit être mesuré (micro ou nano particules) et le processus de mesure ne sont pas encore établis, malgré les progrès accomplis. L’indice de fumée pourrait être considéré comme une sorte de préfiguration sommaire de standard pour les particules. Une telle norme est à l’étude par l’OACI, qui traite ce sujet comme une de ses priorités pour les prochaines échéances du CAEP.
Tant que les informations des motoristes en termes d’émissions de particules, en particulier pour les dernières productions41, feront défaut, il sera impossible de fixer un standard et d’une manière générale, la prise en compte des particules posera problème.
Parmi les gaz précités, les deux derniers sont émis en quantités suffisamment faibles pour que les standards initiaux n’aient jamais été révisés. La combustion dans les moteurs des avions commerciaux est effectivement
41 Voir CF34 ou toute autre appellation sur Embraer 190, CFM56 ou concurrent V2500, ainsi que gros porteurs pour considération
des techniques, GE90, GP700 ou concurrents RR.
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considérée comme excellente ! Les molécules d’hydrocarbures imbrûlés sont détruites naturellement dans l’air pour donner les mêmes produits que la combustion elle-même (principalement eau et gaz carbonique) tandis que l’oxyde de carbone42 est transformé en gaz carbonique ! In fine on peut considérer que ces produits sont indirectement pris en compte dans le bilan CO2 de l’aviation et dans l’effet de serre.
A noter la particularité des hydrocarbures imbrûlés à basse altitude : bien que toutes les investigations faites sur les traces d’hydrocarbures relevées sur les meubles de jardin autour des aéroports, démontrent, à la connaissance des commissions consultatives environnement aéroportuaires, une origine automobile, le premier réflexe du public est d’imputer sa provenance aux avions. S’y ajoute le mythe des délestages de carburant que ce même public croit routiniers et effectués à basse altitude à proximité des aéroports (cf. site environnement Air France ou rapports environnement des années passées).
Les NOX à basse altitude sont émis principalement à haut régime donc au décollage et en montée initiale43.
Tous moteurs en fonctionnement, les biréacteurs sont, pour des raisons de certification, plus motorisés44 que les quadriréacteurs : ils mettent donc moins de temps que ne le spécifie la norme internationale (cycle LTO) pour atteindre la couche limite45 tandis que les quadriréacteurs mettent plus de temps. De ce fait, le cycle LTO majore les émissions de NOX des biréacteurs en exploitation et minore celles des quadriréacteurs. On comprend que la proportion de quadriréacteurs dans une plate-forme influe sur la représentativité du cycle LTO en termes d’émissions de NOX à basse altitude. De plus, tous les opérateurs pratiquant la poussée réduite et réduisant ensuite dès 1000ft (immatriculations surtout américaines) ou 1500ft (immatriculations surtout européennes), le cycle LTO surévalue globalement les émissions de NOX à basse altitude46.
Les NOX émis par les avions ont été parfois évalués à un niveau représentant de l’ordre de 6% des NOX
d’origine industrielle et produits par les mobiles de surface dans la zone de chalandise des aéroports considérés, sans que cette proportion fasse loi au global. Les NOX « aéroportuaires » représentent environ 1,5 fois les seuls NOX « avions » qui en font partie.
Les NOX sont émis dans la direction des pistes, jusqu’à 10km environ au-delà des bouts de piste, jusqu’à 15 km pour les quadriréacteurs, mais ils sont distribués à la fois en hauteur et le long de la trajectoire face au vent. Et la direction de piste s’inverse en fonction du vent sans privilégier en général un sens plutôt que l’autre. De ce fait, on ne met pas en évidence de pic de concentration lié aux aéroports dans la région qu’ils desservent. Bien au contraire, l’espace non urbanisé des pistes, taxiways et parkings de la plate- forme apparaît avec une concentration moindre que celle des zones urbanisées desservies. Bien que le temps de séjour soit limité, les vents peuvent éloigner les émissions des plates-formes tout comme les plates-formes peuvent recevoir les émissions des urbanisations.
42 Emis essentiellement à bas régime (rapports et sites environnement d’exploitants) donc au roulage (plus long que celui du
standard LTO dans les plates-formes importantes) et en approche. 43 Ainsi qu’en montée et en croisière, de manière corrélée avec les émissions à basse altitude, hors de l’aspect ici abordé. 44 Proportion de motorisation manquante et pente un moteur en panne. 45 De l’ordre de 1000 m selon les conditions météorologiques. 46 La surestimation a pu être évaluée parfois à 8%.
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La sévérité de la norme, qui certifie le moteur et non l’avion, a été accrue à quatre reprises, la cinquième limite ayant été fixée au CAEP8 en février 2010, aboutissant à diviser par deux la limite de la norme initiale à vingt-sept ans d’écart. (Voir fig. 5 et 6 ci-dessous, qui reproduisent les fig.1 et 2 de l’annexe III).
Figure 5
Figure 6
Historique de la sévérité de la norme de NOx OACI
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30Années (depuis CAEE2)
% s
évér
ité n
orm
e N
Ox
OA
CI
Déc 1995
CAEP 2: - 20%
CAEP 4 : - 16%
CAEP 6: -12%
CAEE 2
Déc 2003 Déc 2007
CAEP 8: -15%
Jan 1986
Déc 2013
Norme OACI - Limite NOX LTO - F00 > 89kN
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
OPR
Dp/
F00
CAEP/6 Standard31/12/2007 CAEP/8 Standard
31/12/2013
- 15%
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Ces mises à jour ne font que refléter l’amélioration pratiquée par les motoristes et avionneurs. En fait ACARE a adopté pour objectif qu’en 2020 les avions nouveaux produits émettent cinq fois moins de NOX à basse altitude que ceux exploités en 2000.
Nota : Compte tenu que cet objectif intègre l’effet de l’objectif de réduction de consommation/CO2 de 50%, cette réduction globale de 80% des NOx implique une réduction de 60% des NOx en lien avec les technologies de chambre de combustion.
Les émissions au niveau aéroportuaire
Les émissions de l’aviation se composent des émissions des avions, en vol ou au sol et des émissions au sol de l’assistance aux avions et aux voyageurs :
Celles des avions au sol incluent les vidanges nécessaire aux actions de maintenance, celles des essais moteur, les vidanges de réservoir (un carburant vidangé n’est plus avionné, il est détruit), ainsi que le carburant utilisé en exploitation avant vol, roulages pour positionnement, APU, etc… En fait, comme la consommation du carburant des vols non commerciaux, vols techniques ou vols de positionnement, ces consommations sont en totalité imputées à celles des vols commerciaux qu’elles « soutiennent » sauf comptabilité particulière telle exigences de l’inclusion dans les marchés européens de permis d’émissions de CO2 !
Les émissions de l’assistance aux avions comportent, pour chaque exploitant, les émissions correspondant aux transport des passagers et des personnels (les siens comme ceux des entreprises de services dont il est le donneur d’ordre) vers les aéroports et celles engins de servitude des avions : tracteurs de repoussage, plates-formes de chargement, tapis à bagages, tracteurs de chariots à bagages, camions d’armement, camions de vidange ou de remplissage des eaux, camions de remplissage carburant, véhicules de déplacement des personnels d’assistance, (mécaniciens, assistants, vigies et personnels de placement, de manutention, de nettoyage, coordinateur). S’ajoutent pour chaque exploitant sa quote-part des émissions du terminal incluant fournitures d’énergies consommées (électricité, climatisation) et consommations liées aux déplacements des personnels et servitudes des postes de travail des services régaliens47 qu’il finance, sureté, police, douane, voire aussi dépenses énergétiques associées à l’entretien ou l’exercice de certains métiers tels contrôle aérien (alimentation des infrastructures radioélectriques, émetteurs, récepteurs, calculateurs, éclairages) pompiers etc…
Les émissions des avions sont beaucoup plus importantes que celles de l’assistance au sol : les exploitants comptabilisent celles de l’assistance au sol qu’ils assurent ou font assurer et les aéroports comptabilisent leurs émissions qui couvrent leurs terminaux et les services qu’ils abritent mais sans doute pas le contrôle aérien.
Les natures des émissions sont celles de tous véhicules et équipement de climatisation ou de génération électrique, donc CO2 et NOX.
47 La quote-part revenant aux commerces d’aéroports ne concerne pas le transport aérien.
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Pollution de l’air
Les émissions de NOX de l’assistance sont présentées le plus souvent en part des émissions basse altitude des avions : selon le type d’aéroport (bonne fréquentation de dessertes collectives48 par exemple en Suisse, ou non, par exemple USA), la part varie de 20 à 80%, une moyenne européenne étant la moitié49, la part principale revenant au transport des personnels et des passagers. Comme la part des émissions avions basse altitude APU inclus, est déjà minoritaire par rapport aux émissions totales, 7%, variable évidemment selon que l’aéroport comporte ou non des dessertes intercontinentales, celle des émissions de l’assistance sans APU, est donc de l’ordre de 2% de celles de l’aviation.
Sachant que les NOX des avions doivent être divisés par 5 à l’horizon ACARE et que les automobiles qui ont diminué leurs émissions grâce à la généralisation des pots catalytiques, devraient être électriques au même horizon, que devient la part de chaque source pour ce qui concerne l’ozone basse altitude ?
Changement climatique
En considérant logiquement qu’au sein des émissions de l’assistance hors APU, la part des services et servitudes par rapport à celle des transports des passagers et personnels, est la même pour le CO2 et pour les NOX (même nature de combustion de carburants), on peut évaluer que pour chaque passager, les émissions d’assistance aux deux bouts d’un vol représentent environ 3 fois celles de sa desserte sol50 soit 9,6kg de carburant pour une plate-forme intercontinentale à 25 km de son urbanisation et 4% des émissions de son voyage aérien moyen, mais 3,6kg pour une plate forme régionale supposée à distance moitié de son urbanisation dans une circulation plus fluide assurant 2/3 de consommation et 11% des émissions de son voyage aérien moyen. Puisqu’il y a à peu près autant de passagers moyens courriers que longs courriers, la part assistance est donc 7%. Sachant que cette quote-part diminue avec l’avènement d’automobiles et engins électriques dans les états dont la génération électrique est essentiellement nucléaire ou hydraulique voire, si cela existe un jour, solaire ou éolienne.
Nota : de plus amples informations sont disponibles dans les rapports annuels de certains aéroports et exploitants, ainsi que dans des documents de l’OACI.
Les émissions de particules
Les particules représentent une préoccupation croissante, du fait de la menace qu’elles constituent pour la santé humaine et de leur contribution potentielle au changement climatique, par le biais des cirrus induits.
48 Dont trains alimentés en électricité, parfois précisée hydraulique, mais négligeant alors de préciser pourquoi la motorisation
électrique des trains ne fabrique pas d’ozone comme les NOX des moteurs à explosion et turbines d’APU. 49 Les NOX aéroportuaires, somme des NOX assistance et avions, étant donc 1,5 fois les NOX avions sans APU, et 1,4 fois les NOX
avions APU inclus. 50 L’aller vers l’aéroport d’un passager se rapporte à son vol départ soit qu’il laisse son véhicule en parking soit que le retour du
véhicule vaille pour le vol arrivée d’un autre. La consommation supplémentaire des dessertes par accompagnant compensant la moindre consommation des dessertes collectives.
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Elles font l’objet d’études et recherches variées, y compris dans le domaine de l’aviation, avec une forte implication des motoristes.
Le type, la taille et la quantité de particules émises sont importants pour pouvoir en caractériser les effets. Il reste du chemin à parcourir dans les domaines scientifique et technique avant que l’on soit en mesure de comprendre ces phénomènes et introduire des normes et des procédures associées, mais les travaux ont été lancés dans ce sens au sein de l’OACI/CAEP.
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ANNEXE IX – INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES SUR LES QUESTIONS DE BRUIT DES AVIONS
Situation et évolution du bruit des avions
Le bruit de chaque mouvement, décollage ou atterrissage a diminué plus que le trafic n’a augmenté, grâce aux améliorations apportées par les modèles d’avions plus récents et au retrait des avions les plus bruyants imposé par les réglementations : la surface exposée à un niveau réglementaire de bruit, de même que les indices de bruit cumulé ont donc diminué. Jusqu’à une date récente, l’énergie sonore cumulée (donc l’exposition au bruit quel que soit le niveau que l’on veuille considérer pour cette exposition) relative au trafic a diminué. (Voir figures 1 et 2 ci-dessous). Mais on verra en fait plus loin que certaines tendances récentes pouvaient devenir localement préoccupantes.
Schiphol Airport Global Noise Exposure Evolution with Time
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
01965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
Noi
se E
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a (%
)
% S % S/mvt
* Based on 35 Ke
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Evolution with time of the acoustic energy produced by the a/c fleet of a major airline operating in Roissy-CDG (24 hours Indicator)
0
- 26
- 20
- 15
- 8
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
01997 1998 1999 2000 2001
Varia
tion
of A
cous
tic E
nerg
y In
dica
tor (
%)
(Baseline)
* Population in noise sensitive areas based on 57 Leq
Figure 2
La situation favorable décrite ci-dessus n’a pas pendant longtemps profité au confort des riverains que l’on a laissés se rapprocher des plates-formes en maintenant les niveaux réglementant l’exposition. A posteriori, il est bien évident que cette pratique de maintenir le niveau d’exposition utilisé pour autoriser la construction d’habitats faisaient se réduire les surface d’urbanisation contrôlée autour des aéroports en maintenant la nuisance de ceux qui venaient se placer en limite autorisée strictement au même niveau. Là où l’urbanisation a été rapide et où les vols ont été plafonnés en nombre, la plate-forme a perdu son potentiel d’évolution ; dans d’autres cas, lorsque la limite à été rendue plus restrictive donc pour des riverains qui ne se rapprochaient pas, l’exposition moindre résultant du trafic accru a pu se replacer dans la surface géographique restée non urbanisée à mesure de la modernisation des flottes.
« L’approche équilibrée » développée au sein de l’OACI (voir figure 3 ci-dessous) a conceptuellement ancré la prise de conscience que le niveau maximal d’exposition pouvait être abaissé à mesure de la modernisation des flottes d’avions, à condition de contenir le développement de l’urbanisation afin qu’il ne vienne pas annuler - ne serait-ce que partiellement - les bienfaits des améliorations technologiques et de l’optimisation des procédures opérationnelles. L’aéroport d’Amsterdam, Schiphol, et Paris-CDG a ainsi largement bénéficié de cette approche, et ce sera peut-être le cas de Londres-Heathrow dans le futur, à condition que la flotte d’avions qui le fréquente soit fortement modernisée, lui restituant une marge suffisante par rapport à son urbanisation : ce fut le cas d’Orly.
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Figure 3 : L’approche équilibrée
Sur le plan du bruit individuel des avions, la modernisation des flottes devrait permettre de contenir le bruit là où il est « légitime » : dans le territoire des aéroports pour le moyen courrier, hormis terrains très peu fréquentés donc de limite territoriale réduite, ou, pour le long courrier, dans l’étendue de la zone où les nouvelles constructions doivent être insonorisées (et l’insonorisation des anciennes financées), sachant qu’un long-courrier de nuit dans un aéroport régional a été rendu incongru par la politique des correspondances.
La situation du bruit sur les aéroports dépend du trafic qu’ils assurent : intercontinental sur 24 heures et/ou intracontinental qui n’opère pas en pleine nuit à l’exception des situations irrégulières qui ne peuvent être exclues.
La modernisation de la flotte des avions utilisés dans le trafic intercontinental se poursuivra parce qu’il y a déjà des vecteurs modernes disponibles (B777, A380, B787, A350), pour le bénéfice des hubs.
Les mouvements des avions intercontinentaux sont en nombre relativement réduit même sur les plates-formes de correspondances internationales. Le bruit des avions les plus modernes en opération tels que l’A380 atteint des niveaux en fin de zone de contrôle de l’urbanisation qui ne provoquent plus le réveil dans les habitations insonorisées et closes (donc un jour climatisées ?). Quant aux avions intracontinentaux, à l’exception des plus lourds d’entre eux, tels l’A321, ils ne sont pas loin d’atteindre un niveau de bruit qui ne décourage pas la conversation extérieure là où c’est indispensable :
- soit en limite territoriale des aéroports dont les pistes sont longues, plus de 3km, - soit en limite de zone interdite à la construction de nouveaux logements dans les autres aéroports,
lorsqu’une telle zone existe. Toutefois, ils restent visibles, en particulier l’été. Donc, si la nuisance mesurable a disparu, la composante psychologique de la gêne demeure. De plus, l’ACNUSA a noté récemment une tendance à la détérioration de l’indicateur représentatif de l’énergie à Paris-CDG : après une baisse de l’indice entre 2000 et 2008 (sous sa forme actuelle sachant que la baisse de l’exposition simultanée à l’augmentation du trafic est une caractéristique établie de longue date et enregistrée depuis 1995) de 100 à 92.8, pour 2008, avec une augmentation de trafic - limitée par la crise - de 1.3%, l’indice n’a baissé que de -0.3%, tandis que l’énergie totale augmentait de +0.7%. L’énergie sonore des décollages a continué à diminuer, mais celle des atterrissages a augmenté, ce qui s’explique partiellement par la crise, croissance du long courrier,
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décroissance du moyen courrier avec augmentation de taille de ses modules, sans le renouveau plus silencieux alors que les exploitants doivent renouveler les premières machines des flottes actuelles qui atteignent la vingtaine d’année (voir ci après).
La situation du bruit à Paris-CDG pourrait annoncer qu’après la réduction sur les aéroports consécutive au renouvellement des flottes par des flottes bien plus performantes (accompagnant pendant un temps le bannissement des avions certifiés chapitre 2 et des avions les plus bruyants du chapitre 3), l'énergie sonore totale a augmenté la dernière année publiée, mais on peut espérer que les améliorations futures prévisibles des avions vont arriver à temps pour la contenir aux niveaux actuels ou les faire baisser dans le futur bas.
La modernisation de la flotte des avions utilisés dans le trafic intracontinental se présente en effet de façon particulière avec les B737 - 400 ou - 500 dont le remplacement tarde, ou les A320 qui commencent à devoir être remplacés : leurs successeurs potentiels - A320, B737-800 ou Embraer 190 - ne font guère la différence, faute de remotorisation disponible à court terme. Cette situation a des chances d’évoluer dans les prochaines années, les grands constructeurs semblant décidés à sortir d’une période de relatif « attentisme apparent » (sans doute lié à leurs diverses contraintes circonstancielles liées au poids des programmes en cours et au contexte économique et financier), aiguillonnés qu’ils sont par la perspective de concurrence de nouveaux entrants sur ces marchés, offrant des produits qui pourraient s’avérer compétitifs, notamment grâce à l’emploi de nouveaux moteurs aux performances améliorées, et justement parce que la remotorisation pourra être alors envisagée par les « grands constructeurs historiques », avec ces mêmes moteurs sur leurs produits.
A plus long terme, de nouveaux types d’avions avec des configurations et des technologies améliorées par des voies plus radicales, y compris au niveau des systèmes propulsifs, feront peut-être leur apparition sur ce segment du trafic. On ne peut exclure que le lancement de versions re-motorisées retarde sensiblement l’apparition de nouveaux types d’avions à configuration « plus radicale », pour raisons de charges financières, de capacités de production, d’amortissement de dépenses de développement et de non concurrence entre modèles d’un même constructeur.
On pourrait anticiper dans ces conditions que la situation autour des aéroports régionaux (sans trafic intercontinental notable), comme pour Paris-CDG et les grands aéroports européens, un risque de détérioration après dissipation de la crise économique et reprise du trafic, à moins d’une réduction générale de ce dernier. Ce risque semble cependant à relativiser, sur la base des études prévisionnelles récentes relatives à l’évolution de l’énergie sonore totale produite par l’aviation commerciale dans le monde.
Situation future du bruit des avions
L’impact sur l’environnement est dimensionné par le nombre des vols et l’impact de chacun des vols : un tel impact est très sensible à l’évolution du trafic, et dépend évidemment des caractéristiques des avions futurs. Dans un premier temps, on peut tenter de raisonner sur des hypothèses simplistes pour se faire une première idée sur comment pourrait évoluer le bruit des avions dans le futur, quitte à affiner ces hypothèses et l’analyse dans une phase ultérieure.
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L’autorité va-t-elle rester aux mains des états, ou une autorité supranationale sera-t-elle amenée à prendre le relais? L’enjeu de cette question porte sur la fermeté des bases normatives, car sous une autorité supranationale, les normes ont tendance à être établies par consensus mou, donc tardif et d’amplitude faible. L’hypothèse conservative (autorité nationale) paraît plus robuste que l’hypothèse contraire.
Selon les hypothèses de croissance, le trafic intercontinental devrait augmenter : et comme les modules pour doubler la capacité existent déjà, on pourrait anticiper un grossissement des modules sans augmentation significative du nombre de mouvements, ce qui nous amènerait alors à mi chemin de notre démarche prospective. Le module peut il continuer à grossir (les avions les plus gros offriront 800 places) au-delà de cette première période de croissance à nombre de vol quasi stable ? La réponse n’est pas évidente, car on approche d’un certain nombre de limites pratiques et physiques, même si on peut anticiper un certain potentiel d’accroissement, par exemple avec une version allongée de l’A380. De toutes manières, l’augmentation du nombre de vols intercontinentaux ne serait pas très significative, rapportée au nombre total des vols car il resterait beaucoup plus faible que celui des vols intracontinentaux. Donc il ne paraît pas déraisonnable de considérer en première approximation que la croissance sera satisfaite essentiellement par l’augmentation des modules et marginalement par celui des vols (nouvelles dessertes en particulier avec des modules restant parmi les plus « petits » et donc les plus silencieux.
En ce qui concerne le trafic intracontinental non européen, le raisonnement est le même que pour le trafic intercontinental et la poursuite de l’augmentation des modules à nombre de vol figé est encore plus probable sachant que le « jumbo » (bi-couloir) a déjà été utilisé pour les vols moyen courrier et pourra l’être encore.
Pour le trafic intracontinental européen, l’ « intention réglementaire » consiste à transférer aux transports de surface la moitié en nombre des liaisons, les plus denses et les plus courtes, l’avion demeurant donc pour l’autre moitié, les liaisons les plus longues ou les moins denses. Pour un moindre trafic en concurrence, il faudrait recréer un module moyen réduit. Il serait redéployé, pour un même ordre de grandeur du nombre total de vols, sur des transversales en nombre accru, ceci pour accueillir la demande croissante de mobilité sur ces nouveaux axes (défrichage) : et il ne sera pas nécessaire d’augmenter ultérieurement le nombre des vols puisque les modules peuvent à nouveau croître, en retrouvant un jour le niveau actuel. Toutefois, si pérennité de la politique européenne il y a51, la densification d’une liaison conduirait à son transfert vers les moyens de transport de surface, donc la limitation du nombre de vols, une fois rejoint l’actuel, et la limitation du module moyen, devraient demeurer.
Au niveau du bruit global, le nombre total de vols n’augmentant pas significativement, pour assurer une stabilité, il conviendrait que le bruit des modules futurs reste moindre que celui des modules d’aujourd’hui, un module « doublé » faisant moitié moins de bruit par tonne transportée, ce que l’aviation a déjà su faire.
La diminution du module européen aurait pu faciliter les choses en Europe : il n’en est rien. En effet, le transfert modal d’une desserte dense entraîne le redéploiement sur une desserte par exemple de même origine, vers une autre destination à développer, de trafic moins dense. Un tel redéploiement transporte le bruit de la plate-forme de destination initiale sur la plate-forme de la nouvelle destination de faible trafic. Il y a création de bruit avion là où il n’y en avait pas (ouverture de ligne). C’est le pire des scénarios pour chaque plate-forme de faible trafic concernée. Il faudrait prévoir ce trafic futur, augmenter l’emprise territoriale des
51 Son coût est tel que c’est discutable
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plates-formes qui seront développées et leur spécifier d’urgence une zone suffisante d’interdiction de construction non insonorisée et climatisée : ce qu’est sensé réaliser la planification de l’équipement du territoire. Pour résoudre les problèmes de voisinage, un moyen courrier de petit module devrait monter vite (émissions ?) et être quasi silencieux (ne pas gêner une conversation de jardin) à … 2500m du lâcher des freins !
En résumé, la situation projetée paraît nuancée, avec une probable compensation partielle de l’augmentation du trafic grâce notamment à l’utilisation de modules plus importants aux caractéristiques meilleures que leurs prédécesseurs, mais en général, on peut prévoir une densification du trafic et le maintien, sinon localement une relative amplification, des préoccupations concernant le bruit, notamment en ce qui concerne la zone européenne. La situation décrite ci-dessus est très globale et très approximative, compte tenu des hypothèses simplistes faites. L’étude de l’énergie sonore totale qui a été faite a permis de quantifier avec un peu plus de précision la situation globale, mais sans réduire le nombre de variables, ni empêcher que les incertitudes restent importantes.
Bruit du transport aérien comparé à celui des autres modes de transport
Il n’est pas superflu de rappeler que continuellement, un nombre beaucoup plus élevé de personnes en zone urbaine sont exposées à des niveaux d’exposition au bruit identiques à ceux auxquels sont exposées les riverains des aéroports : des milliers, fréquemment, y compris autour des aéroports, peuvent être fortement dérangés la nuit par le bruit d’un seul deux-roues traversant la ville en « pétaradant » voire par des « braillards » insomniaques…
La question de l’empreinte sonore des avions autour des aéroports, par rapport à celle des centres urbains, des routes ou des voies ferrées, avec des surfaces qui ne sont pas comparables, semble particulièrement intéressante dans le contexte des choix de modes de transport multi-modaux et combinés évoqués plus haut.
Le diagramme ci-dessous (figure 4) permet de relativiser l’exposition de la population au bruit des avions par rapport à celui des transports routiers, ferroviaires et des sites industriels. Les données sont directement extraites du premier rapport d’application de la Directive Européenne sur le bruit 2002/49, émis par la Commission Européenne en juin 2011.
La population exposée au bruit autour des aéroports ne représente qu’entre 1 et 5% de la population totale exposée, selon les critères de bruit et les environnements intra- ou extra-agglomérations.
Ceci montre aussi combien les études psycho-acoustiques ont un rôle important à jouer pour bien comprendre les différences de perception selon les divers modes de transport ou sources de bruit, notamment la part de « peur viscérale » qui peut être attachée à la perception du bruit avion, en liaison avec la vision du survol..
Note : Lden est un indicateur de niveau sonore composite sur 24 heures (« day-evening-night »), Lnight est un indicateur de niveau sonore nocturne (22:00 - 06:00).
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Ces indicateurs correspondent à une énergie acoustique moyenne perçue pendant la durée d’exposition.
Number of people exposed to noiseLden > 55 dB Lnight > 50 dB
Within agglomerations
Major infrastructures outside agglomerations
Source: EU Noise Directive 2002/49 - 1st implementation report (6/2011)14/03/2012 60Aircraft Noise - Regulatory & Policy aspects
Figure 4
Transport aérien supersonique civil - Bang sonique
Le transport aérien supersonique civil, s’il devait renaître un jour, par exemple avec des avions d’affaires (cf études de plusieurs constructeurs dans le monde), aura à prendre en compte qu’il est et demeurera « dans le collimateur » de la plus grande partie de l’opinion publique et des autorités de l’aviation civile.
Des travaux de mise à jour des normes de bruit et d’émissions pour l’aviation supersonique (élaborées initialement du temps de Concorde) sont en cours par l’OACI, avec le concours de tous les acteurs concernés.
Il est vraisemblable que les limites de bruit (extérieur) seront similaires sinon identiques à celles du transport subsonique. Ceci s’applique aussi aux émissions.
En outre, depuis Concorde, l’acceptabilité du bang sonique est quasi-nulle dans le monde entier. La plupart des états ont interdit le survol supersonique pour cette raison. Les faire revenir sur une réglementation existante bien enkystée passera par la démonstration d’un effet négligeable, autrement dit imperceptible. Même si un programme industriel national est proposé par un constructeur, le politique devra assurer son engagement devant l’opinion publique, et la norme le reflètera.
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Certains constructeurs qui travaillent sur des projets d’avion supersoniques sont impliqués dans des études et expérimentations conséquentes destinées à mieux comprendre et atténuer le bang sonique, avec des résultats qui semblent assez prometteurs.
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ANNEXE X - LES FAUSSES BONNES IDÉES (FBI) SUR LES QUESTIONS ENVIRONNEMENTALES
FBI probables à l’horizon 2050 (idées ayant une forte probabilité d’être des FBI, au moins avant 2050)
- Scénario multi-étapes - Ravitaillement en vol (avion civil) - Biocarburants de 1ère génération - Propulsion solaire - Propulsion électrique - Propulsion nucléaire - Utilisation de l’hydrogène comme combustible
Possibles FBI à l’horizon 2050 (idées pouvant s’avérer être des FBI avec une probabilité faible à moyenne, ou dont la réalisation aurait un effet global jugé mineur)
Transport Aérien o Laminarité o Moteurs noyés dans le fuselage o Aile volante o Biocarburants de 2nde génération o « Carbon offset »
Environnement, hors Transport Aérien (mais ayant un effet sur la part relative du secteur) o Utilisation du charbon o Séquestration du CO2 o Éoliennes o Panneaux photovoltaïques o Voitures électriques (selon source d’énergie électrique)
Sujets à controverse et/ou très fortes incertitudes, pouvant recéler des FBI, à l’horizon 2050
Transport Aérien o Effet des systèmes d’échanges de quotas d’émissions
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o Facteur temps / vitesse
Contexte général o Pic de production de pétrole o Réserves de combustibles fossiles
Limites de la croissance, du progrès Crises économiques, crises de croissance, crises éthiques Principes de précaution Evolution vers mondialisation et globalisation, ou relocalisation
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ANNEXE XI – PRÉVISIONS OACI
Les projections couvrant la période 2006-2036 sont basées un taux de croissance annuel des TKT de 4.1% environ que nous jugeons optimiste aujourd’hui, et qui conduisent par conséquent à une estimation pessimiste quant à l’évolution des impacts. Les scénarios présentent un large éventail, selon les hypothèses d’améliorations technologiques et opérationnelles. - Bruit : augmentation modérée (~ 26 à 29%) à importante (~ 61 à 72%) de la population affectée par le
bruit des avions, entre 2006 et 2036 (>55 DNL, > 60 DNL et > 65 DNL). Les chiffres devraient être extrapolés à 2050 mais à relativiser, par rapport au nombre d’aéroports et par rapport à la population mondiale qui auront augmenté; à noter que les hypothèses de l’OACI ont minoré dans le passé l’effet des améliorations des types d’avions futurs.
- NOx (contribution à la détérioration de la qualité de l’air (Z< 3000ft)) : augmentation de masse de NOx émis d’un facteur 2 à 4.
- Particules (contribution des à la détérioration de la qualité de l’air (Z< 3000ft)) : augmentation de masse des particules émises d’un facteur 2.5 à 3.
- NOx : (contribution à l’effet de serre (Z > 3000ft)) : augmentation de masse de NOx émis d’un facteur 1.8 à 3.5.
- CO2 (contribution à l’effet de serre) : augmentation de masse de CO2 émis d’un facteur 3.8 à 4.8.
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ANNEXE XII – BILAN ENVIRONNEMENTAL DES CARBURANTS ET COMBUSTIBLES ALTERNATIFS
DEMARCHE
Le bilan environnemental des carburants alternatifs aéronautiques fait l’objet de déclarations aussi variées que contradictoires. Le débat est loin d’être clos et il paraît indispensable de réaliser une analyse objective de cette question. Quelques éléments généraux peuvent être proposés pour aborder cette problématique.
Les critiques touchant les biocarburants de première génération
Le transport routier a été le premier à promouvoir les carburants alternatifs : éthanol/ETBE, huiles végétales/EMHV. Il est clair que le développement de ces agrocarburants a eu diverses conséquences négatives telles que :
− Utilisation des ressources alimentaires pour produire des carburants et impact sur le prix des matières alimentaires. Cela a été le cas pour le maïs américain, ce qui a fait augmenter le prix d’aliments de base, par exemple au Mexique.
− Utilisation de sols adaptés aux cultures alimentaires pour la culture de plantes destinées à la fabrication de carburants.
− Pratiques massives de déforestation pour la plantation de plantes à carburant. Cela a été et reste le cas au Brésil (pour la culture du soja) et surtout en Indonésie (pour la culture du palier à huile). Les atteintes à la biodiversité ont été massives.
− Dans certains cas, les cultures orientées vers les biocarburants ont pu utiliser des terrains en jachère (cas de l’Europe jusqu’en 2008).
Derrière la problématique purement écologique se pose aussi, en particulier en Europe, la question essentielle du devenir du monde agricole. Il est paradoxal aujourd’hui que le monde agricole européen ne puisse bénéficier de revenus raisonnables, du fait de l’effondrement des prix du marché, alors qu’il subsiste une sous-alimentation chronique au niveau global. Ce même monde n’est pas celui qui prône les biocarburants, sauf pour utiliser les excédents agricoles ; il ne s’investira dans les cultures dédiées aux carburants qu’en possédant des certitudes sur le bien fondé à long terme, d’un point de vue économique et environnemental, des nouvelles filières.
Pour ces diverses raisons, certains ont pu dire que « les biocarburants sont « un crime contre l’humanité » (M. Ziegler, Suisse) ou écrire des pamphlets tels que : « Biocarburants, la fausse solution » (F. Nicolino, Hachette Litteratures, Pluriel, 2010).
