Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Avions – Carburants – Environnement“

Le secteur aéronautique doit relever des défis environnementaux majeurs pour les décennies à venir. Afin de réduire son impact environnemental, des objectifs ambitieux ont été fixés par des instances comme l’ACARE, visant une neutralité carbone d'ici 2050. Parmi ces objectifs, une réduction de 90 % des émissions d’oxydes d’azote par rapport à 2000, une baisse de 55 % des émissions de CO₂ d’ici 2030 par rapport à 1990 comme une diminution des particules fines et des traînées de condensation sont donc attendus. Pour y parvenir, l’amélioration de la combustion dans les moteurs, principale source de ces émissions, est cruciale. Un des leviers d’optimisation est l’atomisation, qui contrôle la distribution du combustible dans la chambre de combustion. Une atomisation maîtrisée réduit les zones riches en carburant, limitant ainsi la formation de particules fines. Actuellement, des systèmes aéromécaniques génèrent de fines gouttelettes via des jets d’air et des orifices calibrés. Une alternative prometteuse est l’électro-atomisation, qui utilise des champs électriques intenses pour produire des gouttelettes de petites dimensions. Cette thèse explore l’électro-atomisation et son potentiel pour l’aéronautique. Les propriétés électriques de deux carburants – un kérosène et un mélange substitut composé de dodécane et d’éthanol – sont analysées à différentes températures, notamment leur conductivité et permittivité électriques. Ces caractéristiques permettent de comprendre la capacite de chargement électrique des liquides diélectriques. Un banc expérimental dédié a été développé pour étudier la production de gouttes à faibles débits sous haute tension. L’influence du débit et de la tension sur la taille et la charge électrique des gouttes est analysée, avec pour objectif d’approcher la charge de Rayleigh, seuil où une goutte explose pour former des gouttelettes plus fines, ce qui pourrait améliorer la combustion. Cette analyse étudie également l’équilibre entre forces électriques et tension superficielle dans la formation des gouttes
The aviation sector must address major environmental challenges in the coming decades. To reduce its environmental impact, ambitious targets have been set by organizations such as ACARE, aiming for carbon neutrality by 2050. These goals include a 90% reduction in nitrogen oxide emissions compared to 2000, a 55% decrease in CO₂ emissions by 2030 relative to 1990, as well as a reduction in fine particulate matter and contrail formation. Achieving these objectives requires improvements in combustion within engines, location of the main source of these emissions. One key optimization lever is atomization, which could controls the distribution of kerosene in the combustion chamber. Effective atomization minimizes fuel-rich zones, thereby reducing the formation of fine particles. Currently, aerodynamic systems generate fine droplets using air jets and calibrated orifices. A promising alternative is electro-atomization, which utilizes strong electric fields to produce droplets.This thesis explores electro-atomization and its potential for the aviation industry. The electrical properties of two fuels—a kerosene and a substitute mixture of dodecane and ethanol—are analyzed at different temperatures, focusing on their electrical conductivity and permittivity. These properties provide insights into the charging behavior of dielectric liquids.A dedicated experimental setup has been developped to study droplet production at low flow rates under high voltage. The influence of flow rate and voltage on droplet size and charge is analyzed, with the objective to approach the Rayleigh charge limit, a threshold at which a droplet explodes into finer droplets, potentially enhancing combustion. This analysis also examines the balance between electric forces and surface tension in droplet formation

