Pour faire de l’avion un moyen de transport durable, les associations de compagnies aériennes et un nombre croissant de pays se sont engagés à atteindre la neutralité carbone (zéro émission nette) à l’horizon 2050, ce qui représente un défi incommensurable. En effet, pour décarboner l’aviation civile à cette échéance, les acteurs du secteur devront accélérer considérablement le rythme de renouvellement de leur flotte en acquérant de nouveaux appareils plus performants, et investir dans de nouvelles techniques de propulsion. Or, les trois grandes catégories de carburants propres pour l’aviation – le carburant durable d’aviation (« CDA » ou « SAF » en anglais), l’hydrogène et le 100 % électrique – se heurtent à d’importants obstacles.

En l’absence de progrès scientifique majeur, atteindre la neutralité carbone prendra plus de temps et passera nécessairement par des compromis, en particulier si le trafic aérien continue de croître. Nos travaux montrent qu’aucune solution ne se distingue clairement pour décarboner la majeure partie de l’aviation civile d’ici à 2050, même en tablant sur de réelles avancées techniques et sur une réduction des coûts. Les carburants durables, qui représentent la voie la plus prometteuse, sont limités en volume et devraient rester onéreux, quels que soient les mesures et les engagements des pouvoirs publics dans ce sens. L’hydrogène vert et la propulsion électrique pourraient remplacer durablement le kérosène Jet-A pour les petits avions à l’horizon 2050, mais ne couvriront pas l’essentiel de la flotte civile. 

Le développement des trois types de substituts du kérosène nécessitera des milliers de milliards de dollars d’investissement coordonnées dans la recherche et développement ainsi que dans les sources d’énergie renouvelables. Il en découle qu’à moins de subventions massives, une telle approche augmenterait les prix des billets et réduirait le trafic aérien. 

Les dirigeants du secteur pourraient être tentés de miser sur plusieurs méthodes simultanément, mais avec le risque d’avancer plus lentement sur chacune. La solution la plus efficace de réduction des émissions aériennes à moyen terme consisterait à équiper les appareils d’une propulsion électrique hybride fonctionnant avec des mélanges de carburants durables. Quant à la deuxième moitié du siècle, les avions 100 % électriques devraient constituer le meilleur moyen de décarboner le transport aérien.

Le cheminement de l’aviation civile vers la neutralité carbone sera long et complexe. De nombreuses hypothèses pourraient être révisées au fur et à mesure de l’évolution technique. Le contexte actuel, qui exhorte les constructeurs et les autres acteurs du secteur à agir sans tarder, s’accompagne d’un risque significatif d’éparpillement et d’investissements à perte. Les stratégies conçues pour l’incertitude peuvent aider les entreprises du secteur à faire des choix rationnels et se donner ainsi les moyens de l’emporter dans le monde de demain. 

À l’épreuve des réalités

Face à la pression croissante exercée par l’objectif de neutralité carbone d’ici à 2050, de nombreux acteurs du secteur espèrent atteindre ce but en combinant carburants durables, hydrogène et électricité. Toutefois, la plupart des études sur ce sujet négligent les investissements colossaux que nécessiterait un usage économiquement viable de ces substituts au kérosène, la disponibilité restreinte des énergies renouvelables et des ressources naturelles pour les produire, le fait que d’autres secteurs voudront accéder aux mêmes sources d’énergie et les conséquences de cette situation sur le coût du transport aérien. 

Le projet de décarbonation de l’aviation à l’horizon 2050 s’appuie sur des hypothèses pour le moins incertaines. Premièrement, les compagnies aériennes devront considérablement accélérer le rythme de renouvellement de leurs appareils. Deuxièmement, les compagnies et les États devront investir des milliers de milliards de dollars dans la production de carburants durables et dans l’indispensable augmentation de la production d’énergies renouvelables. Troisièmement, les aéroports et les compagnies aériennes devront revoir leurs opérations au sol pour répondre aux défis que posent ces nouveaux carburants en termes de sécurité, de logistique et de durée d’immobilisation des appareils entre deux rotations. 

Les grands gagnants de cette course auront adopté une vision stratégique et compris que les investissements dans les technologies d’avenir ne seront rentables qu’à condition de disposer des ressources appropriées – ce qui passera nécessairement par des compromis. De nombreux industriels, États, compagnies aériennes et autres parties prenantes misent résolument sur les trois techniques à la fois, y compris l’hydrogène, avec un risque de retour de bâton si les dirigeants du secteur tablent sur une viabilité commerciale généralisée à l’horizon 2050. 

