Les défis du transport aérien

Paul KUENTZMANNHaut Conseiller Honoraire

Conférence UPMC, 23 novembre 201031 planches

UP

MC

, 23.

11.1

0

2

Plan de la présentation

• Introduction

• Organisation du transport aérien (segmentation, acteurs)

• Défi énergétique

• Défi environnemental

• Défi économique

• Synthèse

• Conclusions

UP

MC

, 23.

11.1

0

3

Segmentation de l’activité aéronautique

• Aviation militaire• avions de combat• avions de transport (exemple : Airbus A400M)• hélicoptères• drones (UAV)

• Aviation de transport civil• hélicoptères (surveillance, sauvetage, évacuation médicale)• aviation légère ou de loisir

apparition de PLJs (Personal Light Jet)• aviation d’affaires (exemple : Dassault Aviation Falcon X, Gulfstream G650)

apparition de VLJs (Very Light Jet)• aviation régionale (courts courriers, Bombardier, Embraer, Sukhoï, ATR)• moyens courriers (R < 5000 km)• longs courriers (R > 15000 km)

moyens porteurs, gros porteurs (Airbus A380)• cargos

• Hydravions/amphibies• Dirigeables

UP

MC

, 23.

11.1

0

4

Principaux acteurs du transport aérien (1/3) (un système de systèmes)

• Les avionneurs

• Boeing, Airbus (avions de plus de 100 sièges)sociétés émergentes sur le marché des moyens courriers : Irkout (MS21), Comac (C919), Bombardier (CSeries)

• Bombardier, Embraer, Sukhoï, Mitsubishi (avions régionaux)

• Gulfstream, Cessna, Dassault (avions d’affaires)grande variété de modèles

• Chaque société établit des prévisions sur 20 ans• Airbus vient de revoir à la hausse la demande mondiale d’avions de plus de

100 places sur la période 2009-2028• Sous l’hypothèse d’une croissance annuelle du trafic de 4,7 %• Le parc mondial passerait de 14016 avions début 2009 à 28111 avions fin 2008• La demande serait de 6245 moyens courriers (4237 pour moins de 300 sièges)

et de 1729 gros porteurs• Boeing a des prévisions assez similaires

UP

MC

, 23.

11.1

0

5

Principaux acteurs du transport aérien (2/3) (un système de systèmes)

• Les motoristes• les 4 « grands » : General Electric, Pratt & Whitney, Rolls Royce, Snecma• des contorsiums pour les moteurs de moyenne ou forte poussée

• CFM : General Electric et Snecma (B737NG, A320)• IAE : Pratt & Whitney, Rolls Royce, MTU, MHI (A320)• Engine Alliance : General Electric et Pratt & Whitney (A380)• SaM 146 : Snecma et Saturn (Sukhoï Superjet)

• Les organismes de recherche• NASA aeronautics• ONERA, DLR, Qinetiq, … en Europe

• Les compagnies aériennes• deux types : FSA (Full Service Airlines), LFA (Low Fare Airlines)• une association de la majorité des compagnies mondiales (IATA), des

associations par continent (ATA, …) et par segment aéronautique• Les aéroports• La gestion du trafic

• tendance vers la centralisation (FAA, Eurocontrol)

UP

MC

, 23.

11.1

0

6

Principaux acteurs du transport aérien (3/3) (un système de systèmes)

• Les organismes mondiaux et gouvernementaux• Monde : - ONU/OACI-ICAO (Convention de Chicago 1947)

CAEP : Committee on Aviation Environment ProtectionGIACC : Group on International Aviation and Climate Change

- GIEC/IPCC : International Panel on Climate Change• Europe : - CE : ACARE (Advisory Committee for Aeronautics Research in

Europe)- France : CORAC (Comité d’Orientation de la Recherche Aéronautique Civile)

• USA : plan stratégique (décembre 2007)

• Organismes de certification : FAA, EASA

• Organismes d’enquête accidents : NTBS (USA), BEA (France), …

• Les ONGs et les mouvements écologistes

Selon l’IATA, le transport aérien a transporté 2,2 milliards de passagers en 2007 et a représenté 8 % du PIB mondial et 29 millions d’emplois

UP

MC

, 23.

11.1

0

7

Spécificités du transport aérien

• La sécurité est la première priorité

• Le transport aérien est international• Les cycles industriels sont longs

• De la conception à la mise en service d’un nouvel avion : environ 8 ans• Un avion vole de 30 à 40 ans

• Les investissements sont énormes• A380 : 12 Md€, A350 XWB : 10 Md€• Un avion coûte cher : A380, autour de 300 M$

L’aviation est un moyen de transport rapide, adapté aux longues distances, sûr, cher et très consommateur d’énergie

L’impératif de sécurité rend le transport aérien très conservatif

UP

MC

, 23.

