Electrons, écologie, ULM et embrouilles...

Article paru dans ULMiste n°1, mai 2010

 

Electrons ,  écologie, ULM et embrouilles...

 

A l’heure où il semble interdit de ne pas louer la propulsion électrique où qu’elle se trouve, ULMiste se pose la question de savoir s’il est possible de penser autrement. Non pas de façon purement nihiliste ou réactionnaire, mais plutôt pour s’assurer qu’on ne fasse pas fausse route et que ce faisant on ne passe pas à côté de solutions actuellement plus adaptées, voire simplement plus réalistes. En clair, la question est : l’électrique n’a-t-il vraiment que des avantages, comme le laisse comprendre la pensée non pas dominante, mais “yunique” ?

 

Jean-Christophe Verdié

 

Quelques faits :

 

Quelques repères et ordres de grandeur :

 

Unités de puissance : 

1 cv (=1 cheval) = 750 W =0,75 kW

1 cv pendant 1 heure = 0,75 kW/h

1 cycliste à 30 km/h fournit un effort de 250 W

1 cycliste au sprint va donner de 750 à 800 W (un cheval) et peut-être un peu plus suivant les additifs.

 

Energie massique :

1 kg de bois bien sec : 2000 W/h  

1 kg d’essence : 11 000 W/h

1kg de batterie  lithium-polymère (lipo) :   170 W/h,  c’est-à-dire environ  1  quart de cheval/h.

 

Donc, si tu veux  10 cv pendant une heure, il te faut environ 40kg de batteries lipo.

A masse égale, une batterie contient environ 60 fois moins d’énergie que de l’essence. L’efficacité d’un moteur thermique est inférieure à 30%, celle du moteur électrique et de son régulateur peut être considérée de l’ordre de 90%. Donc, dans le but de produire un travail mécanique, comme faire tourner une hélice, on a, pour un travail fourni équivalent en W/h, des batteries 20 fois plus lourdes que l’essence correspondante.

A puissance égale, le moteur  électrique sera beaucoup plus léger et petit qu’un moteur thermique.

En thermique, c’est la puissance instantanée qui coûte cher en poids et en argent, du fait du moteur.

En électrique, c’est l’autonomie qui coûte très cher en poids et en argent, du fait du réservoir d’énergie : les batteries.

 

Dans l’état actuel de la technologie, sont donc en priorité électrifiables les activités aéronautiques qui peuvent s’accommoder d’une fourniture de puissance qui si elle est conséquente, sera limitée dans le temps ou intermittente : exemple motoplaneurs, motorisations auxiliaires…

C’est ce qui s’est passé il y a 25 ans dans  l’aéromodélisme lorsque seuls les accus NiCd (d’une capacité massique 2 fois moindre que les Lipo) étaient disponibles : seuls les motoplaneurs étaient viables.

Le premier gisement d’économie d’énergie, prépondérant pour une motorisation électrique, passera par le cercle vertueux du moins lourd, plus aérodynamique, moins nécessairement puissant. Ceux qui commencent à avoir des résultats notables ont joué cette carte à fond. Ainsi en est-il par exemple du Swift, motoplaneur ULM qui vole à l’électricité depuis la fin des années 90 sur une initiative privée, puis depuis repris en série par Aériane, son constructeur, ou bien encore du motoplaneur Alatus motorisé par Electravia et commercialisé par RandKar. On pourrait également citer le Taurus, motoplaneur biplace de Pipistrel, mais sa version électrique, de 320 kg de masse à vide, ne peut être ULM. Par contre, les tentatives qui consistent à électrifier des appareils existants dont certains sont de véritables pièges à trainée sont passablement hors du sujet, et les résultats, qu’il serait poli de qualifier de médiocres, sont là pour les sanctionner comme tels. Ainsi par exemple le Pouchelec. Parce-que ce type de machine est conçu pour ne voler qu’au moteur. Nous ne sommes pas en train de dire que ce genre d’appareil n’a pas de raison d’être, car tout ce qui tend à possiblement abaisser le coût de l’aviation populaire mérite intérêt, mais ce qui est dit ici est que la motorisation électrique, dans son état actuel, ne s’y prête pas. Il existe cependant une raison pas trop incohérente d’électrifier un piège à trainée : si sa motorisation est vouée à être très auxiliaire et utilisée de manière courte et intermittente. Par exemple, un parapente, avec ses 400 m de suspentes traînantes et ses 6 ou 7 points de finesse sur le papier est loin d’être le Graal d’efficacité aérodynamique, mais s’il suffit de 10 cv pendant 5 minutes pour le mettre en l’air et qu’ensuite s’exprime le talent du pilote thermiqueur capable de ne recourir que deux ou trois fois durant son vol à l’assistance du moteur électrique pour se sortir d’un point bas, le concept tient la route… ou plutôt l’air. Le Razmott est conçu et vendu comme une vraie motorisation auxiliaire parapente. Toutefois, hélas, la demande pour ce type d’usage est infiniment réduite, les plus de vingt années d’expérience du paramoteur le montrent.