Face à l’augmentation de la demande du secteur aérien et de ses émissions, il convient d’évaluer l’impact de l’aviation sur l’environnement. La thèse s’intéresse ainsi à l’impact des émissions aériennes sur le changement climatique. Cette catégorie est la plus impactée par les avions subsoniques. Différents leviers ont été mis en place afin d’atténuer ce dernier, notamment l’incorporation de carburants alternatifs. La méthode d’Analyse du Cycle de Vie est celle utilisée dans ce travail. L’objectif est d’évaluer toutes les émissions ayant un impact direct et indirect sur le changement climatique lors d’un vol long et court courrier pour le carburant fossile aérien Jet A-1, et des carburants alternatifs de type FT-SPK (kérosène paraffinique issu de la synthèse Fischer-Tropsch) et hydrogène. Comme la majeure partie du carburant est brûlée en haute altitude pendant la phase de croisière et que la majorité des émissions ont un impact plus important aux altitudes de croisière, nous examinons la nature des émissions en haute altitude ainsi que leur impact sur le changement climatique à partir du GWP (global warming potential) à différents horizons temporels. L’évaluation des émissions en haute altitude pour différents types de carburants aux horizons temporels de 20 et 100 ans a illustré le rôle crucial des forceurs climatiques à courte durée de vie, notamment celui des oxydes d’azote et des contrails-cirrus. Dans un deuxième temps, le périmètre d’évaluation d’un trajet aérien a été élargi en prenant en compte l’aéroport, l’avion, la production et l’utilisation du carburant. Ces résultats ont montré l’importance de la part des émissions en haute altitude et celle de la phase de production lors de l’évaluation complète d’un trajet aérien. La thèse se termine par l’évaluation de l’impact des émissions lors de la phase d’utilisation et de production des mix de carburants en 2050 obtenus à partir des différentes demandes énergétiques propres aux scénarios du rapport de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) publié en 2022. Le développement de procédés à faibles émissions ainsi que les changements de comportements et la mise en place de politiques spécifiques de sobriété sont indispensables à la diminution de l’impact du secteur aérien sur l’environnement
Given the increase in demand from the aviation sector and its emissions, we need to assess the impact of aviation on the environment. This thesis focuses on the impact of aviation emissions on climate change. This category is the most impacted by subsonic aircraft. Various levers have been deployed to mitigate this impact, including the incorporation of alternative fuels. The Life Cycle Assessment method is the one used in this work. The aim is to assess all emissions having a direct and indirect impact on climate change during a long-haul or short-haul, for the fossil fuel Jet A-1, and alternative jet fuels such as FT-SPK (paraffinic kerosene from Fischer-Tropsch synthesis) and hydrogen. As most of the fuel is burnt at high altitude during the cruise phase and the majority of emissions have a greater impact at cruising altitudes, we first look at the nature of emissions at high altitude and their impact on climate change, based on GWP (global warming potential) at different time horizons. The assessment of high-altitude emissions for different types of jet fuel over 20 and 100-year time horizons illustrated the crucial role of short-lived climate forcers, especially nitrogen oxides and contrails-cirrus. In a second stage, the scope of the air transport assessment has been extended to include the airport, the aircraft, and the production and use of the fuel. These results demonstrate the importance of high-altitude emissions and the production phase in the complete assessment. The thesis concludes with an assessment of the impact of emissions during the use and production phase of fuel mix in 2050, based on the different energy demands specific to the of the International Energy Agency (IEA) report published in 2022. The development of low-emission processes, as well as changes in behavior and the implementation of specific sobriety policies, are essential to reducing the environmental impact of the aviation sector

L’aviation émet de grandes quantités de gaz et de particules dans l’atmosphère contribuant, d’une part, à la détérioration de la qualité de l’air à une échelle locale et d’autre part, au forçage radiatif atmosphérique et donc au changement climatique. Une voie envisagée pour limiter l’impact de l’aviation est l’utilisation de carburants alternatifs. Les biocarburants sélectionnés dans cette optique tendent à avoir des teneurs en soufre et en composés aromatiques réduites, ce qui induit une diminution de la quantité d’acide sulfurique formé dans les panaches d’avions ainsi que des suies émises. La modification de la nature et de la composition des carburants utilisés peut entraîner des conséquences inattendues. Il s’avère alors essentiel d’étudier et de déterminer l’évolution des aérosols dans les panaches d’avions. Pour cela, un modèle microphysique précédemment testé lors de la combustion de kérosène classique a été utilisé et amélioré. Après avoir déterminé les émissions « types » des carburants alternatifs, des simulations ont été menées afin de prédire l’évolution et le comportement des aérosols. Plusieurs processus ont nécessité des révisions tels que la congélation homogène ou encore le comportement des composés organiques
Aircraft emit important amounts of particulate and gaseous matter in the atmosphere contributing on the one hand to local air pollution and on the other hand to the atmospheric radiative forcing and to climate change. Introducing alternative fuels in aviation can be considered as a viable option to reducing the impact of aviation, being economically and environmentally sustainable. These selected biofuels tend to have lower aromatic and sulphur contents inducing a simultaneous reduction in sulphuric acid and soot emissions. However modifying the nature and composition of the fuel used can entail unexpected consequences. It is therefore essential to study and determine the evolution of aerosols in the aircraft plume. To manage this task, a microphysical trajectory box, previously tested with standard kerosene, has been developed. After an assessment concerning the typical emissions from the combustion of biofuels in aviation, simulations have been undertaken in order to predict aerosol evolution. Several microphysical processes have been revised such as droplet homogeneous freezing or the behaviour of organic compounds