La communauté aéronautique s’est mobilisée beaucoup plus tard sur les carburants alternatifs, a constaté que les agrocarburants routiers ne convenaient pas aux avions de transport, a fondé sa stratégie sur le concept « drop-in » et a proposé une démarche évitant les écueils rencontrés par les agrocarburants de première génération. Ainsi, la plupart des déclarations internationales militent pour des biocarburants aéronautiques :
− Qui ne rentrent pas en compétition avec les cultures alimentaires pour l’usage des sols.
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− Qui ne rentrent pas en compétition avec l’usage de l’eau. − Qui utilisent le minimum d’entrants (engrais, pesticides, herbicides). − Qui n’entraînent pas de pratique de déforestation massive. − Qui peuvent apporter un bien-être supplémentaire aux producteurs locaux. La première matérialisation de cette démarche, qui se veut vertueuse, a été la publicité parfois exagérée qui a été donnée à certaines plantes exotiques comme la jatropha (voir par exemple : Jean Daniel et Elsa Pellet, « Jatropha curcas, le meilleur des biocarburants », Favre, 2008). Cette même démarche impose de nombreuses contraintes mais des solutions semblent, au moins en première approche, exister.
La question des ACV (Analyse de Cycle de Vie)
Cette question est centrale si l’on veut établir un bilan environnemental objectif des carburants alternatifs aéronautiques et il y sera revenu ultérieurement. Cette question n’a pas encore atteint une maturité suffisante, même dans le domaine routier, et il n’existe pas d’accord international pour conduire les analyses ; les gains environnementaux annoncés peuvent donc prendre des valeurs très élevées (au-dessus de 80 %) ou être négatifs, selon les auteurs. Pour illustrer le manque de maturité des ACV, il est souhaitable de citer deux controverses récentes :
− Les émissions de N2O liées à l’utilisation d’engrais azotés en culture intensive. Paul Crutzen a attiré l’attention en 2008 sur le fait que prendre en considération ce puissant gaz à effet de serre pouvait complètement inverser le bilan environnemental des agrocarburants.
− La prise en compte du changement d’affectation des sols (Land Use Change) n’a été effective que depuis deux ans. Là aussi elle peut inverser le bilan environnemental ; et il subsiste une question : sur combien d’années doit-on répartir les émissions de CO2 liées au changement d’affectation des sols ?
Il est essentiel d’être beaucoup plus précis sur les ACV, car s’il est prouvé sans ambiguïté que l’usage, au moins partiel, de biocarburants aéronautiques est environnementalement favorable, il y a là une solution efficace au confinement de l’impact du transport aérien sur le climat, malgré la croissance du trafic ; le schéma de la figure 1 ci-dessous illustre ce propos.
Les biocarburants aéronautiques, la solution pour résoudre les problèmes du transport aérien ?
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Compte tenu de cette situation un peu compliquée, le raisonnement qui suit utilisera les informations suivantes :
− Les données accumulées sur l’impact de l’aéronautique sur le transport aérien ; les références utilisées sont celles du GIEC/IPCC et celles des programmes internationaux qui se situent dans la même mouvance.
− Les résultats de diverses analyses ACV en choisissant les plus récentes, supposées les plus complètes. − Les données qui ont pu être glanées sur les différents carburants alternatifs, en suivant la classification
proposée dans le document produit pour le thème Energie et les informations complémentaires disponibles sur les FRL (Fuel Readiness Level).
Avant d’aborder l’impact de l’aviation sur l’environnement, un paragraphe va être consacré à l’utilisation de l’hydrogène sur les avions de transport, une possibilité qui n’est pas envisageable avant la seconde moitié du 21ème siècle mais qui a déjà fait couler beaucoup d’encre…
Taux d’utilisation des carburants renouvelables
Rappelons que l’objectif européen pour 2020 est d’atteindre 10 % de carburant renouvelable, la France est légèrement en avance sur cet objectif et pense pouvoir commercialiser le B10 d’ici 2015.
Bilan environnemental de l’hydrogène en tant que combustible aéronautique
La production d’hydrogène s’accompagne d’une production de CO2 et d’une dépense énergétique elle-même responsable dans certains procédés d’une production de CO2. Si l’on considère la fabrication d’hydrogène liquide par vaporeformage de gaz naturel, la production de CO2 est de 390 g par kWh d’hydrogène, ce qui se traduit en 390 g de CO2 pour 30 g d’hydrogène. Il existe donc dans ce cas un rapport massique CO2/H2 de 13. la référence La Recherche donne pour sa part un rapport 8. Ce rapport est très supérieur à ce qu’il est pour le Jet Fuel, même en tenant compte de la production de CO2 à l’extraction et au raffinage du pétrole ; cependant, si l’émission de CO2 est ramenée à une même quantité d’énergie, la différence est beaucoup moins sensible ; pour libérer 1 GJ d’énergie durant la combustion du Jet Fuel, il en faut 23,26 kg qui produiront 73 kg de CO2, alors que l’hydrogène fabriqué par vaporeformage nécessitera 8,33 kg qui produiront entre 67 et 108 kg de CO2.
On se pose maintenant la question suivante : est-il plus intéressant d’utiliser directement le méthane (le composant très majoritaire du gaz naturel) ou de le transformer en hydrogène. On peut répondre à cette question en considérant les réactions globales suivantes.
a. Combustion directe du méthane
MQCOOHOCH ++→+ 2224 22
avec gmCH 0423,164 =
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MJPCIQ MM 802,0
10000423,16)(
=×
=
Pour obtenir 1 MJ de chaleur, la réaction s’écrira donc :
kJCOOHOCH 10002467,14934,24934,22467,1 2224 ++→+
La masse de CO2 produite sera 54,9 g.
b. Vaporeformage du méthane et combustion de l’hydrogène
- Vaporeformage :
2224 41652 COHkJOHCH +→++
- Combustion :
HQOHOH +→+ 222 424
avec gm H 0632,824 = et MJPCIQ H
H 968,01000
0632,8)(=
×=
- La combinaison des deux réactions donne :
kJCOOHOCH 80322 2224 ++→+
C’est, aux erreurs d’arrondi près, strictement la réaction pour la combustion directe du méthane. Ceci prouve :
− Que les données utilisées sont cohérentes. − Qu’en négligeant le rendement du vaporeformage, il n’y a aucune différence en ce qui concerne l’émission
de CO2 entre méthane et hydrogène fabriqué à partir du méthane par reformage. − Que le seul avantage que l’on pourrait trouver au passage par l’hydrogène repose sur la possibilité de
capter le CO2 produit au cours du reformage et de le séquestrer, alors qu’en combustion directe, le CO2 est émis dans l’atmosphère.
Du point de vue environnemental, en ce qui concerne le seul bilan du réservoir au sillage, l’hydrogène est mis en avant pour ses propriétés écologiques. Examinons plus en détail les différentes composantes de ce bilan :
− Absence de possibilité de production de suies et d’oxydes de soufre. − Emission majoritaire de vapeur d’eau. La masse de vapeur d’eau qui serait générée par la flotte mondiale
alimentée à l’hydrogène serait infime par rapport à la masse de vapeur d’eau déjà présente dans l’atmosphère. Par contre les recherches récentes sur le climat montrent, avec une grande incertitude, que les contrails (traînées de condensation) et les cirrus induits qui peuvent en découler, sont susceptibles de participer de manière significative au forçage radiatif additionnel. Ce serait un inconvénient notable des avions à hydrogène.
− Des NOx pourraient être produits puisqu’ils résultent de la combinaison à haute température des composants majoritaires de l’air. Des travaux du DLR ont démontré que la production des NOx pourrait être réduite par rapport à ce qu’elle est avec le Jet Fuel conventionnel ; ces conclusions, physiquement
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compréhensibles dans la mesure où le domaine d’inflammabilité de l’hydrogène est beaucoup plus large que celui du Jet Fuel, demanderaient à être approfondies car la promotion de l’hydrogène en Allemagne est quelque peu idéologique (l’Allemagne a été partenaire du projet Euro Hydro Québec, sans suite ; un institut du DLR de Stuttgart se définit par « Wasserstoff als ein Energieträger »).
En conclusion, du point de vue environnemental, l’hydrogène n’est pas parfaitement « vert » à l’utilisation, du fait d’une formation accrue de contrails et de cirrus induits. Il ne l’est pas du tout si sa fabrication et sa liquéfaction sont prises en compte. Outre l’aspect économique, l’avenir de l’hydrogène dans l’aéronautique repose donc sur le développement de technologies de production non émettrices de CO2. Cette perspective lointaine est en relation avec « l’économie de l’hydrogène ». Des informations plus détaillées sont fournies dans le document thématique Énergie.
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Table des matières
1. CARACTÉRISTIQUES DU CARBURÉACTEUR. ....................................................................... 7
1.1 PRÉVISIONS DE PRODUCTION MONDIALE DE PÉTROLE ET COMPARAISON AVEC LA DEMANDE DU TRANSPORT AÉRIEN. .................................................................................. 9
Prévisions de la production mondiale de pétrole ........................................................................ 9
Comparaison avec la demande de carburéacteur. .................................................................... 12
Augmentation de la part de kérosène au-delà de 10% ............................................................... 13
2. RESSOURCES POUR LA PRODUCTION DE CARBURANTS ALTERNATIFS .............................. 15
2.1 FABRICATION DE CARBURÉACTEUR À PARTIR DES ÉNERGIES PRIMAIRES FOSSILES CHARBON ET GAZ ......................................................................................................... 15
Carburant d’origine fossile : GTL et CTL .............................................................................. 15
2.2 FABRICATION DE BIOCARBURÉACTEURS ........................................................................ 16
Prise en compte des Analyse de Cycle de Vie et Changement d’Affectation des Sols ....................... 16
2.3 ORDRES DE GRANDEUR DES SURFACES NÉCESSAIRES POUR FOURNIR 100 MT DE BIOCARBURANT ............................................................................................................ 17
2.4 EVALUATION DE L’ÉLIGIBILITÉ DES BIOCARBURANTS ...................................................... 20
Biocarburants de deuxième génération. ................................................................................. 20
Carburant de troisième génération........................................................................................ 21
2.5 CONCLUSION ................................................................................................................ 22
3. AUTRES TYPES DE SOURCES D’ÉNERGIE ......................................................................... 23
3.1 AVIONS PROPULSÉS PAR L’ÉLECTRICITÉ.................................................................................. 23
Propulsion électrique à partir de batteries .............................................................................. 23
Énergie électrique produite à partir d’énergie solaire ................................................................. 27
Avion à propulsion hybride (thermique/électrique). ................................................................... 27
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENERGIE
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3.2 AVIONS PROPULSÉS PAR L’HYDROGÈNE ......................................................................... 28
État des connaissances industrielles ..................................................................................... 28
Analyse d’études disponibles .............................................................................................. 28
Comment fabriquer cette énergie. ........................................................................................ 31
Impact environnemental de l’hydrogène ................................................................................. 34
3.3 CONCLUSION SUR L’ENSEMBLE DES PROPULSIONS ALTERNATIVES .................................. 35
Références : .............................................................................................................. 36
4. ANNEXE ........................................................................................................................ 37
Utilisation de l’hydrogène dans un réacteur et un avion. ............................................................. 37
Emissions gazeuses (dont gaz à effet de serre): ...................................................................... 37
Opérations moteur : .......................................................................................................... 38
Utilisation : ................................................................................................................ 38
Le stockage dans l’avion .................................................................................................... 38
Remplissage avion ........................................................................................................... 39
Deuxième niveau de considérations ..................................................................................... 40
Conclusions .............................................................................................................. 41
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Résumé
Cette annexe a pour objectif d’apporter des compléments et des justifications aux sujets évoqués dans la partie 1 du Thème Energie mais aussi dans le Thème Construction aéronautique.
Actuellement, la totalité de l’énergie consommée par les avions (hors utilisation des groupes de parcs sur les aéroports) est fournie par le carburéacteur embarqué dans l’avion et obtenu à l’aide de pétrole. Environ 97 % de ce carburant sert à fournir la poussée des turboréacteurs et les 3 % restants sont utilisés pour les servitudes avions (fourniture des puissances électrique et hydraulique et du conditionnement d’air).
Les thèmes "Construction Aéronautique" et "Volume du Marché" ont identifié pour 2050 un besoin d’énergie double de celui utilisé en 2010 pour permettre l’évolution attendue du transport aérien, soit de 450 à 500 millions de tonnes d’équivalent "carburéacteur". Cette estimation est plus faible que celle effectuée par l’industrie aéronautique qui prévoit que le même volume du marché, la multiplication par 3 des passagers kilomètres serait atteinte en 2030 et non pas en 2050. En 2030, le renouvellement de la flotte par les avions entrés récemment en service ou encore en développement n’aura été que très partiel diminuant les gains technologiques des avions opérés et le besoin de carburéacteur serait alors plus du double de celui de 2010
L’objectif du thème "Energie" a été d’identifier comment le besoin d’énergie prévu par l’AAE, 450-500 MTep peut être satisfait à l’horizon 2050 et en particulier quelles seront les énergies primaires à mobiliser pour ce faire.
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1. CARACTÉRISTIQUES DU CARBURÉACTEUR.
Le carburéacteur plus communément appelé kérosène aéronautique ou jet fuel, est le produit pétrolier utilisé pour l’alimentation des avions à réaction. Les contraintes inhérentes à l’application aéronautique : encombrement, propriétés en altitude (température et pression) et sécurité d’emploi, font du carburéacteur un produit aux spécifications particulièrement sévères et qui est, de plus soigneusement contrôlé à différents stades de sa fabrication, de son transport et stockage. La figure 1 ci-dessous extraite du livre Carburant et Moteurs de J.C. Guibet, IFP, donne les caractéristiques retenues par les normes les plus connues, ASTM D 1655 américaines, DERD britanniques, IATA et "AIR" du ministère de la défense pour la France.
Ces caractéristiques adressent en particulier :
- Les performances des avions et la quantité d’énergie pour assurer le vol par sa densité et pouvoir calorifique inférieur.
- La sécurité de la combustion et du stockage dans les réservoirs par l’amplitude de ses températures d’utilisation possible: point éclair et la température de disparition des cristaux.
- La lubrification de certaines parties des moteurs (vérins, pompes…) et de l’avion (alternateurs .. .) nécessitant en particulier une proportion minimale d’aromatiques.
- Les problèmes environnementaux.
Les températures rencontrées par le carburéacteur, du réservoir aux injecteurs, peuvent varier de - 40°C à + 100 - 110°C en quelques secondes. Le carburéacteur répondant à ces normes doit être disponible et stocké dans les conditions bien définies sur tous les aéroports du monde. Au-delà des "certifiées", d’autres caractéristiques de ces carburéacteurs sont utilisées pour la définition des avions comme par exemple la température d’auto inflammation.
Tous les constructeurs définissent et construisent des avions correspondants à ces normes et caractéristiques et devront dans la plupart des cas faire des modifications plus ou moins importantes pour s’accommoder de carburants qui auraient des propriétés différentes.
Jusqu’à récemment, seuls les kérosènes issus du pétrole étaient certifiés. Depuis, des carburateurs fabriqués à partir de charbon, de gaz ou des mélanges de carburant d’origine végétale (biomasse) et de carburéacteur classique (voir chapitre 3) ont été certifiés et sont utilisés de manière industrielle ou au cours de nombreux vols d’essais effectués par les constructeurs et compagnies aériennes. A titre d’exemple, la certification du premier carburant alternatif CTL (fabriqué à l’aide de charbon a duré près de 10 ans et couté de l’ordre de 10 millions de dollars.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENERGIE
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Tableaux extraits de "Carburant et moteurs de J.C.GUIBET, Publication de l’IFP
Figure 1 : Spécification du kérosène et exemple du fractionnement du pétrole
Le carburéacteur provient presque exclusivement de la distillation directe du pétrole brut. Il correspond à la fraction 140 - 240°C plus ou moins tronquée selon le produit fabriqué.
Ces températures et le volume du produit final extraits de chaque coupe dépendront de la qualité du pétrole initial et du volume de marché de chaque base. La répartition indiquée figure 2 ci-dessous est donnée par T. Vanicek, Colloque ANAE "Le Transport Aérien Face au Défi Energétique", Toulouse, novembre 2006
Figure 2 : Quantité de jet fuel issue du pétrole par les techniques de raffinage actuelles.
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Aujourd’hui, les carburéacteurs et équivalents (pétrole lampant…) représentent au niveau mondial un peu plus de 6 % du pétrole extrait, fraction qui varie d’un continent à l’autre en fonction de la demande comme indiqué par la figure 3.
Figure 3 : Répartition de la quantité de carburéacteur/ kérosène extraite du pétrole dans le monde
Quand la demande de kérosène le demandera, il sera possible d’extraire par les techniques de distillation disponibles un volume de carburéacteur représentant environ 10 % du volume de pétrole extrait, valeur qui dépend du brut utilisé. Pour aller au-delà, 15 % semblent possible comme indiqué dans le chapitre suivant.
1.1 PRÉVISIONS DE PRODUCTION MONDIALE DE PÉTROLE ET COMPARAISON AVEC LA DEMANDE DU TRANSPORT AÉRIEN.
Prévisions de la production mondiale de pétrole
De nombreuses prévisions de production de pétrole, en général jusqu’en 2030 plus rarement jusqu’en 2050, sont publiées par les compagnies pétrolières, les états et divers organismes. La figure 4 illustre la diversité de ces dizaines de prévisions.
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Figure 4 Exemples de prévisions de production de pétrole.
Aussi , "Trendlines research" a compilé celles effectuées par les 17 considérées parmi les plus reconnues, c'est-à-dire : BP (UK), CERA (USA), EIA (USA), Deutsche Bank (USA Division - Sankey, Clark & Micheloto), ExxonMobil (USA), Sadad Ibrahim al Husseini (Saudi Arabia), Freddy Hutter (the Yukon/Canada), IEA (OECD-Paris), Jean Laherrère (France), Richard Miller (BP-UK), OPEC (Vienna), PFC Energy (USA), Chris Skrebowski (UK), Michael Smith (UK), Total (France), Turner-Mason (USA) & Peter Wells (UK).
Ces prévisions présentés dans la figure 5, sont très dispersées mais indiquent en général un pic de production autour de 2030 et une décroissance au-delà. Elles varient en 2030 de 67 à 115 Mbd soit respectivement 75 et 135 % de la production actuelle. Pour 2050, les valeurs indiquées représenteraient 40 à 130 % de la production actuelle.
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Figure 5 : Compilation des prévisions de production de pétrole effectuée par « Trendline »
D’autres prévisions sont disponibles. Elles donnent en général des prévisions de production plus élevées, augmentent la dispersion et ajoutent à la confusion.
Que peut justifier ces dispersions de scénarios effectuées par des organismes et sociétés qui ont une notoriété certaine ? Il est peu probable que pour 2030 en particulier, la seule connaissance (ou méconnaissance) du sujet en soit la cause. L’établissement de ces estimations, à contenu hautement stratégique, sont sûrement effectuées après évaluation des risques associés à leur publication pour chaque société. Dans cette situation, que peut représenter une moyenne ?
Aussi les membres de l’Académie ont préféré mettre en évidence cette incertitude et établir et proposer les actions à lancer en fonction au fur et à mesure de l’affinement dans le temps des scénarios qui permettront d’anticiper les actions à mener pour satisfaire les besoins de l’aviation.
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Figure 6 : Enveloppe des prévisions de pétrole
Comparaison avec la demande de carburéacteur.
La demande prévue par l’AAE de carburéacteur, soit 450 à 500 Mtep devra être comparée à celle qu’il sera possible de fabriquer avec la production de pétrole.
Pour faciliter les comparaisons, la demande de carburéacteur a été comparée dans les figures suivantes à 10 % de la production de pétrole, qui correspond approximativement à la capacité technique de fabrication avec les raffineries existantes.
Figure 7 : Comparaison des prévisions de consommation et de la disponibilité de carburéacteur produit par les techniques
de raffinage actuelles.
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Pour satisfaire les demandes de l’aviation commerciale, militaire et générale il faudra au moins augmenter le pourcentage de carburéacteur extrait du pétrole. L’augmenter jusqu’à 10 % permettrait de couvrir les besoins de 2050 uniquement si la production de pétrole se situait dans la "partie haute" des prévisions. Si elle est techniquement possible, elle se fera au détriment de la production des coupes adjacentes, essence et gasoil, et le transport aérien entrera en compétition avec les transports routiers.
La date à laquelle la pénurie de pétrole sera effective dépendra de la production réelle de pétrole, aussi la commission a tenté d’isoler les prévisions de production de pétrole qui lui ont paru être les plus crédibles.
Figure 8 : Période probable de début de pénurie de carburéacteur produit par les techniques de raffinage actuelles
Après cette sélection, la pénurie de disposition de carburéacteur devrait intervenir entre 2030 et 2045 en utilisant les pratiques de raffinage actuelles.
Pour pallier cette pénurie, il sera nécessaire soit d’augmenter la proportion de kérosène issue du pétrole au-delà de 10 %, soit de fabriquer de l’ordre de 100 Mt de carburéacteur de manière alternative. Cette valeur devrait être notablement augmentée si le volume du marché aéronautique prévu par les industriels se vérifiait.
Augmentation de la part de kérosène au-delà de 10%
L’augmentation de la part de kérosène au-delà de 10 % nécessiterait un hydrocraquage profond des coupes lourdes du pétrole et permettrait d’arriver jusqu’à 15 %, sous réserve d’une production d’hydrogène gazeux adéquate et corrélativement d’une augmentation du prix. Dans tous les cas, cette augmentation nécessitera la réduction relative des coupes adjacentes essence et gazole. L’augmentation de ~ 6.5 % aujourd’hui à 15 % de la part de pétrole nécessaire à l’aviation diminuerait notablement celle utilisable par le transport routier. Cette diminution sera-t-elle possible compte tenu de l’augmentation très importante du nombre de véhicules dans les pays émergents et de la diminution des consommations unitaires des véhicules terrestres ?
En définitive, l'option 10 % ne permet pas de satisfaire la demande en 2050, l'option 15 % le permettrait peut-être mais repousse les problèmes vers les technologies de raffinage et les demandes concurrentes. En outre, cette approche ne permet pas de répondre à l’objectif environnemental de réduction importante de l’émission de CO2 du transport aérien.
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2. RESSOURCES POUR LA PRODUCTION DE CARBURANTS ALTERNATIFS
2.1 FABRICATION DE CARBURÉACTEUR À PARTIR DES ÉNERGIES PRIMAIRES FOSSILES CHARBON ET GAZ
Carburant d’origine fossile : GTL et CTL
Les réserves de charbon et de gaz ont des durées de disponibilités plus longues que celle du pétrole. La fabrication de kérosène à partir du charbon et du gaz (1t pour environ 5t de charbon ; 1t pour 2t de gaz) permettrait donc de combler un déficit limité de kérosène conventionnel autorisant le développement de l’aviation pendant quelques décades. Le mélange avec le carburéacteur issu du pétrole permettrait de maintenir l’ensemble des caractéristiques utilisées par l’industrie (certifiées ou non) du carburéacteur actuel.
CTL : Le kérosène est fabriqué industriellement à partir du charbon depuis de nombreuses années, en particulier en Afrique du Sud. Sa production émet plus de CO2 que sa combustion finale et elle est donc en contradiction avec les objectifs de limitation des émissions de GES (Gaz à Effet de Serre). La séquestration de CO2, technique non mature aujourd’hui, sera indispensable. Elle augmenterait sensiblement le prix puisque la séquestration d’une tonne de CO2 est estimée à 30 – 100 $ (équivalent à ~15 - 50 $ par baril de pétrole si on séquestre 50% de l’émission totale de CO2).
GTL : Depuis 2006, de nombreux projets de fabrication industrielle de GTL ont vu le jour, en particulier au Qatar. La fabrication émet marginalement plus de CO2 que celle du kérosène issu du pétrole et limitera les besoins de séquestration.
0
50
100
150
200
250
Oil Coal without CCS
Coal with CCS Natural gas without CCS
Natural gas with CCS
CO2
emis
sion
/ C
O2
kero
sene
ave
rage
(%
)
CO2 emissions of synthetic fuels
Figure 9 : Emissions totales de gaz carbonique
par les carburéacteurs synthétiques fossiles (Partner juin 2010)
La production de GTL et CTL permettrait de satisfaire la demande de kérosène évaluée par l’Académie, mais laisserait entier le problème de réduction des émissions de GES. Il serait de plus nécessaire d’affecter à la production de jet fuel une part significative des productions de charbon et/ou de gaz au détriment des autres utilisateurs potentiels pouvant les acheter à un prix plus élevé (chimie,…); à titre d’information la production de 100 Mt de CTL ou de GTL nécessiterait l’utilisation de l’ordre de 8 % des productions actuelles de charbon ou de gaz et pourrait générer une tension sur leur prix.
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2.2 FABRICATION DE BIOCARBURÉACTEURS
On constate sans surprise que seul le recours aux biocarburants peut potentiellement répondre aux différents défis environnementaux auxquels l’aéronautique civile doit faire face d’ici à 2050 et au-delà. Pour cela, il faudrait que la production de ces biocarburants, par nature renouvelables ("renewable"), soit suffisante et durable ("sustainable") : ils pourraient dans ce cas simultanément compenser la déplétion des ressources fossiles et autoriser le gain environnemental espéré.
Prise en compte des Analyse de Cycle de Vie et Changement d’Affectation des Sols
Les gains bruts de GES estimés au début des années 2000 ont entraîné la production des biocarburants afin de remplacer une partie des carburants d’origine fossile pour les moyens de transport terrestres. Depuis, les émissions de GES induites par la production des biocarburants ont été réexaminés :
- Dans un premier temps par l’Analyse des Cycles de Vie (ACV) prenant en compte l’énergie nécessaire à leur fabrication (du champ au réservoir).
- Dans un second temps, par la prise en compte de l’impact de Changement direct (on ne prend pas en compte le CASi dans les ACV actuelles) d’Affectation des Sols (CAS), c'est-à-dire des GES libérés lors du défrichage de la parcelle utilisée pour produire le biocarburant. La prise en compte des CASi, impact du défrichage d’une parcelle permettant la production en un autre lieu d’une même quantité de nourriture humaine ou animale que celle utilisée pour produire le biocarburant, est très difficile à estimer mais détériorerait généralement le bilan global.
La prise en compte des ACV et des CAS diminue notablement les gains d’émission à GES et a entraîné une réflexion sur la durabilité des biocarburants et la création de normes.
En Europe, pour assurer la durabilité de la production de biomasse et de biocarburant, la directive 2009/28/CE du 23 avril 2009 exige la vérification :
- D’une réduction des émissions de GES d’au moins 35% à partir du 01/01/2010, de 50% en 2017 et de 60% dès 2018 par rapport à celles produites par la fabrication et la combustion de kérosène fossile;
- De la préservation de la biodiversité (zone protégée, respect des écosystèmes, des tourbières) ; - De la protection de l’air, de l’eau et du sol ; - Du respect de l’environnement et de la législation sociale. Seuls des organes indépendants pourront attester du respect de la directive.
Des règles similaires ont été édictées par l’EPA (Environment Protection Agency) américaine directives préconisées à l’EISA (Energy Independence & Security Act, 2007).
Ces directives réduisent considérablement le nombre de plantes éligibles pour la fabrication de biocarburants et en particulier, la plupart des biocarburants de première génération dit agrocarburants n’ont pas un bilan d’émissions qui satisfasse le critère de gain de 60% de réduction de GES. Aussi, la Commission Européenne et l’EPA aux Etats Unis ont récemment proposé de limiter l’usage de ces agrocarburants au niveau actuel (~5 % des carburants utilisés dans le transport en Europe).
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La figure 10 donne les émissions de GES après la prise en compte de l’ACV hors effet des changements d’affectation des sols, pour les biocarburants susceptibles de satisfaire les critères de durabilité.(SWAFEA p. 70 et Partner page 112).
Elle contient des indications relatives à des biocarburants de première génération, utilisation des substances de réserve (fruits, graines) dont soja, de seconde génération issus de plantes ou parties de plantes non alimentaires et de troisième génération comme les micro-algues.
Figure 10 : Emissions de GES lors de la production et de la combustion des biocarburants
La prise en compte des CAS directs dégraderait de manière rédhibitoire la situation du soja et de la cameline mais améliorerait sensiblement celle du switchgrass (herbe à bisons), SRC (arbrisseaux croissance rapide) et du miscanthus (herbe à éléphant) même s’ils remplaçaient des prairies. Les écarts d’ACV pour chaque produit portés sur la figure 10 ci-dessus reflètent à la fois l’incertitude des estimations et de la diversité des modes de culture (avec ou sans entrants et/ ou irrigation).
2.3 ORDRES DE GRANDEUR DES SURFACES NÉCESSAIRES POUR FOURNIR 100 MT DE BIOCARBURANT
Les informations données par SWAFEA (informations contenues dans ce rapport page 70 et 74) et Partner pour les ACV et les rendements de bio carburant par hectare et par an, permettent de déduire quelques ordres de grandeurs de la productivité annuelle de quelques cultures après intégration des résultats des Analyses de Cycle de Vie. (Tableaux 1 et 2 et figure 11) : « Surface à cultiver= 100 Mtep/Jetfuel productivité (Tep/ha/an) /(1-ACV moyen) ». Au cours de la fabrication, même si les arbitrages sont effectués pour maximiser la production de biocarburéacteur, ce dernier ne représentera qu’au maximum 25 – 30 % du biocarburant produit pour le BTL par exemple.
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ACV (gCO2/MJ) (page 70)
ACV moyen ( % du carburant de
référence, 85gCO2/MJ)
Changement d'affectation
des sols direct (20ans,gCO2/
MJ)
Jetfuel Productivité (GJ/ha/an)
page 74
Jetfuel Productivity
(Tep jet fuel/ha/an)
Carburéacteur productivité (ACV moyen)
(Tep jetfuel/ha/yr)
Surface à cultiver pour 100 MTep efficace (Mkm2)
MICROALGUES de 20 à 65 0,50 808 19,24 9,62 0,10SOJA 41 0,48 de 40 à 122 43 1,02 0,53 1,89JATROPHA de 19 à 79 0,58 de -254 à -327 de 6 à19 de 0,14 à 0,45 de 0,06 à 0,19 5,26 à 16,7CAMELINA de 25 à 34 0,35 de 79 à 193 28 0,67 0,44 2,30SWITCH GRASS 10,3 0,12 de -11 à -89 85 2,02 1,78 0,56SRC 8 0,12 de -11 à -93 81 1,93 1,69 0,59MISCANTHUS 9 0,12 de -7,9 -63 118 2,81 2,47 0,41
SWAFEA
Tableau 1
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COMMENT VOLERONS-NOUS EN 2050 ?
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ACV (gCO2/MJ) (page 70)
ACV probable (% du carburant de
référence)
Jetfuel Productivity
(Tep jet fuel/ha/an)
Carburéacteur productivité (ACV
moyen) (Tep jetfuel/ha/yr)
Surface à cultiver pour
100 MTep efficace (Mkm2)
MICROALGUES 14,1/50,7/193,2 * 0,596 13,64 5,50 0,18SOJA 39,8/54,9/75,9 0,646 0,76 0,27 3,70JATROPHA 31,8/39,4/45,1 0,464 0,41 0,22 4,56SWITCH GRASS :11,9/17,7/26 0,208 0,55 0,43 2,32SALICORNIA 30,5/47,7/66,1 0,561 0,95 0,42 2,39*: valeurs mini / la plus probable / maxi
Partner
Tableau 2
Figure 11 : Ordres de grandeurs des surfaces nécessaires pour produire 100 Mégatonnes de carburéacteurs d’après
SWAFEA et Partner.
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : ENERGIE
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Les surfaces indiquées dans la figure 11 ci-dessus ne peuvent représenter que des ordres de grandeurs et doivent être associées aux hypothèses retenues par les organismes SWAFEA et PARTNER.
Les valeurs données par John Hileman de la FAA, dans sa présentation lors du colloque "Comment volerons-nous en 2050" des 30 et 31 mai 2012, sont du même ordre de grandeur. - Microalgues/HEFA : [1,1 – 37,3] t/ha/an et Algae/HEFA : 15,7 t/ha/an - Switchgrass/FT : [0,52 – 1,61] t/ha/an et 2,50 t/ha/an - Camelina/HEFA : [0,07 – 0,33] t/ha/an et 0,46 t/ha/an
2.4 EVALUATION DE L’ÉLIGIBILITÉ DES BIOCARBURANTS
Au cours des dernières années de nombreuses études et expérimentations ont donné lieu à des résultats apparemment contradictoires quant à la durabilité des biocarburants de seconde ou troisième génération, aussi il est nécessaire de mieux définir leur éligibilité.
Biocarburants de deuxième génération.
Pour le Jatropha par exemple :
- Les données ci-dessus correspondent à une culture sur des sols semi-arides (sablonneux ou argileux) non cultivés aussi si le rendement par hectare est faible, le changement direct d’affectation des sols est par contre très bénéfique. (SWAFEA p 74 et Partner p110).
- De nombreuses études, ont été publiées et ont donné des résultats apparemment contradictoires quant à l’intérêt de cette plante. Elles donnent des rendements par hectare très variables selon le mode et le lieu de culture (avec ou sans intrants et irrigation en particulier).
Si globalement, la productivité reste inférieure aux prévisions faites il y a dix ans, des rendements "élevés" peuvent être atteints (kg dry seed per hectare), comme le montre l’analyse de 45 expérimentations présentées dans le tableau ci-contre, mais souvent au prix d’une dégradation significative des émissions de GES surtout après prise en compte des CAS directs et indirects. LAC :
LAC : Amérique latine Tableau 3 : Rendements à l’hectare de Jatropha selon les lieux et modes de culture.