On va donc retomber sur un débat vieux comme l’aviation, la relation entre le poids, l’efficacité aérodynamique, les performances souhaitées, la puissance nécessaire pour emmener la charge utile aux performances et avec  l’autonomie souhaitées, et enfin le rapport solidité/masse de la structure qui doit supporter cette puissance. Sur ce sujet la littérature aéronautique des années 30 nous montre de bien jolies avionnettes en bois d’arbre et toile qui tenaient l’air avec une petite quinzaine de cv et un pilote compétent.

 

Le principal frein à l’utilisation opérationnelle d’une motorisation  électrique est cette faible quantité d’énergie stockée par unité de masse du “réservoir d’énergie” (environ 170Wh/kg) comparée à l’essence (environ 11000 Wh/kg). Il faut également rappeler le fait que le poids de l’essence est consommé au cours du vol, diminuant ainsi au fur et à mesure la puissance nécessaire pour maintenir la machine en l’air, alors que 100kg de batteries chargées pèsent toujours 100kg de batteries à plat à l’arrivée.

Un second frein est constitué par le temps nécessaire au rechargement des batteries Lipo qui supportent mal d’être brutalisées par des charges trop rapides. Les cycles  de charge de plusieurs heures doivent être parfaitement contrôlés par une électronique de qualité sous peine de destruction violente.

 

Si d’importants progrès sont attendus autant sur l’énergie massique que sur les temps de charge, les améliorations de ces deux caractéristiques sont pour le moment antinomiques. En effet on parvient à produire des batteries Lipo capables d’encaisser une recharge en moins d’une heure, mais en réduisant encore la quantité d’énergie stockée par kg de batterie en dessous de 150 Wh/kg.

 

Les technologies actuelles et en cours de développement s’appuient pour la plupart sur un métal rare : le lithium. D’aucuns prédisent de manière quelque peu alarmiste, que le lithium est en phase de devenir le pétrole du IIIème millénaire, déclenchant luttes et conflits sur la scène internationale pour son contrôle, les médias généralistes se faisant même un devoir d’affoler la population en martelant que 40% des réserves mondiales de lithium sont concentrées dans un minuscule lac asséché de Bolivie et que de fait le prix du précieux métal a été multiplié par dix en quelques années. Ces deux informations sont exactes, mais très incomplètes, et le parallèle avec le pétrole est inopportun. Effectivement, le prix du lithium est passé en quelques années de 350 $ la tonne à plus de 3000 $ la tonne. Le lithium représente environ 20% du poids de la batterie, considérons 100kg de batteries, cela nous fait quelques dizaines de $ de lithium dans notre énorme batterie dont le prix total se compte en milliers d’euros, bref ce n’est pas le prix du lithium en temps que matière première qui posera problème, ce prix peut encore être multiplié par 10 ou 20 sans qu’il ne se ressente de manière significative sur le prix total de la batterie. Le spectre de l’épuisement des réserves planerait sur l’industrie du lithium avant même qu’elle n’atteigne sa maturité ? Les 40% de réserves mondiales évoqués plus haut s’appliquent aux gisements connus et exploités à ce jour, immédiatement accessibles sans trop d’effort de recherche ou d’extraction, d’autres gisements moins faciles d’accès sont connus et à exploiter ou à découvrir. D’autre part, Les techniques de recyclage permettent, à partir de batteries usagées de récupérer plus de 95% du lithium qu’elles contiennent, en consommant seulement 1 tiers de l’énergie nécessaire à son extraction initiale. Avec un bémol : on maîtrise la technique mais il n’y a guère de structures qui l’opèrent… L’excellent site www.modelisme.com explique comment recycler soi-même ses Lipo de façon “écolo-compatible”.  Faut vraiment en être pour suivre cette longue et peu simple méthode. Ah, si l’on savait refaire du pétrole à partir des gaz d’échappement ou des épaves de voitures, quel miracle ! Enfin, du lithium, il y en a plein l’eau de mer, près de 0,2 g par m3, on peut le récupérer par évaporation (comme le sel dans les marais salants) suivi d’un procédé de séparation relativement peu complexe et peu énergivore utilisant de la chaux. Certes, ce n’est pas beaucoup, mais si on le veut vraiment, on sait où aller le chercher !