11.1

0

8

Impact des progrès technologiques

• Une première approche est donnée par la formule de Bréguet (ou Bréguet- Leduc)En croisière : portance = poids

traînée = poussée (avion équipé de turboréacteurs), débit massique de carburants

d’où :

où : rayon d’action: vitesse de croisière: finesse (portance sur traînée): consommation spécifique: 9,806 m/s²: masse au décollage: masse à l’atterrissage

• Les progrès technologiques ont bénéficié :• à la vitesse de croisière• au rayon d’action

• Les longs courriers ne sont pas optimaux pour l’aspect énergétique mais c’est le marché qui commande…

Fmdtdm

A

D

os

o

mmLog

gCfVR

R

oV

f

SC

og

Dm

Am

UP

MC

, 23.

11.1

0

9

Une situation paradoxale

• Aspects positifs

• Aspects négatifs• La production de kérosène pourra-t-elle soutenir l’augmentation du trafic ?

défi énergétique• L’aviation est sous une pression environnementale croissante (IPCC/GIEC,

projet ETS de l’UE)les progrès technologiques ont été jusqu’à présent plus lents quel’augmentation du trafic (SFC : ~ -1 %/an, bruit : -1dB/an, NOx : -7 %/an)

défi environnemental• Les compagnies IATA ont enregistré 42 Md$ de pertes entre 2001 et 2005,

sont revenues à l’équilibre, ont perdu 11 Md$ en 2008, pourrait perdre 16,8 Md$ en 2009

défi économique

G. Bordes-Pages, Air France-KLMColloque ANAE 2006

• Une croissance soutenue du trafic jusqu’à juillet 2008, un fort recul du trafic depuis, surtout pour le cargo, l’espoir d’une reprise en 2010 à un rythme élevé

• Des commandes records d’avions en 2006 et 2007, une baisse en 2008 et 2009 mais des carnets de commande assurant 3 à 4 ans de production chez Airbus et Boeing (valorisation des carnets de commande : 2600 Md$)

UP

MC

, 23.

11.1

0

10

Le défi énergétique (1/6) Aviation et pétrole aujourd’hui

• La quasi-totalité des avions consomment du kérosènele kérosène est l’un des produits directs de la distillation du pétrole (pour 6 à 10 %)

• Les transports consomment 20 % de l’énergie mondialecette consommation correspond pour 78 % au transport routier et pour 11 % au transport aérien

• La consommation moyenne par passager et 100 km pour les avions en développement sera de 3 l (long courrier) et 5 l (court courrier)

• L’objectif ACARE est de réduire cette dernière consommation de 50 % entre 2000 et 2020

(T. Vanicek, Total, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

11

Le défi énergétique (2/6) Prospective pétrolière

Source of Projection Projected date of peak oil

Source of Projection Projected date of peak oil

Individual Experts A. Bakthiari M. Simmons C. Skrebowski K. Deffeyes J. Laherrère P. Odell B. Pickens M. Lynch C. Campbell S. Al-Husseini J. Gilbert T. Petrie Oil Companies CNOOC Total Shell BP Exxon-Mobil

2006-2007 2007-2009 2007-2010 2005-2009 2010-2020 2060 2005-2007 After 2030 2010 2015 2010 Before 2010 2005-2010 2020-2025 After 2025 We cannot know After 2030

Governments Dutch Government (IEA HI copy) French Government Analyst Firms IHS Energy Douglas Westwood Energy Files PFC Energy Energy advisory organisations World Energy Council Energy Research Center Netherlands CERA ASPO IEA deferred investment scenario IEA high resource case Other Organisations Volvo Ford

After 2030 2020-2030 2011-2020 2010-2020 2010-2020 2014-2025 After 2020 2010-2035 After 2020 2010 Around 2020 After 2030 2010-2015 2005-2010

UP

MC

, 23.

11.1

0

12

Le défi énergétique (3/6) Statistiques de consommation (en Mt)

Le militaire US ne représente que 1,9 % (2002) de la consommation totale US, le Jet Fuel intervenant pour 73,5 % de la consommation militaire US

*à compléter

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

PETROLEConsommation mondialeConsommation USAConsommation France

369791789

*91291

354191884

*93088

*96589

~ 380096587

~ 3900960

*

4020960

*JET FUEL (civil)Consommation mondialeConsommation USAConsommation France

161.581.16.5

*76.96.4

*75.46.3

*73.66.3

*76.06.6

174.478.56.6

179**

**

JET FUEL (militaire)Consommation mondialeConsommation USAConsommation France

28.5**

***

*12.7

*

***

***

30.8**

31.6*

0.45

***

UP

MC

, 23.

