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Impacts de l'aviation sur le climat sans émission de CO2 : Les traînées de condensation

18 octobre 2023 Catégorie : Transport Domaine de travail : carburants à zéro émission de carbone

L'élimination de la contribution du secteur de l'aviation au changement climatique mondial nécessitera deux changements majeurs sur le plan technologique. Le premier consiste à abandonner totalement le carburant aviation conventionnel dérivé des combustibles fossiles au profit d'un ensemble de vecteurs énergétiques plus compatibles avec le climat, notamment l'hydrogène et les carburants synthétiques de substitution dérivés de l'hydrogène, fabriqués selon des procédés à très faibles émissions nettes de gaz à effet de serre, les biocarburants produits à partir de déchets et l'électricité produite par des générateurs d'énergie à faible teneur en carbone ou à teneur nulle en carbone. La deuxième stratégie, qui fait l'objet de la présente note d'information, consiste à réduire la formation de nuages en forme de lignes à haute altitude, connus sous le nom de traînées de condensation. Comme indiqué dans le présent document, il est possible de réduire les traînées de condensation en éliminant les composés chimiques appelés aromatiques du carburant d'aviation et en faisant passer les avions autour des régions de l'atmosphère qui sont particulièrement propices à la formation de traînées de condensation. Pour atteindre les objectifs de décarbonisation du milieu du siècle, le secteur de l'aviation doit poursuivre simultanément les deux stratégies - changement de carburant et réduction des traînées de condensation.

Les émissions de gaz à effet de serre (GES) provenant du secteur de l'aviation ont augmenté rapidement au cours des dernières décennies, représentant 920 Mt des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO2) provenant des combustibles fossiles en 2019, contre seulement 706 Mt en 2013. Cependant, l'aviation a d'autres effets sur le changement climatique qui ne sont pas liés au CO2 et qui résultent des émissions de NOx, de vapeur d'eau et d'aérosols. Selon des études récentes, ces effets non liés au CO2 peuvent avoir un impact beaucoup plus important sur le climat que les émissions de CO2 et pourraient représenter les deux tiers de l'impact total de l'aviation sur le changement climatique.

Qu'est-ce qu'une traînée de condensation ?

Les traînées de condensation sont les nuages visibles en forme de lignes qui se forment derrière un avion lorsqu'il vole à haute altitude. À des niveaux de vol typiques (~35000 pieds / 10000 mètres, haute troposphère), les avions rencontrent parfois ce que l'on appelle des régions saturées en glace (ISSR). Dans ces régions, l'humidité relative par rapport à la glace dépasse la saturation (conditions atmosphériques très froides et humides) et des cirrus constitués de cristaux de glace peuvent commencer à se former. D'autre part, lorsque le carburéacteur est brûlé de manière incomplète dans le moteur, il en résulte l'émission d'un certain nombre de composants tels que le CO2, le H2O, le SOx, le NOx, le CO, d'autres hydrocarbures et des matières particulaires non volatiles (MPNV) comme la suie. Lorsque de la vapeur d'eau et de la suie sont émises par les gaz d'échappement des avions dans l'ISSR, les particules de suie agissent comme des noyaux de condensation pour la vapeur d'eau, gelant et formant des cristaux de glace. Lorsque l'humidité ambiante est élevée, ces particules de glace continuent de croître et finissent par former des traînées de condensation qui peuvent persister dans l'air (voir figure 1).

En fonction des conditions d'humidité de l'atmosphère, certaines traînées de condensation peuvent être de courte durée (jusqu'à 10 minutes) et s'évaporer peu après leur formation, tandis que d'autres peuvent s'étendre sur des kilomètres et durer plusieurs heures dans le ciel (traînées de condensation de longue durée). Lorsque les traînées de condensation de longue durée conservent une forme linéaire, elles sont appelées traînées de condensation persistantes et peuvent durer jusqu'à 10 heures. Lorsqu'elles évoluent vers des formes irrégulières, elles sont appelées cirrus contrail et ne se distinguent pas facilement des cirrus naturels, persistant pendant de plus longues périodes.

Des traînées de condensation peuvent encore se former en dehors de l'ISSR dans de l'air plus sec ou plus chaud, mais elles ne durent que peu de temps, couvrent de petites zones et ont donc un impact négligeable sur le climat. Les cirrus des traînées de condensation ont un impact similaire sur notre climat à celui des cirrus naturels qui se forment à haute altitude (15000-30000 pieds). Les cirrus réfléchissent une petite partie du rayonnement solaire entrant vers l'espace et piègent une grande partie du rayonnement infrarouge provenant de la Terre, ce qui produit un effet de réchauffement net, contrairement à l'effet de refroidissement net des nuages bas (voir un schéma simplifié à la figure 2).


