Les carburants

Qu'est ce qu'un carburant et à quoi sert-il ?

Un carburant est un combustible de moteur à combustion ou à explosion, autrement dit d'un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique qui propulse alors ici l'avion (dans ce cas-ci). Les carburants ont une grande densité énergétique, ils fournissent ainsi une grande quantité d'énergie pour un petit volume.

En chimie, un carburant possède une définition plus précise :  c'est un mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (C_nH_2n+2, ou n est un nombre entier), allant de C₁₀H₂₂ à C₁₄H₃₀. Il est issu du raffinage du pétrole et doit être exempt de souffre.

Un hydrocarbure est un composé organique contenant exclusivement des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H).
Ils sont inflammables et ne se mélangent pas avec l’eau. 

Plus généralement, on désigne comme carburant un combustible contenant du carbone.

Ainsi l'hydrogène n 'est pas considéré comme un carburant mais comme un combustible.

On peut classer les carburants en 2 catégories :

- Les carburants fossiles, émanent de la transformation de matières organiques et de minéraux à de grandes profondeurs. Sa production exige plusieurs milliers d'années ainsi que des conditions de température et de pressions élevées. Ils sont donc en quantité restreinte sur Terre et les stocks sont en fin de vie, provoquant de grandes questions vis-à-vis du futur énergétique.

- Les biocarburants, sont issus de la transformation des matières végétales produites par l'agriculture (betterave, blé, maïs, colza, tournesol, pomme de terre…). Les biocarburants sont identifiés comme une source d’énergie renouvelable. Leur combustion ne produit que du CO₂ et de la vapeur d'eau ainsi qu'une infime quantité d'oxydes azotés et soufrés (NO_x, SO_x). Il existe deux filières : une utilisant de l'éthanol et une autre utilisant des éthers.

Qu'utilise aujourd'hui l'industrie aéronautique et que proposera celle du futur pour les avions supersoniques ?

L'industrie aéronautique actuelle

Pour simplifier les réactions chimiques, on partira du principe que les avions actuels utilisent du kérozène, dont le point de fusion est très bas. C'est un mélange d'hydrocarbures de formule C₁₀H₂₂ à C₁₄H₃₀.

En fonction de l'apport en oxygène, le kérozène brûle de 3 manières différentes. Dans un avion, il se produit une combustion complète, on ne s'occupera donc que de cette réaction chimique : 

C_nH_2n+2+ (3n+1) / 2 O₂ => n CO₂ + (n+1) H₂O

Cette équation peut paraître compliquée mais il faut juste savoir que n est un nombre entier compris entre 10 et 14.

Ainsi, pour n = 12 :

C₁₂H₂₆ + 18,5 O₂ => 12 CO₂ + 13 H₂O

Lors d'un vol, un avion rejette donc du dioxyde de carbone ainsi que de l'eau sous forme gazeuse.

Actuellement, les avions utilisent principalement le Jet A1, un carburant issu du pétrole et possédant un fort pouvoir calorifique de 43,15 MJ.kg^-1, c'est à dire que pour 1 kg de Jet A1 brûlé, on obtient une énergie de 43.15 MJ. Ceci permet de considérablement alléger la masse de carburant totale à emporter et de réduire ainsi le poids total de l'avion.

Il est généralement composé de : 

- 20 à 30% d'alcanes, des hydrocarbures saturé s de formule C_nH_2n+2, c'est à dire que leur chaîne carbonée est uniquement composée   de liaisons simples.

- 5% de cycloalcanes, des hydrocarbures saturés cycliques, c'est-à-dire que leurs chaînes se referment sur elle-même, par exemple le cyclohéxane. Ils possèdent une formule brute qui diffère selon le nombre de cycles que contient la molécule.

- 30 à 45% d'alcènes, des hydrocarbures non saturées ou insaturées, c'est-à-dire que leur chaîne contient au moins une liaison double ou triple.

- 30 à 45% d'hydrocarbures aromatiques, de la famille du benzène, c'est-à-dire que leurs structures moléculaires comprend un cycle possédant une alternance formelle de liaisons simples et doubles.

L'industrie des supersoniques du futur

Pour palier aux nombreux problèmes posés par les carburants issus du pétrole, les industriels réfléchissent à 2 solutions :

- Tout d'abord, ils s'intéressent au développement des biocarburants.

Des essais avec des biocarburants de deuxième génération, c'est-à-dire, issus de la plante entière, ont déjà été testés. Ainsi, un mélange moitié kérozène traditionnel et moitié biocarburant à base d'algue et de jatropha a été utilisé avec succès et ce plusieurs fois, sans occasionner de problèmes et même une légère baisse de consommation de l'ordre de 1 à 2 %.