11.1

0

13

Le défi énergétique (4/6) Combustibles de substitution

• La recherche d’un combustible de substitution au kérosène conventionnel est ancienne :

• Pour des applications militaires (hydrogène, hydrocarbure pur)• Dans un souci d’indépendance énergétique (carburant synthétique F.T à

partir du charbon utilisé en mélange avec le kérosène conventionnel, huile végétale, éthanol)Ces combustibles ne se sont pas imposés aux époques d’un pétrole peu cher

• Ce qui est nouveau, c’est, d’une part, l’anticipation d’un épuisement progressif du pétrole et, d’autre part, la préoccupation environnementale. L’indépendance énergétique présente aussi une priorité accrue pour certains pays

• Une classification des combustibles de substitution peut être la suivante :• Hydrogène, méthane/GNL• Carburants synthétiques issus de ressources fossiles• Biocarburants

• L’idéal serait un substitut au kérosène conventionnel ne nécessitant qu’un minimum de modifications de l’avion et des moteurs : concept “drop-in”

UP

MC

, 23.

11.1

0

14

Le défi énergétique (5/6) Combustibles de substitution (suite)

• Hydrogène liquide• Le meilleur combustible par unité de masse, le pire par unité de volume

(d=0,07 à 20 K)• Les études système ont démontré qu’un long courrier « cryoplane » aurait une

masse totale au décollage réduite de 15 %, une masse à vide augmentée de 20 à 25 % et une consommation énergétique accrue de 8 à 15 % (A. Westenberger, Colloque ANAE)

• L’utilisation d’une pile à combustible pour la propulsion se heurte à un problème de masse

• Les cryoplanes seront d’autres avions et les aéroports devront être aménagés • Il manque surtout un moyen de production massive et économique

d’hydrogène (nucléaire ?)• Méthane ou GNL

• Des problèmes techniques comparables à ceux posés par l’hydrogène pour les avions et les aéroports

• Les ressources fossiles de GNL ne sont pas très supérieures à celles du pétrole (sauf exploitation des gisements d’hydrate de méthane)

L’hydrogène, une éventuelle solution pour la seconde moitié du 21ème siècle ?

UP

MC

, 23.

11.1

0

15

Le défi énergétique (6/6) Combustibles de substitution (suite)

• Les développements réalisés depuis 2005, y compris lors de vols de démonstrations, ont démontré :

• Que les XTL (Anything To Liquid) convenaient comme carburants « drop- in » ; certification internationale acquise en 2009 pour le mélange 50-50 de SPK (Synthetic Paraffinic Kerosene) et de Jet Fuel conventionnel (Jet A ou Jet A1) : ASTM D7566

• Que la voie HVO (Hydrogenated Vegetable Oil) pouvait être plus intéressante sous l’angle environnemental ; certification internationale du mélange 50-50 de Bio-SPK et de Jet A1/A prévue en 2010

• Des informations plus détaillées seront données dans la seconde conférence

UP

MC

, 23.

11.1

0

16

Le défi environnemental (1/5)

• Résumé concis des objectifs environnementaux de l’aviation (J. Green, GBD, Colloque ANAE 2006) :

• Reduce noise around airports• Improve LAQ (Local Air Quality) near airports by reducing NO and NO2

(NOx) emissions in the LTO cycle • Reduce contribution to climate change

• reduce fuel burn• reduce formation of contrails and cirrus cloud• reduce impact of NOx emissions at altitude »

• Ces objectifs sont majoritairement liés aux performances des moteurs

• L’aviation contribue aujourd’hui :• Pour environ 2 % (monde) et 3 % (Europe) à la production des gaz à effetde serre d’origine anthropique

• Pour 3,5 % au forçage radiatif anthropique

UP

MC

, 23.