Figure 1 : Formation des traînées de condensation

Source : Kärcher 2018


Figure 2 : Effet des nuages sur le rayonnement terrestre

Source : NASA


Quel est le forçage radiatif des traînées de condensation ?

Le forçage radiatif (FR) est une mesure de la différence entre le rayonnement entrant et sortant de la Terre et est le terme couramment utilisé par les scientifiques pour quantifier le réchauffement climatique. Lorsqu'un facteur de forçage climatique (par exemple, le CO2) fait que l'énergie entrante est supérieure à l'énergie sortante, la planète se réchauffe (FR positif) ; et lorsque l'énergie sortante est supérieure, elle se refroidit (FR négatif).

Les modèles climatiques ont montré que le FR associé aux cirrus des traînées de condensation est environ neuf fois plus important que celui des traînées de condensation persistantes en forme de ligne. Une étude récente qui a évalué la FR des différents effets CO2 et non CO2 de l'aviation mondiale a estimé que la FR des cirrus des traînées de condensation est la composante la plus importante de toutes, et plus importante que la FR du CO2 accumulé dans toute l'histoire de l'aviation, représentant plus de la moitié du forçage radiatif total dans ce secteur (voir la figure 3). Cependant, c'est aussi le terme qui présente la plus grande incertitude, car il dépend de nombreux facteurs.


Figure 3 : Forçage radiatif effectif de l'aviation mondiale (ERF)

Source : Lee et al. 2021


Teneur en composés aromatiques du carburéacteur

Le carburéacteur est composé de n-paraffines (ou n-alcanes), d'iso-paraffines, de cyclo-paraffines et d'aromatiques, répartis de manière à peu près normale dans la gamme des numéros de carbone C8 - C16 (voir figure 4). La formation de suie semble être largement associée à la teneur en aromatiques du carburéacteur, qui favorise la nucléation de la suie dans les zones riches en carburant de la chambre de combustion. La teneur en aromatiques dépend à son tour du pétrole brut ou des mélanges de pétrole brut à partir desquels le carburéacteur est produit. Étant donné que la composition du pétrole brut varie considérablement en fonction de ce qu'achète une raffinerie, la teneur en aromatiques peut également varier considérablement d'un lot de carburéacteur à l'autre dans le monde. La composition exacte du carburéacteur utilisé dans un avion donné est généralement inconnue, car les différents lots de carburant sont mélangés dans les installations de stockage de l'aéroport. Les normes internationales en matière de carburéacteur fixent aujourd'hui une limite maximale de 25 % en volume de la teneur en aromatiques (avec une teneur moyenne réelle de 15 à 20 % dans le carburéacteur vendu en Europe). Une teneur minimale de 8 % en aromatiques a également été fixée historiquement pour des raisons de sécurité, car les aromatiques sont connus pour provoquer le gonflement des joints, ce qui offre une meilleure protection contre les fuites et évite d'endommager le système d'alimentation en carburant. Cependant, il n'y a pas de consensus clair dans l'industrie concernant la nécessité de cette limite minimale aujourd'hui, et un certain nombre d'avions et de moteurs de pointe utilisent aujourd'hui des joints d'étanchéité qui ne semblent pas nécessiter la présence d'aromatiques dans le carburant. En outre, une étude du DOE (Department of Energy) des États-Unis datant de 2020 indique que les aromatiques ne sont nécessaires que pour assurer le gonflement des joints qui ont été précédemment exposés à du carburant contenant des aromatiques, et que les joints qui n'ont pas été précédemment exposés à du carburant n'en ont pas besoin. L'étude fait référence à un vol d'essai utilisant 100 % d'HEFA dans un Boeing 777, bien qu'aucun autre détail ne soit fourni. Néanmoins, une solution de transition devrait être trouvée pour la flotte existante sur le marché qui aura encore besoin d'aromatiques.