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Asie/ Afrique/Amérique latine
Les résultats ci-contre devront être analysés afin de comprendre les raisons de ces grandes variations et de sélectionner les plus approppriées.
Ces résultats donnés par l’étude "Insights into Jatropha Projects Worldwide. Key facts & Figures from a Global Survey” CSM/ICONAS, Luneburg, December 2012” montrent qu’il sera nécessaire de sélectionner les modes de cultures et les terres choisies qui tout en maintenant l’intérêt écologique (ACV et CAS) seront capables de fournir les rendements nécessaires pour une production économique de biocarburant.
Figure 12 : Influence de l’âge des plantations sur le rendement de Jatropha
Aussi, pour établir l’intérêt de la production de biocarburants, il faudra établir, pour chaque culture (Jatropha, Cameline, SRC,..) et pour chaque mode et lieu de culture, le bilan global qui intègrera sa durabilité, émissions de GES en particulier, et le bilan économique comportant entre autre le volume de production par hectare.
Ce travail est en cours, mais est loin d’être terminé pour les biocarburants de deuxième génération. Il est peu probable que les choix des cultures éligibles, des types de terres à utiliser associés aux efforts significatifs de développement à effectuer permettent, avant la fin de la décennie, la connaissance des volumes de biocarburéacteur qui pourraient être disponibles, compte tenu des surfaces et des investissements humains et financiers disponibles et nécessaires. Cette étude devra déterminer les surfaces et modes de culture éligibles et donc la production nette de biocarburéacteur.
Carburant de troisième génération.
La culture de micro-algues est généralement présentée comme une solution pour réduire les surfaces nécessaires à la production de biocarburants. De nombreuses études et expérimentations sont en cours pour raffiner les estimations aussi bien pour les bilans écologiques et que pour les rendements en fonction du mode de production. Les premières informations indiqueraient que les bénéfices seraient moindres que ceux qui ont été indiqués il y a quelques années. Par ailleurs les conditions optimum d’exploitation : terrains plats, ensoleillés, sans vents excessifs avec de grandes quantités d’eau disponibles mais aussi disposant de quantités importantes de CO2 grâce à la présence d’industries seront difficiles à réunir en un seul lieu et limiteront les quantités possibles. Par exemple, cette dernière condition ne peut être obtenue que dans des zones urbanisées qui n’auront que peu de surfaces et de quantité d’eau disponibles. Un handicap des micro-algues est une dépense énergétique importante et un prix encore très élevé.
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Les critères de durabilité exigés pour réduire de façon significative les émissions de Gaz à Effet de Serre sans compétition avec la nourriture, ni avec la disponibilité de l’eau potable ont significativement limité les cultures éligibles pour la fabrication des biocarburéacteurs. Les études se concentrent sur les biocarburants de seconde et troisième générations. Elles sont loin d’être terminées et il est difficile de prévoir le volume de carburant qui pourrait être disponible pour l’aviation. Cependant la fourniture de biocarburant peut être un moyen de lutter contre le prix du fuel imposé par les pays producteurs de pétrole car l’accroissement du prix du pétrole favorisera l’émergence de sources alternatives de production de carburant fossile. Les deux challenges majeurs : − comment produire en quantité suffisante le biocarburant dans un calendrier réaliste dans une chaine de
distribution intégrée, efficace, fiable
− et à un prix compétitif.
Le passage du laboratoire à un complexe industriel de production de biocarburant ne peut se faire que si le marché est rentable c’est à dire : − ne pas contribuer à une sur capacité éventuelle de disponibilité de carburant,
− disposer de contrat d’approvisionnement long terme et avec des prix garantis,
− ….
conditions nécessaires mais pas suffisantes pour convaincre les compagnies / opérateurs à s’engager. Ces dernières exigeront, de plus, une garanti d’un prix du biocarburéacteur compétitif avec les carburants fossiles issus du pétrole, du charbon ou du gaz après prise en compte de taxes « mondialement établies » liées aux émissions de GES. Il est estimé que le prix du biocarburéacteur ne sera jamais compétitif avec un prix du fuel fossile inférieur à 0.8$/l (équivalent à 120-130$/baril).
2.5 CONCLUSION
La fabrication de carburant alternatif, fossile ou renouvelable, pour l’aviation se heurtera à des barrières politiques (utilisation des terres, des ressources, compétition avec la nourriture…) et le transport aérien sera en compétition avec d’autres moyens de transport et d’utilisation dans l’industrie chimique. La nature du complément de carburant alternatif nécessaire pour satisfaire les besoins de l’expansion du transport aérien dépendra beaucoup de la disponibilité de biocarburant satisfaisant des critères de durabilité et à des prix acceptables pour les compagnies aériennes. Si les quantités nécessaires de biocarburéacteur n’étaient pas disponibles, il sera nécessaire d’utiliser des ressources fossiles, le charbon (CTL) et le gaz (GTL) dont les procédés de fabrication sont connus. Le GTL devra être utilisé en priorité afin de minimiser les émissions de GES. Pour tous les carburants alternatifs Il reste à encore beaucoup de travaux de développement, d’optimisation à réaliser (production économique, maitrisée…) pour assurer une qualité constante, et pour mettre en place une chaine de production intégrée assurant mondialement une disponibilité de qualité maitrisée. Un prix trop élevé du carburant alternatif, supérieur par exemple à l’hypothèse prise par l’AAE équivalent à 200 à 250$ le baril de pétrole remettait en cause ses estimations du besoin de 400-450Mtep.
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3. AUTRES TYPES DE SOURCES D’ÉNERGIE
L’utilisation d’autres sources d’énergie est évoquée pour remplacer le kérosène ou les carburants alternatifs quand ceux-ci ne seront plus disponibles en quantité suffisante. Ces sources alternatives permettent déjà de faire voler des avions comme les avions d’aéroclubs pour l’électricité, Solar Impulse pour le photovoltaïque (démonstration) et des drones pour l’hydrogène. Sera-t-il possible de construire des avions commerciaux de transport de passagers dans des conditions de sécurité et de coût acceptables, propulsés par de telles énergies ?
Les estimations données ci-après se limitent à des ordres de grandeur mais ont une valeur suffisamment indicative pour jauger la crédibilité de l’emploi de ces sources d’énergies et les conditions à remplir pour permettre leur utilisation sur des avions commerciaux.
Le terme "système propulsif" utilisé ici désigne le moteur, son hélice, carénée (type turboréacteur) ou non (type turbopropulseur), et l’ensemble réservoir-carburant ainsi que les moyens servant à transporter l’énergie.
3.1 AVIONS PROPULSÉS PAR L’ÉLECTRICITÉ.
Propulsion électrique à partir de batteries
Les paragraphes suivants donnent quelques ordres de grandeur qui permettraient de dimensionner les batteries pour un avion type ATR42, court courrier régional.
Un des premiers modèles, l’ATR42-300, bi-turbopropulseur, avec une masse à vide de 10 285 kg et une masse maximum au décollage de 16 700 kg, permet de transporter 48 passagers sur 1 165 km à une vitesse de croisière de 480-530 km/h à l’altitude de 22 000 ft. La masse de kérosène embarquée pour effectuer cette mission est proche de 1 750 kg, dont environ 1 000 seront consommés au cours de la mission, le reste, représentant les réserves obligatoires qui permettent, le cas échéant, de couvrir conformément aux règlements, une attente et un déroutement vers un aéroport alternatif. La capacité des réservoirs, 5 625 litres (4 600 kg), lui donne la possibilité d’un plus long rayon d’action, en diminuant la charge utile pour maintenir la masse maximale au décollage.
Pour la mission de référence (48 passagers), sa masse moyenne de croisière (environ 16 200 kg) et sa finesse aérodynamique (proche de 14,5) conduisent à une poussée nécessaire de 1 100 daN, qui, pour une vitesse de 520 km/h, demande une puissance utile de 1 580 KW. La puissance électrique à fournir aux moteurs est de l’ordre de 2 100 KW, tenant compte des rendements de l’hélice, du réducteur et du moteur. L’énergie totale nécessaire au décollage pour effectuer la mission de 1 165 km est de l’ordre 8 000 KWh
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(Tableau 4). La duplication des capacités de rayon d’action de l’ATR42-300 demanderait l’emport d’énergie supplémentaire (11 500 KWh pour 2 000 km, et plus en cas de vol de convoyage).
Il faudrait donc environ 53 - 76 tonnes de batteries du type lithium-ion dont l’énergie massique serait de 150 Wh/kg pour embarquer ces énergies avec un rayon d’action strictement inférieur à 2 000 Km. Cela illustre les progrès considérables qui sont à réaliser en termes d’énergie massique des batteries pour arriver à des solutions réalistes pour dupliquer les missions actuelles ! Les vols de convoyage, demandant un rayon d’action supérieur, possibles aujourd’hui, demanderaient des masses de batteries encore supérieures. Pour information les batteries de la voiture électrique Nissan LEAF auront une énergie massique de 120 Wh/kg et celles du B787 étaient de 80 Wh/kg à son entrée en service avant les dernières modifications.
Pour un A320, l’énergie propulsant l’avion actuel et ses passagers sur la mission la plus exigeante (6 000 km, 3 200 NM, 78 000 kg de masse au décollage) correspond celle contenue dans environ 700 tonnes de batteries d’énergie massique de 150 Wh/Kg.
Les masses de 2 moteurs électriques et des câblages correspondants à la même puissance que les turbopropulseurs PW127 (481kg pour 2700CV, soit 4200 W/kg ) équipant l’avion aujourd’hui serait nettement plus lourde. Pour information, le TGV Atlantique, pour lequel la masse n’est pas un objectif aussi critique, est propulsé par 8 moteurs d’une puissance de près de 1 100 KW (1 500 CV) pour une masse de 1 450 kg chacun soit 758 W/Kg. Les moteurs électriques utilisés dans l’aviation légère dans la gamme de puissance 20-100 CV atteignent 1 500 W/kg.
En conclusion, pour retrouver une masse "du système propulsif total" (moteur + carburant) comparable à celle de l’avion actuel pour la mission de référence, il serait nécessaire de disposer de batteries à énergie massique d’environ 7 500 Wh/kg, soit 50 fois supérieure à celle installée sur les batteries des automobiles actuelles, et des moteurs électriques et des câblages adaptés aux exigences aéronautiques pour que la masse "du système propulsif" soit proche de celle obtenue avec les moteurs thermiques actuels. La figure 13 ci-dessous donne les masses au décollage des avions et de leurs batteries calculées pour satisfaire la même mission (charge marchande et distance franchissable) à l’aide des méthodes simplifiées classiques de dérivation d’avions en avant projets. Pour faire cette évaluation, la masse des moteurs et des câbles d’alimentation a été prise à 150 % de la masse des PW127 équipant l’avion aujourd’hui (puissance spécifique de 2700 W/kg).
05000
100001500020000250003000035000400004500050000
0 2000 4000 6000 8000
Mas
ses
(Kg)
Energie massique des batteries (wh/kg)
Evolution de la masse au décollage de l'avion et deses batteries en fonction de leur énergie massique pour une
même mission.Ordres de grandeur avion bouclé.
MTOW
Masse batteries
Figure 13 : Ordres de grandeur de la masse d’un court courrier
régional propulsé électriquement
Ces évolutions montrent qu’il faudra attendre que les énergies massiques atteignent 4 000 à 5 000 Wh/kg pour obtenir des avions avec des masses acceptables. Il serait alors possible d’étudier des configurations d’avions plus adaptées au transport à propulsion électrique, à condition que la puissance massique soit suffisante
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Un effort de recherche très important est fait pour améliorer les performances des batteries pour l’industrie automobile. La valeur la plus élevée lue dans la littérature est de l’ordre de 2 000 Wh/kg à l’horizon 2035-2050. Cette densité énergétique donnera une autonomie suffisante aux automobiles mais insuffisante pour concurrencer le pétrole dans l’industrie du transport aérien. Il est donc très peu probable que les densités énergétiques atteignent les niveaux requis pour l’aéronautique en 2050. Au-delà de la densité énergétique, les batteries devront fournir la puissance instantanée nécessaire durant le décollage et la montée. Cette condition peut devenir le critère de dimensionnement. Pour un avion comparable à l’ATR équipé de deux moteurs PW127 de 2 700 CV, la puissance électrique à fournir devrait être de l’ordre de 4 500 KW.
Pour généraliser et rendre significative l’introduction de l’énergie électrique dans le Transport Aérien, il faudrait développer des moteurs électriques de grande puissance répondant aux standards de l’aéronautique. Par exemple, chacun des moteurs (TP400) équipant le quadrimoteur de transport militaire A400M de 141 tonnes de masse au décollage développe une puissance de 11 000 CV (8 200KW) pour une masse inférieure à 2 000 Kg. Les puissances nécessaires pour les bimoteurs de 350 tonnes de masse au décollage seraient très supérieures.
De plus, à supposer que les gains d’énergie et de puissance massiques des batteries soient obtenus et que les moteurs nécessaires existent, les avions et leur opération devront être économiquement acceptables. Pour permettre de fabriquer et d’opérer un l’avion de transport régional de manière compétitive avec l’avion actuel et un prix de Jet Fuel homogène à 250 $ le baril (hypothèse de l’AAE), il faudrait comme esquissé dans le tableau 4 que les améliorations d’énergie et de puissance massiques nécessaires des batteries, de leur durée de vie ainsi que des moteurs se fassent sans augmentation de prix par unité énergétique (environ 500 € /KWh pour 7 000 heures (ou cycles), 100 € /KW pour les moteurs) et que le prix de l’électricité soit égal au prix moyen hors taxe payé aujourd’hui par les entreprises en Europe (9.6 € /KWh).
L’utilisation d’énergies primaires renouvelables augmenterait ce prix. L’intermittence des productions éoliennes et photovoltaïques mensuelles et instantanées relevée de juin 2011 à avril 2013 et indiquée dans la figure 15 montre la nécessité de disposer d’un parc de batteries supplémentaires pour assurer la continuité des vols augmentant d’autant les coûts d’exploitation.
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pro
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(MW
)
Production d'électricité éolienne + photovoltaïque projetées pour les installations prévues en 2020 par le
Grenelle de l'environnement
2012-2013
2011-2012
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30000
01/11/2012 06/11/2012 11/11/2012 16/11/2012 21/11/2012 26/11/2012 01/12/2012
Puiss
ance
éle
ctriq
ue (M
W)
Production d'électricité "éolienne et solaire"solaire 2012 Eolien 2012 Renouvelable 2020 Eolien + Solaire 2012
Vents et soleil de novembre 2012
Simulation de la production d’énergie renouvelable : soleil et vent 2011-2013 et installations prévues par le Grenelle
de l’environnement en 2020. Données pour la France : ECO2mix, RTE Figure 14 : Intermittence des productions d’énergies éoliennes et solaires en France
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En conclusion, l’utilisation de l’énergie électrique pour la propulsion des avions demanderait des batteries d’énergie massique de l’ordre de 7 500 Wh/kg, soit environ 50 fois plus efficaces que celles d’aujourd’hui et des améliorations significatives des moteurs électriques pour obtenir des avions à des masses au décollage proches de ceux qu’ils remplaceraient. Des batteries à énergie massique de l’ordre de 4 000-5 000 Wh/kg et puissance massique équivalentes permettraient l’étude de configurations d’avion spécifiques qui devraient satisfaire les objectifs de sécurité.
Pour permettre aux ensembles propulsifs (moteur+ batteries…) d’être économiquement rentables il sera nécessaire que ces améliorations ainsi que l’augmentation significative du nombre de cycles des batteries (jusqu’à 7 000) soient effectuées sans augmentation de prix par unité énergétique.
Mission 48 passagers Mission 40 passagers 48 40
Masse maximale au décollage (kg) 16700 16700Masse à vide (kg) 10285 10285Masse passagers (kg) avec 200 lbs par passager 4354 3629Equipage (kg) 300 300
Masse carburant embarquée (kg) 1761 2486Réserves (kg) 720 756Masse moyenne de croisière (kg) 16180 15835Vitesse de l'avion (km/h) 518 518Poussée nécessaire (finesse 14,5) (N) 10946 11096Puissance utile (KW) 1576 1598Longueur de la mission (km) 1165 1937Temps de mission (heures) 2,2 3,7Puissance fournie aux moteurs électriques (rendements hélice, réducteur et moteur) (KW) 2103 2131Energie électrique nécessaire pour la mission (KWh) 4725 7963Energie nécessaire pour la mission avec réserves (KWh) 7995 11444Masse batteries (150wh/kg) 53298 76297
Masse moteur PW127 (kg) 962 962Masse moteur électrique 0,8kg/Kw 3230 3230Masse propulsive ATR42-300: (carburant+moteurs) kg 2723 3448Masse propulsive avion électrique (batterie + moteurs) kg 56528 79527Masse des autres parties (hélices, réducteurs …..) communes ou négligées
ATR42: prix des moteurs (prix catalogue en $) 1840000 1840000ATR42: carburant (6,5$/gallon équivalent à 250$ le baril) 19877925 19877925Electrique: moteurs (100€/Kw) + batteries (500€ /Kwh, et 6700 heures/7000 cycles de vie) 16486394 23368740Electrique: électricité au prix moyen européen industriel hors taxe 2010 (96,2€/Mwh), efficacité charge/décharge de 70% 7686095 7790988
Coût total ATR42 ensemble propulsif + énergie ($) 21717925 21717925Coût total avion électrique: ensemble propulsif + batteries + énergie ($) 24172490 31159727
Economie: pour 20000 heures de vol si les progrès technologiques le permettaient un jour (1€ =1,33$)
ATR42: masses caractéristiques Wikipédia, moteur: the PW100 engine: 20 years of Gas Turbine evolution 11-15 May 1998 + souvenirs de l'auteur (Ex responsable propulsion ATR. Calcul de performance avion simplifié)
Estimation des avions:
Avion électrique: publications diverses
Masses ensemble propulsif
Tableau 4 : Batteries nécessaires et coût induits par l’utilisation de l’électricité sur un court courrier régional
Pour des énergies massiques inférieures à 7500 KW /h, l’augmentation de l’énergie utile nécessaire liée à l’augmentation de la masse au décollage de l’avion, entraineraient des coûts encore plus élevés
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Énergie électrique produite à partir d’énergie solaire
Les études effectuées montrent que l’énergie délivrée par des panneaux solaires ne permet pas de propulser la masse additionnelle nécessaire à la production de l’électricité à la vitesse d’un avion commercial, compte tenu de sa finesse aérodynamique. A titre d’exemple, les 200 m2 de cellules photovoltaïques de "Solar Impulse" fournissent une puissance moyenne de 6 KW*, (8 CV) alors qu’un ATR42 sur lequel on pourrait installer moins de 50 m2 de cellules nécessiterait une puissance de 2 100 KW pour voler aux conditions de croisière décrites dans les paragraphes précédents, ce qui donne un aperçu du fossé impossible à combler (rapport de 1 à ~ 1400 d’énergie spécifique), alors qu’un rendement des cellules solaires de 100 % permettrait au mieux que d’augmenter de 5 fois l’énergie disponible. Sans évoquer bien d’autres aspects rendant impraticable leur application sur avion en tant que source d’énergie propulsive. *Site Solar-impulse / challenge /avion
Avion à propulsion hybride (thermique/électrique).
Le rayon d’action moyen utilisé par un avion est très inférieur au rayon d’action maximal nécessaire pour assurer une exploitation d’un réseau avec un seul type d’appareil : la longueur d’étape moyenne d’un moyen courrier mono-couloir est de 800-900 NM (1 482-1 667 km) pour un rayon d’action maximal de 3 200 NM (6 000 km) et les réserves représentent l’énergie nécessaire pour parcourir 500 à 600 km supplémentaires.
L’impossibilité de construire des avions de transport permettant de substituer totalement l’énergie électrique au kérosène a initié la réflexion sur l’intérêt potentiel des avions hybrides, combinant propulsion thermique/électrique en limitant l’utilisation partielle de l’électricité à la propulsion des avions pour les étapes courtes. Les étapes longues et les déroutements éventuels étant effectués à l’aide de la propulsion thermique.
Exploitant cette idée, Boeing a étudié pour 2030 un avion capable d’être partiellement propulsé par l’énergie électrique sur les missions courtes à l’aide de batteries, qui ne seraient installées que pour ces missions, dont la densité énergétique serait de 750 KWh/kg (5 à 6 fois supérieure à celle des batteries utilisées dans l’automobile aujourd’hui). La mission de rayon d’action maximal serait assurée grâce à la propulsion thermique (conventionnelle), sans embarquer de batteries pour ne pas alourdir inutilement l’avion. L’avion capable de la propulsion hybride aurait des dimensions, des masses caractéristiques en l’absence de batteries et des poussées des "moteurs thermiques" supérieures à celles de l’avion classique de référence, pour permettre l’installation des batteries et des moteurs électriques couplés sur l’arbre du corps Basse Pression de chaque turbofan.
Sur la mission de référence de 900 NM, il consommerait d’après Boeing 8 % de plus de kérosène que l’avion de base lorsque les batteries ne sont pas installées. En utilisant les batteries, l’économie optimale de kérosène serait réalisée par l’utilisation maximale des batteries et de l’ordre de 30 % par rapport à l’avion de base. Par contre l’énergie globale utilisée "électricité + kérosène" serait de 15 à 20 % supérieure. Les émissions globales de CO2 ne peuvent donc être réduites que dans la mesure où la plus grande partie de l’électricité utilisée pour charger les batteries est produite à partir d’énergie entièrement renouvelable. Les coûts de l’avion et de l’énergie associés au concept de propulsion hybride seraient nettement plus élevés que ceux correspondant à l’avion classique de référence.
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Même sur la base des hypothèses très optimistes sur l’aspect performance mais restrictives en termes d’utilisation opérationnelle, telles que celles considérées par Boeing, l’intérêt d’une propulsion hybride n’est pas démontré.
3.2 AVIONS PROPULSÉS PAR L’HYDROGÈNE
État des connaissances industrielles
L’intérêt apparent de la propulsion utilisant l’hydrogène est inhérent à ses caractéristiques physico-chimiques: pour une dépense énergétique donnée, la masse de combustible à embarquer (hydrogène liquide) est réduite d’un facteur 2.8, mais nécessite des réservoirs 4 fois plus volumineux.
L'hydrogène industriel est actuellement produit par électrolyse de l'eau (4 % de la production), par reformage du gaz naturel (48 %) ou d'hydrocarbures liquides (18 %) et par gazéification du charbon (18 %). Il pourrait être aussi produit à partir de la biomasse. Les énergies primaires gaz naturels, hydrocarbures liquides, charbon et la biomasse pouvant être transformé en carburéacteurs, l’hydrogène n’aura d’intérêt que s’il apporte des avantages compétitifs par rapport à ces derniers.
Les directions techniques de SAFRAN, espace et moteurs terrestres, nous indiquent que la masse des réservoirs et des systèmes associés serait pour un avion commercial de l’ordre de 10 fois celle de l’hydrogène contenu après prise en compte des éléments de sécurité nécessaires pour le transport de passagers (voir annexe 1) ordre de grandeur confirmé par d’autres industriels de l’aéronautique. Il faut noter que les avions atterrissant avec les réserves correspondant à l’attente et au déroutement règlementaires, les réservoirs contiendront de l’hydrogène liquide 24 heures sur 24. Pour mémoire, les réservoirs utilisés par l’automobile sont encore plus lourds en valeur relative, plus de 15 fois la masse d’hydrogène.
Cette masse des réservoirs entraînerait une augmentation inacceptable de la masse de l’avion et rendrait impossible la conception d’avions commerciaux avec des performances opérationnelles acceptables. A titre d’exemple, pour un A320 de 78 tonnes de masse au décollage, l’énergie disponible, contenue dans 24 tonnes de jet-fuel nécessiterait une masse "réservoir + hydrogène" de 94 t.
L’annexe 1 donne, les contraintes opérationnelles qui seraient associées à son emploi.
Analyse d’études disponibles
Les centres de recherche publient des études de concepts d’avions propulsés par l’hydrogène, présentant l’hydrogène comme un moyen de substitution au carburéacteur quand celui-ci fera défaut. Même si des améliorations technologiques étaient réalisées et permettaient de justifier les hypothèses techniques implicites utilisées par ces centres tout en maintenant le niveau de sécurité des avions actuels dans toutes les phases d’utilisation de l’avion, il faudrait montrer leur intérêt économique. Les paragraphes suivants analysent ces études (références 1 et 2), estime les hypothèses de masse utilisées et donnent des ordres de grandeur du coût de l’hydrogène nécessaire associé selon les sources d’énergie primaires.
Le rapport SWAFEA (référence 1) présente l’impact de l’introduction de l’hydrogène sur une famille d’avions.
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Figure 15 : Comparaison des masses caractéristiques des avions propulsés par du carburéacteur et de l’hydrogène
L’augmentation de l’OEW (Operating Empty Weight, masse à vide en ordre d’opération) par rapport à l’avion de référence pour les 3 types d’avions couvrant plus de 90% du jet fuel mondial consommé, déduite des valeurs indiquées ci-dessus représente de l’ordre de 80% (LRA) à 135% (MRA et VLA) de la masse d’hydrogène à embarquer pour effectuer la mission maximale (hydrogène consommé + réserves). Les valeurs présentées pour le Long Range Aircraft sont difficilement compréhensibles. Cette augmentation devrait prendre en compte : - L’isolation des réservoirs et l’évaporation nécessaire pour permettre le maintien de l’hydrogène à l’état
liquide (LH2) à -253°C à une pression de l’ordre de 4 à 6 bars. Les réservoirs devront contenir en permanence de l’hydrogène, la masse minimum correspond aux réserves obligatoires restant à la fin du vol qui permettent d’effectuer environ 1 heure de vol pour les avions moyens courriers. La figure 16 suivante donne, à titre d’exemple, une estimation des débits de fuite d’évaporation de LH2 en kg par jour et la masse de l’isolant du réservoir utilisant une mousse de polyuréthane légère isolante d’un type utilisé pour les fusées spatiales (« lightweight polyurethane foam insolation for liquid hydrogen tanks for space vehicle »). La masse de 9000kg de LH2 représentent sensiblement la même énergie que celle contenue dans les réservoirs d’un moyen courrier type A320, qui est insuffisante comme indiquée plus loin pour pouvoir effectuer les mêmes missions. La longueur du réservoir serait supérieure à 30 m pour un rayon intérieur de 1.2m
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Epaissseur de l'isolant (m)
Evaporation et masse d'isolant pour un réservoir cylindrique de 1.2m de rayon
(9000kg de LH2 (lambda=0.015; 32kg/m3)
Masse H2 évaporée stab (Kg/jour) 0,1 masse réservoir (0,015,32kg/m3)
Figure 16 : Exemple de compromis masse de
l’isolation/évaporation d’un réservoir d’hydrogène.
Un réservoir utilisant un isolant de 20 cm d’épaisseur permettrait de limiter l’évaporation nécessaire à maintenir la température de -253°C à 900kg par jour pour une masse d’isolant de 4 000kg (45 % de la masse d’hydrogène). Pour 60 cm, l’évaporation journalière et la masse seraient respectivement 360 et 8 200 kg (90 %). Peut-on accepter de telles fuites d’évaporation ?
Ce type d’isolation, sûrement non optimal, illustre, le compromis qui devra être fait entre la masse du réservoir et le débit d’évaporation permis. D’autres concepts de réservoirs sont étudiés mais aucun et de loin ne satisfait les exigences nécessaires.
- L’intégration structurale de ces réservoirs dans l’avion (plus de 130 m3 utiles pour le moyen courrier considéré sur une longueur de plus de 30m). Cela comprend les séparations nécessaires pour assurer l’indépendance des systèmes propulsifs, éviter le ballotement de l’hydrogène et maintenir des évolutions de centrage compatibles avec la stabilité de l’avion (les modifications d’attitude de l’avion peuvent dépasser 40° en quelques secondes), sans parler des systèmes d’attaches qui devront résister à un crash avec une déformation minimale induisant autant de ponts thermiques non pris en compte dans l’évaluation ci-dessus.
- L’impact des exigences de sécurité et de certification sur l’ensemble des systèmes, permettant l’évaporation pour maintenir la température à moins de 20°K et l’acheminement de l’hydrogène vers les moteurs, et leur redondance. Pour mémoire la probabilité d’une panne d’un système engendrant un évènement catastrophique (par exemple impossibilité de permettre l’évaporation) doit être aujourd’hui nettement inférieure à un évènement par milliard d’heures de vol.
- Les modifications aérodynamiques de l’avion, de la voilure en particulier, nécessaires pour maintenir des caractéristiques opérationnelles compatibles avec l’opération des avions (vitesses d’approche et d’atterrissage en particulier) et pour pallier le moindre délestage en croisière.
Même en acceptant l’évaporation d’une quantité non négligeable d’hydrogène, les augmentations de masses à vide proposées pour ces avions sont très sous-estimées. Les hypothèses de masse des réservoirs utilisées supposent implicitement un allègement de la masse des réservoirs installés d’un facteur supérieur à 10 par rapport aux valeurs données par l’industrie. L’augmentation de traînée associée au volume des réservoirs est en général estimée de 10 à 15%.
Pour l’avion moyen-courrier, les calculs de performance effectués à partir des masses indiquées dans la figure 15 montre que les énergies nécessaires pour effectuer les missions de rayon d’action maximal (~3200NM) et moyen (900NM) avec de l’hydrogène seraient respectivement 22 et 32% supérieures à celles nécessaires avec du kérosène.
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Pour le projet NASA (référence 2), l’avion moyen-courrier de 225 passagers propulsé par de l’hydrogène liquide aurait des masses caractéristiques, OWE et MTOW, respectivement supérieures de 52.5 et 10 % à celles de l’avion classique. Les énergies nécessaires pour effectuer les missions de rayon d’action maximal (3500NM) et moyen (900NM) seraient respectivement 30 et 42 % supérieures à celles nécessaires avec du kérosène. Après prise en compte de l’énergie nécessaire à la liquéfaction et de fuites, il faudrait produire de l’ordre de 2.9 fois plus "d’énergie hydrogène" que "d’énergie kérosène" pour assurer le même service comme l’indique le tableau 5 ci-dessous.
hypothèses favorables
hypothèses défavorables
Probable (70/30) (1)
Energie Kérosène (Mt) 1,00 1,00Energie Kérosène (MTep) 1Mt Kérosène = 1,065 Mtep 1,07 1,07Energie hydrogène nécessaire liq (Mtep) pour effectuer les mêmes missions 1,32 à 1,42 1,41 1,51Energie hydrogène contenue dans les réservoirs d'aéroport (Mtep)
Liquefaction: rendement 0,7 à 0.6 2,01 2,52
7 jours de stockage (Mtep) 3% par jour 2,47 3,10 2,91
Facteur d'augmentation de l'énergie nécessaire pour effectuer les mêmes missions avec de l'hydrogène dans l'hypothèse improbable où les objectifs de masse et de sécurité seraient atteints
(1) Règle basée sur l'expérience: la valeur la plus probable n'est pas la valeur moyenne: V probable = valeur la plus favorable + 0,70*(valeur la plus défavorable- valeur la plus favorable)
Facteur multiplicatif
Tableau 5 : Energies nécessaires pour effectuer la même mission avec du carburéacteur et de l’hydrogène
Comment fabriquer cette énergie.
L'hydrogène industriel est actuellement produit soit par électrolyse de l'eau (4 % de la production), soit par reformage du gaz naturel (48 %) ou d'hydrocarbures liquides (18 %) et par gazéification du charbon (18 %). Il pourrait être aussi produit à partir de charbon ou de biomasse.
Ces mêmes énergies fossiles et la biomasse peuvent être utilisées pour fabriquer des carburants alternatifs CTL, GTL, BTL. L’utilisation des informations contenues dans la figure 17 ci-dessous donnant les coûts de production de l’hydrogène (référence 3) à partir de ceux du charbon, du gaz, de la biomasse permet de les comparer aux coûts du carburant alternatif (référence 4) fabriqués à l’aide des mêmes énergies primaires.
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coût
du
carb
uran
t ($
/ G
J)
coût du charbon, gaz et biomasse ($/GJ)
Coût du carburant alternatif fonction du coût de l'énergie primaire.
Hors CCS et taxe carbone
GTL
CTL
BTL
CCS : "Carbon Capture and Storage" (capture et séquestration du CO2)
Figure 17 : Estimation du coût d’une gigajoule d’hydrogène et de biocarburant en fonction du cout d’énergie primaire
Les ordres de grandeur suivants donnent des coûts permettant les mêmes ensembles de vols et sont ramenés aux des coûts nécessaires pour produire un "gigajoule d’énergie efficace" sur l’avion à partir des diverses énergies primaires, soit : - 1 giga joule de carburant alternatif - 2.9 Gigajoules de H2 après avoir intégré les coûts de liquéfaction.
0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0
100,0
Gaz US (2,65 $ /GJ)
Gaz UE (9,2 $ GJ)
charbon (4.65 $ /GJ)
Biomasse ( 6,5 $/ GJ)
Coût d'un GJ efficace ($)
Comparaison des coûts de fabrication d'un gigajoule efficace sur avion
alternate fuelLiquefactionH2
(Kérosène: 110$/baril
Hors CCS et Taxe carbone
Figure 18: Coûts des carburants alternatifs et de l’hydrogène selon l’énergie primaire utilisée
Les coûts de l’hydrogène, nécessaire à propulser les avions, fabriqué à l’aide d’énergie fossile et/ou biomasse sont toujours nettement supérieurs à ceux des carburants alternatifs fabriqués à partir de des mêmes énergies primaires et aux prix actuel et prévisibles du carburéacteur. L’évolution des techniques de production ne devrait pas changer leur étagement.