11.1

0

17

Le défi environnemental (2/5) Bruit

• Le bruit autour des aéroports est socialement mal ressenti• Le net progrès unitaire du bruit des avions, strictement réglementé par l’OACI,

n’a pas totalement compensé l’augmentation du trafic

• La mitigation du bruit des avions dépend de progrès à réaliser sur les moteurs (décollage, atterrissage), sur l’aérodynamique (atterrissage) et sur les procédures de vol (« continuous descent approach »), un objectif partagé étant de confiner à terme le bruit à 60 dB au périmètre de l’aéroport

• De nombreux travaux en cours :• Chez les avionneurs (par exemple Boeing QTD1 and QTD2)• Chez les motoristes• Au niveau scientifique (NASA, UK/USA Silent Aircraft Initiative)

(J. WerWey, Boeing Commercial Airplanes,

Colloque ANAE)

Objectif ACARE pour 2020 : réduction du bruit par 2 (-6dB)

(F. Collier, NASA, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

18

Le défi environnemental (3/5) Qualité de l’air sur et autour des aéroports

• La qualité de l’air aéroportuaire est surveillée (NOx)

• La priorité a été donnée jusqu’à présent aux émissions de NOx (normes OACI/CAEP, cycle LTO), l’objectif ACARE pour 2020 est -80 %. Une attention plus soutenue pourrait être donnée dans l’avenir aux PM (Particulate Matter) fines

• Les campagnes scientifiques de mesure des émissions polluantes sont encore rares :

• Oakland international airport (Aerodyn Research Inc, JETS/APEX2 program)• CdG (projet AIRPUR ONERA, AdP, Air France, CNRS…)

Encore beaucoup à faire…

(OACI/CAEP/LTTG/IEGroup, 2006)

Heathrow Roissy CdG

UP

MC

, 23.

11.1

0

19

Le défi environnemental (4/5) Aviation et changement climatique

• Le rôle des activités anthropiques dans le changement climatique est majoritairement admis, l’aviation y participe

• La contribution majoritaire et la mieux connue est celle du CO2 résultant de la combustion du kérosène (1 kg de kérosène donne 3,15 kg de CO2 )

• Les émissions de CO2 de l’aviation n’ont pas été pris en compte dans le protocole de Kyoto. L’Europe propose aujourd’hui l’ETS (Emission Trading Scheme/System)

(G. Ruelle, Académie des Technologies, Colloque ANAE 2006)

(Ph. Jarry, Y. Vigneron, Airbus, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

20

Le défi environnemental (5/5) Combustibles de substitution

• La production d’un combustible de substitution au kérosène conventionnel n’est pas neutre vis-à-vis de l’émission de CO2

• L’hydrogène est environnementalement intéressant :• A condition qu’il soit produit à partir de l’eau (électrolyse) et d’une

source nucléaire • Que soit précisé le forçage radiatif dû aux contrails/cirrus

• Les biocarburants présentent un avantage potentiel dans la mesure où ils participent au cycle naturel du carbone. Il subsiste toutefois un problème d’accord sur les méthodologies d’ACV (Analyse de Cycle de Vie)

(J. VerWey, Boeing Airplane Company, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

21

Le défi économique (1/5)

• Le transport aérien est une activité économique, elle doit donc générer des profits (ou limiter les pertes)

• Le transport aérien présente une sensibilité :• Au coût du kérosène• Aux taxes de différentes natures (aéroportuaires, surtaxe kérosène)• Aux (futurs) droits d’émissions de CO2 (en discussion)• Aux coûts de maintenance

(J. VerWey, Boeing Airplane Company, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

22

Le défi économique (2/5) Impact du prix du pétrole

• Dans la période récente, qui a vu le prix du pétrole s’accroître dans de larges proportions, l’impact du carburant sur le coût du transport a augmenté

• Les compagnies « bas coût » (LFAs) sont plus affectées que les compagnies traditionnelles (FSAs)

(D. Sallier, AdP, Colloque ANAE) (J. VerWey, Boeing Commercial Airplanes, Colloque ANAE 2006)

Airplane ground handling7 %

Hull insurance1 %

Aircraft maintenance6 %

Landing fees3 %

Control & communications4 %

(G. Bordes-Pages, Air France-KLM, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

23

Le défi économique (3/5) Impact du prix du pétrole (suite)

• L’augmentation du prix du kérosène peut éventuellement être compensée par une diminution d’autres coûts (difficile pour les LFAs)

• L’augmentation du prix du kérosène peut être reportée sur le prix du ticket pour maintenir le même niveau de profit

Mais dans ce cas, la demande sera probablement affectée (« élasticité » de la demande) ; l’analyse d’AdP (D. Sallier, AdP, Colloque ANAE) prévoit pour un doublement du prix du kérosène :

• Une diminution par 2 des passagers long courrier• Une diminution par 1,2 des passagers court/moyen courrier• La mort de nombreuses compagnies aériennes…

(G. Bordes-Pages, Air France-KLM, Colloque ANAE 2006)

UP

MC

, 23.