Figure 4 : Composition d'un Jet A1 moyen

Source : U.S. DOE 2020


Les aromatiques contenus dans le carburéacteur sont des molécules à anneau unique (mono-aromatiques) ainsi que des aromatiques à deux anneaux (di-aromatiques) tels que le naphtalène. Les di-aromatiques (par exemple le naphtalène) ont la plus grande tendance à former de la suie lors de la combustion par rapport aux mono-aromatiques et aux hydrocarbures paraffiniques. L'impact du naphtalène a été démontré lors d'une campagne DLR-NASA en 2021, au cours de laquelle des mesures ont été effectuées sur les gaz d'échappement d'un A320 brûlant différents types de carburants. Certains carburants testés avaient une teneur totale en aromatiques similaire, mais une teneur en naphtalène différente. Le carburant ayant la plus faible teneur en naphtalène a montré la plus faible formation de suie et le plus faible nombre de particules de glace (~8% de réduction de la suie pour une réduction de 0,3% de naphtalène) par rapport à d'autres carburants ayant une teneur en naphtalène plus élevée. Une étude précédente réalisée sur un moteur turbofan a montré une réduction de ~3% de la suie pour une substitution de 0,3% de naphtalène par des monoaromatiques à 65% de la poussée du moteur (typique pendant la croisière où les traînées de condensation se forment). À 100 % de poussée (typique au décollage), l'effet du naphtalène était indiscernable. Le régime du moteur a également un effet sur la production de suie, en particulier le rapport carburant/air ainsi que la pression et la température de combustion. À des poussées élevées, d'autres produits de combustion incomplète influencent davantage la formation de suie que les aromatiques, tandis que ces derniers gagnent en importance à des poussées plus faibles. Ces essais suggèrent qu'un carburéacteur contenant la spécification minimale de mono-aromatiques exigée par les normes actuelles en matière de carburéacteur (convenant à la flotte ancienne), mais ne contenant pas de naphtalène, réduirait déjà de manière significative la formation de suie. Les normes relatives aux carburéacteurs fixent actuellement une limite maximale de 3 % en volume de naphtalène, avec une teneur moyenne réelle de 2 à 3 % dans les carburéacteurs vendus en Europe.

Les chercheurs ont estimé que la combustion d'un carburant aviation à faible teneur en aromatiques peut réduire la formation de suie de 50 à 70 % (la réduction la plus importante provenant d'une faible teneur en naphtalène). Une réduction de 80 % des particules de suie dans les gaz d'échappement d'un avion pourrait réduire la formation de traînées de condensation de 50 %, bien qu'il existe une grande incertitude quant à l'ampleur de l'effet, qui nécessite de meilleures mesures et modélisations. Lorsque la concentration de suie est faible, les cristaux de glace formés sont moins nombreux et plus gros, ce qui augmente le taux de sédimentation et réduit donc la durée de vie de la traînée de condensation et sa FR globale. Par conséquent, la réduction de la teneur en aromatiques, et plus particulièrement en naphtalène, dans le kérosène réduirait la formation de traînées de condensation.

Comment les carburants aéronautiques durables peuvent-ils contribuer à réduire les traînées de condensation ?

Les carburants aéronautiques durables (SAF) sont un terme générique utilisé pour définir un ensemble de carburants non fossiles produits de manière durable et généralement compatibles avec les moteurs à réaction et les technologies de stockage de carburant existants, car leurs propriétés chimiques et physiques sont très proches de celles du carburéacteur conventionnel. Les FAS, qui peuvent être produits à partir de la biomasse ou de systèmes de conversion de l'énergie en liquide (PtL), ne contiennent pratiquement pas d'aromatiques et produisent donc beaucoup moins de suie que le carburéacteur conventionnel lorsqu'ils sont brûlés. Cela signifie que l'utilisation des FAS aurait un effet similaire à la réduction de la teneur en aromatiques du carburéacteur conventionnel.

Comme indiqué dans le rapport 2022 de CATF, les biocarburants ne pourront pas couvrir à eux seuls la totalité de la demande en carburant aéronautique en raison de la limitation des matières premières de la biomasse et d'autres utilisations concurrentes (les voitures et les camions consomment actuellement la majorité des carburants dérivés de la biomasse, mais la demande est croissante dans les secteurs maritime, de l'industrie lourde et de l'énergie). Par ailleurs, les PtL n'en sont qu'à leurs débuts et il faudra du temps pour les développer. Les rares SAF disponibles aujourd'hui pour être mélangés au carburéacteur conventionnel peuvent contribuer à réduire la formation de suie. Par exemple, on a constaté qu'un mélange de 50 % de HEFA avec du carburéacteur conventionnel réduisait la suie de 50 à 70 %. Étant donné que le SAF a une teneur en hydrogène plus élevée que le carburéacteur classique, il peut également augmenter l'apparition de traînées de condensation en raison de la plus grande quantité d'émissions de vapeur d'eau formée lors de la combustion. Toutefois, l'effet de l'augmentation des traînées de condensation est plus que compensé par la réduction des émissions de suie. Par exemple, si tous les vols dans la région de l'Atlantique Nord étaient propulsés par 100 % de SAF, on observerait une augmentation de +5 % des traînées de condensation, mais une réduction de -52 % des émissions de suie. Il en résulte une diminution annuelle du forçage radiatif net d'environ -44%.

