Avion électrique : pourquoi les batteries limitent encore le vol

Le 10 juin 2020, l'Agence de l'Union européenne pour la sécurité aérienne (EASA) a délivré un certificat de type au Pipistrel Velis Electro, présenté comme la première certification au monde d'un avion entièrement électrique. Six ans plus tard, l'aviation électrique progresse, mais reste cantonnée à de petits appareils. Pour comprendre pourquoi, il faut regarder l'énergie embarquée.

Le Velis Electro, un avion-école

Le Velis Electro est un biplace conçu d'abord pour la formation des pilotes. Selon son constructeur, il est équipé d'un moteur électrique E-811 d'une puissance maximale de 57,6 kW et de deux batteries développées en interne, rechargeables en 1 h 20. Son autonomie typique est de 50 minutes, réserve réglementaire de vol à vue en plus, pour une croisière d'environ 163 km/h. Il est autorisé en vol à vue de jour.

Ces caractéristiques collent bien à l'usage visé : les vols d'instruction sont courts, répétitifs et partent et reviennent au même aérodrome. L'avion apporte aussi des avantages concrets : pas d'émissions pendant le vol, un niveau de bruit annoncé d'environ 60 dBA et une mécanique plus simple qu'un moteur à pistons.

Le cœur du problème : l'énergie par kilogramme

Un article de chercheurs de la NASA consacré aux freins à l'adoption du vol électrique pose le constat : le carburéacteur (Jet A) contient environ 43 mégajoules par kilogramme, soit près de 12 000 wattheures par kilogramme. Les batteries les plus performantes citées dans ce travail approchent 200 Wh/kg au niveau des cellules, et les packs complets se situaient alors plutôt autour de 110 à 130 Wh/kg.

Les auteurs estiment ainsi qu'à masse égale, une batterie moderne stocke 60 à 100 fois moins d'énergie que le carburant d'aviation. L'écart se réduit en pratique, car :

• un moteur électrique a un bien meilleur rendement qu'un moteur thermique (jusqu'à environ trois fois celui d'un moteur à essence, selon l'article) ;
• un avion thermique s'allège en brûlant son carburant, ce qui n'est pas le cas d'un avion à batteries, mais les deux effets se compensent en partie ;
• on ne décharge jamais totalement une batterie, ce qui joue en sens inverse.

Au total, le déficit reste de l'ordre de 10 à 20 fois, selon la mission. C'est ce qui explique qu'un avion électrique transporte aujourd'hui peu de passagers sur de courtes distances.

Un avion électrique qui ne s'allège pas

Cette particularité a des conséquences directes sur la conception. Un avion classique décolle lourd et atterrit léger ; un avion à batteries atterrit avec la même masse qu'au décollage. La structure, le train d'atterrissage et les performances doivent en tenir compte. Les batteries posent aussi des questions de sécurité spécifiques, notamment le risque d'emballement thermique, que les autorités traitent par des exigences de certification dédiées.

Les pistes pour aller plus loin

Plusieurs voies sont explorées pour élargir le domaine de l'électrique :

• l'amélioration des batteries, dont la densité énergétique progresse, mais à un rythme qui reste loin de combler l'écart avec le kérosène ;
• la propulsion hybride électrique, qui associe un moteur thermique et des moteurs électriques pour réduire la consommation sur certaines phases du vol ;
• les piles à combustible à hydrogène, qui produisent l'électricité à bord au lieu de la stocker ;
• de nouvelles architectures, comme la propulsion distribuée, que l'électrique rend possible.

L'infrastructure compte aussi : l'étude de la NASA souligne que le besoin de bornes de recharge ou d'échange de batteries peut freiner l'adoption sur les aérodromes.

À retenir

• Le Velis Electro est devenu en 2020 le premier avion entièrement électrique certifié, par l'EASA.
• Le carburéacteur stocke environ 12 000 Wh/kg, contre quelques centaines au mieux pour les batteries.
• Même en tenant compte du rendement des moteurs électriques, l'écart reste de l'ordre de 10 à 20 fois.
• L'électrique progresse d'abord sur la formation et les petits appareils, l'hybride et l'hydrogène visant des missions plus longues.