Priorité n°1 : réduire la consommation

Améliorer le rendement du carburant sera le meilleur moyen de réduire les émissions au cours des dix prochaines années. Quelles que soient les promesses des carburants durables, la construction des infrastructures nécessaires et l’accroissement de l’offre porteront les investissements à des niveaux jamais atteints, sur des durées sans précédent.
Jusqu’ici, les constructeurs d’avions de ligne parvenaient à améliorer le rendement d’1 % par an, ce qui contribuait à réduire la pollution par passager-kilomètre transporté et à abaisser le coût du transport aérien. Toutefois, un tel gain d’efficience ne suffira pas à atteindre la neutralité carbone, ni même à compenser les émissions produites par la croissance du trafic, elle-même estimée à 3 % par an d’ici à 2050. Le secteur devra investir davantage dans la R&D et réduire le cycle de vie moyen des appareils. De nouveaux types de moteurs, par exemple à rotor ouvert (« Open Rotor »), une conception plus innovante des cellules d’aéronefs ou l’emploi de matériaux plus légers pourraient contribuer à accélérer la cadence. Les compagnies aériennes tablent également sur l’optimisation opérationnelle, y compris en rationalisant les itinéraires et en faisant rouler les avions sur la piste sans solliciter la puissance du moteur.
La manière la plus intéressante d’améliorer le rendement du carburant consiste à opter pour des appareils hybrides dotés de propulseurs électriques externes, sur lesquels nous reviendrons plus bas. 

Carburants durables : le défi du volume

Derrière l’amélioration du rendement, les carburants durables (aussi appelés « SAF », de l’anglais « sustainable aviation fuels ») constituent la deuxième option la plus prometteuse pour réduire les émissions rapidement et fortement. Ils présentent deux grands avantages : ils peuvent remplacer le kérosène Jet-A sans modification radicale des appareils ni des infrastructures, et ils peuvent servir pour tous les types de vols, y compris long-courrier. Aujourd’hui, la plupart des moteurs sont déjà certifiés pour fonctionner avec un mélange composé à parts égales de carburant durable et de kérosène, et la certification pour un usage « 100 % SAF » est attendue avant la fin de la décennie. 

Le carburant durable le plus répandu et le plus avancé, l’HEFA (mélange d’esters hydrotraités et d’acides gras), est fabriqué à partir d’huiles de friture et de graisses animales, qui peuvent également servir à fabriquer du gazole renouvelable. Le principal inconvénient de l’HEFA réside dans la faible disponibilité de la matière première, qui pèse sur l’offre et interdit aux producteurs de baisser leurs coûts. Nous estimons que l’HEFA pourrait répondre à environ 8 % de la demande de carburant Jet-A au maximum à l’horizon 2050.

Les carburants de synthèse, aussi appelés « électro-carburants » ou « e-carburants », dérivés d’une combinaison d’hydrogène vert et de dioxyde de carbone capté dans l’atmosphère ou à partir de sources industrielles, pourraient, en théorie, offrir une capacité illimitée, à condition que les pouvoirs publics et le secteur investissent à grande échelle pour accroître l’offre d’énergie renouvelable. Ajoutons que cette technique n’a pas encore fait ses preuves à l’échelle industrielle. 

D’après nos calculs, même des investisements massifs dans les biocarburants et e-carburants, des progrès techniques rapides et une forte réduction des coûts ne suffiraient pas à assurer une offre suffisante pour répondre à la demande du secteur aérien en 2050. Des investissements cumulés de 1 300 milliards de dollars, par exemple, porteraient le volume de production de carburants durables à seulement 20 % à peu près des quantités jugées nécessaires pour faire voler les avions en 2050. Il faudrait en outre y ajouter 10 000 milliards de dollars d’investissements industriels dans la production et les énergies renouvelables pour remplacer le kérosène standard (voir les figures 1 et 2).

Figure 1

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Figure 2

L’aviation est également en concurrence avec d’autres secteurs, comme le transport routier, pour l’accès aux carburants renouvelables. De plus, en l’absence de subventions publiques, il est moins rentable pour les raffineries d’augmenter la part de carburants durables par rapport au gazole renouvelable. 
Les aspects économiques de la production devraient s’améliorer au fil du temps, en particulier pour les e-carburants, mais les carburants durables devraient rester plus de deux fois plus chers que la moyenne historique récente du Jet-A d’ici à 2050 (voir la figure 3).

Figure 3

L’avantage de l’électricité

L’électricité produite par des batteries est indéniablement le mode de propulsion engendrant les plus faibles déperditions d’énergie sur toute la chaîne de transmission jusqu’à l’hélice (voir la figure 4). ce qui fait de l’avion électrique la meilleure solution pour décarboner le transport aérien à long terme. 