Si la spécification minimale de 8 % d'aromatiques dans le carburéacteur est maintenue, 100 % de SAF ne contenant pas d'aromatiques ne peut pas (encore) être utilisé comme carburéacteur. Pour voler avec 100 % de FAS, les aromatiques doivent être mélangés de manière à respecter la spécification minimale de 8 % d'aromatiques. Cela peut se faire en mélangeant des FAS avec du carburéacteur classique (par exemple, un mélange 50/50 de FAS (~0% d'aromatiques) avec du carburéacteur classique (~20% d'aromatiques) aurait une teneur totale en aromatiques de ~8-9%), bien que le mélange contienne encore un peu de naphtalène provenant du carburéacteur fossile. Par ailleurs, les producteurs pourraient essayer de synthétiser les composés aromatiques les moins nocifs (mono-aromatiques) en évitant le naphtalène et en les mélangeant avec du SAF pour se conformer aux normes. En outre, si l'objectif est de voler entièrement avec des FAS, ces aromatiques doivent être produits à partir de sources non fossiles. Virent en est un exemple. Grâce à sa technologie Bioforming, Virent produit des aromatiques synthétiques renouvelables (Synthesized Aromatic Kerosene ou SAK contenant 98 % de mono-aromatiques et seulement 0,1 % de naphtalène) à partir de sucres d'origine végétale qui peuvent être ajoutés au SAF pour atteindre les mêmes niveaux d'aromatiques que dans le carburéacteur conventionnel sans qu'il soit nécessaire de mélanger du carburéacteur fossile pour respecter les normes. Le mélange peut être adapté pour répondre à toutes les spécifications du carburéacteur et permet de l'utiliser comme carburant de substitution pour les vols 100 % SAF. Virent affirme qu'une réduction de 50 à 70 % de la suie a été obtenue lors d'un certain nombre de campagnes d'essais en vol à différentes altitudes et dans différents rapports de mélange, ce qui est similaire à la réduction de la suie obtenue en mélangeant de la SAF avec du carburant fossile. Il convient de noter que la plupart des vols 100% SAF annoncés ces dernières années sont de ce type. Seule une poignée d'entre eux sont réalisés avec de la SAF 100 % paraffinique pure (c'est-à-dire sans ajout d'aromatiques), généralement avec de nouveaux avions qui n'ont pas besoin d'aromatiques.

Outre la réduction des traînées de condensation, les FAS peuvent également réduire les émissions de CO2 par rapport au carburéacteur classique. Il convient d'évaluer les émissions des SAF sur l'ensemble de leur cycle de vie pour s'assurer que les avantages de la réduction des traînées de condensation ne sont pas contrebalancés par l'augmentation des émissions lors de la production et de la livraison des SAF (par exemple, consommation d'énergie plus élevée pour la production d'hydrogène et la synthèse du carburant, longs itinéraires de transport, etc.)

Les avions à hydrogène signifieront-ils la fin des traînées de condensation ?