11.1

0

24

Le défi économique (4/5) Un nouveau facteur : les droits d’émission de CO2

appliqués à l’aviation

• L’Union Européenne a proposé l’application à partir de 2008 de l’ETS (Emission Trading Scheme/System) pour tous les vols intra-européens ou long courrier partant d’Europe ou arrivant en Europe. Les réactions de l’OACI (cohérence avec la convention de Chicago de 1947) et de l’IATA (consultation des compagnies aériennes) ont été critiques

• L’ETS se traduirait par un coût supplémentaire de 9 € par ticket pour un vol intra-européen et de 40 € pour un vol long courrier

• Selon R. Webster (EasyJet, Colloque ANAE 2006), l’ETS diminuerait la demande de 7,5 à 12 % pour les LFAs et de 2 à 3 % pour les FSAs

UP

MC

, 23.

11.1

0

25

Le défi économique (5/5) Combustibles de substitution

• Les données économiques concernant les combustibles de substitution sont incertaines :

• L’hydrogène est déjà utilisé par l’industrie chimique mais sous forme gazeuse ; le prix de l’hydrogène liquide produit à partir d’un réacteur nucléaire haute température doit être précisé

• Le prix du kérosène synthétique produit à partir du charbon est raisonnable si le coût d’extraction du charbon est faible (Afrique du Sud)

• Le kérosène synthétique produit à partir du gaz naturel est compétitif si le baril de pétrole dépasse 50 $/bl (selon Syntroleum Co. et l’IFP)

• Le kérosène synthétique produit à partir de la biomasse sera cher : le rapport PRESAV indique de $5,8/GJ à $36,5/GJ (kérosène conventionnel : environ $4,6/GJ pour un pétrole à 25 $/baril)

• Les biocarburants plus traditionnels devront éviter le débat nourriture contre carburant

Exemple du maïs US

UP

MC

, 23.

11.1

0

26

Synthèse (1/3) Des objectifs à moyen et long termes

plus ou moins réalistes

• OACI : - « carbon neutral growth » concept (2008)- réduction de la consommation de 2 % par an (2009)

• IATA : - « zero emissions » concept (2007)- diminution des émissions de CO2 de moitié d’ici 2050 (2009)

• ACARE : objectifs pour 2020, la référence étant l’état de l’art en 2000- réduction de moitié de la consommation- réduction de moitié du bruit perçu EPNdB- réduction des émissions des NOx de 80 %

• USA et NASA- objectifs assez voisins de ceux d’ACARE mais encore plus ambitieux pour le bruit (NASA N+1 et N+2 concepts) et pour les PM

UP

MC

, 23.

11.1

0

27

Synthèse (2/3) Le rôle des technologies

• Aérodynamique : accroissement de la finesse en croisièreVers le contrôle de la transition laminaire-turbulent ?

• Matériaux et structuresRecours accru aux matériaux composites

• Moteurs : accroissement du taux de dilution (BPR) et du rapport de pression (OPR) mais des compromis à trouver

- entre avion et moteurs (traînée de nacelle, masse, train d’atterrissage)

- entre consommation, bruit et émission de NOx3 architectures en concurrence dans les prochaines années

- DDTF (Direct Drive Turbo Fan)exemple : CFM LEAP-X

- GTF (Geared Turbo Fan)Pratt & Whitney PW 1000G Pure Power

- Open rotor GE-Snecma, Rolls-Royce

• ATM (Air Traffic Management)

UP

MC

, 23.

11.1

0

28

Un turboréacteur double-flux moderne (turbofan)

UP

MC

, 23.

11.1

0

29

Synthèse (3/3) Vers le « carbon neutral growth » par l’addition des progrès

Augmentation du trafic aérien

Augmentation du trafic aérien

Renouvellement flotte / améliorations techno

ATM investissements / améliorations

Carburants alternatifs

~5% par an(estimation 2007)

~ 3,5% par an

100

200

temps

Ém

issi

ons

de C

O2

UP

MC

, 23.

11.1

0

30

Conclusions

• Le transport aérien est confronté, comme les autres modes de transport, à trois principaux défis : énergétique, environnemental et économique. Ces défis ont été identifiés avant la crise économique actuelle

• La communauté aéronautique est mobilisée pour relever ces défis à moyen et long terme. Le concept « carbon neutral growth » semble le plus réaliste mais l’augmentation du trafic souhaitée par certains dépendra de la rapidité des progrès technologiques

• Des technologies « en rupture » sont recherchées pour le long terme…

UP

MC

, 23.

11.1

0

31

QUESTIONS ?

(AWST, February 12, 2007, p. 42)