 

Démonstration

 

S’il commence à être possible de faire voler un ULM électrique, ne confondons pas possibilité de démonstration avec utilisation opérationnelle au quotidien. En excellent démonstrateur, le premier véhicule terrestre à passer la barre mythique des 100 km/h en 1899 fut une voiture électrique nommée “La jamais contente”. La première navigation aérienne fut réalisée par Mrs Renard et Krebbs à bord d’un dirigeable à propulsion électrique en 1884 ! Mais nous n’avons toujours pas vu, au XXIème siècle, la progéniture de ces deux efficaces démonstrateurs proliférer dans l’usage quotidien, alors qu’ils datent du pénultième siècle ! Ou plutôt si, nous l’avons dit plus haut, mais à quel prix ? Le seul pack de batteries des pendulaires monoplaces électriques actuellement commercialisés coûte près de 10 000 €. Il est donné pour 500 cycles avec, disons, une heure de vol, puisque c’est ce qui est annoncé. Nous avons donc un poste “énergie” de 20 € de l’heure plus celle qu’il faut mettre dedans, soit au moins trois fois plus que ce que coûte l’essence pour le même travail sur ces mêmes appareils (4,5 litres à l’heure). Avec une autonomie limitée et des vols successifs espacés de plusieurs heures (recharge), temps auquel il faut ajouter le délai entre chaque cycle : il n’est pas question de brancher la prise dès l’atterrissage... A ce jour, beaucoup de constructeurs ne présentent, dans leur documentation commerciale, que le coût de la charge, en omettant d’évoquer celui du “réservoir”, tel le chinois Yuneec qui vante le “plein” pour 5 $...

Le point crucial est donc cette difficile transition du démonstrateur à la machine utilisable au quotidien, et suffisamment aboutie et économique pour nous la faire préférer au thermique et ce dans les différents contextes d’utilisation de chacun: tours de pistes, école, simple balade, motorisation auxiliaire, voyage lointain, exutoire d’outre-plancher des vaches. Un progrès n’en est réellement un que s’il ne présente aucune nouvelle faiblesse par rapport à ce qu’il est supposé supplanter. Electravia, l’entreprise française la plus impliquée dans le développement de l’aviation électrique, travaille sur plusieurs projets d’avions et ULM conçus dès le départ en ce sens, après avoir fait démonstration de la viabilité de ses propulseurs sur des démonstrateurs. Par ailleurs, leurs expérimentations leur ont permis de confirmer que le bruit vient principalement de l’hélice, ce qui les a motivés à travailler en ce sens, efficacement. C’est, à ce jour, la seule avancée tangible que permet (indirectement), la recherche sur les moteurs électriques pour ULM. 

 

Questions…

 

Si une importante rupture technologique telle que celle du lithium-air qui, si elle se concrétise un jour, multiplierait presque par dix l’énergie massique des batteries, peut constituer un grand pas en avant, n’oublions pas qu’il reste d’autres écueils à éviter. Ces batteries, il faut bien les charger avec de l’électricité, laquelle n’apparait pas par magie en quantités infinies aux bornes de la prise du clubhouse. D’ailleurs, que va-t-il se passer quand on voudra recharger les quarante machines du hangar en même temps dans la nuit de samedi à dimanche, parce-que là, même en débranchant la machine à café, le radiateur et la télé, ça ne passera pas.  Par ailleurs, comment paie-t-on son “plein” ? On sait facturer 20 litres d’essence, mais comment faire payer le temps de connexion à la prise ? Qui s’occupe de la charge ? Faudra-t-il venir au terrain le vendredi soir pour brancher la machine en vue du vol du samedi, ou se faire à l’idée qu’il faudra venir le matin pour voler l’après-midi? Comment règle-t-on la question de la masse, sachant qu’un accroissement de l’autonomie passe fatalement par un alourdissement des batteries, et qu’en voyage il faudra également compter dans son devis de masse le chargeur en lieu et place de la vaillante et leste “branlette” ? Saura-t-on construire un ULM biplace dont la masse à vide pourra prendre en compte non pas une heure d’autonomie, mais l’autonomie totale des batteries embarquées, puisque cet item est incompressible et immuable ? Ou faudra-t-il imaginer acheter plusieurs packs de batteries que l’on changerait en fonction de ses besoins ? 