Au-delà de la SAF, l'hydrogène pourrait jouer un rôle important dans la décarbonisation de l'aviation à long terme. Dans les 10 à 15 prochaines années, nous pourrions voir des avions de banlieue, des avions régionaux et des avions à court rayon d'action fonctionnant à l'hydrogène disponibles sur le marché. Les deux premiers utiliseraient des piles à combustible, tandis que les avions à court rayon d'action pourraient être propulsés par un système hybride de piles à combustible et de turbines à hydrogène, la pile à combustible étant utilisée en croisière et les turbines au décollage pour fournir la poussée plus élevée nécessaire. L'hydrogène devenant une option réalisable dans l'aviation, il est raisonnable de s'interroger sur la formation de traînées de condensation par les avions alimentés à l'hydrogène. Le principal sous-produit des piles à hydrogène est la vapeur d'eau, tandis que les turbines à hydrogène produisent à la fois de la vapeur d'eau et des oxydes d'azote. Les émissions de vapeur d'eau sont 4,3 fois plus élevées dans les avions à hydrogène que dans les avions à réaction classiques ; une étude récente a montré que la zone mondiale couverte par les traînées de condensation devrait augmenter de 70 % pour les avions à combustion d'hydrogène liquide et à pile à combustible. Toutefois, comme il n'y a pas de production de suie, les cristaux de glace créés seraient plus gros et moins nombreux. Comme dans le cas du carburéacteur à faible teneur en aromatiques et du SAF, la vitesse de sédimentation est plus rapide pour les gros cristaux de glace, ce qui se traduit par des traînées de condensation de courte durée. L'effet net est une réduction d'environ 25 % et 20 % de la fréquence des cirrus de traînée de condensation pour les turbines à hydrogène et les piles à combustible respectivement, par rapport aux avions conventionnels fonctionnant au kérosène. Cependant, d'autres analyses et mesures en vol sont nécessaires pour obtenir une meilleure caractérisation des traînées de condensation dues à l'hydrogène. Dans le cadre de la feuille de route ZEROe d'Airbus, l'entreprise a lancé en 2022 le programme d'essai "Blue Condor" en collaboration avec le Centre aérospatial allemand (DLR) afin de comparer les traînées de condensation formées par les turbines à hydrogène et à kérosène, dans l'espoir de faire la lumière sur les impacts. En mars 2023, Airbus et le DLR ont également lancé la nouvelle campagne d'essais en vol VOLCAN afin de recueillir des informations sur les émissions autres que le CO2 et la création de traînées de condensation à partir d'un A321neo propulsé à 100 % par de la SAF.

Comment réduire les aromatiques dans les raffineries pour le kérosène kérosène conventionnel ?

Les composés aromatiques présents dans les carburants peuvent être réduits grâce à un processus appelé hydrotraitement. Ce procédé est déjà largement utilisé pour la réduction et l'élimination du soufre et des aromatiques dans le diesel. Lors de l'hydrotraitement, l'hydrogène est utilisé pour saturer les hydrocarbures aromatiques du carburant en présence d'un catalyseur. Ce processus réduit également la teneur en soufre du carburant, ce qui a pour effet secondaire positif d'améliorer la qualité de l'air (en réduisant la formation de SOx et donc les pluies acides). Le diesel non traité a une teneur nettement plus élevée en mono-, di- et tri-aromatiques. Il existe des catalyseurs et des technologies permettant de réduire considérablement la quantité totale d'aromatiques dans le gazole si nécessaire. Ces mêmes catalyseurs et technologies peuvent être appliqués pour réduire la teneur en aromatiques du carburéacteur (par exemple, jusqu'à 8 % d'aromatiques et près de 0 % de naphtalène). Toutefois, il est important de noter que la réduction des aromatiques/naphtalènes au cours du processus d'hydrotraitement a les conséquences suivantes pour les raffineries :

  1. Des conditions plus sévères (par exemple, des pressions plus élevées, des débits d'alimentation plus faibles) sont nécessaires pour saturer les mono-aromatiques. Cependant, la plupart des hydrotraiteurs de kérosène dans les raffineries fonctionnent dans des conditions relativement douces pour éliminer le soufre et/ou améliorer la couleur et la stabilité du stockage. Cela signifie que des investissements seront nécessaires pour moderniser les unités existantes ou pour construire de nouvelles unités fonctionnant dans des conditions plus sévères.
  2. Dans certaines unités existantes, il peut être possible d'augmenter la sévérité de l'exploitation pour réduire davantage les aromatiques, mais en raison de conditions d'exploitation plus sévères, il faudra davantage de catalyseur pour maintenir le même taux de production de carburéacteur et le même temps de fonctionnement du catalyseur ; sans augmenter la quantité de catalyseur, il faudra remplacer plus fréquemment le catalyseur frais ; il pourrait y avoir des contraintes de conception et de métallurgie/exploitation dans le réacteur d'hydrotraitement en raison d'un dégagement de chaleur plus important résultant d'une plus grande saturation en aromatiques.
  3. Une plus grande saturation en aromatiques signifie qu'il faut plus d'hydrogène. On estime qu'il faut 7 à 8 fois plus d'hydrogène pour réduire un kérosène contenant 20 % d'aromatiques à 8 %.