Figure 4

L’aviation va également profiter des progrès enregistrés par les batteries destinées à l’automobile, dans le contexte de la montée en puissance des voitures électriques. Des vols de démonstration ont d’ores et déjà prouvé qu’il était possible de propulser des aéronefs à l’électricité uniquement, sur des distances très courtes (moins de 250 milles marins ou 460 kilomètres).

De même, de nombreux systèmes de bord fonctionnent de plus en plus à l’électricité, ce qui facilite la transition. 

Citons parmi les principaux défis que devra relever la propulsion électrique :

• La densité des batteries ne devrait pas progresser assez rapidement d’ici à 2050 pour assurer la majeure partie du transport aérien couvert aujourd’hui par les avions monocouloirs et gros porteurs (voir la figure 5).
• Le ravitaillement en carburant nécessitera d’importants investissements dans de nouveaux équipements aéroportuaires et allongera la durée d’immobilisation au sol des avions.
• L’électricité doit être produite à partir de sources respectueuses de l’environnement, sans compter qu’elle sera également très convoitée par d’autres secteurs. 

Figure 5

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Hydrogène : beaucoup d’efforts pour un maigre résultat 

Airbus mise beaucoup sur l’hydrogène pour décarboner l’aviation. Le constructeur s’est ainsi fixé l’ambitieux objectif de sortir son premier appareil fonctionnant entièrement à l’hydrogène d’ici à 2035. Pourtant, même si tous les avions à turbopropulseur et la moitié des avions à réaction régionaux passaient à l’hydrogène – ce qui représente un scénario très optimiste – ce remplacement ne concernerait que 2 % des passagers-kilomètres payants et 4 % des émissions de CO2.

Les partisans de l’ hydrogène font valoir que cette solution permettrait d’éliminer la quasi-totalité des émissions de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre imputables au transport aérien. Pourtant, le passage à l’hydrogène s’accompagnerait de difficultés considérables. Tout d’abord, il faut totalement revoir la conception des avions, avec des réservoirs plus vastes, en raison de la faible densité énergétique volumétrique de ce gaz. Les compagnies aériennes auraient donc à choisir entre limiter les distances parcourues ou la capacité d’accueil des appareils, ce qui restreindrait largement l’usage de l’hydrogène aux vols régionaux. 

En outre, l’hydrogène est difficile à transporter et sa liquéfaction coûte cher. Les aéroports auraient besoin d’acquérir de nouveaux équipements de ravitaillement adaptés à l’H2 sous forme liquide, ce qui représenterait une tâche herculéenne. D’après nos calculs, la conversion de 53 aéroports européens coûterait entre 50 et 65 milliards de dollars, et cet investissement ne couvrirait que 10 % des passagers-kilomètres payants de la région, autrement dit 1 % du total mondial.

Nous avons estimé que la production de 9 millions de tonnes d’hydrogène d’ici à 2050 coûterait entre 250 et 400 milliards de dollars, et que ce volume couvrirait au mieux 5 % des passagers-kilomètres payants prévus à cette échéance. Ajoutons que les compagnies aériennes ne seraient pas les seules à vouloir se procurer de l’hydrogène vert et que les autres secteurs, désireux eux aussi de se décarboner, leur opposeraient une concurrence féroce. À moins que les pouvoirs publics ne s’engagent fermement à assurer l’approvisionnement en hydrogène vert, l’aviation devra se battre pour en obtenir. Même si cette matière première est disponible à bon marché en 2050, le coût de sa liquéfaction, qui suppose de refroidir le gaz à -250 degrés, dépasse à lui seul le prix moyen du kérosène de ces dernières années (voir la figure 6). 

Figure 6

En résumé, au vu du coût de l’hydrogène, des difficultés d’approvisionnement et des contraintes économiques des opérateurs, il est peu probable que ce mode de propulsion compense une part significative des émissions du transport aérien à l’horizon 2050. 

Le bon choix pour l’avenir

La meilleure approche pour décarboner le transport aérien d’ici à 2050 reposerait sur une accélération de l’amélioration du rendement des carburants conjuguée à un renouvellement plus rapide de la flotte, à un recours maximal aux carburants durables – c’est-à-dire autant que les compagnies aériennes pourront s’en procurer– et à des appareils hybrides. Nous pensons que l’hydrogène ne jouera qu’un rôle limité.
Nous nous attendons à ce que les années 2030 voient émerger une nouvelle génération d’avions monocouloirs conçus pour maximiser le rendement énergétique et équipés d’une nouvelle génération de moteurs. Mais la condition sine qua non de l’élimination progressive du kérosène Jet-A réside dans le développement des carburants durables au-delà du seul HEFA et dans la montée en puissance d’e-carburants abordables.