L’impact des coûts de capture - séquestration du CO2 et de taxe carbone les détériorerait encore tout en améliorant la position relative des produits fabriqués à partir de la biomasse.
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Le prix d’un GJ efficace d’’hydrogène fabriqué à l’aide d’électricité par électrolyse serait supérieur à ~130 $ en prenant en compte un prix de l’électricité de 96 € /MWh correspondant au prix moyen Hors Taxes payé par les industriels de l’UE en 2010 (réf 5).
L’utilisation des coûts visés pour 2030 d’hydrogène extraits du tableau suivant (référence 6), conduit à un prix du "gigajoule efficace" de 90 à 167 $.
Tableau 6 :
Coût de
production de l’hydrogène
donné par
le rapport « Energie 2050 »
L’utilisation d’énergies renouvelables pour fabriquer l’électricité augmenterait ce coût. De plus, l’intermittence des productions éoliennes et photovoltaïques, aussi bien mensuellement qu’instantanément montré dans la partie "énergie électrique" pour la France (figure 14), demanderait la création de moyens de stockage d’hydrogène de longue durée pour assurer la continuité des opérations.
Les ordres de grandeurs contenus dans le tableau 7 ci-dessous montrent qu’en 2010, le maintien du Volume de transport aérien au départ de la France aurait mobilisé de l’ordre 20% de l’électricité produite en France. Pour fournir cette énergie à l’aide d’électricité éolienne et solaire, il faudrait multiplier le parc prévu par le « Grenelle de l’Environnement » pour 2020 par 3. La tendance générale serait sans doute similaire au niveau de l’Europe ou du monde.
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hypothèses favorables
hypothèses défavorables
hypothèses favorables
hypothèses défavorables
Probable (70/30) (1)
Energie Kérosène (Mt) 1,00 1,00 6,5 6,5Energie Kérosène (MTep) 1Mt Kérosène = 1,065 Mtep 1,07 1,07 6,92 6,92Energie hydrogène nécessaire liq (Mtep) pour effectuer les mêmes missions 1,32 à 1,42 1,41 1,51 9,14 9,83Energie hydrogène contenue dans les réservoirs d'aéroport (Mtep)
Liquefaction: rendement 0,7 à 0.6 2,01 2,52 13,05 16,38
7 jours de stockage (Mtep) 3% par jour 2,47 3,10 16,05 20,15 18,9
Energie électrique nécessaire pour obtenir le LH2 / Energie Kérosène (Mtep)
Electrolyse: rendement: de 0.75 à 0.5 3,29 6,20 21,41 40,30 34,6
Energie électrique annuelle nécessaire ( kWh) PCIP: 11600MJ/kg 68975 129851 111588
% de la production annuel française d'électricitéRTE: 550,2 TWh en
2010 13% 24% 20%
Electricité disponible 85367 160710 138107% production annuelle renouvelable 2020 66,0 105% 197% 169%% du moins de production mensuelle la plus faible (20 mois consécutifs, juin 2011 à février 2013) 3,8 186% 350% 300%
Production électrique permettant de remplacer la consommation de késosène en France dans le cas très improbable où les objectifs de masses et de sécurité seraient atteints
(1) Règle basée sur l'expérience: la valeur la plus probable n'est pas la valeur moyenne: V probable = valeur la plus favorable + 0,70*(valeur la plus défavorable- valeur la plus favorable)(2): Installation de de 19000MW d'éoliennes terrestres, 6000MW d'éoliennes maritimes et 7200MW de panneaux voltaïque contre respectivement 7449, 0 et 3515 aujourd'hui.
Facteur multiplicatif Consommation annuelle
Utilisation des énergies renouvelables: Comparaison avec la disponibilité d'électricité prévueen 2020 par le Grenelle de l'environnement (2). (2) temps de stockage de 14 jours pour tenir compte de l'intermittence de la production
Tableau 7 : Part de la production française d’électricité à mobiliser pour permettre le trafic aérien au départ de la France
Impact environnemental de l’hydrogène
La combustion de l’hydrogène produit 2.5 fois plus de vapeur d’eau (premier gaz à effet de serre) à iso- énergie produite, et 3.5 à 4 fois pour effectuer la même mission qu’un carburéacteur conventionnel (cf. annexe 1). L'émission de vapeur d'eau à haute altitude crée des traînées de condensation (contrails) qui peuvent induire des formations nuageuses (cirrus), avec un impact potentiellement important sur le forçage radiatif additionnel (qui caractérise l’effet de serre), et donc sur le réchauffement climatique d’origine anthropique. L’importance de l’impact global est incertaine et est toujours attente des résultats de la recherche scientifique sur les phénomènes atmosphériques en jeu, aujourd’hui encore évalués avec de grandes incertitudes. Cet impact pourrait être de nature à annihiler totalement un atout important attribué à l’hydrogène.
De plus la fabrication de l’hydrogène ne pourra qu’engendrer des émissions supplémentaires.
Conclusion Les améliorations nécessaires (en particulier la réduction des masses des réservoirs et des systèmes associés par un facteur de l’ordre de 10 par rapport aux estimations actuelles des industriels) et leur nature, aussi bien sur l’aspect technologiques qu’opérationnelles, sont telles qu’elles ne permettent pas d’envisager la construction d’avion de transport de masse propulsé par l’hydrogène à l’horizon 2050. Même si un jour, les améliorations technologiques étaient disponibles et permettaient de justifier les hypothèses utilisées par les centres de recherches et les difficultés d’intégration et opérationnelles indiquées dans l’annexe 1 étaient résolues, le coût de l’hydrogène serait nettement supérieur à celui des carburants
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alternatifs, qui ont l’avantage de ne pas demander de développement d’avion et d’infrastructures aéroportuaires supplémentaires. La fabrication d’hydrogène par électrolyse serait encore plus chère et mobiliserait une part très importante de la production électrique.
Les gains environnementaux prêtés à l’hydrogène sont donc très incertains, voire illusoires.
Aussi, la propulsion par hydrogène n’apparaît une solution pouvant satisfaire les besoins du transport aérien.
3.3 CONCLUSION SUR L’ENSEMBLE DES PROPULSIONS ALTERNATIVES
Au delà de la faisabilité technique et opérationnelle de l’utilisation de propulsion électrique et de l’hydrogène sur des avions dans les conditions de sécurité nécessaires, qu’il sera très difficile, voire impossible d’atteindre en 2050, les ordres de grandeur des coûts et des installations de production de ces énergies alternatives auraient un tel impact sur le modèle économique que l’ensemble des problématiques du Transport Aérien serait à revoir. Aussi nous considérons qu’en 2050, aucune des énergies étudiées dans ce chapitre ne servira à propulser des avions en service commercial
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Références :
(1) SWAFEA formal report D.5.1. released the 01/10/2011 : Prospect and Plans for the Introduction of Other Renewable Energy Source for aviation
(2) Evaluation of an Aircraft Concept with Over-wing hydrogen engines for reduce noise & emission. NASA TM-2002-211926
(3) IEA Energy Technology Essentials. Hydrogen Production &Distribution April 2007 (4) “Qu’est-ce qu’un vecteur d’énergie" , Académie des Technologies 8 juin 2010 (5) Prix de l’énergie dans l’Union Européenne en 2010.N°249, Commissariat général au développement
durable. (6) Annexe 3 du rapport énergies 2050 page 103 Direction Général de l’Energie et du Climat. Jacques
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4. ANNEXE
Utilisation de l’hydrogène dans un réacteur et un avion.
(D’après MM. E Hermant et J. Renvier)
L’utilisation de l’hydrogène comme combustible pose quelques problèmes de génération, de stockage, de manipulation et de mise en œuvre sur moteur. Quelques essais sur moteurs (Tu155, Lycoming E2G) ont été effectués avec succès. La route est toutefois longue entre un vol de démonstration et la mise en œuvre pour une exploitation commerciale.
Tout d’abord, si on ne s’attache qu’aux « principes » et aux ordres de grandeur :
Caractéristiques principales : - Le PCI massique de l’hydrogène (120MJ/kg à l’état gazeux) est 2.8 fois supérieur à celui du kérosène, ce
qui veut dire que l’on va consommer pour une même poussée environ 3 fois moins de masse d’hydrogène liquide qu’avec du kérosène. Le PCI volumique de l’hydrogène liquide est 8.4MJ/l, soit 4.2 fois moindre que celui du Kérosène conventionnel. Pour une dépense énergétique identique, l’hydrogène liquide nécessite des réservoirs 4 fois plus volumineux mais réduit la masse de carburant embarqué d’un facteur de l’ordre de 3 ;
- Température de fusion H2 : 14 K, Jet A< –47 °C. Température d’ébullition H2 : 20 K (-253°C), Jet A : 170 °C à 260°C. Le stockage H2 liquide dans des réservoirs nécessite donc un calorifugeage important, avec un besoin d’évaporation important ;
- Les paramètres d’optimisation des consommations (Cycle de Brayton) et des masses des moteurs utilisant des carburéacteurs, taux de compression du corps haute pression, taux de dilution et température entrée turbine élevés ne seront pas changés significativement.
Emissions gazeuses (dont gaz à effet de serre):
- Lors de la combustion, 1 kg de kérosène produit environ 3,15 kg de CO2 + 1,24 kg d’eau ; pour la même poussée, on produira avec de l’hydrogène 0 kg de CO2 et environ 3 kg d’eau. A dépense énergétique équivalente, il se forme environ 2.5 fois plus de vapeur d’eau qu’avec le Kérosène. Cette quantité d’eau bien que négligeable par rapport aux niveaux ambiants dans la troposphère, pourrait causer potentiellement un effet de serre important au travers de traînées de condensation (contrails) induisant des formations nuageuses en altitude (cirrus).
NB : il n’est pas sûr qu’on puisse vraiment conclure sur les contrails même s’il y a un risque de voile continue localement avec un impact potentiel psychologique fort.
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- NOx, : la génération de NOx croît avec la température et le pression dans la chambre de combustion. La génération se fait essentiellement aux régimes élevés.
La température de flamme avec l’hydrogène est plus élevée qu’avec le kérosène, ce qui est en principe défavorable, mais, la réaction est très rapide, et on crée rapidement beaucoup d’eau qui est plutôt un inhibiteur de la formation des NOx . De plus l’hydrogène a la capacité de brûler avec l’air dans un domaine étendu de rapport de mélange, ce qui favorisera cette réduction.
⇒ Potentiellement ceci permettrait lorsque la technologie sera maitrisée une diminution du volume du foyer et des émissions de NOx, d’autant que l’absence de carbone élimine le problème des émissions de CO au ralenti, ce qui est, dans le cas du kérosène, un facteur limitant la réduction des dimensions du foyer.
Opérations moteur :
Le domaine d’allumage d’un mélange air-hydrogène est très large, et l’énergie d’allumage requise est très basse ceci améliorera certaines conditions de rallumage en vol.
Utilisation :
La molécule d’hydrogène est très petite, ce qui facilite les fuites. La flamme est peu visible et le gaz sans odeur, donc la détection est difficile.
L’hydrogène se disperse rapidement dans l’air mais il a un grand domaine d’allumage et a besoin de peu d’énergie pour s’enflammer. Tout espace fermé et les zones d’accumulations sont à risque et la présence d’oxygène doit être éliminée depuis la génération jusqu’à l’utilisation sur avion/moteur.
L’hydrogène n’est pas un combustible "naturellement disponible", il faut le produire, le stocker (soit sous pression soit sous forme liquide en cryogénique… (dans les 2 cas le processus est coûteux en énergie !) avant de pouvoir l’utiliser.
Le stockage à l’état liquide nécessite des réservoirs très isolés il bout à 20°K, à pressions voisines de la pression atmosphérique, (~30°K à 10 bars). L’hydrogène à l’état gazeux est très fugace, s’enflamme facilement, appelant donc un suivi impératif des fuites et l’élimination des poches d’accumulation. Il faut en outre considérer dans les réservoirs la perte de 1 à 5% de la quantité d’hydrogène par jour par ébullition selon l’isolation des réservoirs.
Le transport de l’hydrogène se faisant à l’état gazeux sous pression, il faut le liquéfier avant son utilisation sur avion. C’est une opération complexe qui demande beaucoup d’énergie, environ 35% du contenu de l’hydrogène soit 12.5 à 15kwh/kg d’hydrogène.
Le stockage dans l’avion
Même dans le cas le plus "favorable" (stockage liquide), pour une énergie totale disponible équivalente, le volume réservoir sera au moins 4 à 5 fois plus gros qu’un réservoir de kérosène
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− Si on veut définir un nouvel avion, il faut prévoir un stockage cryogénique, le volume intérieur de l’avion devra être notablement accru, les bilans masses et les finesses seront impactés, et par conséquent les besoins de poussée.
− Dans tous les cas un réservoir hydrogène est très lourd (il faut compter 10 kg de réservoir pour 1 kg d’hydrogène disponible… dans des hypothèses assez optimistes)
Si le stockage ultime est cryogénique, il faudra cependant mettre l‘hydrogène à l’état gazeux, à forte pression et à température "raisonnable", avant son injection dans le moteur, au moyen d’une pompe cryogénique à haute pression (1,5 à 2 fois la pression de combustion, soit 60 à 100 bars au décollage), accompagnée d’un réchauffeur pour vaporiser l’hydrogène…et des lignes avec protection thermique pour éviter l’accrétion de glace ! Un échangeur est nécessaire sur le moteur pour porter l’hydrogène à température "raisonnable". Ce dispositif est potentiellement utilisable pour augmenter la température d’entrée turbine et le taux de compression du moteur et ainsi réduire la consommation spécifique (environ 2 % de potentiel d’amélioration de SFC).
Suivant le mode de stockage, le mode de transfert du combustible entre sol et bord sera complètement différent ; les cadres de bouteilles sous pression sont faciles à traiter, mais même en cryogénie (pour des petits réservoirs uniquement), on peut peut-être envisager des réservoirs "plug-in" plutôt que d’envisager un transfert d’hydrogène liquide.
Remplissage avion
Beaucoup de mesures de sécurité s’imposent, nécessitant en particulier un remplissage des réservoirs en un point éloigné des terminaux des passagers et le remplissage prendra longtemps.
Avec les technologies actuelles adaptées à la navette spatiale, il faut 45 mn pour la remplir de 3000 litres de LH2 (comparable en énergie à 715 litres de Jet A). Ce délai prend en compte une procédure en 4 phases :
- Contrôle sécurité
- Raccordement de la citerne, assainissement du flexible de transfert et mise en configuration de l’installation pour le transfert de LH2
- Transfert du LH2 : compter 1h30 à 1h45 pour le transfert d’une citerne de 53 m3 à 3 bar réels (soit environ 10 l/s)
- Assainissements et remise en configuration de l’installation
Les assainissements avant et après transfert de LH2 incluent un balayage des lignes à l’hélium gazeux basse pression et durent 15 à 20 minutes.
Dans ces conditions, pour un vol type Paris-Toulouse, avec un avion de la gamme A320, il faudrait compter plusieurs heures de "compléments de plein" (~ 2500kg de Jet A) à chaque vol dont la moitié en assainissements avant et après remplissage et l’autre moitié en transfert d’hydrogène du sol vers le bord, dont l’impact sur l’utilisation et la productivité de l’avion paraît extrêmement lourd, et rédhibitoire comparé au temps d’escale de moins de 45mn aujourd’hui.
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Deuxième niveau de considérations
L’impact sur le moteur est à évaluer, au niveau :
- de l’architecture et du cycle,
- de l’échangeur et de son intégration dans le moteur, de l’échangeur huile carburant,
- du foyer et des systèmes d’injection,
- des pompes cryogéniques assurant une large gamme de débit entre ralenti et décollage (rapport proche de 25) et avec une durée de vie compatible avec les attentes du monde civil.
- des vannes spécifiques et de leur régulation,
- des techniques de détection de fuites et de feu.
La molécule d’hydrogène est très petite, comme avec l’hélium, s’il y a un chemin de fuite ou des porosités, l’hydrogène va en profiter pour s’échapper ⇒ il faut "étancher" le circuit carburant avant d’injecter l’hydrogène.
- Des matériaux compatibles avec l’hydrogène et les conditions de température et pression
De par la petite taille de sa molécule, l’hydrogène est capable de migrer dans de nombreux matériaux avec pour résultat de les fragiliser.
Si l’hydrogène n’est pas stocké à "température ambiante", mais en cryogénique ou en sous-refroidi et sous pression, il faut veiller aux températures souvent incompatibles avec les matériaux "usuels" , en particulier les élastomères.
⇒ Les caractéristiques des matériaux, des joints…sont à examiner. Toute exposition "prolongée" exige une revue complète de la liste des matériaux potentiellement affectés.
⇒ L’ensemble du circuit carburant est à vérifier et certainement à modifier pour permettre l’utilisation annuelle des avions peut aller jusqu’à 4 000h en 2 600 cycles pour un moyen-courrier et 5 500h (15 heures par jour) en 900 cycles pour un très long courrier. Cette expérience et les critères de conception sont à construire en l’absence d’expérience de longue durée
En cas d’accumulation avant un allumage (volontaire ou non), l’énergie susceptible d’être libérée peut être très importante … le passage déflagration détonation est facile avec l’hydrogène ⇒ il faut faire la chasse à toute zone potentielle d’accumulation autour du circuit d’alimentation et de la chambre de combustion et dans le moteur en cas entre autre de démarrage avorté, de décollement tournant… ; et pour celle-ci: veiller à ce que le positionnement des bougies et leurs séquences d’activation ne permettent pas une accumulation d’hydrogène avant claquage des bougies, sinon on risque des pics de pressions violents (voire très violents).
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Conclusions
Le bilan énergétique en C02 est probablement défavorable. Utiliser de l’hydrogène dans une chambre de combustion conçue pour du kérosène ne doit pas poser de problèmes fondamentaux, le challenge sera dans la durabilité du système carburant complet et dans la sécurité.
Pour l’aviation l’hydrogène doit être liquéfié (LH2 –253°C) .L’option hydrogène pose de difficiles problèmes techniques (techniques de cryogénie, intégration avion, bilan CO2….) qui prendront temps et budget pour progresser.
La voie du kérosène de synthèse paraît à moyen terme la plus réaliste.
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Table des matières
1. RÉSUMÉ ET RECOMMANDATIONS ................................................................................. 9
1.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS ................................................................................................ 9
1.2 NAVIGATION ............................................................................................................... 10
1.3 SURVEILLANCE .......................................................................................................... 11
1.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE ....................................................................................... 12
1.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE .................................... 13
1.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE, AUX PASSAGERS ET AUX OPÉRATIONS DES COMPAGNIES AÉRIENNES ..................................................................................... 15
1.7 RECOMMANDATIONS DE NIVEAU GÉNÉRAL ................................................................... 17
2. UTILISATION ACTUELLE ET PRÉVUE DES SERVICES À BASE DE SATELLITES POUR L'AÉRONAUTIQUE ...................................................................................................... 19
2.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS .............................................................................................. 19
2.2 NAVIGATION ............................................................................................................... 22
2.3 SURVEILLANCE .......................................................................................................... 27
2.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE (SAR) .............................................................................. 28
2.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE .................................... 28
2.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE ET AUX PASSAGERS ...................................... 31
3. AXES D'INVESTIGATIONS POSSIBLES POUR ÉLARGIR LE CHAMP D'APPLICATION DU SPATIAL À L'AÉRONAUTIQUE ...................................................................................... 33
3.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS .............................................................................................. 33
3.2 NAVIGATION ............................................................................................................... 36
3.3 SURVEILLANCE .......................................................................................................... 39
3.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE (SARSAT) ......................................................................... 40
3.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE .................................... 41
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RAPPORT THEMATIQUE COMPLEMENTAIRE : LES APPORTS DE L’ESPACE
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3.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE ET AUX PASSAGERS ...................................... 43
4. ANNEXE 1 : LES SYSTÈMES ET LES SERVICES DE TÉLÉCOMMUNICATIONS MOBILES PAR SATELLITES ....................................................................................................... 47
4.1 LES SYSTÈMES ET SERVICES COMMERCIAUX ACTUELS DE COMMUNICATIONS MOBILES PAR SATELLITES .......................................................................................... 47
4.2 LE PROJET IRIS ARTES 10 DE L'ESA (AVEC SESAR JU) .................................................... 52
4.3 LES COMPLÉMENTS VSAT (UTILISÉS EN COMPLÉMENTS AUX COMMUNICATIONS AÉRONAUTIQUES MOBILES) ......................................................................................... 53
5. ANNEXE 2 : NAVIGATION PAR SATELLITES ................................................................... 55
5.1 LES SYSTÈMES DE NAVIGATION GPS ET GLONASS ........................................................ 55
5.2 LE SYSTÈME GALILEO ................................................................................................. 56
5.3 L'INTEROPÉRABILITÉ DES SYSTÈMES GPS, GALILEO ET GLONASS ................................. 57
5.4 LES AUGMENTATIONS RÉGIONALES OU SBAS (WAAS, EGNOS,..) ..................................... 58
5.5 LES AUGMENTATIONS LOCALES OU GBAS ET PSEUDOLITES ......................................... 59
5.6 LA FONCTION "INTÉGRITÉ/SAFETY OF LIFE" DES FUTURS SYSTÈMES DE NAVIGATION PAR SATELLITES ........................................................................................................ 60
5.7 LA STRATÉGIE DE DSNA POUR LA MISE EN ŒUVRE DE LA NAVIGATION PAR SATELLITES ............................................................................................................... 61
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Introduction
Grâce aux avancées technologiques en cours, des fonctions fiables de navigation et de télécommunications à haut débit utilisant, au moins en partie, des systèmes spatiaux seront disponibles bien avant 2050 à bord des avions à chaque instant et presque en tout lieu. Les avions pourront déterminer leurs positions à l'aide de signaux et d'informations émis par des satellites et des systèmes complémentaires au sol, avec une garantie suffisante de précision, d'intégrité et de disponibilité pour faire usage de cette fonction comme moyen primaire de navigation y compris dans les phases de décollage et d'atterrissage. Grâce au coût limité des équipements embarqués sur les avions et des moyens sols implantés près des aéroports, l'accès à une fonction de navigation de très haute performance sera rendu possible pour l'ensemble du monde aéronautique, augmentant ainsi très sensiblement la sécurité et l'efficacité du transport aérien. En utilisant les liaisons de communications directes ou par satellite disponibles quasiment à chaque instant, les avions et les différents centres aéronautiques de contrôle, d'opérations et de services au sol constitueront les mailles d'un réseau d'échange de données à haut débit avec des délais limités à quelques secondes ou à quelques centièmes de secondes selon les phases de vol. Les données échangées concerneront notamment les paramètres de sécurité relatifs à chaque avion, à sa trajectoire et au trafic environnant, ainsi que les informations relatives aux besoins de maintenance de l'avion, les données relatives à la météorologie, au relief de terrain et d'une façon générale à l'environnement de l'avion... Les passagers pourront bénéficier de services de connections à haut débit pour leur loisir ou leur travail dans les phases de vol "en route". L'utilisation de la téléphonie mobile ne sera limitée que par l'exigence de respect mutuel des passagers. L'ensemble des échanges de données contribuera ainsi à augmenter la sécurité des vols, à améliorer la gestion opérationnelle des flottes, et à augmenter le "confort" des passagers. D'ici à 2050, d'autres services utilisant des systèmes spatiaux seront mis à profit par l'aéronautique Les services de police et de sécurité auront acquis des moyens de localiser les aéronefs de toute nature, y compris les avions non coopératifs, au delà des zones continentales grâce à des extensions des fonctions de surveillance à l'aide de satellites radar. La fonction d'alerte et localisation du service de Recherche et Sauvetage pourra être activée même en cours de vol depuis l'avion voire depuis les centres de surveillance au sol aussitôt qu'une situation critique sera détectée. La qualité du service météorologique aura été améliorée de façon progressive grâce à l'augmentation du volume et de la diversité des données météorologiques recueillies notamment depuis l'Espace et à la rapidité de transmission des données brutes aux centres de météorologie et des prévisions météorologiques aux utilisateurs aéronautiques. Avec le développement des offres de communications haut débit par satellite au dessus des zones océaniques ou désertiques, notamment pour les avions long-courriers, les fonctions de télésurveillance, télé médecine et assistance de toute nature aux équipages auront été développées ou renforcées. Des
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équipements spécifiques à bord des avions, ainsi que des formations pour les équipages seront nécessaires pour une mise en œuvre "efficace et responsable" de cette assistance. L'amélioration de la capacité et de la fréquence d'acquisition des données d'observation obtenue à partir des satellites, ouvrira très progressivement des opportunités nouvelles, en complément des moyens non spatiaux d'acquisition de données, pour la mise à jour et la vérification des modèles numériques de terrain utilisés par l'aéronautique pour les phases de vol aux abords des aéroports. Une plus grande flexibilité pourra être donnée pour l'optimisation des trajectoires d'atterrissage et de décollage, par exemple avec l'objectif de réduire les nuisances sonores aux riverains. Les techniques de "réalité augmentée" ou "vision renforcée" seront mises en œuvre pour fournir une assistance aux pilotes non équipés de systèmes automatiques, en cas d'intempéries lors des phases d'atterrissage. Les développements en cours dans le domaine de la navigation par satellites illustrent l'importance d'anticiper les grandes innovations systèmes au moins autant que les innovations technologiques. Ils illustrent aussi le rôle des institutions dans la démarche d'identification des opportunités de nouveaux services en réponse à des besoins ou à des aspirations sociétales, dans la négociation d'accords internationaux, et dans l'engagement de partenariats pour le développement d'infrastructures nouvelles. Enfin, ils illustrent la nécessité, au moins dans certains cas, d'une volonté institutionnelle pour que les besoins spécifiques à certains domaines d'applications, dont l'aéronautique, soient reconnus et satisfaits, sur la base d'une logique économique globale à long terme, aux moyens des adaptations nécessaires. La réflexion, objet de ce rapport sur "Les Apports potentiels de l'Espace à l'Aéronautique" se place dans le cadre de la réflexion plus générale de la Commission Prospective de l'Académie de l'Air et de l'Espace sur le transport aérien d'ici à 2050. Elle vise à identifier les actions que l'Europe devrait mener pour renforcer sa capacité d'initiative et son rôle de précurseur dans le domaine de l'aéronautique grâce à ses compétences dans le domaine spatial dont le potentiel est unique pour la mise en œuvre de systèmes à échelle globale ou à échelle locale sur les zones océaniques ou désertiques.
L'intérêt de la réflexion menée par des experts de l'Aéronautique et du Spatial réside dans le nécessaire et parfois difficile dialogue entre les représentants des deux domaines pour s'assurer que les opportunités potentiellement offertes par l'Espace au bénéfice de l'Aéronautique soient bien identifiées et que l'Europe puisse en tirer le meilleur profit.
Après la phase d'identification des potentialités globales du spatial pour les futurs services à l'aéronautique (qui fait l'objet des recommandations de ce rapport), il sera possible d'évaluer les solutions alternatives basées sur d'autres technologies ainsi que les solutions mixtes combinant des systèmes terrestres, aéronautiques et spatiaux sans oublier les potentialités des systèmes autonomes embarqués à bord des avions. Les initiatives jugées souhaitables par l'Europe pourront enfin être prise sans le risque d'une méconnaissance des potentialités offertes par l'Espace.
Le rapport présente un résumé sur les apports potentiels de l'Espace à l'Aéronautique (Partie 1) puis une description un peu plus détaillée sur les apports de l'Espace aujourd'hui (Partie 2 et annexes) et sur les apports potentiels (Partie 3) pour différentes fonctions utilisées ou mises en œuvre par l'aéronautique civile1 incluant:
1 Dans le domaine de l’aéronautique militaire l’Espace a également de nombreuses applications (renseignement, préparation de
mission, guidage de missiles, …) qui ne font pas l’objet de ce document
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- les quatre fonctions en relation directe avec l'avion: télécommunications, navigation, surveillance, recherche et sauvetage,
- les fonctions en support à l'aéronautique de: recueil de données numériques de Terrain et recueil et distribution de données météorologiques et de données concernant l'environnement,
- et enfin les fonctions rendues possibles par le développement notamment des télécommunications à haut débit: télésurveillance et assistance à l'équipage pour le contrôle et la gestion de l'avion, télé-médecine et assistance aux passagers.
Les recommandations relatives aux opportunités les plus lointaines portent principalement sur des d'études et investigations à mener pour confirmer la faisabilité des systèmes spatiaux évoqués. Les aspects de pérennité des systèmes, de sécurité, de contraintes institutionnelles et de normalisations sont importants pour toutes les applications critiques à l'aéronautique. Les aspects de coûts incluant les équipements embarqués et leur intégration sur des avions existants, ainsi que le coût des services, surtout s’ils sont spécifiques sont importants pour l'ensemble des services à l'aéronautique.
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1. RÉSUMÉ ET RECOMMANDATIONS
L'Europe doit utiliser ses capacités d'innovation et son potentiel technologique pour garder une place de leader mondial dans le développement des infrastructures et des services aéronautiques au cours des prochaines décennies.
Le secteur spatial européen contribue déjà à la fourniture de services à l'aéronautique civile mais de façon encore limitée par rapport à son potentiel.
Ce rapport présente les résultats de ce dialogue et tente d'émettre quelques recommandations à l'attention des décideurs et des centres de recherche européens.
1.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS
Les offres de communications aéronautiques aux "passagers" principalement pour l'accès à Internet mais aussi pour la téléphonie mobile, bien que encore limitées à un nombre restreint d'avions et de zones géographiques, se développent rapidement depuis quelques années. Les systèmes mis en place utilisent pour la plupart des relais commerciaux de communications par satellites. Les accords juridiques et commerciaux se développent actuellement avec les différents pays du monde. La tarification des communications de téléphonie mobile depuis, ou avec les avions tend à s'aligner avec celle des communications terrestres entre pays étrangers.
L'implantation d'équipements pour les communications passagers ouvrira la voie aux communications pour les besoins propres des compagnies aériennes dès que le nombre d'avions équipés de terminaux de télécommunication deviendra important.
Les communications par satellites pour les besoins critiques de l'aéronautique font l'objet de quelques applications au dessus de zones océaniques, mais le niveau global d'utilisation reste encore faible aujourd'hui. Il semble que les offres commerciales de services de communications par satellites basées sur les systèmes actuels ne soient pas encore considérées comme pleinement satisfaisantes pour répondre aux fortes contraintes de sécurité, intégrité et disponibilité exigées par ce type de besoins, et qu'elles souffrent d'un manque de garantie de pérennité et d'une perception de coût d'utilisation élevé en comparaison aux bénéfices attendus.
En Europe, les études en cours, notamment dans le cadre du programme SESAR, visent à confirmer le besoin de déployer des liaisons par satellites en complément aux moyens de communication terrestres, et avec des performances équivalentes. Ces études permettront de définir quels moyens spatiaux dédiés pourraient être mis en en place à l'horizon 2020 ou alternativement quelles adaptations seraient nécessaires pour utiliser des services commerciaux de communications mobiles par satellites à ce même horizon. La stratégie européenne n'est pas encore définie, alors que certaines stratégies commerciales globales s'appuyant sur des soutiens institutionnels non européens se développent.
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L'Europe doit prioritairement garantir l'accès aux services et jouer un rôle de premier plan dans les infrastructures, les services et les équipements de communications aéronautiques de demain. L'Espace a un rôle important à jouer en complément des solutions terrestres pour les télécommunications aéronautiques y compris les communications critiques de demain.
Recommandation 1
- Élargir le plus possible le champ des options considérées par l'Europe pour les communications aéronautiques avec une vision long terme bien au-delà de 2020. Outre l'étude de systèmes dédiés, l'Europe doit analyser de façon pragmatique toutes les approches possibles basées sur des accords spécifiques avec différents opérateurs commerciaux en tirant profit de la pluralité et de la diversité des offres pour établir les complémentarités et les redondances indispensables pour les besoins critiques de l'aéronautique. Elle doit renforcer les analyses portant sur la sécurité, l'intégrité et la disponibilité des communications associées à chaque type de système, ainsi que les coûts d'implantation et d'exploitation. Elle doit développer un consensus le plus large possible au sein du monde aéronautique sur les orientations à retenir.
- Prendre ensuite rapidement les décisions relatives aux initiatives institutionnelles et/ou aux accords internationaux et commerciaux à mettre en oeuvre, afin de garder autant que possible une implication dans les infrastructures spatiales et de faciliter l'implication de l'Europe dans le développement des équipements utilisateurs.
Recommandation 2
- Préserver les bandes de fréquences déjà allouées à l'aéronautique au niveau mondial, et définir les fréquences nécessaires pour couvrir les besoins futurs.
1.2 NAVIGATION
L'utilisation de la navigation par satellites se développe dans l'aéronautique grâce à la disponibilité des signaux de navigation du système GPS et à la mise en service de systèmes d'augmentation régionale et locale. Elle continuera à se développer fortement à moyen et long terme grâce à la densification et aux évolutions des infrastructures spatiales et des compléments terrestres.
En Europe, l’utilisation du service d'augmentation régionale "EGNOS" par l’aviation civile est rendue possible depuis mars 2011. Le développement du système de navigation par satellites "Galileo" se poursuit pour une mise en œuvre opérationnelle initiale partielle à partir de 2015. Ce développement fait l'objet d'un certain consensus européen sur le principe mais doit faire face actuellement à d'importantes difficultés budgétaires avec des conséquences possibles notamment sur le financement et/ou le planning de développement et de mise en œuvre de la capacité opérationnelle complète, ainsi que sur le financement des actions de Recherche relative au développement des applications.