L'approvisionnement en hydrogène peut être l'un des défis de la réduction des aromatiques, car il s'agit d'un élément coûteux du raffinage, et la plupart des raffineries sont généralement à court d'approvisionnement. La production actuelle d'hydrogène émet également des quantités importantes de GES qui devront être réduites grâce à des méthodes de production d'hydrogène à faible teneur en carbone (par exemple, des électrolyseurs alimentés par de l'électricité à faible teneur en carbone ou l'application du captage et du stockage du carbone aux processus de reformage du gaz naturel et un contrôle strict des émissions de méthane en amont afin de minimiser les fuites). Comme indiqué ci-dessus, une augmentation de la quantité de catalyseur utilisée pour l'hydrotraitement du kérosène serait également nécessaire pour maintenir le même taux de production de carburéacteur dans la raffinerie. Cela pourrait se faire en achetant davantage de réacteurs (ou en rénovant les réacteurs en service), ou en remplaçant le catalyseur plus souvent, ce qui nécessiterait d'arrêter l'unité plus fréquemment, augmentant ainsi le coût de production.

D'un point de vue économique, le remplacement des catalyseurs nécessaire pour réduire la teneur en composés aromatiques du carburéacteur ne devrait pas avoir d'impact majeur sur les raffineries. La durée typique du cycle des hydrotraiteurs de carburéacteur est aujourd'hui de quatre à six ans ; après cette période, les catalyseurs doivent être remplacés. Une réduction supplémentaire de la teneur en composés aromatiques ramènerait la durée du cycle à deux ou trois ans, comme pour les unités diesel. En outre, les quantités de catalyseurs appliquées dans les unités de kérosène sont nettement inférieures à celles des unités de diesel. Néanmoins, des investissements en temps et en argent seraient nécessaires dans les raffineries pour réduire la teneur en aromatiques du carburéacteur, et il n'existe actuellement aucune incitation juridique ou financière à réduire davantage la quantité de ces composants. Indépendamment des avantages environnementaux et du contenu énergétique légèrement plus élevé d'un carburant à faible teneur en aromatiques, les compagnies aériennes pourraient ne pas trouver d'incitations significatives à acheter
un carburant plus cher. La limitation et le contrôle de la teneur en aromatiques nécessiteraient la mise en place de nouvelles réglementations et politiques. Toutefois, si les choses ne sont pas faites correctement, il y a un risque que les producteurs de carburant décident de ne pas vendre sur les marchés réglementés, ce qui entraînerait des pénuries de carburant, ou que les compagnies aériennes décident de se ravitailler dans des aéroports situés en dehors des régions réglementées.

Enfin, il est important de garder à l'esprit que la réduction de la teneur en aromatiques du carburéacteur fossile aurait une incidence sur les taux de mélange des FAS. Comme expliqué ci-dessus, un mélange de 50 % de SAF avec un carburéacteur fossile contenant généralement ~20 % d'aromatiques produirait un mélange de carburants contenant au total ~8-9 % d'aromatiques. Le mélange d'un carburéacteur fossile à faible teneur en aromatiques contenant ~10 % d'aromatiques (la moitié de la teneur typique) avec des FAS produirait un carburant dont la teneur totale en aromatiques serait bien inférieure au minimum de 8 %. Cela limiterait la quantité de FAS pouvant être mélangée à un carburéacteur fossile ayant subi un hydrotraitement pour la réduction des aromatiques. Le carburéacteur fossile continuera à faire partie du marché de l'aviation à moyen terme, jusqu'à ce que d'autres options évolutives de SAF non basées sur la biomasse soient disponibles. Cependant, la réduction des traînées de condensation ne peut pas attendre que le marché des carburéacteurs devienne 100 % SAF. C'est pourquoi, parallèlement au développement d'une SAF à 100 % et de mélanges de SAF, il est important de réduire les précurseurs de traînées de condensation dans le carburéacteur fossile. Une analyse plus poussée de différents scénarios incluant des avions anciens et modernes, des SAF, du carburéacteur fossile à faible teneur en aromatiques et des mono-aromatiques renouvelables, permettrait de mieux comprendre les différentes voies et leur faisabilité, tout en tenant compte de la disponibilité de la biomasse. La solution la plus immédiate et la plus prudente, compte tenu de toutes les inconnues, consisterait à réduire le naphtalène à environ 0 % dans le carburéacteur fossile.