Ecolo ?

 

Tu voles en France ? Ton bel ULM vert certifié Grenelle de l’environnement tournera  à la Tchernobyl Technology à 88% (energies.edf.com). Gloups, du coup la carte postale bucolique avec champs fleuris, zozieaux qui pépient et ULM qui gazouillent sans essence, tu peux lui rajouter en plein milieu un beau fût jaune avec un sigle à trois branches, un peu rouillé et qui finira probablement par suinter à l’air libre dans quelque pauvre et lointain pays. Non pas qu’il faille être anti nucléaire primaire, car cette technologie présente aussi des avantages notamment pour soigner le cancer, mais dans le discours dominant des écologistes pur jus, il ne semble pas que ce soit tellement en odeur de sainteté. Allons voir chez nos voisins germaniques qui ont au moins vingt ans d’avance sur nous dans la “verditude”, d’ailleurs, ils ont banni le vilain nucléaire, c’est pour dire. Flûte, enfer et carbonisation, à la place, ils ont plein de centrales à charbon, tu sais le truc bien noir et bien crasse qui tue des mineurs, qui pollue à mort et qu’on reproche à longueur d’infos télévisées aux chinois qui ont le culot inouï de vouloir croître à leur tour. Misère, ce n’est pas non plus avec un ULM au charbon qu’on va pouvoir draguer la petite écolo branchée. Par contre, si elle a deux ou trois neurones qui connectent, il devrait y avoir moyen de lui expliquer que pour le moment, l’électricité, c’est loin d’être aussi simple et aussi propre qu’on le perçoit, c’est juste que la crasse et les problèmes sont exilés hors de notre vue, ce qui ne les empêche pas de nous impacter de manière globale. C’est ce que des sociologues nomment le syndrome NIMBY : Not In My Back Yard. Que mon arrière-cour soit propre, quitte à salir celle du voisin. Le pourcentage d’électricité produite avec peu d’impacts est encore très faible, et la tendance mettra encore beaucoup de temps à s’inverser. En considérant les infrastructures de fourniture d’énergie existantes, la seule énergie propre, c’est celle qu’on n’a besoin ni de produire, ni de transporter, ni de consommer.

 

Donc non, l’aviation électrique n’est pas plus écologique que l’aviation à combustion et faudrait même voir si des fois elle ne le serait pas moins, si l’on prend objectivement en compte la “facture écologique” globale…  A moins, ce qui reste possible, que nous n’ayons pas compris ce qui définit l’écologie. ULMiste, qui pose des questions mais tâche d’y répondre, reviendra dans le prochain numéro sur l’une des solutions alternatives possibles aux moteurs actuels.

 

Mais alors…

 

…Pourquoi un tel engouement ? Si les constructeurs automobiles se sont jetés corps et âme dans la course à l’électrique depuis quelques dizaines de mois, malgré les échecs cuisants des rares tentatives des trois dernières décennies, il semble bien que cette frénésie vienne en partie du besoin de montrer que l’on est dans la course dans ce contexte de mode écologique, stratégie de communication de ces grands groupes internationaux, à destination de populations de millions de clients potentiels, pour augmenter le capital sympathie de la marque auprès du grand public en surfant sur les courants porteurs du moment.  Dans quelle mesure les constructeurs d’ULM dont les volumes de vente et parcs clients relèvent plus de l’artisanat que de l’industrie, ont-ils besoin de communiquer sur ce mode? Pourquoi certains construisent-ils de couteux et hasardeux prototypes qu’aucun client ne leur a commandés et qui ne seront donc pas vendus ? Comment de si petites structures, dont une proportion non négligeable tire certainement le diable par la queue à l’approche de chaque bilan comptable, peuvent-elles financer ces “recherches” sur lesquelles les constructeurs automobiles, qui ont a probablement les reins un peu plus solides, se sont cassés les dents ces trente dernières années ? Et s’ils le peuvent effectivement, pourquoi prennent-ils la décision de le faire, décision a priori non viable pour de telles structures : immobilisation de capitaux, consommation de temps, de main d’œuvre, qui pendant ce temps-là ne construit pas un truc qui se vend et fait donc vivre l’entreprise.