Les retards qui affectent le programme Galileo apparaissent de plus en plus comme générateurs de risque: la reconnaissance du système de navigation européen comme future référence mondiale au coté du GPS pour les applications civiles et en particulier pour l'aéronautique, est loin d'être acquise. En effet, l'existence à l'horizon 2020 de 4 systèmes à couverture mondiale (GPS, Glonass, Galileo, Beidou) va créer de fait une situation de "compétition/coopération" internationale dans laquelle les premiers arrivés auront de fait un avantage important. Galileo a la particularité d'être le seul système sous contrôle civil ce qui est à la fois un
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avantage potentiel pour obtenir la confiance des utilisateurs civils et un inconvénient possible lorsque se posera la question du financement du renouvellement du segment spatial.
La réduction des efforts de recherche et développement pour les applications est un autre facteur de risque puisque le développement économique de ce secteur aval, en Europe, était l’une des motivations majeures pour le financement du segment spatial Galileo.
L'achèvement du développement de Galileo dans les délais les plus courts possibles, la rapidité de mise en œuvre du service opérationnel et la disponibilité simultanée des terminaux utilisateurs adaptés aux besoins de l'aéronautique et compatibles avec le GPS constitueront l'une des clés dans la réussite du système de navigation européen et dans son adoption comme l'un des systèmes de référence pour l'aéronautique civile au niveau mondial.
L'anticipation des évolutions potentielles techniques et politiques des systèmes de navigation par satellites au delà de 2020 et la confiance donnée aux utilisateurs potentiels sur la pérennité des services prévus avec Galileo constituent une autre clé pour un succès durable de l'Europe dans l'industrie et les services d'application à l'aéronautique et aux autres domaines.
Recommandation 3: - . Préparer activement la mise en œuvre effective le plus tôt possible de Galileo, y compris au niveau
du segment utilisateur de l'aéronautique.
- Anticiper les évolutions possibles ultérieures du système Galileo pour en renforcer la robustesse(notamment vis à vis du brouillage et du leurrage) et la précision..
- Analyser les voies possibles pour augmenter l'interopérabilité de Galileo avec les autres systèmes à couverture mondiale, non seulement pour la mise en œuvre initiale de ces systèmes, mais aussi pour les évolutions futures.
- Engager une réflexion sur ce que pourrait être une nouvelle étape dans la coopération internationale visant à développer un système civil mondial de navigation GNSS3 dans la continuité du GNSS2 constitué d'un segment spatial civil unique (avec un nombre limité de satellites fournis par les différents pays) et des systèmes complémentaires d'augmentation locaux et globaux. L'objectif principal serait de réduire significativement les coûts de maintenance et de renouvellement des systèmes à la charge de chacun des pays tout en maintenant leurs capacités technologiques et l'effet d'entraînement régional sur les innovations et sur l'ensemble des activités dans le segment utilisateur.
L'Europe qui a l'avantage aujourd'hui de poursuivre le seul développement de système spatial civil global de navigation devrait prendre l'initiative de ce renforcement de la coopération internationale.
- Renforcer les activités de Recherche et développement concernant les compléments locaux des systèmes de navigation.
1.3 SURVEILLANCE
La "surveillance dépendante coopérative" des avions au dessus des zones océaniques désertiques ou hostiles est basée sur l'ADS-C utilisant des liaisons satellites. Elle reste aujourd'hui limitée à des reports périodiques de faible fréquence pour des raisons probablement transitoires (liées à des considérations de
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coût) qui devraient disparaître avec le développement des offres de liaisons numériques sol-avions par satellites, et une meilleure compréhension des avantages potentiels de reports plus fréquents.
Les possibilités offertes par la connaissance précise du temps GPS (et ultérieurement Galileo) à bord des avions pour la transmission régulière de messages courts vers des microsatellites en orbites basses, pourraient aussi être explorées.
Une "surveillance indépendante coopérative" est utile en complément de la surveillance dépendante pour améliorer la rapidité d'alerte et d'assistance dès l'apparition d'une situation critique à bord d'un avion équipé ou non de l'ADS-C. Un système utilisant les principes mis en oeuvre pour le service de Recherche et de Sauvetage "Sarsat-Cospas" tel que prévu sur Galileo pourrait permettre de localiser les avions y compris en cours du vol. L'accès à des fréquences spécifiques serait nécessaire si un tel système devait être développé.
Une surveillance indépendante non coopérative sous la responsabilité de la police ou des forces de défense et de sécurité est nécessaire sur l'ensemble de "l'espace aéronautique contrôlé" afin de détecter des aéronefs non coopératifs. Elle est effectuée au moyen de radars primaires sol au dessus des terres émergées L'extension d'une telle surveillance à certaines zones océaniques peut se révéler utile, voire nécessaire dans le futur par suite notamment de la multiplication d'aéronefs non pilotés. L'utilisation de techniques radars mono statiques ou multi statiques utilisant au moins une composante spatiale peut-être envisagée.
Recommandation 4: (Compte tenu des intérêts potentiels de densifier les fonctions de surveillance, à court et long terme):
- Évaluer la faisabilité et des coûts de missions et de service sur la base de concepts système incluant ceux évoqués de façon très préliminaire ci-avant:
- Système dédié à la surveillance dépendante coopérative hors des zones continentales avec une composante spatiale de microsatellites en orbites basses.
- Système dédié à la surveillance indépendante coopérative utilisant une transposition des techniques utilisées pour les futurs systèmes de localisation Cospas-Sarsat
- Système dédié à la surveillance indépendante non coopérative hors des zones continentales et utilisant des techniques radars avec au moins une composante spatiale.
1.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE
Les services de Recherche et Sauvetage (SAR) utilisant des moyens spatiaux sont opérationnels depuis plusieurs décennies.
Des évolutions significatives du segment spatial sont prévues dès les prochaines années, avec notamment l'utilisation de satellites en orbites moyennes tels que Galileo. Ces évolutions devraient permettre d'améliorer sensiblement la qualité du service en rendant possible, par exemple, la localisation des avions en détresse soit par triangulation soit par transmission des coordonnées de navigation Galileo ou GPS établies par un récepteur embarqué.
Certaines potentialités des futurs systèmes restent encore à explorer. Ainsi, l'utilisation de la voie retour prévue sur la fonction SAR de Galileo n'a pas encore fait l'objet d'une analyse approfondie permettant d'identifier les utilisations possibles et de définir les adaptations nécessaires à ces utilisations. Il semble par
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exemple que la possibilité de télé activer les balises depuis les stations sols via les voies "retour" pourrait-être un complément utile à l'efficacité de la fonction SAR. L'envoi de messages vers les personnes potentiellement en détresse peut par ailleurs augmenter les chances de survie..
Recommandation 5 (Outre la préparation de la transition opérationnelle des services de localisation lors de la mise en œuvre des futurs systèmes utilisant Galileo): - Définir de manière urgente les utilisations potentielles de la voie retour et s'assurer de l'adéquation des
systèmes en cours de développement pour permettre ces utilisations.
1.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE
Données numériques de terrain
La définition des "trajectoires sûres" des avions en phases d'approche, ainsi que de décollage, impose la connaissance des données numériques de terrain autour des aéroports. Une surveillance du respect des "plans de servitude" relatifs à l'occupation des sols et à la végétation est assurée le plus souvent au niveau du sol, mais une observation régulière depuis le ciel (ou l'Espace) est une source importante de réduction de risques, au moins pour certains aéroports dans le Monde.
Le besoin de rafraîchissement des données numériques de terrain va s'accroître d'ici à 2050, avec la mise en œuvre des techniques dites de "vision renforcée" pour l'aide aux pilotes en cas de conditions météorologiques défavorables aux abords des aéroports. Il en résultera un besoin de création de vues 3D réalistes basées sur des données de terrain mises à jour potentiellement une fois par semaine en certaines circonstances.
L'acquisition de données numériques de terrain depuis l'Espace est aujourd'hui un service pleinement opérationnel, mais les délais d'accès aux sites à observer pour des raisons météorologiques ou système, et les coûts d'utilisation ne permettent pas de répondre aux besoins de rafraîchissement de données pour l'ensemble des aéroports avec une fréquence élevée et une forte disponibilité. Le déploiement à court terme de constellation de satellites pour l'observation optique (soumise aux aléas de la météorologie) et radar (pour une observation récurrente garantie) de la Terre, avec fusion des données optiques et radars, pourrait améliorer suffisamment la capacité des systèmes, mais pas avec des conditions économiques satisfaisantes.
Cependant, à l'horizon 2050 les systèmes d'observation de la Terre auront considérablement évolués. Certaines missions seront particulièrement adaptées aux besoins génériques croissants de surveillance de zones, sites ou infrastructures. Elles permettront une mise à jour régulière de modèles numériques de terrain sur des sites pré désignés de dimensions variées, avec des coûts d'opérations réduits grâce à un traitement embarqué pour l'identification et la transmission des seules informations de changement depuis les observations précédentes. La mise à jour de modèle numérique de terrain de zones aéroportuaires devrait donc être possible de façon opérationnelle avec des moyens spatiaux.
La comparaison des coûts et du service avec ceux d'autres modes d'acquisition restera bien évidemment à faire. Le rôle respectif des satellites et des aéronefs (avions pilotés ou drones) pour les différents types de missions d'observation civile de la Terre à l'horizon 2050 est difficilement prédictible aujourd'hui.
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Recommandation 6: (Dans le cadre des réflexions sur les futurs systèmes et services spatiaux d'observation de la Terre):
- Prendre en compte les applications potentielles à l'aéronautique, identifier la similarité de besoins avec d'autres domaines et évaluer la faisabilité technique, la pertinence et le coût d'exploitation de système(s) d'observation correspondant à ces types d'applications.
Données de météorologie et d'environnement
Les moyens spatiaux de recueil de données météorologiques ont progressé de façon très significative durant les dix dernières années. Un travail important est à faire sur l'évaluation et l'utilisation de ces moyens.
Par ailleurs, hormis les messages d'alerte, le transfert de données et de prévisions météorologiques aux équipages se fait encore essentiellement au sol avant le décollage. L'envoi de nouvelles données météorologiques vers les avions en cours de vol est possible, mais les services aéronautiques semblent considérer que les offres de communications à large bande sont encore insuffisamment attractives.
De la même façon les informations météorologiques recueillies à bord des avions pourraient être davantage utilisées dans les modèles de prévision numérique au sol si le transfert de ces informations vers les centres de météorologie était assuré en temps réel.
De nouveaux moyens spatiaux de recueil de données météorologiques, importantes notamment pour l'aéronautique, seront disponibles dans les prochaines décennies. De plus, à court ou moyen terme, des moyens techniques seront disponibles pour réduire les délais d'accès à l'ensemble des données recueillies par les satellites eux mêmes, que ces satellites soient en orbite géostationnaire ou en orbites basses.
Recommandation 7 :
- Poursuivre activement les études d'évaluation portant sur l'utilisation des données météorologiques rendues disponibles grâce aux nouveaux moyens spatiaux, et définir, mettre en place et valider les méthodologies d'acquisition et d'utilisation de ces données.
- Les offres de communications à large bande disponibles aujourd'hui ou émergentes, doivent être analysées objectivement par les services aéronautiques pour évaluer les bénéfices à tirer d'un plus large échange de données avec les avions. Les efforts d'expérimentation et de validation doivent être poursuivis.
- Evaluer les bénéfices à tirer d'une réduction des temps d'accès aux données d'observation par les centres de météorologie d'une part et aux prévisions météorologiques par les pilotes d'autre part et définir les moyens les plus pertinents à mettre en place.
Le recueil depuis l'espace de données relative à la présence et la distribution d'espèces chimiques dans l'atmosphère permet de comprendre certains mécanismes d'impacts de l'aéronautique sur l'environnement et contribue donc à orienter les efforts d'amélioration.
Recommandation 8: (De même que pour la météorologie):
- Poursuivre activement les études d'évaluation portant sur l'utilisation des données environnementales rendues disponibles grâce aux nouveaux moyens spatiaux, et définir, mettre en place et valider les méthodologies d'acquisition et d'utilisation de ces données.
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1.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE, AUX PASSAGERS ET AUX OPÉRATIONS DES COMPAGNIES AÉRIENNES
Sécurité, télé-surveillance et Assistance au contrôle de l'avion
Avec l'établissement de liaisons à haut débit, fiables, disponibles, protégées contre les intrusions, et avec des délais limités à quelques centièmes de secondes en phase de décollage, approche et atterrissage et à quelques secondes "en route", la télé surveillance des paramètres critiques de l'avion et l'assistance aux équipages pour le contrôle de l'avion deviendront possibles.
La capture directe dans une mémoire extérieure à l'avion de données de types "boites noires" consultable en cas de besoin est une première étape d'amélioration, à posteriori, de la sécurité aérienne puisqu'elle permettra d'augmenter l'exhaustivité des analyses des circonstances d'accidents.
Une deuxième étape d'amélioration de la sécurité pourra être faite avec la mise en place d'une "télé surveillance" consistant en un suivi systématique plus ou moins continu des paramètres critiques de l'avion dans un centre d'assistance au sol. Une alerte automatique mise en œuvre en parallèle de celle de l'avion pourrait déclencher l'intervention d'experts au sol pour communiquer avec l'équipage et l'assister le cas échéant. Une telle assistance peut évidemment aussi être demandée par l'équipage.
Avec le développement de drones de transport, le pilotage d'aéronefs depuis des stations au sol - avec un niveau d'automatisation important à bord- deviendra une réalité. Le pilotage d'avions de transport de passagers avec un nombre réduit de pilotes, voire sans pilote deviendra lui aussi techniquement possible, ce qui ne préjuge pas de l'acceptabilité d'un point de vue psychologique.
Le pilotage d'aéronef depuis le sol impose un haut niveau d'intégration "sol-bord" au moyen de communications haut débit, avec un rôle de plus en plus important des « centres d’opérations au sol ». Le niveau d'automatisation du pilotage et par suite les contraintes en volume et en délai de communications pourront varier selon les types de drones. L'exigence de "continuité" à l'échelle mondiale de la communication entre le sol et le bord est un argument fort en faveur des communications par satellite.
Recommandation 9
- Analyser les exigences applicables aux systèmes et services de communications, y compris l'équipement correspondant de l'avion, pour les différents niveaux d'interconnexion correspondant (1) au transfert de données de type "boites noires", (2) à la télé surveillance, (3) à l'assistance à l'équipage, (4) à la prise en charge de l'aéronef (drone) depuis le sol (associée à un forte automatisation à bord)
- Etudier les possibilités présentes et futures de répondre à ces différents niveaux d'exigences ainsi que les impacts économiques et anticiper les futurs besoins de développement d' infrastructures européennes.
Télé-médecine : Assistance médicale à bord des avions
Des expérimentations menées avec l'aide d'Agences spatiales européennes dont l'ESA et le CNES dès le début des années 2000, ont démontré la faisabilité et l'intérêt potentiel de la télé consultation/télé médecine à bord des avions.
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Les apports de ces services concernent la qualité du diagnostic de l’état médical d’un passager requérant assistance ainsi que la qualité des soins d'urgence donnés à bord et la pertinence de la décision du pilote de poursuivre le vol ou de se dérouter.
Un certain nombre de compagnies aériennes ont décidé l'emport de stations de télé médecine portables à bord d'avions long courriers. Ces stations sont bien évidemment utiles en cas de présence d'un médecin parmi les passagers. Dans le cas contraire une qualification d'une partie du personnel navigant et la mise en place des moyens et services au sol sont nécessaires pour utiliser efficacement les services de télé médecine. Cette étape ne semble pas encore avoir été franchie par les compagnies aériennes.
Recommandation 10 (Avec l’apparition des très gros porteurs pour les vols long courriers):
- Ré-analyser l'intérêt de mettre en place un service de télé médecine par satellite à bord des avions. Cette analyse doit inclure les aspects de formation requise pour l'équipage et des engagements de responsabilités lors de la mise en œuvre ou de la non mise en œuvre des moyens et services de télé médecine
Aide aux opérations des compagnies aériennes
La densification des échanges de données entre le sol et l'avion, notamment pour les vols long-courriers permettra aux compagnies aériennes d'améliorer l'efficacité de la gestion des vols tant du point de vue de la maintenance aux escales que de l'optimisation des plans de vols et des trajectoires pendant le vol. La télémesure de paramètres et de données propres à l'avion et à son équipement pendant le vol permettra aux compagnies aériennes de planifier les opérations de maintenance en s'assurant de la disponibilité du personnel, du matériel et des équipements de rechange pendant l'escale suivante. L'enregistrement d'événements et d'évolutions apparus au cours du vol permettra un suivi personnalisé de l'avion et donc une meilleure gestion des divers niveaux de vérification et de maintenance. Le transfert de données météorologiques pour l'optimisation de trajectoires (hors conditions météorologiques dangereuses) et de données de trafic prévus aux abords des aéroports permettrait aux pilotes de mieux gérer l'utilisation des ressources énergétiques dans l'intérêt économique des compagnies aériennes.
Suivi des doses de radiation reçues par les équipages
Les doses de radiation reçues par les équipages sont évaluées à partir de modèles tenant compte de l'activité solaire et validés par certaines mesures directes faites à bord des avions. En cas d'éruption solaire importante une cartographie spécifique est crée avec le support d'astrophysiciens spécialistes du soleil. Avec le développement d'une météorologie solaire bénéficiant des observations par satellites cette cartographie spécifique pourra être crée de façon automatique en quelques heures au lieu de quelques semaines aujourd'hui.
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1.7 RECOMMANDATIONS DE NIVEAU GÉNÉRAL
Dialogue aéronautique-Espace (pour faire émerger des opportunités de renforcer l'aéronautique européenne)
Le dialogue Aéronautique - Espace est difficile car il demande aux experts de chaque domaine un effort conséquent d'apprentissage de l'autre domaine (techniques, performances, jargon/acronymes, usages,..)
Ce dialogue existe pour les systèmes en cours de développement ou potentiellement mis en œuvre dans un avenir proche. Il est beaucoup plus limité pour l'analyse des opportunités à plus long terme, et ceci probablement à cause du conservatisme justifié par les contraintes spécifiques de sécurité et par la crainte de devoir « payer » toute demande, du coté aéronautique, et par la lenteur et le coût souvent élevé des réponses à de nouveaux types de besoins spécifiques, du coté spatial.
Cependant le dialogue Aéronautique - Espace est important car l'aéronautique opère à l'échelle globale et le spatial offrira probablement de plus en plus d'opportunités "uniques" en réponse à des besoins critiques croissants de l'aéronautique à l'horizon 2050. Compte tenu du caractère généralement global des solutions spatiales, il est important que l'Europe puisse identifier rapidement les opportunités de nouveaux services pour garder une capacité d'initiative dans la mise en place de ces services.
Recommandation 11 :
- Favoriser un dialogue pérenne pour une meilleure utilisation future de l'Espace au profit de l'Aéronautique en créant des opportunités d'échange et de réflexion entre experts de l'aéronautique et du spatial pour assurer:
- un rôle incitatif à l’utilisation du spatial pour les besoins aéronautiques en favorisant l'émergence de nouveaux concepts au moyen de réunions, colloques, ..
- un rôle consultatif consistant notamment en l'analyse de plans de Recherche et Développement et d’avant-projets européens à l'interface entre les deux domaines.
A cette fin, les travaux de réflexion menés ou organisés et animés par les "sociétés savantes" dans les domaines de l'Aéronautique et de l'Espace pourraient être largement supportés et mis à profit par les institutions.
Etudes prospectives et validation des concepts d’utilisation du Spatial pour l’aéronautique
L’un des bénéfices attendus du dialogue Espace-Aéronautique est l’émergence d’idées conceptuelles qu’il est nécessaire d’évaluer et le cas échéant de valider au moyen de simulation ou de bancs d’essais, voire d'expérimentations en orbite. Des efforts significatifs sont nécessaires pour passer du stade des idées conceptuelles à la démonstration de services acceptables et attractifs pour l'aéronautique. Recommandation 12
- Inclure dans le cadre des travaux de recherche et développement à long terme des agences spatiales, une ligne d'activités spécifique portant sur les analyses de faisabilité des nouveaux concepts proposés de services à l’Aéronautique et leur validation au moyen de bancs d’essais avec des éléments au sol et en orbite.
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2. UTILISATION ACTUELLE ET PRÉVUE DES SERVICES À BASE DE SATELLITES POUR L'AÉRONAUTIQUE
L'aéronautique utilise de façon encore limitée aujourd'hui les apports de l'Espace dans les domaines des télécommunications, de la navigation, de la météorologie et de la recherche et sauvetage. Des études et développements sont en cours dans ces domaines ainsi que dans d'autres domaines d'application potentielle de l'Espace à l'aéronautique, qui devraient connaître une évolution significative en Europe et dans le Monde au cours de la prochaine décennie.
2.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS
Dans les années 1960/70, la DGAC (anciennement le SGAC) et le CNES avaient lancé l’étude préliminaire d’un système spatial pour la navigation aérienne au dessus de l’Atlantique (projet Dioscures), étude poursuivie par l’Agence Spatiale Européenne et la FAA américaine sous le nom de projet Aerosat. Il s’agissait de répondre au problème de sécurité du trafic océanique dans l’hypothèse du développement important des vols supersoniques.
Le système Aerosat prévoyait deux satellites géostationnaires qui assuraient le relais de communications entre les avions en vol et les centres de contrôle océaniques. Le projet initial avait dû être revu en profondeur à la demande des compagnies aériennes qui avaient mis en avant les coûts importants d’équipement des flottes en terminaux de communication fonctionnant en bande L, et avaient exigé la compatibilité avec les avions anciens équipés de VHF.
L’arrêt du programme de développement d’un avion de transport supersonique américain et le faible nombre de Concorde fabriqués ont finalement entraîné l’arrêt du programme Aerosat.
La première tentative de mise en place d'un système spatial spécifique pour les communications aéronautiques civiles s’est donc soldée par un échec dont les leçons sont encore à retenir.
Les communications aéronautiques peuvent être mises à profit pour le contrôle du trafic: ATS (Air Traffic Services) ou ATC (Air Traffic Control Services), la gestion opérationnelle et administrative des avions par les compagnies aériennes: AOC (Airline Operational Communications) et AAC (Airline Administrative Communications), et enfin les activités de travail ou de loisir des passagers: APC (Airline Passenger Communications).
Constatant la croissance régulière du trafic aérien commercial, l’OACI a créé au milieu des années 80 un groupe d’experts, le Comité FANS, chargé d’étudier et d’évaluer les nouvelles techniques. En septembre 1991, à l’occasion de la dixième conférence mondiale de navigation aérienne, le concept élaboré par le comité FANS a été approuvé par les représentants des 85 Etats participants. Ce concept connu aujourd’hui
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sous la désignation de CNS/ATM (Communication Navigation Surveillance /Air Traffic Management) repose largement sur les moyens spatiaux.
Le développement des offres de services de télécommunications mobiles par satellites et la simplicité croissante de mise en œuvre grâce notamment à la réduction de la taille des terminaux utilisateurs, devraient maintenant, comme cela se passe dans le domaine maritime et dans beaucoup d'autres domaines, permettre un développement rapide des applications dans l'aéronautique. A titre indicatif les communications mobiles assurées par les satellites Inmarsat représentaient en 2008 un chiffre d'affaires de 500 M € dont plus de 40% pour les communications maritimes et 10% pour les communications aéronautiques elles mêmes en croissance de 50% par rapport à 2007.
Par ailleurs des réseaux de stations terriennes de taille réduite, VSAT, ont été développés pour la transmission de communications du Service fixe aéronautique incluant les communications vocales entre contrôleurs sur des sites distants, les transmissions de données telles que les bulletins météorologiques, les plans de vols ou même les images radars, et les relais des communications air/sol entre une antenne VHF avancée et un centre de contrôle.
On trouvera en Annexe 1 des informations complémentaires sur les systèmes et services de communications mobiles par satellite et leurs compléments: les VSAT.
L'utilisation actuelle des communications par satellites pour la transmission de données liées à la sécurité
L'utilisation de satellites pour les échanges de données aéronautiques liées à la sécurité est essentiellement limitée aujourd'hui à des communications entre avions et centres de contrôles océaniques. Ces communications font principalement appel aux liaisons "ACARS" via les satellites Inmarsat ou Iridium, reconnues par l’OACI et normalisées par le RTCA (organisme de normalisation non gouvernemental américain qui regroupe essentiellement les constructeurs d'avions et les équipementiers).
Dans la zone Pacifique Sud, un accord régional a notamment été conclu entre tous les Etats concernés, dont la France, pour les liaisons de données par satellites qui intéressent essentiellement les vols commerciaux entre les USA et l’Australie ou la Nouvelle Zélande, ainsi que des longs courriers au départ ou à destination de Tahiti. La DGAC a doté le centre de contrôle régional de Tahiti de moyens de communications conformes aux normes OACI avec les avions équipés de terminaux de communication par satellites. Les avions transmettent automatiquement leur position à intervalles réguliers (application dite ADS-C) et les pilotes et les contrôleurs peuvent échanger des messages (application dite CPDLC Controller Pilot Data-Link Communication). Ces deux applications sont utilisées pour assurer les communications de sécurité et d’informations de vol de manière plus sûre que la liaison HF. Elles permettent de réduire les séparations en espace océanique et de donner aux avions des routes optimisées en tenant compte de la météorologie.
L'utilisation de moyens de communications par satellites va bientôt être exigée pour l'ensemble des avions circulant sur l'Atlantique nord, et plus tard sur l’Atlantique sud et sur l’océan Indien. Les avions non équipés pourront souffrir de contraintes opérationnelles pour circuler dans ces espaces aériens.
A noter que pour des raisons de sécurité liés notamment au délai de transfert du trafic d'un satellite en cas de panne vers un autre satellite, tous les avions doivent toujours être capables de communiquer avec le centre de contrôle en utilisant la HF dont la qualité est souvent aléatoire.
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Les Services de communication via les satellites "Inmarsat", en orbite géostationnaire, et les satellites "Iridium", en orbites basses, sont normalisés par l'OACI" pour les communications FANS. Le "Manuel" sur le service aéronautique mobile par satellites en-route (AMS(R)S), inclut depuis 2007 les spécifications techniques relatives à Iridium, au même titre que celles relatives à Inmarsat qui ont été introduites auparavant. Il existe aussi une norme RTCA relative aux équipements et aux systèmes AMS(R)S, qui contient une annexe Iridium. Par ailleurs, Inmarsat a initialisé une action vers l’OACI pour intégrer dans le Manuel un nouveau chapitre couvrant le service « Swift BroadBand » disponible sur sa nouvelle génération de ses satellites.
Les fournisseurs de service de navigation aérienne équipés de systèmes sol de surveillance et de communication air-sol par satellites dans les zones océaniques, laissent les compagnies aériennes choisir leur fournisseur de service de communications, SITA ou ARINC, et le réseau par satellite Inmarsat ou Iridium. De l'avis des fournisseurs de service, comme la DGAC à Tahiti, la gestion des avions équipés de terminaux Iridium semble ne pas poser plus de problème que celle des avions équipés de terminaux Inmarsat.
Au même titre que les liaisons via Inmarsat, les liaisons via Iridium pour les transferts de données dans l'espace européen deviendront possible dans les prochaines années, en conformité avec l'Implementing Rule Ciel-Unique, sous réserve que les performances de communication de bout en bout répondent aux exigences, et que les opérateurs de communication soient certifiés (par l’EASA). Il existe cependant encore une réserve concernant les fréquences utilisée par Iridium pour les liaisons avion-satellites car l'attribution de ces fréquences à titre primaire au service mobile aéronautique par satellite est assortie par l'IUT d'une contrainte réglementaire de coordination préalable avec tous les États où le service sera mis en œuvre. Certains Etats qui veulent protéger Inmarsat, ont déjà annoncé qu'ils refuseraient tout accord . Cette question fait actuellement l’objet de travaux en vue de la prochaine Conférence mondiale de radiocommunications.
Le programme Iris-ARTES 10 (ESA et SESAR)
En réponse aux "besoins utilisateurs" définis par SESAR la Commission Européenne et l'ESA ont décidé le lancement du programme ESA IRIS-ARTES 10 : "Air Traffic Management communications via Satellite".
Iris-Artes 10 vise à assurer la mise en place d'un système spatial de communications Air/Sol disponible dès 2020 pour la gestion du trafic aérien, offrant des nouvelles possibilités de transmissions de données digitales cockpit/sol pour l'Espace aérien continental (en complément des systèmes terrestres) et pour l'Espace aérien océanique.
Les travaux effectués dans le cadre du projet IRIS permettent de comparer les différents aspects: techniques, opérationnels, pérennité, sécurité et coûts avec deux types d'approches :
- système dédié avec optimisation globale en utilisant une bande de fréquence d'environ 10 MHz en bande L (L'étude de cette option est surtout utile pour identifier les exigences qui ont le plus d'impact sur la complexité du système et les coûts associés (terminal utilisateur, segment spatial, segment sol et protocole de communication).
- système commercial Inmarsat en adaptant les éléments du service Aéronautique Swift Broadband. L'étude porte sur l'analyse de faisabilité d'une adaptation de ce service pour répondre aux exigences de sécurité aéronautique COCR (Communications Operating Concept and Requirements for the Future Radio System - Document EUROCONTROL/FAA)
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- L'utilisation des satellites Iridium de nouvelle génération, bien que non citée dans l'étude ESA n'est pas exclue par les industriels chargés des études. Si un système IRIS dédié était retenu, il couvrirait essentiellement l'Europe, où les besoins en performance sont les plus élevés, au moyen de satellites en orbite géostationnaire. Il serait complémentaire des systèmes Inmarsat et d'autres systèmes à couverture mondiale. La couverture du pôle Nord notamment pourrait être assurée par des satellites en orbites excentriques Russes et/ou Canadiens si cette solution s’avérait viable économiquement.
Les communications passagers et la synergie potentielle avec les communications "cockpit"
Les offres de connexion Internet haut débit et de téléphonie mobile à bord des avions se développent depuis quelques années. Début 2011, près de 2000 avions (commerciaux et affaires) sont équipés pour les connexions Internet et quelques centaines d'avions sont équipés pour la téléphonie mobile. Les communications entre les avions et le réseau sol se font le plus souvent via des relais satellitaires (Inmarsat, Intelsat,..). Des transmissions directes "Air-Sol" sont proposées par l'un des fournisseurs de service (au dessus des Etats Unis aujourd'hui avec extension prévue au dessus de l'Europe).
Les communications de téléphonie mobile depuis les avions équipés se font dans le même cadre contractuel que des appels depuis l'étranger et avec des coûts comparables même lors d'un survol de son propre pays (2 à 3 € par minute). Comme pour les communications depuis l'Etranger, les tarifs restent fixés par l'opérateur de téléphonie mobile propre à chacun des passagers. Les compagnies aériennes perçoivent une partie des revenus des communications.
Ces moyens de communication sont utilisés principalement par les passagers. Ils sont utilisables aussi par les compagnies aériennes pour améliorer leur efficacité opérationnelle (téléchargement d'informations temps réel de maintenance, programmation de la maintenance, vérification en vol des conditions météorologiques,..).
Mais l’idée apparemment séduisante de réduire considérablement les coûts opérationnels pour les communications de sécurité en les partageant avec un système de communications pour les passagers se heurte aux contraintes de sécurité. La gestion des priorités d’accès pour les communications critiques touchant à la sécurité du vol par rapport aux communications "passagers", imposerait soit une ségrégation des bandes de fréquences utilisées, soit une capacité d'interruption (momentanée) des communications "passagers" à la discrétion de l'équipage, de la compagnie aérienne ou des autorités.
2.2 NAVIGATION
En 2010 les systèmes de navigation par satellites s’imposent comme référence partout dans le monde pour de multiples applications et en particulier les transports. Ils sont progressivement utilisés par le transport aérien, en compléments des systèmes traditionnels (Navaids, Inertie).
Après la mise en service opérationnel du GPS, puis de façon partielle de Glonass, d'autres projets sont nés dans différents pays du monde, de la perception que le besoin de positionnement génèrerait une immense activité économique et de la volonté de ces pays de dépendre le moins possible des autres fournisseurs, et plus encore de ne pas dépendre du seul fournisseur US qui est un acteur militaire.
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On trouvera en "Annexe 2" des informations complémentaires sur les systèmes spatiaux et les compléments terrestres pour la navigation par satellite.
Les systèmes de navigation GPS et Glonass, et le programme Galileo
Le système américain GPS est financé et contrôlé par la Défense. Sa disponibilité, pour les civils et en dehors des Etats Unis, n’est donc pas considérée comme certaine et ses performances ne sont pas garanties pour tous ceux dans le monde qui ont besoin de service de navigation.
Après 1995, le gouvernement US a peu à peu accepté, vis-à-vis de la communauté d’utilisateurs civils, un certain nombre d’engagements notamment quant à la pérennité et aux performances accessibles. Des améliorations techniques ont également été apportées :
- précision de localisation de 100 m initialement, à ~20 m aujourd’hui, notamment via la désactivation permanente de la SA (selective availability),
- signaux et satellites complémentaires, en augmentant le nombre de satellites en orbite, - meilleur bilan de liaison, augmentation de la puissance d'émission des satellites … En parallèle, la doctrine Américaine concernant le GPS a évolué petit à petit, au delà de la désactivation de la "Selective Availability", vers un concept de brouillage et enfin de leurrage permettant de créer localement des « bulles » où le signal sans être supprimé est dégradé, empêchant ainsi l’utilisation d’arme guidée GPS (« Cruise missile » du pauvre).