Facteurs atmosphériques influant sur la formation des traînées de condensation

La formation des traînées de condensation dépend non seulement de la quantité de suie émise par l'avion, mais aussi des conditions atmosphériques. Le nombre de cristaux de glace initiaux formés est proportionnel au nombre de particules de suie émises, mais ce sont les conditions atmosphériques qui déterminent la formation et la persistance de la traînée de condensation. On estime que seuls 12 % des vols au-dessus de l'Atlantique Nord sont responsables de 80 % du forçage énergétique annuel des traînées de cond ensation. Outre la quantité de suie dans les gaz d'échappement, les traînées de condensation à fort réchauffement ou refroidissement sont associées à des facteurs tels que les variations saisonnières du rayonnement et de la météorologie, l'heure de la journée et les nuages de fond. Dans la région de l'Atlantique Nord, les traînées de condensation fortement réchauffantes semblent se former plus fréquemment la nuit, en hiver et au-dessus des nuages de basse altitude. Par exemple, pendant la journée, les traînées de condensation renvoient vers l'espace une partie de l'énergie solaire en y ajoutant une composante de refroidissement, un effet qui ne se produit pas pendant la nuit. En hiver, les ISSR sont plus importantes dans cette région, ce qui augmente la durée pendant laquelle un vol transatlantique peut créer des traînées de condensation. Les ISSR ont généralement une épaisseur de quelques centaines de mètres et peuvent couvrir des dizaines, voire des centaines de kilomètres de large.

Une planification de vol efficace permet d'optimiser les itinéraires afin d'éviter ces régions où des traînées de condensation importantes et durables peuvent se former. Les données atmosphériques (température et humidité) et de bons modèles de prévision peuvent être utilisés pour identifier et prédire l'emplacement de l'ISSR afin de dévier les trajectoires de vol en conséquence. En 2021, le Centre de contrôle de la zone supérieure de Maastricht (MUAC) d'EUROCONTROL, en partenariat avec le DLR, a mené le premier essai opérationnel au monde pour étudier la faisabilité de la prévention des traînées de condensation par les contrôleurs de la circulation aérienne. Les essais se sont déroulés de janvier à décembre 2021 entre 15h et 17h UTC (lorsque la probabilité de formation de traînées de condensation est plus élevée) et ont couvert l'espace aérien du MUAC (Belgique, Luxembourg, Pays-Bas et nord-ouest de l'Allemagne) utilisé par 16 % de tous les vols traversant l'Europe. Les objectifs de l'essai étaient d'évaluer si la formation de traînées de condensation peut être prédite avec une précision raisonnable et de tester les procédures permettant d'éviter les traînées de condensation persistantes en temps réel en modifiant les niveaux de vol. Au cours de l'essai, les vols ont été tactiquement invités à modifier leurs niveaux de vol (~2000 pieds / 600 mètres vers le haut ou vers le bas) sur la base des prévisions de l'ISSR. Malgré le faible trafic aérien en 2021 en raison de la pandémie de COVID-19, les résultats de l'essai ont montré que la prévention des traînées de condensation est faisable d'un point de vue opérationnel, bien qu'une meilleure prévision de l'ISSR soit nécessaire. Il est également important de tenir compte du fait que les détours d'itinéraires sont pénalisants en termes de consommation de carburant, ce qui se traduit par des coûts plus élevés pour les compagnies aériennes. L'augmentation de la consommation de carburant entraîne également une augmentation des émissions de CO2 et, par conséquent, le compromis entre l'évitement des traînées de condensation et l'augmentation des émissions de CO2 doit être soigneusement analysé dans chaque cas. Une autre solution proposée par certains chercheurs consiste à utiliser les rares SAF disponibles dans la petite proportion de vols qui provoquent les traînées de condensation les plus fortes. Cette allocation intelligente (par exemple, l'application d'un taux de mélange de 50 % à 2 % des vols associés aux traînées de condensation les plus fortes) multiplierait par 9 à 15 les avantages pour le climat.

Quelles mesures peuvent être prises pour réduire les traînées de condensation ?

Les traînées de condensation de l'aviation réchauffent la planète deux fois plus que les émissions de CO2 en moyenne. Malgré la grande incertitude des estimations du forçage radiatif, il est bien établi que les traînées de condensation produisent un effet de réchauffement net positif dans l'atmosphère, similaire à celui des cirrus. Les deux facteurs responsables de la formation des traînées de condensation sont la quantité de suie émise par l'échappement du moteur et les conditions atmosphériques pendant le vol. Une planification de vol optimisée peut contribuer à réduire la formation de traînées de condensation en évitant l'ISSR, où se forment les traînées de condensation les plus persistantes. Il a été démontré qu'il est possible de prévoir l'ISSR et d'éviter la formation de traînées de condensation, bien qu'une plus grande précision dans la modélisation soit nécessaire. Pour limiter la formation de suie, les raffineurs peuvent réduire la quantité d'aromatiques (en particulier le naphtalène) dans le kérosène ou les compagnies aériennes peuvent utiliser des carburants à faible teneur en aromatiques.