Le jatropha est une plante d'Amérique Latine et du Sud. Elle est issu de la famille Euphorbiaceae, sa sève et ses baies sont toxiques, le Jatropha curcas possède une huile, extraite de son fruit qui semblerait être la solution face à la prévision de fin du pétrole.

La cameline, ou "lin batard", plante de la famille Brassicaceae et originaire d'Europe du Nord et d'Asie centrale, s'avère aussi être l'avenir possible pour les biocarburants. Ainsi, le 18 juin 2011, un G-450 a réalisé la première traversée transatlantique avec pour moitié du biocarburant à base de cameline et pour autre moitié du kérozène traditionel.

L'objectif des industriels est d'obtenir d'ici 2013, la certification de ces biocarburants à l'état pur. Le biocarburant à base de Jatropha présente de nombreux avantages : il produit une énergie de 44.3 MJ.kg^-1, émet 75 % de gaz carbonique en moins que le kérozène classique et ne coûte que 80$ le baril,  d'après le magazine «Les biocarburants s'envolent», Air & Cosmos, n°2155, daté 16 janvier 2009.

Le diester (C₁₉H₃₄O₂), l'éthanol (C₂H₆O) et le biodiésel (C₂₀H₃₈O₂) sont aussi à l'essai mais paraissent beaucoup moins prometteurs.

-  Les industriels s'intéressent aussi à l'hydrogène, bien que ce ne soit pas un carburant à proprement parlant. Depuis les essais sur les voitures avec des résultats prometteurs, l'industrie aéronautique s'y intéressent de très près. Ainsi, Reaction Engines Limited envisage d'utiliser un moteur à hydrogène pour l'A2, son futur avion supersonique.

On peut utiliser l'hydrogène pour 2 types de "moteur" : dans un moteur à hydrogène et dans un moteur à explosion.

Ce qui est couramment appelé "moteur à hydrogène" est en fait un ensemble constitué d'une pile à combustible et d'un moteur électrique.

Une pile à combustible est constitué de 2 électrodes (un anode et un cathode), 2 plaques bipolaires, une pour distribuer l'hydrogène et une pour distribuer l'oxygène et évacuer l'eau ainsi qu'une membrane échangeuse de proton faisant office d'électrolyte en bloquant le passage des électrons mais laissant passer les ions hydronium H⁺. Le dihydrogène passe par l'anode où elle se dissocie (oxydation) en proton et en électron selon la formule : 

2H₂ = 4H⁺ +  4e-

Les ions hydronium franchissent alors la membrane mais les électrons sont arrêtés et obligés de suivre un circuit externe, ce qui va alors générer de l'electricité. A la cathode, le dioxygène, provenant de l'air ambiant, les protons et les électrons se retrouvent pour former de l'eau selon la formule :

4H⁺ + 4e- +O₂ => 2H₂O

Cette réaction va aussi fournir de la chaleur.

Le fonctionnement d'une pile à combustible est de loin l'un des plus propre vis-à-vis de la planète. En effet, il ne produit que de l'eau, sous forme gazeuse et ne consomme que du gaz.

Néanmoins, il existe une difficulté majeur qui réside dans la synthèse et l'alimentation en dihydrogène. Ainsi, il n'est présent sur Terre en quantité suffisante qu'associé à l'oxygène (eau, H₂O), au soufre (sulfure d'hydrogène, H₂S) et les dissocier demande énormément d'énergie et donc d'électricité. Celle-ci provient généralement de centrales à charbon, à pétrole ou nucléaires. Produire de l'hydrogène n'est pas toujours propre, contrairement à ce que l'on peut croire.

La conservation du dihydrogène pose aussi de nombreux problèmes notamment d'un point de vue sécuritaire. Il peut être comprimé dans des bouteilles de gaz, d'une pression comprise entre 350 et 750 bars, liquifié ou combiné chimiquement sous forme de méthane ou de méthanol. Ceux-ci seront ensuite retransformés pour libérer du dioxygène.

Dans le moteur à explosion, on utilise seulement du dihydrogène et du dioxygène que l'on fait réagir ensemble grâce à une étincelle.

2H₂ + O₂ => 2H₂O + Q

Q représentant de l'énergie.

C'est de cette manière que Reaction Engines Limited souhaite utiliser le dihydrogène. En effet, celui-ci est de loin le plus efficace énergétiquement :

Q pour 1 kg de dihydrogène = Q pour 3 kg d'essence

mais aussi le moins lourd et le moins préjudiciable pour un environnement stratosphérique qui est fragile : le vol de l'A2 est prévu à 20 000m d'altitude. De plus, il servirait aussi de source cryogénique pour refroidir le moteur.