En 2010, le système américain GPS est opérationnel avec plus de 30 satellites en orbite (24 sont suffisants pour les utilisations nominales).
Le système Glonass, complet en 1995 n'avait plus que 8 satellites en service vers fin 2002. La relance du programme décidée en 2001 permettra de disposer à nouveau de 24 satellites en fin 2011.
GPS ainsi que Glonass ont été officiellement proposés à l'OACI pour l'utilisation gratuite par l'aviation civile. L'OACI a normalisé l'utilisation des signaux GPS en rendant obligatoire le contrôle de l'intégrité au moins par les récepteurs (contrôle RAIM Receiver Autonomous Integrity Monitoring, seulement possible si au moins 5 signaux de navigation sont reçus simultanément). De nombreux pays dont la France autorisent officiellement l’usage de GPS dans l’aviation bien que le contrôle des signaux GPS leur échappe. Le gouvernement des Etats-Unis a publié un texte indiquant que l’usage du GPS est gratuit mais se fait aux risques et périls des usagers.Les performances actuelles offertes par les systèmes GPS et GLONASS, bien que parfaitement adaptées à un certain nombre d’usagers, peuvent encore être insuffisantes pour certaines applications critiques notamment dans l'aéronautique. Ces insuffisances concernent la précision, l'intégrité et la disponibilité. L'Europe a défini une stratégie en 2 étapes pour pallier à terme ces insuffisances. L'étape 1 de GNSS (Global Navigation Satellite System) correspond au développement et à la mise en service du système européen EGNOS en complément de GPS et l'étape GNSS2 correspond au développement et à la mise en service de Galileo en parallèle de tous les futurs systèmes (GPS, Glonass, Beïdou,..) et de leurs compléments.
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Galileo est un système civil sous contrôle civil conçu pour apporter plusieurs avantages par rapport au GPS actuel. Toutefois un accord d’interopérabilité entre GPS et le futur Galileo a été signé permettant en particulier l’utilisation de mêmes fréquences et la compatibilité des signaux.
L’objectif, tant vu par GPS que par Galileo, est en particulier de sécuriser le service en augmentant le nombre de satellites utilisables conjointement. En conséquence l’existence de deux systèmes indépendants, plutôt qu’un seul, devrait être hautement bénéfique, surtout s'ils sont compatibles, pour tous les utilisateurs qui pourront recevoir les signaux GPS et Galileo sur un seul et même récepteur, en apportant une sécurisation supplémentaire.
Le développement du programme Galileo, décidé par le Conseil de l’Union Européenne en mars 2002, devrait aboutir à une phase initiale d’exploitation (partielle) et de maintenance opérationnelle à partir de 2015 et à un déploiement complet en 2019/2020.
Les récepteurs Galileo sont en cours de développement. De base ils sont combinés avec le GPS, car les deux systèmes ont des caractéristiques très proches (fréquence, forme d’onde, positionnement orbital,..).
Augmentations régionales ou SBAS (Satellite Based Augmentation System)
Les "SBAS" sont mis en place pour augmenter l'intégrité (par le contrôle du bon fonctionnement des satellites), la précision (par l'élaboration et la diffusion d'un signal de correction des positions fournies par les satellites, valable au niveau régional ou local,) et la disponibilité des signaux GNSS (par la création de sources supplémentaires) sur de larges zones géographiques.
Chaque SBAS utilise un réseau régional de stations sol destinées à recevoir les différents signaux de navigation disponibles, à collecter des informations relatives à ces signaux et à les renvoyer vers un centre de traitement qui détermine les données d'intégrité et les corrections à prendre en compte par les utilisateurs du système dans la zone géographique considérée. Ces données et corrections sont ensuite diffusées par des satellites géosynchrones positionnés au dessus de la même zone géographique.
Aux Etats-Unis, le "WAAS" (Wide Area Augmentation System) a été développé à l'initiative de la FAA. Il est opérationnel depuis 2003. Il permet d’effectuer des LPV-200. (Localizer Precision with Vertical Guidance down to 200 feet)
En Europe, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) réalisé par l’Agence spatiale européenne sous pilotage tripartite de la Commission Européenne, de l’ESA et d’Eurocontrol délivre le service "signal ouvert" depuis octobre 2009 et le service "safety of life" depuis mars 2011. EGNOS permet désormais la mise en oeuvre d'applications aéronautiques critiques LPV.
Au Japon, le MSAS (Japanese Multi functional Satellite Augmentation System) est en service avec un usage limité pour le moment au guidage en route et en approche de non-précision.
D'autres augmentations régionales sont en cours de développement notamment en Inde (GAGAN), en Chine et en Russie.
Les trois systèmes WAAS, EGNOS et MSAS répondent à la même norme OACI-SBAS. Ils font appel, tout comme GAGAN à des compléments satellitaires en orbite géostationnaire.
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Augmentations locales ou GBAS (Ground Based Augmentation System) et pseudolites
Complémentaires aux augmentations régionales de type SBAS, les systèmes d’augmentation locale du GPS, standardisés par l’OACI sous le vocable GBAS, permettent aujourd’hui de fournir un service de navigation pour l’approche et l’atterrissage des aéronefs commerciaux qui sont certifiés « GNSS Landing System » (GLS).
Un GBAS utilise (au moins) une station locale pour déterminer les données d'intégrité concernant les signaux satellitaires reçus localement, estimer les erreurs de mesure résiduelles, et transmettre ces informations aux utilisateurs de la navigation par satellites situés au voisinage de la station. Les récepteurs peuvent ainsi appliquer des corrections « différentielles ».
La technologie actuelle ne permet que d’assurer un service d’atterrissage dit Catégorie 1. Une évolution vers la catégorie 2 est prévue, et ensuite vers la catégorie 3 (atterrissage tout temps). L'accès aux performances exigées pour la catégorie 3 reste cependant à démontrer. Une approche alternative à base de pseudolites (consistant à générer depuis le sol des signaux de navigation identiques à ceux des satellites) est envisageable si nécessaire.
Mise en œuvre opérationnelle de la navigation par satellites
Les ANSP (Air Navigation Service Provider), FAA en tête ont commencé à développer et publier de nombreuses procédures permettant d’utiliser le GPS et ses augmentations, tant pour l’atterrissage (LPV) que pour l’approche.
A titre d’exemple, en 2010 la FAA a publié un quart des 8900 procédures permettant d’atterrir sur l’ensemble des aérodromes Américains, avec une utilisation combinée du GPS et du WAAS pour la navigation. L’Europe est un peu en retard, car la certification d’EGNOS vient juste d’être achevée.
De nombreuses compagnies aériennes, ont également fait établir leurs propres procédures par des officines spécialisées, par exemple pour supplanter les moyens de radionavigation conventionnels (Navaids) déficients dans certains pays en voie de développement comme l’Afrique, grâce à une combinaison GPS, Inertie et senseur barométrique.
L’utilisation pleine et entière de tels systèmes est fortement liée à la négociation sur les redevances de navigation aérienne qui, à l’exception de quelques pays comme les USA, sont payées par les compagnies aériennes (utilisatrices des services) aux services de la navigation aérienne (ANSP). Les compagnies aériennes souhaitent partager les coûts avec les autres utilisateurs hors transport aérien au prorata du nombre d’utilisateurs. Elles souhaitent aussi ne pas payer deux fois le même service, à savoir que les NAVAIDS soient dé-commissionnés, s’ils ne servent plus pour le transport aérien. En France la stratégie de la DSNA pour l'utilisation des systèmes de navigation satellitaires a été renforcée en 2008.
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La fonction "Intégrité/Safety of life" des futurs systèmes de navigation par satellites
La fonction "Intégrité/Safety of life" des futurs systèmes de navigation à l'horizon 2020 semble pouvoir être assurée par l'utilisation en réseaux des compléments régionaux aux systèmes de navigation développés par les US, l'Europe, la Russie, l'Inde, le Japon, la Chine. Ceci suppose une extension de couverture pour certains de ces systèmes, par exemple :
- WAAS pour les Amériques nord et sud - EGNOS pour l'Europe, le moyen Orient et l'Afrique Avec l'ensemble des systèmes SBAS en cours de déploiement, la quasi totalité des terres émergées pourrait être couverte à moyen terme (post 2020).
Des travaux sont en cours entre les US et l'UE pour mettre au point le concept. Pour EGNOS, il s'agirait d'une deuxième génération.
Au cours de la phase initiale de mise en service de Galileo, la transmission des informations d'intégrité élaborées par les segments sols devrait être assurée via des charges utiles embarquées sur des satellites géostationnaires (comme pour EGNOS). Ces charges utiles émettront dans les 2 bandes de fréquence L1 et L5.
A noter que la fonction amélioration de précision prévue dans EGNOS et qui sert principalement à réduire l'incertitude liée aux effets ionosphériques, deviendra beaucoup moins utile avec l'utilisation de signaux bi-fréquences.
Les risques de brouillage et de leurrage
Depuis l'origine de la navigation par satellite, les risques de brouillage (volontaire ou involontaire) ont été évoqués sans qu'aucune solution définitive ne puisse être trouvée. Bien que la puissance d'émission des satellites de navigation ait été progressivement augmentée, les signaux GNSS reçus par les utilisateurs restent faibles et sont donc très faciles à brouiller. Par exemple, le développement de la géolocalisation a pour conséquence l’apparition sur le marché de brouilleurs des signaux GNSS à très faible coût, avec un risque important de prolifération si aucune mesure légale n’est prise. Le problème du brouillage concerne aussi directement le fonctionnement des systèmes d’augmentation au sol SBAS et GBAS.
Il y a donc nécessité :
- d'une part, d'augmenter par tous les moyens possibles aux niveaux: technologique, "système" et "légal", la "robustesse" et la disponibilité des systèmes de navigation pour les applications aéronautiques (en particulier)
- d'autre part, de maintenir la possibilité de recours quasi instantanément, au moins de façon temporaire, à des systèmes de navigation "sûrs" ne faisant pas appel au système GNSS.
L'Europe doit, comme le fait la FAA aux USA, étudier des solutions de secours en cas de brouillage du GPS.
Bien que limité en risque d'occurrence par rapport au brouillage, les risques de leurrage dont les conséquences potentielles peuvent être majeures, imposent eux aussi la mise en place de solutions visant à renforcer la robustesse et la sécurité des systèmes utilisateurs.
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2.3 SURVEILLANCE
La fonction "Surveillance" permet aux Services du Contrôle de la circulation aérienne, de connaître de façon continue la position des aéronefs et d'estimer leurs futures positions afin de réguler la séparation entre les aéronefs, de gérer l'Espace aérien et d'assister les pilotes /aéronefs pour leur navigation.
Trois types de surveillance peuvent actuellement être utilisés :
- la Surveillance dépendante coopérative pour laquelle la position de l'aéronef est déterminée à bord et transmise par voie RF aux services sol et à d'autres avions,
- la Surveillance indépendante non coopérative qui utilise des moyens indépendants de l’avion tels que des radars primaires pour déterminer les coordonnées de l'Aéronef,
- la Surveillance indépendante coopérative pour laquelle les avions équipés de transpondeurs Mode-S répondent aux interrogations de radars.
Dans les espaces où l'implantation de radar n'est pas possible ou trop onéreuse la surveillance n'est aujourd’hui assurée que de façon dépendante.
La technologie spatiale est utilisée aujourd'hui pour la surveillance dépendante au dessus des zones océaniques, désertiques ou hostiles via «l'ADS-C» (Automatic Dependant Surveillance-Contract). Selon un "contrat ADS-C" un avion long-courrier émet sa position à intervalles fixés, par exemple de l’ordre de 10 à 20 minutes, ou sur événement, vers un satellite de communications qui la renvoie vers les stations sol des services de contrôle aérien. La position de l'avion est déterminée à bord par le système de gestion de vol FMS (Flight management system) à partir des informations issues de centrales à inertie et/ou d’un récepteur GPS. Ainsi, dans les zones océaniques, la plupart des avions long-courriers des compagnies aériennes sont équipés du système FANS (Future Air Navigation System).
Différents moyens sont étudiés pour améliorer le suivi des avions en espace océanique, en augmentant par exemple la fréquence du report de position de l’avion par liaison satellite. Cependant si le système n’est pas optimisé pour les transmissions de petits paquets de données, le temps de prise de ligne peut être long. Par exemple, l’AMSS (Service Mobile Aéronautique par satellite) basé sur les procédures Inmarsat convient pour les reports océaniques toutes les 10 à 20 mn cités plus haut, mais une utilisation continue et permanente de la liaison aurait peut être un coût trop élevé. Un système optimisé pour les données, avec gestion dynamique de la ressource permettrait, si nécessaire, de remplir cette fonction dans un contexte continental plus dense. Une des options du système SDLS (Satellite Data Link System) propose ce service.
Le cas de la surveillance des mouvements au sol sur les aéroports
La surveillance avancée des mouvements au sol sur les aéroports (A-SMGCS : Advanced-Surface Movement Guidance and Control System), à l'aide des systèmes installés à CDG, Orly, Lyon et Toulouse puis à Nice (en cours), Marseille et Bâle est basée sur des radars primaires de surface, associés comme à CDG et Orly, à un système de multilatération Mode S. Il n’est pas prévu de déploiement supplémentaire, car l’ADS-B avec un positionnement GPS seul ou augmenté d’EGNOS (voire de GBAS) devrait permettre de réaliser les mêmes fonctions à un coût bien plus faible.
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2.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE (SAR)
La première application de systèmes spatiaux pour l'aéronautique a été développée pour la recherche et le sauvetage, utilisant des satellites pour détecter et localiser les aéronefs accidentés et permettre ainsi de secourir les occupants survivants. La création du système Cospas-Sarsat a été décidée en 1979, avec la signature d’un accord de coopération entre la France, les USA, l’Union Soviétique et le Canada.
Le système est basé sur au moins quatre satellites en orbite basse quasi polaire, équipés pour recevoir les émissions de balises de détresses émettant à 406 MHz.
Actuellement, la localisation des balises de détresse aéronautiques (Emergency Locator Transmitter ELT 406 MHz) se fait au travers du système satellitaire international COSPAS/SARSAT. Ce système utilise des constellations en orbite basse avec des récepteurs embarqués français sur des satellites américains (NOAA), européens (METOP) ainsi que des satellites russes. Le système fait aussi appel à une constellation de satellites géostationnaires américains et européens (Meteosat).
Le CNES, conformément à l’Accord intergouvernemental États-Unis/Russie/Canada/France signé à Paris en 1988, a été désigné "organisme coopérateur" pour la France par le Ministère des Affaires Etrangères. Il fournit les instruments à 406 MHz pour les satellites Sarsat de la NOAA et exploite, en collaboration avec le Ministère des Transports, des stations de réception et un centre de contrôle de mission à Toulouse.
A moyen terme, la mission "Search and Rescue" (SAR), développée dans le cadre du programme Galileo, va compléter puis éventuellement prendre le relais de la constellation en orbites basses de COSPAS/SARSAT. Les satellites Galileo embarqueront des répéteurs qui assureront le relais instantané des émissions des balises Cospas-Sarsat vers des stations de réception dédiées, les MEOLUT. L'amélioration notable de la fonction SAR par une réception en temps quasi réel des messages, permettra ainsi une utilisation plus efficace et moins coûteuse des services de recherche et sauvetage.
A plus long terme, il est prévu d’arrêter le système "LEOSAR" (en orbites basses) et de le remplacer par le système "MEOSAR" (en orbites moyennes), dont Galileo sera une des composantes spatiales, avec des performances très supérieures et la possibilité de disposer d’une liaison retour vers l'usager.
2.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE
Données numériques de terrain et d'obstacles utilisées pour la conception des procédures utilisées par les aéronefs
L’OACI a introduit une norme (amendement 33 à l’Annexe 15) relative à la mise à disposition de données numériques de terrain et d’obstacles (eTOD) pour tous les territoires selon 4 zones de couverture associées à des niveaux de qualité dépendant du lieu où l'on se trouve. La précision verticale demandée est comprise entre 50 cm et 30 m selon les zones. Schématiquement, plus on est près de la piste d’un aérodrome, plus la précision doit être grande.
Ces données doivent notamment servir à déterminer les minima opérationnels associés aux procédures d'approche ou de départ utilisées par les aéronefs. (Les minima opérationnels sont les hauteurs et/ou
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visibilités minimales en dessous desquelles l’équipage ne peut procéder à un départ ou bien poursuivre son atterrissage s’il n’a pas la piste en vue).
Certaines données numériques sont disponibles via les services cartographiques nationaux, comme l'IGN (Institut Géographique National) en France, mais d’autres, telles que les données d'obstacles autour des aérodromes sont établies par la DGAC, les données existantes par ailleurs étant d'une précision et d’une exhaustivité insuffisantes. L’utilisation des satellites d'observation de la Terre pour l’établissement de cartes en 2 ou 3 dimensions est maintenant parfaitement opérationnelle. Les satellites peuvent déjà fournir des informations d'altitude avec une précision meilleure que 5 m, notamment avec SPOT 5, et de qualité métrique avec certains satellites américains et les futurs satellites Pléiades (premier lancement prévu en 2011).
L'un des freins à l'utilisation de l'observation par satellites pour l'application ci-dessus est le délai d'obtention des données :
- Pour des raisons technologiques, les satellites d’observation à haute résolution sont exclusivement aujourd’hui encore en orbites basses, et pour des raisons de coûts ils sont en nombre limité, de sorte que le délai moyen pour l’obtention des conditions géométriques d’observation d’un site est en moyenne de quelques heures à 1 ou 2 jours. Lorsque l’observation est effectuée seulement avec des instruments de type optique, les conditions nuageuses peuvent interdire la prise de vue pendant plusieurs jours.
- Les liaisons de données entre les satellites d’observation et les centres de traitement ne peuvent être établies instantanément que si le réseau de stations terriennes est très dense ou si les satellites sont équipés de terminaux de liaisons inter satellites dont les technologies sont démontrées aujourd’hui mais dont l’usage n’est pas encore répandu pour des raisons économiques.
- .La transformation des données brutes en produits cartographiques peut nécessiter, aujourd'hui encore, quelques heures.
En conséquence le recours aujourd'hui ou dans les toutes prochaines années aux technologies spatiales n'est pas possible de façon récurrente car le délai moyen d'acquisition d'images est excessif et le coût est supérieur à celui d'autres moyens concurrents (par exemple: clichés pris depuis des avions). Les données numériques de base (relief et bâtiments) sur les zones proches des aéroports sont actuellement obtenues avec des systèmes aéroportés.
Données de météorologie et d'environnement
L'aéronautique est très dépendante de la météorologie et de façon générale de la qualité des mesures, modélisations et prédictions relatives aux phénomènes atmosphériques: dynamique de l'atmosphère (vents 3D, clusters convectifs, position du jet stream, turbulence, cyclones,..), phénomènes orageux (foudre, grêle,..), risques de givrage, cendres volcaniques (densité, composition, …), visibilité (brouillards, fumées, particules..) ainsi que verglas, neige et hauteur d'eau sur les pistes d'aéroports.
L'aéronautique doit minimiser ses impacts sur l'environnement, ce qui nécessite une bonne observation et compréhension des mécanismes mis en jeu
Enfin, l'aéronautique doit être vigilante aux fluctuations du rayonnement solaire qui, via les fluctuations induites dans l’atmosphère terrestre, ont un impact potentiel sur la santé des équipages volant de façon
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répétée à haute altitude, et qui peuvent affecter les services fournis par les moyens spatiaux (e.g. altération des signaux émis par les satellites de navigation).
Les apports de l’Espace sont primordiaux pour la compréhension et l’aide à la modélisation des phénomènes physiques en œuvre sur/et autour de la terre. Les satellites d’investigation scientifique ou pré opérationnels d’observation de la terre et du soleil permettent d’améliorer la connaissance du fonctionnement global et local du « système Terre » notamment pour la météorologie et plus généralement du « système Terre-Soleil » lorsque l’on s’intéresse aussi aux fluctuations du rayonnement solaire.
Les apports de l’Espace sont primordiaux aussi pour l’observation opérationnelle de la Terre et du Soleil contribuant à la connaissance des conditions météorologiques à échelles globale et locale (carte des vents, de l’humidité, orages, grêle, chimie atmosphérique, niveaux de radiation dans la haute atmosphère,..) et à la prévision météorologique sur plusieurs jours. Enfin les satellites permettent l'observation de certains constituants chimiques de l'atmosphère (tels que: le dioxyde d'azote, l'ozone, le méthanol et les acides formiques, le dioxyde de carbone, et les cirrus et traînées de condensation) grâce à des instruments spécifiques ou utilisés conjointement pour la météorologie. L'observation des distributions de ces espèces dans l'atmosphère aide à analyser et à modéliser certains des impacts de l'aéronautique sur l'environnement.
C’est pourquoi les satellites d’observation s’imposent comme des outils indispensables pour le développement de services d’information. Aujourd'hui les capteurs spatiaux fournissent 80% des données utilisées par les services de Météo France. La communauté météorologique mondiale se coordonne pour l'acquisition et l'échange de données relatives à l'ensemble de notre planète. Dans le domaine de la prévision météorologique à moyen terme, on estime que les progrès considérables réalisés dans les 20 dernières années sont dus à parts égales aux progrès de l’observation spatiale opérationnelle et de la modélisation numérique: c’est en particulier grâce aux satellites météorologiques que la qualité des prévisions est désormais aussi bonne dans l’hémisphère sud, mal observé par ailleurs, que dans l’hémisphère nord. L’observation spatiale et les systèmes de collecte de données comme Argos ont révolutionné l’océanographie en créant les conditions du développement de l’océanographie opérationnelle en temps quasi-réel à l’échelle globale, et en repoussant les limites des seules techniques « terrestres ». Dans toutes ces disciplines le satellite est devenu un outil indispensable, utilisé de concert avec l’observation in situ et la simulation numérique. L’évolution des techniques de prévision à courte échéance (3 heures à 48 heures) est également déterminante
L’analyse des besoins et des priorités réalisée par Eumetsat et les Services météorologiques européens montre que la prévision immédiate (de quelques minutes à 3 heures) restera la mission prioritaire des satellites en orbite géostationnaire, compte tenu de leur capacité unique de prise d’images répétitives (quelques minutes) et immédiatement superposables. La mission d’imagerie rapide reste donc prioritaire, avec des exigences accrues en termes de fréquence de prise de vue, de diversité multispectrale et de résolution au sol, afin de permettre une caractérisation meilleure et plus précoce des phénomènes dangereux, et une intégration avec les observations des réseaux de radars météorologiques.
A cet effet, l'Europe vient d'initialiser le développement de la future génération de satellites géostationnaires "Meteosat 3e génération" (4 MTG Imageur et 2 MTG sondeur) dont les premiers lancements sont prévus respectivement en 2017 et 2019. Les satellites imageurs MTG-I ont des performances accrues par rapport à MSG. Ils emportent aussi un Imageur d'éclairs pour localiser les activités orageuses. Les satellites sondeurs
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MTG-S ont pour missions respectives l'observation de la dynamique de l'atmosphère par sondage vertical IR, (meilleure connaissance des vents) et l'analyse de la composition chimique de l'atmosphère.
Dans le domaine de l’orbite basse, les satellites MetOp, lancés à partir de 2006, constituent un progrès décisif, avec des capacités de sondage nettement améliorées, qui devraient continuer à améliorer la qualité des prévisions à moyenne échéance.
A noter par ailleurs que des stations sol de réception GPS sont déjà utilisées pour des mesures d'humidité le long des trajets entre les satellites GPS et des stations sol de mesure.
A noter aussi que les progrès technologiques dans le domaine des LIDARs embarqués permettent aujourd'hui le développement de deux missions "Explorer" (scientifiques) de l'ESA: ADM Aeolus (mesure de profil des vents par Laser le long de la direction d'émission) et EarthCare (mesure verticale des profils de nuages et d'aérosols par laser). Les lancements sont prévus respectivement en 2011 et 2013. L'une des faiblesses actuelles dans l'utilisation des informations météorologiques par l'aéronautique réside dans le faible échange de données entre les centres météorologiques et les avions. L'utilisation des données météorologiques se fait encore essentiellement au sol au moment de la préparation du vol avant le décollage. L'envoi de données météorologiques "fraîches" vers les avions en cours de vol par des moyens de communications terrestres et/ou spatiaux se heurte encore à une impression générale des compagnies aériennes que les offres de services de communications à large bande sont insuffisantes et trop onéreuses pour ce type d'application.
Des études sont en cours en Europe pour évaluer différentes options d'échanges de données météorologiques entre "sol et cockpit" et d'affichage des données à bord, en tenant compte des contraintes sur les débits de données et donc sur les coûts. Ces études pourraient mettre en évidence l'intérêt de ce type d'échanges, y compris le recueil en temps réel par les centres de météorologiques au sol des données recueillies à bord des avions.
2.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE ET AUX PASSAGERS
Sécurité, Télé surveillance et Assistance au contrôle de l'avion
De réflexions sont en cours dans le monde de l'aéronautique sur les moyens de garantir l'accès aux données de type "boites noires" même dans les cas d'accidents où celles-ci ne sont pas récupérables. Il est techniquement possible de rapatrier à fréquence élevée des données de télémesures concernant l'avion, mais la recherche d'efficacité économique impose encore une réflexion sur le besoin (contenu et fréquence des télémesures selon les évènements), ainsi que sur les moyens de communications les plus adaptés pour cette transmission.
Plus généralement la question d'une forme de télé surveillance de l'avion en parallèle ou en complément de celle effectuée par l'équipage est posée.
Pour un horizon un peu plus lointain, d'autres réflexions sont en cours sur l'automatisation de certaines fonctions de contrôle de l'avion en faisant appel, au moins pour certaines d'entre elles à des suivis et/ou des interventions possibles depuis le sol.
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Télé-médecine : Assistance médicale à bord des avions
L'aéronautique transporte environ deux milliards de passagers par an avec une moyenne de 2000 km par passager. On compte 1 incident médical par 20 000 passagers et un déroutement pour raison médicale par 1 000 000 de passagers. Plus de 35% de ces déroutements sont non justifiés à posteriori (source Air France). Le coût d'un déroutement varie entre 150 K€ et 700 K€ (dédommagement passagers et rachat de billets inclus pour un vol A 340-600 de 12 heures).
La mise en oeuvre de la télé médecine sous la forme de télé consultation via les satellites Inmarsat a été testée en conditions réelles en 2001 et 2002 à bord d'avions long courrier de type Airbus A340. Les données médicales étaient exploitées au niveau de la console de réception à la régulation du SAMU de Paris à l’Hôpital Necker. En dépit du succès des multiples tests effectués, la mise en œuvre opérationnelle des services de télé médecine n'a pas encore été décidée jusqu'à ce jour par les compagnies aériennes, apparemment parce que les coûts de formation et de maintien de compétence du personnel navigant, pour la fonction de "Correspondant médical de bord" ont été jugés trop élevés. Il semble en outre que les questions juridiques (responsabilités du personnel, des compagnies …) doivent être approfondies. Enfin les capacités de support sol constituent une autre limitation potentielle à la mise en oeuvre à grande échelle.
On note cependant que plusieurs compagnies aériennes ont décidé d'équiper leurs avions long-courriers avec du matériel de télé médecine.
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3. AXES D'INVESTIGATIONS POSSIBLES POUR ÉLARGIR LE CHAMP D'APPLICATION DU SPATIAL À L'AÉRONAUTIQUE
A l’horizon 2050, le niveau d’utilisation des technologies spatiales par l’aéronautique sera beaucoup plus important qu'aujourd'hui compte tenu de l'intérêt d'accroître les échanges de données pour la surveillance, la sécurité, l'optimisation des trajectoires,... Cependant ce niveau d'utilisation dépendra largement de la volonté des institutions de supporter le développement ou l'adaptation de moyens pour répondre aux exigences spécifiques de l'aéronautique notamment le haut niveau de disponibilité et d'intégrité. En effet, même les coûts d'adaptation de moyens partagés peuvent s’avérer trop élevés pour être supportés par l'aéronautique sur une base purement commerciale.
Ainsi l’Espace offrira de plus en plus d’opportunités techniques pour l’amélioration de l’aéronautique, qui seront utilisées ou non selon le contexte économique et les règles mises en place par les Etats souverains.
Les évolutions rendues possibles grâce aux apports du spatial et les moyens à mettre en œuvre pour les favoriser sont analysés dans ce chapitre 3.
En prolongement de la création et de la densification des réseaux terrestres, une évolution prévisible majeure de l'aéronautique consiste en la mise en réseau des avions (dans toutes les phases de vol), avec les Centres du contrôle aérien, les Centres de service météorologique aéronautique et les Centres d’opérations des compagnies aériennes pour former un système d'information Air/Sol/Espace. Ce système pourra bénéficier des services des systèmes de navigation par satellites et de leurs augmentations, des réseaux de communications par voie terrestre ou par satellites, de météorologie (générale), des systèmes d'observation de la Terre (avions et satellites), etc. ... Ce système global devrait être utilisable au niveau mondial sur tout type d’aéroport, avec tout type d’aéronef, y compris les drones commerciaux. Dans ce concept, les aéronefs eux mêmes fournissent ou consomment de l’information pour la gestion -au sens large- du trafic aérien (ATM). Les informations échangées sont de divers types y compris celles relatives aux opérations aéroportuaires. C'est l'aboutissement du concept SWIM (System Wide Information Management) de l’OACI et SESAR dans lequel la gestion de l’information est définie globalement et non individuellement pour chaque sous-système ou chaque interface.
3.1 TÉLÉCOMMUNICATIONS
Une des leçons tirée du précédent projet gouvernemental de télécommunications par satellite pour l'aéronautique est que l'utilisation de satellites, en complément des réseaux terrestres, pour les communications critiques et non critiques de l'aéronautique, bien qu'apparemment naturelle en raison de ses potentialités, ne peut se faire de façon importante que si les coûts d’achat d’installation et d'utilisation des systèmes spatiaux sont suffisamment bas. A cet égard il faut que le secteur de l’aéronautique soit
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extrêmement critique vis-à-vis de toute exigence spécifique qui peut contribuer à faire augmenter sensiblement les coûts.
Futurs besoins et exigences
Les offres de service pour les télécommunications critiques de l'aéronautique doivent répondre à des exigences de pérennité, de compétitivité, et de continuité de service -même en cas de panne simple d'un élément du système.
Les échanges de données de positionnement correspondent à des messages de faible taille répétés idéalement avec une périodicité pouvant atteindre quelques secondes. La continuité et l'intégrité de ces échanges, y compris au dessus des espaces aériens océaniques ou isolés, deviendra une exigence dès que le coût d'équipement des avions et des communications par satellite sera jugé acceptable par les compagnies aériennes. Il en est de même pour le transfert de certaines données enregistrées aujourd'hui dans les enregistreurs de vol et qui sont les plus pertinentes pour faciliter les enquêtes lorsque les "boites noires" ne peuvent pas être récupérées après accident.
Les communications critiques (ATM) représentent un faible volume de données par rapport à aux communications passagers (APC) et aux échanges relatifs au trafic, à la météorologie et à la gestion des vols (AOC).
Certaines études en cours en Europe devraient permettre d'évaluer différentes options d'échanges de données météorologiques entre "sol et cockpit" avec des débits de données relativement limités en vue de faciliter la mise en œuvre avec des moyens spatiaux existants ou prévus. Une période de réactualisation des données météorologiques transmises par le sol vers l'avion, de l'ordre de 30 mn semble suffisante même dans les cas les plus critiques.
L'existence de moyens de communications fera apparaître d'autres besoins que ceux liés au trafic et à la météorologie. Ainsi, dans le projet SWIM cité plus haut, l'accès au réseau serait ouvert à tous les acteurs de l’ATM: compagnies, équipages de conduite, aéroports, services ATC etc , .). Pour les fonctions non critiques l'intégration de SWIM à bord des avions ne pose pas plus de problème que l'accès à Internet pour les passagers, ce qui suppose cependant une liaison de données performante. Pour les applications critiques, la satisfaction des exigences de qualité de service, passera par un réseau de communications ou des adaptations spécifiques.
Évolution de la capacité des systèmes de télécommunication spatiales
Il n'y a pas de difficulté technique majeure à concevoir des systèmes spatiaux appropriés pour les communications aéronautiques (y compris les communications critiques) sur la base des technologies existantes.
La tendance générale des satellites de télécommunication –fixe et mobile- est à l’augmentation de capacité en nombre d’utilisateurs et en débit des liaisons et à l’allègement des terminaux qui deviennent plus petits, moins puissants, et moins chers.
Les premiers satellites de communication avec les mobiles tels MARECS - ex. MAROTS - lancé en 1981, avaient des antennes de l'ordre de 2m de diamètre alors que les satellites lancés ou en construction tels que
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Alphasat, et Terrestar ont des antennes de 15 à 18 m de diamètre. Avec une puissance d'émission élevée, les antennes actuelles rendent possible les liaisons haut débit vers de petits terminaux.
Ces évolutions permettent au secteur aéronautique d'équiper progressivement à moindre coût (installation initiale + utilisation + impact de l'augmentation de la traînée aérodynamique …) un plus grand nombre d’appareils. Le volume de communications aéronautiques via satellite, qui représente aujourd’hui annuellement un chiffre d'affaire de l’ordre de 80 M$ (pour l'ensemble des communications passagers, compagnies et contrôle du trafic aérien), devrait ainsi continuer à augmenter.
