La gestion thermique et l’optimisation énergétique de la chaine propulsive

L’hydrogène, embarquée sous forme gazeuse à haute pression ou sous forme liquide et à très faible température, peut être utilisée soit dans une chambre de combustion pour réagir avec l’oxygène de l’air et faire tourner une turbine, soit pour être mise en contact avec l’oxygène par l’intermédiaire d’une membrane à échange de protons correspondant à une pile à combustible ou pile à hydrogène. Cette dernière produit d’une part de l’électricité pour alimenter un moteur à aimants permanents, d’autre part elle produit également de l’eau qui devra être évacuée dans l’environnement, et enfin de la chaleur, qui permet, dans le cas d’un réservoir cryogénique, de réchauffer l’hydrogène issu du réservoir avant d’entrer dans la pile.

« L’optimisation de la chaîne propulsive hydrogène donne lieu à une analyse thermodynamique poussée qui a fait l’objet d’une thèse de doctorat soutenue en décembre 2025 en codirection entre l’ISAE-SUPAERO et le laboratoire LAPLACE » rappelle Jean-Marc Moschetta.

« Par ailleurs, certains phénomènes spécifiques, tels que le ballotement dans les réservoirs d’hydrogène liquide font actuellement l’objet de modélisations réalisées dans le cadre de coopérations envisagées avec SIEMENS et la société CT Engineering » complète le chercheur.

La sécurité à bord et la sûreté de fonctionnement

En comparaison avec le gaz naturel, une fuite d’hydrogène produit, dès 4% de concentration, une atmosphère potentiellement explosive. La molécule de dihydrogène étant très petite, les fuites dans les systèmes de distribution représentent un risque réel qui requiert des détecteurs d’hydrogène et des mesures de ventilation ou d’inertage à l’azote.

Une analyse de risques par une approche «model engineering» calibrée sur des mesures effectués sur banc d’essai est menée à l’ISAE-SUPAERO en coopération avec la société SIEMENS Software. Il s’agit d’étudier différents scénarios de panne et d’élaborer des solutions de secours.

En outre, la manipulation d’hydrogène induit une barrière psychologique liée à la dangerosité du matériau et à son utilisation. L’accident historique du dirigeable Hindenburg en 1937 pèse encore dans les esprits lorsqu’il s’agit de recueillir l’adhésion du grand public.

La maîtrise de la cryogénie dans le cadre de l’aviation

La modélisation de la chaîne propulsive et en particulier des propriétés thermodynamiques du réservoir (indice gravimétrique et taux d’évaporation) sont la clé de voute de la conception des avions à hydrogène. C’est l’objet du projet ARCHY (ARCHitecture des avions à Hydrogène) débuté en janvier 2025 et qui se poursuit sous la forme d’un post-doctorat en collaboration entre l’ISAE-SUPAERO et l’ENAC sous la coordination de l’Institute for Sustainable Aviation (ISA) associé au soutien de la Région Occitanie. L’objectif est l’étude d’architectures innovantes d’avions commerciaux moyens et longs courriers propulsés à l’hydrogène ainsi que leur impact sur les trajectoires de décarbonation de l’aviation. Ce projet donne lieu à des échanges avec les ingénieurs du programme AIRBUS ZeroE.

Parallèlement, le projet DRONE LIQUIDE soutenu par l’Agence Innovation Défense du ministère des Armées, développe une approche expérimentale de l’hydrogène cryogénique pour l’aviation. Il porte sur la réalisation des essais au sol et en vol d’un drone d’ultra-longue endurance à hydrogène cryogénique.

Démarré en février 2025, ce projet se concrétisera par l’acquisition d’un réservoir en titane, la mise en œuvre d’un liquéfacteur d’hydrogène permettant d’avitailler le drone avant son catapultage dans le cadre d’un partenariat avec le laboratoire LAPLACE et la société H2-Pulse porteur du projet.

L’acquisition de ce liquéfacteur nomade et la maîtrise de son fonctionnement est soutenue par le projet CRYOFLY financé en partie par le Région Occitanie et par le programme GENHyO - Génération Hydrogène en Occitanie.