Les législateurs du monde entier devraient prendre des mesures pour mettre en œuvre des règles de contrôle adéquates et des limitations de la teneur en composés aromatiques dans le kérosène comme mesure à court terme, tout en faisant avancer les mesures qui promeuvent ou exigent l'adoption de formes de SAF compatibles avec le climat. Cela pourrait se faire en modifiant les normes relatives aux carburants d'aviation (par exemple, ASTM) ou en en créant de nouvelles. Les effets autres que le CO2 commencent à être étudiés dans certaines régions, principalement pour améliorer notre compréhension des impacts.

Conformément à la directive SCEQE récemment révisée, les exploitants d'aéronefs de l'UE devront surveiller et déclarer les effets non liés au CO2 de chaque aéronef qu'ils exploitent à partir de 2025. Sur la base des données collectées, la Commission européenne pourrait présenter une proposition législative visant à inclure les émissions autres que le CO2 dans le champ d'application du système d'échange de quotas d'émission de gaz à effet de serre. La version révisée de ReFuelEU Aviation prévoit également l'obligation pour les fournisseurs de carburant de rendre compte de la teneur en aromatiques et en naphtalène du carburant d'aviation fourni dans les aéroports de l'UE à partir de 2025. Les données collectées permettront d'améliorer les connaissances sur les effets autres que le CO2. Au Royaume-Uni, l'une des six mesures introduites dans la stratégie jet-zero vise à collaborer étroitement avec le monde universitaire et l'industrie afin de mieux comprendre les aspects scientifiques et les possibilités d'atténuation des effets autres que le CO2.

De même, l'administration fédérale américaine de l'aviation (FAA) dirige un programme de recherche visant à améliorer la compréhension scientifique des émissions autres que le CO2 et de leurs impacts. Bien qu'une grande partie de cette recherche fasse appel à des mesures par satellite, la FAA "soutiendra également les mesures des traînées de condensation en vol et les partenaires industriels pour évaluer et valider les performances d'un outil [prédictif] de manière à ce qu'il puisse être utilisé plus largement". L'adoption de SAF réduisant les traînées de condensation aux États-Unis pourrait être facilitée par le crédit d'impôt sur le carburant d'aviation durable prévu par la loi sur la réduction de l'inflation de 2022, qui accorde aux producteurs de SAF admissibles des crédits d'impôt d'une valeur comprise entre 1,25 et 1,75 dollar par gallon, en fonction de l'intensité en carbone du carburant.

Des travaux supplémentaires doivent être menés en Europe et aux États-Unis sur l'élaboration éventuelle de politiques et d'autres mesures qui encouragent ou obligent les aéronefs à éviter l'ISSR dans la mesure du possible, et/ou à donner la priorité à l'utilisation des SAF sur les trajectoires de vol qui sont responsables de la formation du plus grand nombre de traînées de condensation. L'efficacité de ces deux stratégies dépend toutefois de la capacité des planificateurs de vol à prévoir l'emplacement des ISSR. Des agences gouvernementales telles que le DLR en Allemagne et la NASA aux États-Unis doivent donc poursuivre leurs recherches sur les moyens d'améliorer les outils et les techniques de prévision des ISSR.

CATF contribue à relever ces défis par une analyse rigoureuse, la conception de politiques publiques, l'éducation du public et la défense des intérêts. Dans le cadre de cet effort, CATF étudie les possibilités d'utiliser les systèmes de raffinage existants pour réduire les précurseurs de la traînée de condensation dans le kérosène aux niveaux requis par les technologies actuelles.

Mesures clés pour réduire les traînées de condensation

  • Mettre en place des cadres MRV dans la législation pour surveiller la formation des traînées de condensation
  • Appliquer une limitation de la teneur en aromatiques (en particulier le naphtalène) dans les normes applicables aux carburants pour avions.
  • Accélérer la transition vers les SAF, naturellement pauvres en aromatiques
  • Modifier les itinéraires de vol afin d'éviter les régions atmosphériques susceptibles de produire des traînées de condensation fortement réchauffantes.