Système spatial dédié versus systèmes commerciaux pour les communications critiques de l'aéronautique
Il est possible de tirer avantage dès maintenant de l'existence simultanée de différents systèmes spatiaux commerciaux pour progresser dans l'utilisation des communications mobiles par satellite pour les communications critiques de l'aéronautique. Mais le niveau encore important des coûts d'équipement des avions (quelques centaines de millier d'euros pour l'installation d'un terminal sur un avion) et dans une certaine mesure des coûts d'utilisation des services, et surtout le besoin de garantie de pérennité des systèmes et des services justifie une approche prudente avant toute dépense importante d'équipement.
Une comparaison globale doit être faite entre les approches basées sur l'utilisation, avec une adaptation minimum, de systèmes de communications commerciaux et les approches basées sur des systèmes plus ou moins dédiés à l'aéronautique. La complémentarité des systèmes utilisés en Europe et dans les autres parties du monde est aussi l'un des critères à prendre en compte. Par ailleurs les moyens de communications sécurisés gagneront d'autant plus en efficacité qu'ils seront adoptés par un grand nombre d'aéronefs y compris les futurs drones de transport et d'observation. Le projet IRIS à l'ESA a notamment l'ambition, dans la phase d'études en cours à fin 2010, de comparer les solutions reposant sur la mise en place d'un système spatial dédié et celles prévoyant l'utilisation de systèmes commerciaux (non dédiés) pour la couverture du continent européen avec extension possible sur des zones océaniques. Bien évidemment cette étude ne peut-être convaincante que si un consensus a été obtenu au préalable sur les besoins et particulièrement sur la couverture prioritaire (zone continentale européenne seule ou ensemble zones continentale et océanique), et si tous les aspects de coûts et de prise en charge sont traités pour la comparaison.
Dans l'option basée sur l'utilisation de systèmes commerciaux avec un protocole adapté, le système Inmarsat a été choisi comme référence de départ. Ce choix semble raisonnable si l'on considère les intérêts économiques et le pouvoir d'influence de l'Europe nécessaire pour assurer un certain niveau de garantie de la pérennité de service. Iridium est en effet un système coûteux qui n'a survécu il y a quelques années que grâce au soutien de la "défense américaine" et qui a besoin d'un client de référence majeur (que ne peut pas être l'aéronautique). Globalstar a lui aussi une histoire courte avec d'énormes difficultés de survie. De plus Globalstar, avec ses satellites non interconnectés et en orbites basses, n'offre pas les mêmes capacités de communication que Iridium ou Inmarsat au dessus des zones océaniques.
Cependant l'utilisation parallèle de plusieurs systèmes commerciaux (par exemple Inmarsat et Iridium) pourrait présenter un certain nombre d'avantages, tels que le maintien d'un certain niveau de compétition et la réduction des risques associés à l'arrêt brutal de l'un des services.
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Une des étapes critiques du projet IRIS sera la prise de décision pour le système retenu à la fin de la phase d'études en cours.
Le problème de l'accès aux fréquences pour les besoins à l'horizon 2050
Outre les besoins connus ou anticipés aujourd'hui pour les avions de transport, les télécommunications spatiales devront satisfaire une demande très importante d'échange d'informations pour le contrôle et l'acquisition des données recueillies à bord des drones d'observation notamment.
L’Union internationale des télécommunications régit au niveau international l’attribution des fréquences aux divers services. Le secteur aéronautique dispose d’importantes réserves « foncières », notamment en basse fréquence, mais ces réserves ont été un peu érodées ces dernières années sous la pression constante exercée au fil des ans sur le spectre de fréquences, notamment en dessous de 3 GHz pour des applications mobiles grand public.
Il est important de préserver les bandes de fréquences aéronautiques compte tenu notamment de l’harmonisation existante au niveau mondial, qualité essentielle et primordiale pour la communauté aéronautique, difficile à obtenir dans d’autres bandes de fréquences.
Compte tenu de l'accroissement des besoins en bande passante, le spectre réservé aux satellites pour les communications aériennes dans les bandes L et C sera utilisé prioritairement pour les besoins critiques et pour les échanges de données hors passagers tandis que les liaisons passagers pourront faire appel aussi à des fréquences (non réservées aéronautique) notamment en bande Ku. Les compagnies aériennes, et les constructeurs, devront choisir entre les satellites de communication pour assurer les différentes liaisons avec les bandes de fréquences associées (L, C et Ku) et les antennes bord. Une certaine standardisation sera nécessaire. L'utilisation de communications optiques entre satellites et drones, pour les drones militaires d'observation voire aussi les drones civils, pourra elle aussi se développer. La faisabilité technologique des terminaux optiques et de leur mise en œuvre entre un aéronef et un satellite a déjà été démontrée.
3.2 NAVIGATION
Les nombreux développements de systèmes de navigation par satellites et/ou de leurs compléments terrestres en cours dans le monde, notamment pour l'ensemble des transports terrestres, maritimes et aéronautiques, semblent globalement garantir la pérennité à long terme de la navigation par satellites, Il est cependant probable que tous les systèmes de navigation actuellement développés ou en cours de développement ne seront pas maintenus en état opérationnel à long terme comme systèmes complets autonomes.
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Évolutions du service GNSS/SBAS
Outre les évolutions liées aux apports des développements en cours, certaines évolutions du service GNSS/SBAS à l'horizon 2050 porteront sur : - la sécurité des systèmes (puissance du signal, résistance aux brouillages et aux dégradations
volontaires ou non, durcissement par rapport à la menace terroriste telle que le leurrage) et d'une façon générale la performance de localisation.
- l'établissement d'accords internationaux de coopération concernant l'interopérabilité et/ou la complémentarité des systèmes de navigation eux mêmes (avec par exemple le souci d’assurer à moindre coût le service partout et en tout temps). A noter que de tels accords sont nécessaires dés aujourd’hui pour déployer les augmentations SBAS citées plus haut.
Certaines évolutions de performance seront vraisemblablement rendues possibles par des progrès technologiques (stabilité des horloges embarquées, antennes de réception actives,..) et par une augmentation progressive de la puissance d'émission et de la directivité des antennes des satellites. La complémentarité et l'interopérabilité au niveau des récepteurs des systèmes GPS et Galileo et potentiellement d'autres systèmes à couverture mondiale ou régionale, devrait assurer une densité du segment spatial utilisable à tout moment très satisfaisante pour le service à l'aéronautique. Il est important pour l'Europe de bien analyser les aléas des Services de navigation par satellites fournis à partir de GPS puis de GPS et Galileo pour adapter le plus vite et le plus efficacement possible les systèmes et les services au fil du temps.
L'importance des systèmes GBAS et/ou pseudolites
Il est probable qu'en 2050 les systèmes GBAS et/ou pseudolites permettront de répondre aux besoins de CAT III avec un coût compétitif par rapport aux systèmes MLS. Cependant il faudra probablement maintenir un sous ensemble des systèmes sol actuels (à un niveau de coût bien moindre qu'aujourd'hui) ainsi que quelques équipements de navigation en plus des récepteurs GNSS à bord des aéronefs.
La mise en oeuvre des systèmes GBAS n'améliorera pas la capacité des aéroports en conditions de visibilité normale, mais elle l’améliorera sensiblement en cas de faible visibilité en évitant le recours à des espacements accrus. Elle permettra aussi des évolutions dans les trajectoires d'approche (par exemple pour la réduction de bruit sur des zones habitées), et les plans de descente pour certains aéroports difficiles d'accès.
Les systèmes GBAS pourront aussi être utilisés pour la navigation des véhicules et avions sur les aéroports. Cette application demande une très haute précision de guidage horizontal en particulier en cas de brouillard, notamment pour les très gros avions dont la marge de manœuvre au sol est relativement faible et qui risquent de s’embourber facilement si le train principal sort du taxiway. La collision du avril 2011 entre un A380 et un Bombardier CR J700 sur l'aéroport JFK aux US illustre l'actualité du besoin.
La place de l'Europe dans les systèmes de navigation par satellites à l'horizon 2050 et le financement des futurs systèmes
A la situation de monopole du GPS aujourd'hui va succéder dès 2020 une situation de surabondance d'infrastructures spatiales qui conduira l'aéronautique à faire des choix. La place de Galileo dans les
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systèmes de navigation utilisés par l'aéronautique mondiale à l'horizon 2050 reste encore incertaine. Après la phase de développement et de mise en service des systèmes Galileo et Beidou, et de redéploiement de Glonass, une coopération/compétition "de fait" s'établira entre les quatre systèmes de navigation opérationnels dans les années 2020/30 pour le transport aéronautique tout comme le transport maritime international. Il est vraisemblable que progressivement, seulement un ou deux systèmes de navigation émergeront comme référence effective à l'échelle mondiale pour les applications civiles. Cette évolution pourrait être accélérée par l'internationalisation de certains systèmes se traduisant par une coopération internationale élargie, certains pays gardant éventuellement des compléments indépendants pour leurs applications gouvernementales.
L'Europe doit réussir le challenge de faire admettre durablement la crédibilité et la pérennité du système Galileo pour les applications civiles internationales, et établir les accords internationaux pour garantir la place de l'Europe dans les systèmes de navigation à l'échelle mondiale en usage à l'horizon 2050.
Une coopération plus étroite entre Galileo et GPS serait à terme une solution idéale pour l'Europe. Il faut donc éviter de la rendre impossible dans le futur, lors des choix techniques en cours, relatifs par exemple sur Galileo à la spécification du signal et à la performance des satellites.
L'utilisation des infrastructures spatiales de navigation par satellites restera probablement gratuite dans le futur (hormis les applications gouvernementales ou spécifiques) parce que le financement des infrastructures spatiales qui serviront effectivement de référence de navigation pour les diverses applications terrestres devrait venir des pays (ou groupes de pays) propriétaires de ces infrastructures. Dans le cas du GPS aujourd’hui la valeur du service rendu par le positionnement par satellites et le chiffre d'affaire additionnel aux US sont largement supérieurs au coût de maintien en service du système. La richesse générée se traduit par des taxes et impôts dont une fraction permet de financer le maintien du système.
A l’inverse, les infrastructures complémentaires au sol spécifiques pour l'aéronautique devront être financées par les utilisateurs soit totalement soit au prorata de l'usage, en remplacement des NAVAIDS d’aujourd’hui (comme c’est aujourd’hui le cas pour le réseau sol mis en place en France par les géomètres).
La navigation par satellite : moyen primaire ou moyen unique en 2050 ?
Grâce à la disponibilité des infrastructures spatiales et des augmentations régionales et locales, la navigation par satellite deviendra un moyen primaire pour les avions, en lieu et place des moyens de radio navigation basés au sol (VOR, NDB, DME, ILS, MLS). Cependant la robustesse des systèmes spatiaux face aux brouillages, aux perturbations volontaires ou naturelles et aux pannes génériques (voir chapitre 2.2.6) ne pourra probablement jamais être démontrée avec un niveau de confiance absolue. Pour des raisons de sécurité, la navigation par satellite sera donc complétée pour l’aviation commerciale par des instruments distincts reposant sur des principes différents et non susceptibles d’être affecté en même temps que les systèmes par satellites. Une hybridation récepteur « satellites », INS (Gyromètres, accéléromètres) et baromètres pourrait assurer la fonction de navigation dans des conditions de sécurité, fiabilité, performance et coûts compatibles des besoins de l’aviation commerciale.
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3.3 SURVEILLANCE
La mise en place de plusieurs moyens complémentaires de surveillance sera utile, sinon nécessaire, y compris sur les zones océaniques ou isolées, afin de couvrir les différents besoins (surveillance coopérative ou pas) et les différents cas d'équipement d'avions.
Surveillance dépendante coopérative
L'un des moyens les plus directs pour améliorer le suivi des avions consiste à augmenter la fréquence du report de position. Ceci sera possible y compris en zones océaniques avec le développement des communications par satellites. A titre d'exemple l'utilisation du service Swiftbroadband d'Inmarsat avec un protocole adapté aux besoins des communications critiques et/ou l'utilisation du service aéronautique d'Iridium (constellation actuelle) ou Iridium Next (en développement), devrait permettre une augmentation de la fréquence des reports, en faisant une hypothèse vraisemblable de réduction des coûts d'utilisation. (Voir aussi le chapitre 3.1 Télécommunications).
Les informations transmises depuis les avions lors des reports de position pourraient inclure certains des contenus des enregistreurs de vols (« boîtes noires »). L'une des voies explorées pour minimiser les coûts de télécommunications consisterait à ne transmettre ces paramètres que dans circonstances particulières, telles que des variations anormales de certains paramètres de l'avion ou la détection d'une situation météorologique exceptionnelle.
L'utilisation des techniques de communication tirant avantage de la connaissance précise du temps sur les mobiles grâce à la navigation par satellites (GPS aujourd'hui), pourrait aussi être envisagée pour le suivi des avions en zones océaniques avec une constellation dense de microsatellites en orbites basses et des liaisons en VHF (Very High Frequency).
Surveillance indépendante coopérative
Le principe de localisation envisagé pour le système Cospas-Sarsat à partir des satellites en orbites moyennes comme Galileo, pourrait être appliqué à une localisation des avions en vols, à condition que les performances obtenues soient compatibles avec les exigences exprimées pour les systèmes de surveillance par l’OACI. Il est donc théoriquement possible d'utiliser le même principe pour un nouveau système de surveillance indépendante du trafic.
Surveillance indépendante non coopérative
La surveillance indépendante non coopérative répond prioritairement à des besoins de police et de défense. Sa mise en œuvre au dessus de certaines zones océaniques ou isolées peut présenter un intérêt pour le suivi d'avions pilotés ou non, coopératifs ou égarés, notamment en cas d'accident ultérieur. Avec le développement des avions sans pilotes (drones), elle peut aussi présenter un intérêt pour la vérification du respect de la réglementation, comme cela se fait dans certains cas avec les bateaux.
La faisabilité d'une telle surveillance à l'aide des techniques spatiales transposées des techniques "radar" utilisées au sol pourrait être analysée. Pour des raisons de puissance d'émission et de niveau de réception, l'utilisation de techniques "radars mono statiques" n'est envisageable aujourd'hui qu'avec un nombre
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important de satellites en orbites basses si l'on veut assurer une bonne couverture géographique et temporelle. L'analyse de faisabilité pourrait inclure les approches multi-statiques avec des sources radiofréquences au sol (émission transhorizon) ou à bord de quelques satellites "actifs" et des réceptions depuis l'Espace à l'aide d'une constellation suffisamment dense de petits satellites passifs.
On pourrait aussi étudier quels progrès technologiques rendraient possible, à l'horizon 2050 le développement d'un système d'observation semi passif où les signaux émis par les satellites de navigation constitueraient "naturellement" la partie active de systèmes radars multi statiques.
3.4 RECHERCHE ET SAUVETAGE (SARSAT)
Les systèmes spatiaux mis en œuvre pour la recherche et le sauvetage bénéficient aujourd'hui d'une expérience de plusieurs décennies. Les évolutions significatives prévues après le déploiement notamment de Galileo vont renforcer la capacité et l'efficacité du service "recherche et sauvetage".
Ces évolutions permettront peut-être aussi d'activer une fonction de surveillance sur simple alerte alors même que l'avion est encore en vol.
La mise en service avec la fonction "SAR" de Galileo d'une voie retour permettra l'envoi d'un accusé de réception vers l'initiateur d'un appel de détresse. Bien que non encore normalisée par l'OACI ou l'OMI, cette voie retour devrait contribuer à améliorer la survie des "personnes en détresse" en les mettant dans une situation d'attente positive des secours. D'autres utilisations sont envisageables, telles que:
- la détection de fausses alertes,
- la redondance de la fonction de surveillance dans le cas exceptionnel d'une défaillance de cette fonction,
- l'activation de la balise de l'aéronef par un centre de surveillance au sol - en complément de l'activation automatique à bord - en cas de circonstances jugées dangereuses.
Les diverses utilisations possibles de cette voie retour doivent être analysées le plus rapidement possible pour permettre, le cas échéant, l'implantation à moindre coût des adaptations matérielles et logicielles des charges utiles SAR de Galileo et des nouvelles balises.
Pour les évolutions à plus long terme de la fonction Recherche et sauvetage, l’utilisation de techniques de transmission de signal numérique plus avancées est suggérée.
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3.5 RECUEIL DE DONNÉES POUR LES SERVICES À L'AÉRONAUTIQUE
Données numériques de terrain et d'obstacles utilisées pour la conception des procédures à suivre par les aéronefs
L'exigence de "fraîcheur" (quelques jours à quelques semaines) est importante pour les données numériques de terrain et d'obstacles utilisées par l'aéronautique pour les vols à proximité des aéroports. Cette exigence est partagée avec beaucoup d'autres domaines d'application notamment pour le suivi de processus dynamiques (par exemple suivi du trafic autoroutier autour des centres urbains) ou la détection d'évolution (détection de changements) de scènes normalement statiques (par exemple: détection d'intrusion ou d'actions illégales). L'Espace devrait permettre de répondre progressivement à de tels besoins au moyen de systèmes d'observation de la Terre optique et radar à haute résolution avec une capacité de revisites fréquentes voire une observation quasi continue de zones pré-désignées et une retransmission instantanée de données vers les utilisateurs.
Avant 2050, plusieurs systèmes pourraient être développés et mis en œuvre, les uns fournissant des services dans la continuité des systèmes actuels, mais avec des possibilités d'acquisition "d"images fraîches" quasi instantanée, les autres permettant un contrôle visuel en temps réel des scènes à évolution rapide avec pilotage interactif par les utilisateurs du système d'observation. D'autres systèmes encore pourraient assurer des fonctions d'analyse automatique des "changements" par rapport à des scènes mémorisées, pour la "surveillance" civile de zones, sites, ou infrastructures". L'une des spécificités des ces derniers systèmes serait le traitement de données à bord des satellites sans transmission systématique d'image au sol. En cas d'alertes seules certaines données d'évolution ou des mini scènes pourraient être transmises sans délai.
Certains experts du "Spatial" envisagent d'initialiser des activités de recherche et développement portant sur les traitements d'images embarqués pour l'observation de changement, en considérant les différentes catégories d'applications potentielles.
Les nouveaux concepts de systèmes d'observation de la Terre par satellites deviennent réalistes grâce notamment aux évolutions en cours des technologies et des performances relatives à "l'agilité", la précision de pointage et de localisation, la capacité de calcul et de mémoire embarquée et l'efficacité des algorithmes de traitements d'images et des logiciels de calcul parallèle.
Nota: L'acquisition de données numérique de terrain et d'obstacles autour des aéroports par des moyens aéronautiques restera peut-être, à l'horizon 2050, le moyen le plus économique pour satisfaire les exigences les plus fortes de fraîcheur de données. Il s'agit ici d'analyser les capacités potentielles du Spatial à cet horizon pour ce type de besoin afin de permettre une comparaison objective.
Détection d'obstacles aux abords des aéroports
Les plans de servitude imposés aux abords des aéroports protègent la sécurité des trajectoires définies pour les avions et la qualité des transmissions radioélectriques entre les équipements au sol et les avions. La collecte des données de terrain autour des aéroports et la détection d'obstacles imprévus (à titre d'exemple
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la détection des grues ou d'éoliennes qui pourraient être installées rapidement sans autorisation et sans respect des plans de servitude), correspondent à des besoins réels problématiques qui peuvent sur certains aéroports nécessiter le rafraîchissement ou la vérification de l'information tous les quelques jours.
Aide au pilotage à vue
La "vision renforcée" grâce à l'apport de données de terrain actualisées et restituées avec un rendu réaliste peut constituer un apport au pilotage des avions en vols IFR (Instrument Flight Rules) en cas de mauvaise visibilité aux abords des aéroports.
L'exigence de "fraîcheur" des données de terrain, au moins pour certaines classes d'application, ramène aux types de problèmes et donc aux types de solutions potentielles évoquées ci-dessus.
Données de météorologie et d'environnement
Les apports de l'Espace pour l'observation météorologique sont très importants à l'échelle globale et régionale. Les mesures météorologiques faites par les avions eux-mêmes sont importantes au niveau local. Un bénéfice important peut être tiré des échanges de données entre avions et centres de météorologie pour obtenir la meilleure prédiction locale et régionale. L'un des axes importants de progrès dans les prochaines décennies concerne la rapidité de transfert des observations météorologiques depuis l'acquisition des données brutes jusqu'à la réception par les centres de traitements ainsi que la rapidité de transfert des prévisions depuis les centres de traitement météorologiques jusqu'aux postes de pilotage des avions au cours des vols. Un autre axe important de progrès est, d'une part, la définition et l'utilisation de nouveaux instruments et de nouveaux moyens d'observation et, d'autre part, la définition et la mise en œuvre des traitements des données de la dernière génération d'instruments en orbite (par exemple: Utilisation potentielle de l'instrument IASI pour la détection de phénomènes convectifs).
Le développement des techniques et moyens d'observation depuis l'espace permet aussi des progrès importants dans la connaissance de l'environnement et des impacts de l'aéronautique. Il est nécessaire de poursuivre les travaux permettant de tirer le meilleur parti des mesures disponibles et de définir en étroite collaboration entre le secteur spatial et les laboratoires de recherche, de nouveaux instruments ou systèmes d'observation..
La rapidité d'accès aux données météorologiques par les centres de traitement
L'accès aux données d'observations recueillies par les satellites en orbite géostationnaire est quasi instantané. Par contre pour les satellites d'observation en orbites basses de type "METOP", il s'effectue actuellement avec un retard moyen de 135 mn. Il serait possible, à l'aide de technologies spatiales déjà maîtrisées, de réduire de façon opérationnelle ce temps d'accès pour les futures générations de satellites en orbites basses à moins de 30 mn.
L'accès en temps réel aux données d'observations météorologiques à bord des avions (AMDAR) est possible actuellement y compris sur les zones océaniques ou désertiques grâce aux communications par satellite.
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La rapidité d'accès aux cartes et prévisions météorologiques par les pilotes
L'accès aux prévisions météorologiques "fraîches" et suffisamment détaillées doit permettre aux pilotes de prendre les meilleures décisions face aux risques météorologiques en cours de vol. L'échange de données entre les centres de météorologie et les avions pourra être largement développé grâce aux moyens de communication à haut débit déjà ou bientôt disponibles. Un délai d'échanges limité au maximum à une trentaine de minutes lors de conditions météorologiques critiques, semble raisonnable.
Une capacité de traitement embarqué à bord des avions permettrait de fusionner les données météorologiques brutes recueillies en continu directement par l'avion avec les données élaborées par les centres météorologiques et transmises de façon intermittente à l'avion. Un compromis doit être trouvé entre le volume du traitement effectué à bord et la fréquence de transfert des cartes et prévisions météorologiques du sol vers l'avion,
L'utilisation des données d'observations actuelles et potentielles
La mise en œuvre des satellites MTG (Météosat 3ème génération) et ultérieurement de missions opérationnelles utilisant de nouvelles technologies d'instruments spatiaux devrait notamment permettre d'améliorer dans les prochaines décennies la caractérisation de l'indice de risque de givrage, de l'activité convective intense (super cluster), des nuages de particules (cendres, fumées, sable), et des activités orageuses (éclairs, grêle).
Parmi les concepts nouveaux d'instruments, le "lidar Doppler" pour les profils de vent (vent radial) et le "radar Doppler" pour le vent vertical sont très prometteurs pour la caractérisation de la dynamique de l'atmosphère qui intéresse particulièrement l'aéronautique.
Des études sont nécessaires pour évaluer le meilleur parti à tirer des données qui sont déjà disponibles (Applications) ou qui seront disponibles (recherche) d’ici à 2020, pour mettre en place les méthodologies et pour les valider.
3.6 FONCTIONS D'ASSISTANCE À L'ÉQUIPAGE ET AUX PASSAGERS
Sécurité, Télé surveillance et Assistance au contrôle de l'avion
Avec l'établissement de liaisons à haut débit fiables, disponibles, protégées contre les intrusions, et avec des délais limités à quelques centièmes de secondes en phase de décollage, approche et atterrissage et à quelques secondes "en route", la télé surveillance des paramètres critiques de l'avion et l'assistance à l'équipage deviendront possibles.
La capture directe dans une mémoire extérieure à l'avion de données de types "boites noires" consultable en cas de besoin est une première étape d'amélioration, à posteriori, de la sécurité aérienne puisqu'elle permettrait d'augmenter l'exhaustivité des analyses des circonstances d'accidents.
Une deuxième étape d'amélioration de la sécurité pourra être faite avec la mise en place d'une "télé surveillance" consistant en un suivi systématique plus ou moins continu des paramètres critiques de l'avion
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dans un centre d'assistance au sol. Une alerte automatique constituant une réplique de celle de l'avion pourrait déclencher l'intervention d'experts au sol pour communiquer avec l'équipage et l'assister le cas échéant. Une telle assistance peut évidemment aussi être demandée par l'équipage.
Avec le développement de drones de transport, le pilotage d'aéronefs depuis des stations au sol (avec un niveau d'automatisation important à bord), deviendra une nécessité. Le pilotage d'avions de transport de passagers avec un nombre réduit de pilotes, voire sans pilote deviendra donc lui aussi techniquement possible, ce qui ne préjuge pas de l'acceptabilité d'un point de vue psychologique. Le pilotage d'aéronef depuis le sol impose des moyens de communication haut débit avec les niveaux de garantie suffisants. Le niveau d'automatisation du pilotage et donc les contraintes en volume et en délai de communications pourront varier selon les types de drones. Le niveau de garantie exigé pour les communications sera encore plus élevé si le pilotage depuis le sol d'avions avec passagers était envisagé.
Télé-médecine: Assistance médicale à bord des avions
Avec l’apparition des très gros porteurs (A380) et le vieillissement moyens des passagers, il devient opportun de ré-analyser l'intérêt de mettre en place un service de télé médecine par satellite à bord des avions.. Ce service serait à comparer au « Saint Lys radio » pour les navires.
Les apports attendus de ces services concernent la qualité du diagnostic de l’état médical d’un passager requérant assistance. Il en résulterait potentiellement un intérêt pour les passagers grâce à une meilleure qualité des soins d'urgence donnés à bord et un intérêt pour les compagnies aériennes grâce à une réduction du nombre total de déroutements et à une meilleure pertinence dans la prise de décision.
La mise en œuvre opérationnelle de la télé médecine à bord des avions nécessiterait au niveau technique :
1. la prise en compte du problème de la médicalisation en vol par les instances de l’aviation civile (ECAC, DGAC, OACI…),
2. la définition de protocoles de diagnostic et de soins sur une base scientifique avec une meilleure connaissance des problèmes,
3. Une interface système de Télé Médecine/système avion évolutive dans les flottes et dans le temps. Il reste aussi à résoudre les questions de formation des personnels et de responsabilité juridique.
Il faut noter que les déroutements et l’appel au médecin passager ne disparaîtraient pas avec le développement de la télé médecine à bord.
Aide aux opérations des compagnies aériennes
La densification des échanges de données entre le sol et l'avion, notamment pour les vols longs-courriers permettra aux compagnies aériennes d'améliorer l'efficacité de la gestion des vols tant du point de vue de la durée des opérations de maintenance aux escales que de l'optimisation des plans de vols et des trajectoires pendant le vol.
La télémesure en cours de vol, de paramètres et de données propres à l'avion et à son équipement permettra aux compagnies aériennes de planifier les opérations de maintenance à mener aux escales suivantes (disponibilité du personnel, du matériel et des équipements de rechange). L'enregistrement
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d'événements et d'évolutions apparus au cours du vol permettra un suivi personnalisé de l'avion et donc une meilleure gestion des divers niveaux de vérification et de maintenance.
Le transfert de données météorologiques pour l'optimisation de trajectoires (hors conditions météorologiques dangereuses) et de données de trafic aux abords des aéroports permettrait aux pilotes de mieux gérer l'utilisation des ressources énergétiques et donc les intérêts économiques des compagnies aériennes
Suivi des doses de radiation reçues par les équipages
Les doses de radiation reçues par les équipages sont évaluées à partir de modèles tenant compte de l'activité solaire et validés par des mesures directes faites à bord des avions. En cas d'éruption solaire importante une cartographie spécifique est crée avec le support de spécialistes du soleil. Avec le développement d'une météorologie solaire bénéficiant des observations par satellites cette cartographie spécifique pourra être crée en quelques heures au lieu de quelques semaines aujourd'hui.
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4. ANNEXE 1 : LES SYSTÈMES ET LES SERVICES DE TÉLÉCOMMUNICATIONS MOBILES PAR SATELLITES
Les télécommunications spatiales représentent depuis l’origine le premier segment d’application des systèmes spatiaux. Le chiffre d'affaires global d'environ 65 Md€ en 2008 est surtout réalisé dans les applications à la télévision par satellites. Les communications avec les mobiles par satellites ne représentent environ que 2.6% de ce CA.
Cependant compte tenu des évolutions en cours, beaucoup considèrent en 2010 que les télécommunications avec les mobiles par satellites représentent un segment prometteur de marché que ce soit pour les communications vocales, le transfert de données ou même désormais les liaisons multimédia haut débit. Le nombre de terminaux de télécommunication par satellite devrait doubler entre 2009 et fin 2013.
Les télécommunications par satellites avec les mobiles sont nées il y a bien longtemps (Marisat lancé en 1976 – Marecs en 1981) et se sont développées principalement grâce à l’organisation internationale Inmarsat, organisation devenue aujourd’hui une société privée. Longtemps dédiées pour l’essentiel aux bateaux, ces communications font désormais une place croissante aux communications avec les mobiles terrestres et avec les mobiles aéronautiques.
A coté d’Inmarsat, divers systèmes spatiaux (Iridium, Globalstar, Thuraya, MTsat, MobileSat) ont été mis en place pour offrir des services de communications avec les mobiles. Ces systèmes sont présentés brièvement ci-après.
4.1 LES SYSTÈMES ET SERVICES COMMERCIAUX ACTUELS DE COMMUNICATIONS MOBILES PAR SATELLITES
Inmarsat
La création de l’organisation Inmarsat date de 1979. Sa première mission était d’assurer les liaisons vocales entre les navires en mer et la terre. D'autres applications ont peu à peu été développées.
Inmarsat dispose aujourd’hui d’une vaste flotte de satellites géostationnaires en orbite et en développement ainsi que d’une vaste base d’utilisateurs maritimes, terrestres ou aéronautiques.
Progressivement les satellites ont eu des performances accrues notamment en terme de diamètre d’antenne et de puissance d’émission autorisant un plus grand nombre d’utilisateurs, des terminaux toujours plus petits et des débits de liaison toujours plus grands.
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En 2050 on peut raisonnablement penser que ce système aura encore progressé sur ces mêmes bases et que sans doute de nouvelles gammes de fréquences telles que la bande Ka seront utilisées pour des services nouveaux tels que le multimédia très haut débit vers les mobiles.
Le chiffre d’affaires d’Inmarsat "Core Mobile Satellite Services" était en 2009 de 683 M$. La part relative aux télécommunications aéronautiques -plus de 10000 avions équipés- était en 2009 de 76 M$ environ soit 11 % du total et en croissance de près de 18 % par rapport à 2008. Le volume de ces communications aéronautiques se divisait en 5% pour la voix et 95% pour les données.
En 2010 Inmarsat dispose de 11 satellites géostationnaires de 3 générations Inmarsat 2 – 3 et 4 dont l’exploitation va jusqu’en 2025 environ. De nouveaux satellites Alphasat (en bande L) et Inmarsat 5 (en bande Ka) devraient être déployés à partir de 2012 -13 et 14.
Avec une antenne disposant d’un réflecteur de 9 m de diamètre illuminé par une source composée de 120 sources hélicoïdales, les satellites Inmarsat 4 offrent une couverture globale (telle qu’elle peut être vue depuis l’orbite géostationnaire) avec 19 faisceaux larges et 200 faisceaux étroits (spot beams).
Inmarsat Business highlights, 2009 Investor Day presentation, Aeronautics
Evolution des caractéristiques des satellites Inmarsat 2 – 3 et 4 Source : http://www.oosa.unvienna.org/pdf/pres/copuos2004/ind-01.pdf
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Inmarsat a commencé à fournir des communications avec les aéronefs au début des années 1990. Le système Aero H a ensuite été complété par une gamme de service plus complète qui conduit aujourd’hui à l’offre du dernier service, le SwiftBroadband (voix, données haut débit).
Les Services Inmarsat pour l'Aéronautique - . Classic services: Inmarsat's Classic range of aeronautical services supports high-quality voice, low-
speed data and safety communications
- . Swift 64 delivers high-quality voice communications, as well a range of in-flight data applications
- . SwiftBroadband is designed to meet the demand for more bandwidth across all areas of aviation - as well as delivering the same high-quality voice communications that are customary from Inmarsat. (Up to 432 kbps IP data per channel; multi channel systems)
SwiftBroadband supports both IP and circuit-switched applications, with a choice between contended services and data streaming on demand. It enables all key cockpit and cabin applications, including: telephony, text messaging, email, internet and intranet access, as well as flight plan, weather and chart updates.
Pour pouvoir utiliser les services de communication aéronautiques d’Inmarsat, l’avion doit être équipé d’un terminal (antenne + émetteur-récepteur + combiné téléphonique ou interface données …) dont plusieurs modèles homologués existent chez plusieurs fournisseurs. Tant que les satellites étaient relativement peu puissants et relativement petits, le terminal « avion » devait être de relativement grandes dimensions et ne permettait que des débits limités. Progressivement avec l’augmentation de capacité des satellites on peut voir une diminution de la taille des terminaux pour un même niveau de service.