 

On ne peut imaginer un instant que ces professionnels de l’ULM qui, les yeux tournés vers le ciel, mais les pieds fermement sur terre, pour avoir su monter leur affaire dans un domaine qui est loin d’être le plus facile, aient pu commettre une telle bévue de gestion, ou soient également et de manière synchrone subitement devenus des écologistes si profondément convaincus qu’ils seraient prêts à mettre en péril le fruit d’années d’efforts.

 

A moins qu’il n’y ait de l’argent à y gagner, éventuellement des subventions diverses, là d’un coup, la scène se recharge en bon sens et en logique, on comprend mieux et c’est rassurant. Ce qui ne l’est pas, c’est que les décisionnaires qui allouent ces subventions semblent sévèrement manquer de discernement.  Allez soyons un peu sérieux, quel constructeur ULM dispose d’un bureau d’études, d’un labo de chimie, et des ingénieurs pour mettre dedans?  Combien de ces projets feront faire d’avancée significative que ce soit sur la technologie des batteries ou des moteurs électriques ? Ces  prototypes ne sont-ils pas plutôt de l’assemblage d’éléments pré existants, sur lesquels on peut  poser un beau panneau : ULM électrique et 100% écologique? Quant à savoir si le bourrier est exploitable, on s’en fout. On a gaulé les sous en se donnant une bonne et verte conscience. Plusieurs professionnels de l’ULM (non cités dans cet article), nous ont confirmé que telles sont bel et bien leurs prinicpales motivations et continuent de rouler en 4X4. Ce système est d’autant plus absurde qu’une saine gestion voudrait que l’on subventionnât non pas seulement celui qui met au point et vend, mais aussi, voire surtout, celui qui achète. Or, pour l’instant, il n’en est rien, seul le putatif utilisateur final finance : par ses impôts “à l’insu de son plein gré”, puis son éventuel achat, a priori de son plein gré.

 

Une nouvelle technologie à l’étude dans les labos, la batterie lithium-air, nous fait la promesse théorique, à échéance inconnue, d’une capacité massique de plus de 1500Wh/kg. Une telle rupture technologique, si elle se concrétise, pourrait  changer la donne de manière très significative, mais il va falloir se montrer patient et quoi qu’il en soit il faudra être riche.

 

Ou opter pour les solutions qui permettent de produire soi-même son énergie électrique en temps réel. L’idée de Gérard Thévenot, par exemple, avec sa pile à combustible dilhydrogène qui a traversé La Manche. Si l’on accepte l’idée de voler à califourchon sur une bombonne en carbone gonflée à 300 Bars qui ne demande qu’à exploser au moindre choc, on peut y aller comme ça. Ou encore le Solar Impulse, qui exploite l’énergie gratuite et inépuisable du soleil. Mais un avion qui exige l’envergure d’un Airbus 330, quatre moteurs de 10cv, une masse à vide de 1600 kg pour transporter un seul individu (par ailleurs estimable), à 70 km/h est-il réellement un progrès ou un simple exercice de style ? La question peut se poser. Ou bien ?

Pour conclure, contrairement à ce que l’on pourrait s’imaginer ULMiste n’est pas contre l’électrique. Mais nous estimons que dans l’état actuel des choses il n’y a pas lieu d’être farouchement pour, concernant l’ULM. Les auteurs de ces lignes en parlent avec d’autant plus d’aisance qu’ils sont, par ailleurs, pleinement satisfaits de l’électrique sur leurs modèles réduits, avions et hélicoptères. Pour une raison simple, ça correspond aux réalités de la pratique : des vols courts. Mais pour l’ULM, économiquement ça ne tient pas la route. Techniquement, ça ne répond pas aux besoins pratiques. Qu’il y ait de la recherche sur des solutions alternatives aux monopôles pétroliers est sain, mais ce n’est pas dans l’ULM, qui n’en a pas les moyens, qu’elle se mène. Quant à l’aspect “écologique”, attendons qu’on nous explique. En tout état de fait, si nous nous trompons, nous ferons amende honorable.

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