Les avions hybrides associeraient les gains d’efficience nés du progrès technique aux avantages de la propulsion électrique en termes d’émissions. Les appareils hybrides dotés de propulseurs électriques externes seraient particulièrement utiles pour améliorer le rendement lors des phases de vol particulièrement énergivores, comme le décollage, tout en assurant une réserve d’énergie en cas de besoin. Ce dispositif réduirait également la résistance à l’avancement de l’appareil dans la couche de frottement, ce qui pourrait réduire sensiblement la consommation de carburant, de l’ordre de 8 à 9 % par rapport aux avions actuels selon le Glenn Research Center de la NASA. Les avions hybrides éviteraient aussi pour l’instant d’avoir à mettre en place des stations de recharge au sol, puisque leurs moteurs se rechargent en vol. 

Où investir ?

Face à cette configuration complexe en pleine évolution, les dirigeants du secteur doivent avant tout prendre les bonnes décisions d’investissement pour les décennies futures et savoir où orienter les investissements complémentaires. Les acteurs du transport aérien visent à réduire les émissions le plus possible en suivant une stratégie conçue pour l’incertitude, ce qui suppose de réaffecter les fonds vers les technologies gagnantes et d’investir dans des mesures qui se révéleront payantes dans tous les cas, tout en doublant la mise avec des investissements ciblés, potentiellement très prometteurs grâce au progrès technique. 

Voici comment se traduisent concrètement les premiers éléments de cette stratégie pour les différents métiers du secteur aérien.

Constructeurs d’avions de ligne

• Donner un grand coup d’accélérateur à la tendance à l’amélioration du rendement des carburants en misant sur les avancées les plus innovantes en matière de conception des appareils et des moteurs, y compris les propulsions hybrides. 
• Arbitrer entre investissements à grande échelle et stratégies de couverture. Se demander dans quelle mesure il conviendrait de miser des fonds limités sur certaines techniques, comme l’hydrogène. 
• Rationaliser les portefeuilles d’activités et adopter l’approche de la « table rase » pour améliorer la performance (en repensant toute leur organisation sur des bases nouvelles), en vue de libérer de la trésorerie pour investir. 
• Revoir leurs modèles économiques dans l’optique de favoriser l’innovation, d’améliorer la productivité des salariés et de développer de nouvelles compétences, aussi bien en interne que par le biais d’acquisitions ou de partenariats. 

Compagnies aériennes

• Accélérer le renouvellement de la flotte en vue de mettre en service au moins deux générations d’appareils plus efficaces d’ici aux années 2050.
• Promouvoir les carburants durables et donnant aux clients la possibilité de choisir cette option, avec des incitations dans ce sens. Co-investir dans le développement de carburants durables et s’engager à acheter une part des futures quantités produites. 
• Se fixer des objectifs ambitieux d’amélioration de l’efficience opérationnelle en vol (par exemple en optimisant le contrôle du trafic aérien) et au sol (par exemple en décarbonant les opérations effectuées dans l’aéroport).

Pouvoirs publics et associations professionnelles 

• Proposer plus d’incitations financières, telles que les obligations vertes ou les subventions, pour favoriser le développement d’infrastructures adaptées aux énergies renouvelables. Encourager l’investissement dans les carburants durables de nouvelle génération (au-delà du seul HEFA) et dans les e-carburants. 
• Offrir des conditions plus favorables aux fabricants de carburants durables afin d’en augmenter la production à destination du secteur aérien et ainsi compenser l’avantage économique consistant à produire à partir de la même matière première des carburants renouvelables pour le transport routier. 
• Fixer des attentes réalistes en matière de neutralité carbone. Un objectif de zéro émission nette pour 2050 devrait intégrer les conséquences possibles de la hausse des prix des billets d’avion et du ralentissement de la croissance du trafic aérien. 
• Contribuer à la mise en place de systèmes internationaux opérationnels dits « book-and-claim » qui corrigent les déséquilibres d’approvisionnement en regroupant la demande mondiale de carburants durables, en vue d’abaisser les coûts et de stimuler la demande. 

Fabricants de carburant

• Investir, au-delà de l’HEFA, dans la nouvelle génération de carburants durables avec moins de contraintes d’approvisionnement, parallèlement aux e-carburants. Envisager d’adhérer à un consortium de bailleurs de fonds pour mutualiser les risques. 
• Participer aux initiatives du secteur visant à encourager le développement de carburants durables à grande échelle.