Cette tendance générale aux télécommunications n’est pas spécifique des communications spatiales aéronautiques mais bien entendu revêt une importance particulière eu égard à la difficulté d’installation dans un avion de terminaux lourds et volumineux et eu égard à leur éventuel impact sur la traînée atmosphérique et donc au coût induit en carburant.
Exemple d’antennes « avion » pour les communications par satellites Inmarsat Système D'antenne à Grand Gain Thrane and Thrane : terminal Aero-C
Source: http:/www.esterline.com/ProductsServices/Aviation/Communication
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Iridium
La société Iridium dédiée principalement à l’offre de communication avec les mobiles terrestres offre également des solutions pour l’aéronautique.
Aujourd’hui en 2010 la constellation de satellites de première génération est en service et la deuxième génération de satellites (« Iridium Next ») est en cours de développement pour lancement à partir de 2015.
Terminal utilisateur Iridium en 2010
Le chiffre d’affaires 2009 d’Iridium se répartit en fonction des pays comme suit (données rapport annuel de la société Iridium) :
- Etats-Unis 47.6% ,
- Canada 14.8% ,
- Royaume Unis 10.1% ,
- Autres pays 27.5%
Les revenus 2009 d'un montant total de 76 MUS $ se répartissent comme suit:
- Services gouvernementaux 19,2 MUS $
- Services commerciaux 39,5 MUS $
- Vente d'équipement aux abonnés 17.3 MUS $
Thuraya
Thuraya est comme Iridium, Globalstar et Terrestar principalement orienté vers la communication avec les mobiles terrestres mais Thuraya offre également une solution aéronautique. La société Thuraya a été créée en 1997 et a commencé ses opérations commerciales à la mi-2001. Le satellite Thuraya-2 a été mis en orbite en Juin 2003, et Thuraya-3 en Janvier 2008. Le nombre d'abonnés était d'environ 250 000 en 2006.
Les satellites ont une antenne de 12m par 16 m.
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Zone de service de Thuraya cf. : http://www.phone-satellite.blogspot.com/ )
Thuraya's aeronautical (AviationComms) voice and data solution is based on its compact narrowband terminal that provides voice, fax and 9.6 kbps circuit switch data and GmPRS data at speeds of up to 60 kbps. Le terminal a une masse de 261 g pour l'antenne et 620 g pour le boîtier électronique
Thuraya is also utilizing its existing technologies to develop a broadband aeronautical solution which will be released soon. The broadband terminal besides supporting voice, circuit switch data of 9.6 kbps, and fax will also support broadband data of up to 444 kbps in Standard IP mode and up to 384 kbps in Streaming IP mode.
MTSat
Ce système a été développé pour le ministère du transport japonais. Ce satellite fournit des données météorologiques (dissémination de données) ainsi qu’un service de communication avec les mobiles.
Le lancement de MTSat 1 en novembre 1999 a échoué mais un deuxième satellite – MTSat 2- a été mis en orbite en février 2006.
Ce satellite géostationnaire de près de 3t au lancement dispose outre de la charge utile « météorologique », d’une charge utile de « télécommunications aéronautiques » compatible d’Inmarsat : 1 faisceau global + 6 faisceaux étroits (spot beams) en bande L (1,5 – 1,6 GHz).
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Couverture de MTSat Source: http://www.bom.gov.au/sat/MTSAT/MTSAT.shtml
Globalstar
La constellation Globalstar se place en concurrent plus ou moins direct d’Iridium. La deuxième génération de la constellation est actuellement en développement. Elle sera déployée à partir du dernier trimestre 2010 et comprendra 32 satellites.
Au 31 décembre 2009, Globalstar avait 391 000 utilisateurs. Les revenus pour 2009 sont de l'ordre de 50 M $ pour les Services et 14 M$ pour les ventes d'équipements
TerreStar (ex. Mobile satellite ventures)
Le satellite TerreStar-1 en construction actuellement a une masse de près de 7 t au lancement (Juillet 2009). Il dispose d’une antenne bande S de 18 m de diamètre. Il permet d’offrir une liaison de communication en bande S avec les mobiles terrestres sur le continent nord américain. Cette société est cependant actuellement « en restructuration » !
4.2 LE PROJET IRIS ARTES 10 DE L'ESA (AVEC SESAR JU)
Le programme SESAR envisage la possibilité d’utiliser des communications par satellites (données) dans les zones continentales à forte densité en complément des systèmes terrestres. En réponse aux besoins utilisateurs définis par SESAR Joint Undertaking, la Commission Européenne et l'ESA (ESA-EC Framework Agreement) ont décidé le lancement du programme ESA IRIS-ARTES 10 : "Air Traffic Management communications via Satellite" Une relation étroite a été établie entre l'ESA et la DG TREN Single European Sky Unit. L'ESA assure la définition et le développement d'un système spatial probatoire d'ici à 2016 et SESAR JU effectuera la validation "end to end" du Service.
Le coût des communications par satellites pour l'Aéronautique dépend du segment spatial, mais aussi (et peut-être surtout) d'autres éléments tels que les terminaux aéroportés (acquisition, intégration dans les aéronefs et exploitation), sans oublier un éventuel différentiel de sécurité et donc de coût lié aux accidents. Les travaux effectués dans le cadre du projet IRIS permettent de comparer les différents aspects: techniques, opérationnels, pérennité, sécurité et coûts avec deux types d'approches :
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- système dédié avec optimisation globale. Ce système dédié pourrait consister en des satellites spécifiques ou en des charges utiles spécifiques embarquées en complément d'autres charge utiles sur des satellites commerciaux. L'étude de cette option est surtout utile pour identifier les exigences qui ont le plus d'impact sur la complexité du système et les coûts associés (terminal utilisateur, segment spatial, segment sol et protocole de communication,
- système commercial Inmarsat en adaptant les éléments du service Aéronautique SwiftBroadband. L'étude porte sur l'analyse de faisabilité d'une adaptation de ce service pour répondre aux exigences de sécurité aéronautique COCR. L'étude de cette option est d'autant plus importante qu'il est probable que l'adaptation d'un système existant sera plus économique que le développement d'un système dédié.
Le projet mené sous la responsabilité de l'ESA est décomposé en 3 phases (spécifiques au projet IRIS)
- Phase 1 (avant 2010) : Définition des futures capacités du système, - Phase 2 (en cours) Définition du standard de communication, Développement ou adaptation du système
spatial et validation globale avec un sous ensemble de l'infrastructure d'utilisation du système, - Phase 3 : Vérification du système spatial après son lancement et Certification du système pré-
opérationnel (prévu en 2016). Support technique à la mise en place du système complet. Les "Pays Membres" qui financent à 100 % le projet IRIS dans le cadre l'ESA sont : l'Autriche, la France, l'Allemagne, l'Irlande, la Norvège, le Portugal, l'Espagne, la Suisse, le Royaume Uni, la République Tchèque et le Luxembourg. Le budget actuellement débloqué à l'ESA est de 40 MEuros (pour la phase 2.1).
Les études en cours sur le dimensionnement des antennes et de la charge utile des satellites permettront d'évaluer les coûts du segment spatial. Le besoin en débit (en bande L : 2x10 MHz) apparaît comme faible à l'horizon 2025 (mais la contrainte de disponibilité est forte)
4.3 LES COMPLÉMENTS VSAT (UTILISÉS EN COMPLÉMENTS AUX COMMUNICATIONS AÉRONAUTIQUES MOBILES)
Dans l'aéronautique les réseaux VSAT (Very Small Aperture Terminal) sont surtout utilisés dans les pays disposant d’une infrastructure sol de communication peu adaptée comme dans certaines régions d’Afrique ou d’Amérique du Sud. Ces VSATs sont reliés via des satellites de communication géostationnaires commerciaux, à couverture large, comme ceux des sociétés Intelsat, Eutelsat, SES, Astra et autres.
Les bandes de fréquences utilisées sont actuellement pour l'essentiel des bandes C attribuées aux services fixes par satellite, et qui offrent les meilleures caractéristiques de propagation dans les régions tropicales et équatoriales, et la bande Ku qui offre la possibilité de débits plus élevés.
. La DSNA exploite un terminal VSAT à St Denis de la Réunion raccordé au réseau de l’ASECNA et un à Cayenne raccordée à un réseau d’Amérique du sud. Des VSAT sont utilisés aussi en Polynésie, pour échanger des messages de contrôle et de positionnement sur le Pacifique Sud (espace aérien de Tahiti).
En métropole, les moyens classiques sont utilisés à l’exception de quelques échanges VSAT avec la Corse ou l’Outre-mer pour les communications fixes sol-sol.
Les réseaux VSAT sont devenus indispensables au développement du transport aérien pour les communications par satellite du service fixe dans les régions où les moyens de communications terrestres sont peu développés,. Il est regrettable néanmoins que ces développements se fassent sans aucune
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normalisation par l’OACI. Ainsi des réseaux couvrant des régions adjacentes et utilisant des satellites géostationnaires différents ou des modes d’accès incompatibles, ne peuvent communiquer entre eux directement.
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5. ANNEXE 2 : NAVIGATION PAR SATELLITES
La navigation par satellites repose sur le principe de mesures de la position en fonction du temps à partir de la détermination des distances entre un usager muni d’un récepteur et plusieurs satellites.
Les satellites des systèmes de navigation possèdent des horloges extrêmement précises ; ils émettent en permanence des signaux de temps ainsi que des informations sur leur propre position. Le récepteur du mobile reçoit les signaux des satellites avec des décalages temporels correspondant au temps de propagation entre chaque satellite et le récepteur.
Le récepteur, après avoir mesuré le décalage entre les signaux d’au moins quatre satellites, et en se servant de la position des satellites, peut calculer sa propre position dans l’espace tout en corrigeant l’information de temps fournie par sa propre horloge -en général moins précise que celle des satellites- à mieux qu’une microseconde près.
5.1 LES SYSTÈMES DE NAVIGATION GPS ET GLONASS
Les deux réseaux de satellites de radionavigation existant actuellement (GPS et Glonass) ont tous deux ont été conçus dans une optique d’usage militaire. Les systèmes américain GPS et russe Glonass ont en commun une couverture mondiale, assurée par une constellation de satellites à altitude élevée (environ 20000km), un signal de navigation transmis sur des fréquences porteuses autour de 1,5 GHz, un contrôle par un seul État (respectivement États-Unis et Russie), sous la responsabilité des forces de Défense. Ces systèmes ont utilisables par les utilisateurs civils mais avec des performances moindre que celle obtenues par les forces de défense.
Ils permettent à un utilisateur, partout dans le monde, de déterminer sa position, sa vitesse et de disposer d’un temps précis, mais aucun des deux systèmes (GPS et Glonass) ne fournit –au moins pour les civils- de message d’intégrité garantissant la validité des signaux.
Les principales différences sont la technique d’accès au message de navigation (balayage en fréquence pour Glonass, recherche de corrélation sur code pour GPS) et la dégradation de précision pour les utilisateurs civils du GPS, donnant une information de positionnement moins précise. Cette dégradation a été officiellement (décision de la Présidence des États-Unis) supprimée en 2000. Elle ne pourra pas être rétablie sur la série des satellites GPS III dont les lancements sont prévus à partir de 2014. La précision de position permise par l’utilisation d’un récepteur GPS se situe en civil entre 5 et 20 mètres actuellement. Les performances seront améliorées sensiblement avec GPS III (constellation de 30 satellites, nouveaux signaux civils et militaires). A noter que le gouvernement US estime que les taxes apportées par l’industrie du GPS suffisent à sa rentabilité, et n’envisage pas de rendre payant l’accès aux signaux.
GPS tout comme Glonass ont été officiellement offert à l'OACI pour l'utilisation gratuite par l'aviation civile internationale. L'OACI a normalisé l'utilisation des signaux GPS en rendant obligatoire le contrôle de
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l'intégrité au minimum par les récepteurs (contrôle RAIM seulement possible si au moins 5 signaux de navigation sont reçus simultanément). De nombreux pays dont la France autorisent officiellement l’usage de GPS dans l’aviation bien que le contrôle des signaux GPS leur échappe. Le gouvernement des Etats-Unis a publié un texte indiquant que l’usage du GPS est gratuit mais se fait aux risques et périls des usagers. Le système Glonass, complet en 1995 n'avait plus que 6 satellites en service vers fin 2000. La relance du programme décidée en 2001 permettra de disposer à nouveau de 24 satellites à fin 2011.
Les performances actuelles offertes par les systèmes GPS et GLONASS, bien que parfaitement adaptées à un certain nombre d’usagers, peuvent encore être insuffisantes pour certaines applications critiques notamment de l'aéronautique. Ces insuffisances concernent :
- La précision: l'incertitude sur la position estimée est excessive pour certaines applications même en l'absence de toute anomalie sur les satellites. C'est le cas notamment pour le guidage des avions dans le plan vertical lors des approches et atterrissage aux instruments.
- L'intégrité: Dans le cas de dysfonctionnement d'un ou plusieurs satellites (GPS ou Glonass), la détection et la notification ou la correction de l'anomalie peuvent nécessiter plusieurs heures pendant lesquelles le ou les satellites concernés peuvent émettre des informations erronées avec un impact direct sur les mesures.
- La disponibilité: Avec une constellation GPS nominale (initialement) limitée à 24 satellites, la visibilité d'un nombre suffisant de satellites dans des directions variées (assurant un bon facteur de "dilution de précision") n'était pas garantie à tout moment.
Diverses techniques et compléments comme les compléments régionaux (satellites géostationnaires) ou le compléments locaux (par exemple balises ) ont été conçu développés et mis en place pour pallier à ces éventuelles limitations de GPS.
L'Europe a défini une stratégie en 2 étapes pour pallier à terme ces insuffisances. L'étape 1 de GNSS (Global Navigation Satellite System) correspond au développement et à la mise en service du système européen EGNOS en complément de GPS et l'étape GNSS2 correspond au développement et à la mise en service de Galileo en parallèle de tous les futurs systèmes (GPS, Glonass, Beïdou,..) et de leurs compléments.
5.2 LE SYSTÈME GALILEO
Galileo veut être la véritable alternative à l’instauration d’un monopole de fait du GPS et de l’industrie américaine, et doit résoudre les problèmes institutionnels laissés en suspens par le GNSS1 (GPS et compléments régionaux) en tenant compte des évolutions ultérieures de GPS.
Galileo est conçu et élaboré sur une base civile tout en intégrant dûment les protections nécessaires en matière de sécurité. A la différence du GPS à vocation essentiellement militaire, Galileo offrira ainsi, pour certains des services proposés, les garanties juridiques de fonctionnement exigées par les sociétés modernes, en particulier en matière de responsabilité contractuelle.
Il est basé sur un concept et sur une technologie similaire à celle du GPS et offrira un degré de précision similaire, voire peut être supérieur en raison de la structure de la constellation de satellites et des systèmes terrestres de contrôle et de gestion prévus;
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Il permettra une "confiance" supérieure aux utilisateurs civils car il délivrera un « message d’intégrité» informant immédiatement (en moins de 6 secondes) l’utilisateur des erreurs qui apparaissent sur certains signaux émis. La mise en œuvre du service de" sûreté de la vie" prévu pour Galileo risque d’être retardée sensiblement, et l’ESA et la CE envisagent des solutions alternatives, comme l’utilisation des systèmes SBAS ou le concept A-RAIM (Advanced Receiver Autonomous Monitoring) utilisant l’ensemble de tous les satellites GNSS disponibles et pas seulement ceux d’une seule constellation.
Il constituera un véritable service public et offrira à ce titre une garantie de continuité de services pour certaines applications. A contrario, on a pu observer au cours des dernières années plusieurs exemples d’indisponibilité involontaire ou intentionnelle des signaux GPS, parfois sans préavis.
Le développement du programme Galileo, décidé par le Conseil de l’Union Européenne en mars 2002, devrait aboutir à une phase d’exploitation et de maintenance opérationnelle à partir de 2016. Le financement et l’organisation pratique de cette phase d’exploitation restent à décider au-delà de l’actuel cadre (perspectives financières 2007-2013).
La disponibilité simultanée des signaux GPS et Galileo est vue tant du coté GPS que de celui de Galileo, comme une opportunité pour sécuriser le service en augmentant le nombre de satellites utilisables conjointement. En conséquence : - l’utilisation harmonieuse des deux infrastructures (utilisation combinée) devrait apporter un réel avantage
en terme de précision et en terme de redondance en cas de défaillance de l’un des deux systèmes; - l’existence de deux systèmes indépendants, plutôt qu’un seul, devrait être hautement bénéfique, surtout
s'ils sont compatibles, pour tous les utilisateurs qui pourront recevoir les signaux GPS et Galileo sur un seul et même récepteur, en apportant une sécurisation supplémentaire.
Les récepteurs Galileo sont en cours de développement. De base ils sont combinés avec le GPS, car les deux systèmes ont des caractéristiques très proches (fréquence, forme d’onde, orbitographie,..).
Les services de base de Galileo
- Service Ouvert : Deux signaux gratuits, inter opérables avec les signaux ouverts de GPS (L1, L5). - Service Commercial : Applications commerciales et professionnelles ; les données seront cryptées ;
l’accès sera payant. ; Sauvegarde de la Vie : Applications critiques pour la sécurité de la vie : typiquement: Applications Aviation Civile
- Service Public Réglementé: Applications gouvernementales: police, secours, militaires… - Recherche et Sauvetage: Amélioration du service de localisation des balises de détresse Cospas-sarsat
5.3 L'INTEROPÉRABILITÉ DES SYSTÈMES GPS, GALILEO ET GLONASS
L’interopérabilité des systèmes de navigation pour les utilisations par l'aéronautique impose que les récepteurs puissent traiter tous les signaux ouverts normalisés par l’OACI des satellites des différentes constellations. Cela signifie que les bandes de fréquences sont très proches, voire identiques, ainsi que les modulations et les données transmises. L’idéal est d’avoir exactement les mêmes fréquences et les mêmes modulations et format de données.
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Le GPS futur, dit GPS III, en cours de développement, émettra 4 signaux à destination des utilisateurs civils :
- deux à la fréquence L1 (le signal L1 C/A actuel et le signal L1c nouveau, pas totalement inter opérable avec le signal ouvert de Galileo à la même fréquence : même rythme de code, même type de modulation, cadence de bits différente (50 bps pour GPS, 125 bps pour Galileo),
- . un à la fréquence L2 (signal L2c qui n'a pas d'équivalent sur Galileo)
- . et un à la fréquence L5 (qui correspond à la fréquence E5a de Galileo) pas totalement inter opérable avec le signal E5a : même rythme de code, même modulation, cadence de bits différente (50 bps pour GPS, 25 bps pour Galileo).
En outre, le service sûreté de la vie de Galileo est basé sur le signal E5b et non sur le signal E5a. (E5a = L5 = 1176.45 MHz ; E5b = 1207.14 MHz).
Aux US, la bande de +/- 10 MHz autour de la fréquence L5 sera libérée à terme des DME qui l’occupent pour être réservée au GPS L5. Les émetteurs qui utilisent cette bande (répondeurs sols DME) à titre primaire auront leur fréquence changée et risquent de venir en grand nombre dans la bande nécessaire autour de E5b, rendant son utilisation aux USA très difficile. Le contraire risque fort d'arriver en Europe, rendant l'utilisation de L5 très difficile.
De ce point de vue, l'interopérabilité n’est pas entièrement satisfaisante, en particulier pour l'aviation civile qui est le premier utilisateur prévu de ces signaux L5 - E5.
La Commission européenne a décidé de revoir le concept du service de sauvegarde de la vie de Galileo, et de le redéfinir de façon à améliorer son inter opérabilité avec les autres systèmes GNSS existants permettant le développement de récepteurs embarqués multi constellation.
5.4 LES AUGMENTATIONS RÉGIONALES OU SBAS (WAAS, EGNOS,..)
Les "SBAS" (Satellite Based Augmentation System) sont mis en place pour augmenter l'intégrité (contrôle du bon fonctionnement des satellites) , la précision (élaboration et diffusion d'un signal valable au niveau régional ou local, de correction des positions fournies par les satellites) et la disponibilité des signaux GNSS (création de sources de supplémentaires) sur de larges zones géographiques.
Chaque SBAS utilise un réseau régional de stations sol destinées à recevoir les différents signaux de navigation disponibles, à collecter des informations relatives à ces signaux et à les renvoyer vers un centre de traitement qui détermine les données d'intégrité et les corrections à prendre en compte par les utilisateurs du système dans la zone géographique considérée. Ces données et corrections sont ensuite diffusées par des satellites géosynchrones positionnés au dessus de la même zone géographique.
Aux États-Unis, le "WAAS" (Wide Area Augmentation System) a été développé à l'initiative de la FAA. Il est opérationnel depuis 2003. Il permet d’effectuer des LPV-200.
En Europe, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) réalisé par l’Agence spatiale européenne sous pilotage tripartite de la Commission Européenne, de l’ESA et d’Eurocontrol délivre le service "signal ouvert" depuis octobre 2009. Le système EGNOS comprend un segment sol et un segment spatial qui assurent les fonctions de:
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- calcul des corrections différentielles sur large zone (ECAC) et des données d’intégrité relative au GPS et à Glonass,
- et diffusion de ces informations vers les usagers à l'aide signaux de navigation supplémentaires à travers des satellites en orbite géostationnaire (Inmarsat, Artémis).
Le service "safety of life" permet l’utilisation des signaux EGNOS par l’aviation civile pour les vols de croisière, ainsi que pour le guidage des approches de précision, jusqu’à 250 pieds (LPV). Il est aussi prévu d’abaisser la hauteur minimale de descente à 200 pieds au dessus du sol, dans les prochains mois, comme cela a été fait aux USA avec le système WAAS.
La société ESSP SAS "Opérateur" du système est certifiée par l’autorité nationale française de sécurité aérienne, la DSAC (service de la DGAC) depuis juillet 2010.
Au Japon, le MSAS (Japanese Multi functional Satellite Augmentation System) est en service avec un usage limité pour le moment au guidage en route et en approche de non-précision. En outre les Japonais mettent en place un système complémentaire faisant appel à plusieurs satellites en orbites elliptiques géosynchrones inclinées (QZSS)
En Inde, GAGAN (Indian GPS Aided Geo Augmented Navigation) est en cours de développement.
Les trois systèmes WASS, EGNOS et MSAS répondent à la même norme OACI-SBAS. Ils font appel, tout comme GAGAN à des compléments satellitaires en orbite géostationnaire.
Les Chinois mettent en place un système régional Beidou 1 utilisable avant la mise en service du système à couverture mondiale prévue en 2020, mais ce système n’est pas conforme à la norme SBAS de l’OACI.
Les Russes ont aussi un projet de système SBAS.
5.5 LES AUGMENTATIONS LOCALES OU GBAS ET PSEUDOLITES
Complémentaires aux augmentations régionales de type SBAS, les systèmes d’augmentation locale du GPS, standardisés par l’OACI sous le vocable GBAS (Ground Based Augmentation System), permettent aujourd’hui de fournir un service de navigation pour l’approche et l’atterrissage des aéronefs commerciaux qui sont certifiés « GNSS Landing System » ou GLS.
Un GBAS utilise (au moins) une station locale pour déterminer les données d'intégrité concernant les signaux satellitaires reçus localement, estimer les erreurs de mesure résiduelles, et transmettre ces informations aux utilisateurs de la navigation par satellites situés au voisinage de la station. Les récepteurs peuvent ainsi appliquer des corrections « différentielles ».
La technologie actuelle ne permet que d’assurer un service d’atterrissage dit Catégorie 1. Une évolution vers la catégorie 2 est prévue, et ensuite vers la catégorie 3 (atterrissage tout temps). Il faut cependant conduire des études d’architecture sol et bord pour trouver les solutions permettant de garantir un très fort niveau d’intégrité (10-9 par approche pour la Catégorie 3) et de continuité de service. Il est possible que la technologie dite des Pseudolites (consistant à générer depuis le sol des signaux de navigation identiques à ceux des satellites) soit capable d’atteindre les performances demandées pour la CAT 3.
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5.6 LA FONCTION "INTÉGRITÉ/SAFETY OF LIFE" DES FUTURS SYSTÈMES DE NAVIGATION PAR SATELLITES
La mise place par l'Europe d'une fonction "Intégrité/Safety of life" globale pour Galileo nécessiterait un segment sol à l'échelle mondiale comprenant une quarantaine de sites sécurisés. La sécurité des sites serait difficile à réaliser notamment à cause des applications militaires de ces systèmes. La Commission Européenne a reconnu que le concept est peu réaliste.
La solution à l'horizon 2020 pour la fonction "Intégrité" des systèmes de navigation par satellites au niveau mondial, semble être l'utilisation en réseaux des compléments régionaux aux systèmes de navigation développés par les US, l'Europe, la Russie, l'Inde, le Japon, la Chine, et ceci avec une extension de couverture pour certains de ces systèmes, par exemple :
- WAAS pour les Amériques nord et sud - EGNOS pour l'Europe, le moyen Orient et l'Afrique Avec de plus les systèmes SBAS en cours de déploiement en Asie, et en projet en Russie, la quasi totalité des terres émergées devrait être couverte à moyen terme (post 2020).
Deux études récentes, l'une américaine de la "MITRE corporation" et l'autre européenne, conjointe de l'ESA et de la Commission Européenne, ont proposé ce nouveau schéma de SBAS global. Des travaux viennent juste de commencer entre les US et l'UE pour mettre au point le concept. Les travaux sont réalisés dans le cadre d'un groupe de travail mis en place suite à l'accord GPS-Galileo de 2004. Pour EGNOS il s'agirait d'une deuxième génération.
La transmission des informations d'intégrité élaborés par les segments sols pourrait être faite, comme prévu initialement, via les satellites de la constellation de navigation eux mêmes. L'ESA et la Commission Européenne ont proposé que ce ne soit pas le cas lors de la mise en œuvre initiale compte tenu des difficultés techniques de réalisation et du coût élevé associé. La CE a signé deux contrats avec la société Luxembourgeoise SES pour embarquer des charges utiles de navigation sur deux satellites SES en GEO, afin d'assurer la continuité du service de celles opérant actuellement sur Artemis et sur l'un des satellites Inmarsat. Elles émettront dans les 2 bandes de fréquence L1 et L5.
A noter encore que la fonction amélioration de précision prévue dans EGNOS et qui sert principalement à réduire l'incertitude liée aux effets ionosphériques, deviendra beaucoup moins utile avec l'utilisation de signaux bi-fréquences. Idéalement l'annonce de la décision d'émettre des signaux en bi-fréquences devrait être faite bien avant la date de mise en œuvre, et ceci afin de limiter la période de recouvrement (émissions bi fréquences et maintien de la fonction amélioration de précision pour les récepteurs mono-fréquence). Cette annonce permettrait aux constructeurs de commercialiser des récepteurs "pré-équipés" qui ne nécessiteraient ultérieurement que d'une mise à niveau logicielle.
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5.7 LA STRATÉGIE DE DSNA POUR LA MISE EN ŒUVRE DE LA NAVIGATION PAR SATELLITES
Au sein de la direction générale de l’Aviation civile (DGAC), la direction des services de la Navigation aérienne (DSNA) est, au sens des règlements européens "Ciel Unique", le prestataire chargé de rendre les services de navigation aérienne dans les espaces aériens gérés par la France. Elle assure donc les services de gestion de la circulation aérienne (ATM), de l’information aéronautique (AIS) et de Communication, Navigation et Surveillance (CNS) dans ces espaces aériens. Dans les domaines de la CNS et des systèmes d’assistance au contrôle de la circulation aérienne (ATC), la DSNA suit les recommandations de l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) des années 1990, qui préconisent le développement des techniques satellitaires afin d’améliorer la sécurité, la capacité, la régularité et l’efficacité de la navigation aérienne.
Cette stratégie est conforme aux dispositions retenues dans le plan directeur européen de gestion du trafic aérien (Master Plan) du programme Single European Sky ATM Research (SESAR), approuvé par les instances européennes en mars 2009. Elle s’inscrit dans le cadre des actions du gouvernement pour la protection de l’environnement.
En matière de systèmes, la DSNA a mené une politique volontariste pour achever le développement du Satellite Based Augmentation System (SBAS) européen, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), complément au GPS par satellite géostationnaire. Il s’agissait d’obtenir au plus tôt la certification de prestataire de navigation pour la société ESSP (European Satellite Services Provider), société par actions simplifiée, chargée d’exploiter EGNOS. La DSNA est actionnaire de l’ESSP SAS avec les principaux fournisseurs de services navigation aérienne européens.
La DSNA maintient par ailleurs une station Ground Based Augmentation System (GBAS) Cat-I sur l’aéroport de Toulouse Blagnac pour les besoins de la certification d’Airbus. La DSNA est un acteur majeur dans les études sur les évolutions et la standardisation GBAS Cat II/III.
Pour le programme Galileo et ses applications, la DSNA est très engagée dans la normalisation au plan européen et mondial (OACI) et dans la définition des récepteurs multi constellations au sein d’EUROCAE.( European Organization for Civil Aviation Equipment). Enfin, elle contribue aux activités GBAS du programme SESAR.
En matière d’applications, la DSNA déploie des procédures s'appuyant sur la navigation de surface (aRea NAVigation) en route, en zone terminale et en approche.
- Navigation de surface en route : l’utilisation de la B-RNAV (Basic-RNAV précision 5 Nm) en service depuis 1998 au dessus de 11500 pieds va maintenant être étendue en dessous du niveau de vol 115 ; l’emport d’un récepteur GNSS ABAS (Airborne Based Augmentation System) utilisant la constellation GPS avec contrôle de l’intégrité est un moyen de conformité.
- Navigation de surface dans les zones de contrôle terminales (TMA) : la P-RNAV
- (Precision-RNAV avec une précision de 1 Nm) est mise en oeuvre progressivement dans certaines TMA depuis 2007 ; le GNSS ABAS est un moyen de navigation qui, associé à d’autres capacités et fonctions embarquées à bord des aéronefs, permet ce type d’opérations.
- Procédures d'approche RNP (Required Navigation Performance) sans guidage dans le plan vertical : elles sont fondées sur un guidage GPS dans le plan horizontal grâce à un récepteur GNSS ABAS,
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utilisant un contrôle d’intégrité de la constellation GPS de type RAIM, ou SBAS.. Ces approches NPA-GPS sont considérées par les pilotes comme les meilleures approches de non-précision, c’est à- dire sans guidage vertical, comparées notamment aux approches du même type basées sur des balises au sol (basées sur des NDB ou des VOR).
- Procédures d'approche RNP avec guidage dans le plan vertical APV (Approach Procedure with Vertical guidance) :
o APV-SBAS : En complément des procédures NPA-GPS, les procédures APVSBAS seront mises en oeuvre progressivement à partir de 2011 grâce à EGNOS. Elles offrent des performances (sécurité et confort de pilotage) analogues à l’ILS Cat I. Les minima accessibles initialement limités à 250 pieds, seront progressivement abaissés vers 200 pieds. Suite à la recommandation de la 36ème assemblée de l’OACI, la DSNA s’est fixée comme objectif de publier plus de 20 procédures par an et de disposer de plus de 200 procédures à l’horizon 2016. La DSNA a su mener à terme l’ensemble des activités permettant la publication opérationnelle de ces procédures (en particulier les études de sécurité). La liste des premières procédures que la DSNA envisage de publier pour 2010, dés que le service SoL d’EGNOS sera déclaré ouvert (ce qui a eu lieu effectivement le 2 mars 2011), figure dans le tableau en annexe.
o APV-BaroVNAV : Le guidage vertical de ces procédures utilise une référence altimétrique barométrique locale et requiert un contrôle précis par l’équipage de l’exactitude de ces paramètres ainsi que des excursions de l’aéronef dans le plan vertical. Le principal intérêt est que les systèmes de navigation BaroVNAV sont déjà déployés, essentiellement sur les avions de type Airbus ou Boeing. Elles sont donc également en cours de développement par la DSNA, en coordination avec les compagnies aériennes.
- Procédures d’approche « courbes » RNP-AR (Authorization Required) : Ces approches nécessitent une autorisation spéciale pour la compagnie et l’équipage. Elles pourront être mises en oeuvre lorsque les procédures APV n’apportent pas de réponses suffisantes au contexte opérationnel (comme par exemple à Nice avec l’approche Riviera).
Notons aussi que la navigation en vol à vue (VFR) est autorisée au-dessus d’une couche de nuages (pas de vue du sol) et de nuit si l’avion est équipé d’un récepteur GPS RAIM. Une amélioration des séparations entre avions en établissant des modalités d’utilisation des reports de position RNAV ou GNSS pour séparer des trafics contrôlés aux procédures (ou non visualisés radar) est à l’étude.
A plus long terme, le GNSS permettra comme mentionné dans le Master Plan du programme SESAR, la mise en œuvre de trajectoires 4D.
La DSNA participe aussi activement à l’élaboration du manuel de la navigation fondée sur les performances (PBN) de l’OACI (Doc 9613) et de ses évolutions, référence en terme de navigation.
Par ailleurs, il faut noter la standardisation du référentiel géodésique WGS 84 par l’OACI, et la publication dans ce référentiel de toutes les coordonnées des points de référence aéronautiques nécessaires à la navigation IFR de l’espace aérien géré par la France.
Enfin, pour la mesure du temps, depuis plus de dix ans la technologie spatiale est mise en œuvre dans les systèmes d’assistance au contrôle puisque des récepteurs GPS sont utilisés comme une des sources horaires de référence.
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