Évaluation des performances environnementales des futurs systèmes d'aviation durables : développement méthodologique et évaluation par l'analyse du cycle de vie

Assessing the environmental performance of future sustainable aviation systems : methodological development and evaluation by life cycle assessment

• Auteur / Autrice : Pimchanok Su-Ungkavatin
• Direction : Lorie Hamelin, Ligia Tiruta-Barna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Catherine Azzaro-Pantel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandra Beauchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Gabrielle, Robert Malina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles électriques

Hydrogène

Analyse du cycle de vie

Avions -- Carburants

Mots clés libres

Carburants d'aviation durables (SAF)

Analyse du cycle de vie (ACV)

Systèmes d'aviation durable (SA)

Hydrogène

Batteries (électriques)

Sustainable aviaiton fuels

Life cycle assessment (LCA)

Sustainable aviation (SA) systems

Hydrogen

Batteries (electric)

Résumé

Ce travail propose et applique une méthodologie permettant de comparer et d'anticiper, par l'analyse du cycle de vie (ACV), les conséquences environnementales d’investissements dans quatre systèmes d'aviation alternatifs au kérosène fossile. Il s'agit des biocarburants de deuxième génération, des électrocarburants (à partir de dioxide de carbone, CO2, atmosphérique/industriel, combiné à de l’hydrogène renouvelable, H2), de l’aviation électrique (batteries) et des systèmes à H2 (soit par combustion, soit dans des piles à combustible). L’emphase de cette thèse porte sur l'aviation commerciale (passagers et fret). Ce travail étudie quatre voies pour les biocarburants : (i) esters et acides gras hydrotraités (HEFA) avec des huiles usagées, (ii) gazéification de la biomasse suivie soit de Fischer-Tropsch (FT), (iii) soit de la fermentation du gaz de synthèse avec valorisation de l'alcool (Ethanol-to-Jet), et (iv) fermentation du sucre et valorisation de l'alcool (Isobutanol-to-Jet). A ceci s’ajoutent deux voies pour les électrocarburants avec des technologies de capture du carbone basées sur un sorbant liquide ou solide, quatre voies pour les batteries, et deux voies pour la production d'H2 par l’électrolyse de l'eau. Les systèmes entièrement électriques ne sont envisagés que pour les segments domestiques (avion de 19 passagers) ; pour les segments internationaux, un système hybride avec le kérosène fossile est considéré.Le cadre comparatif bâtit par cette étude couvre des questions essentielles généralement négligées dans les analyses précédentes, notamment le fait que : i) dans les conditions actuelles, les carburants liquides de substitution doivent être mélangés au kérosène fossile ; ii) les biomasses résiduelles, lorsqu'elles sont mobilisées pour l'aviation, sont détournées d'une autre utilisation (utilisation contrefactuelle) ; iii) les carburants peuvent affecter le type et le nombre d'avions nécessaires pour fournir le service décrit par l'unité fonctionnelle, notamment en raison d'une pénalité de masse induite ; iv) certains des systèmes impliquent des infrastructures supplémentaires, y compris pour la fin de vie, et v) une comparaison équitable nécessite la prise en compte des facteurs de forçage du climat autres que le CO2, tels que les NOx, la nébulosité induite, la vapeur d'eau, le noir de carbone et les sulfates.Deux horizons temporels ont été considéré : court terme 2035 et long terme 2045. Les principales différences sont les suivantes : (i) le long terme suppose que le mélange avec le kérosène fossile ne sera plus nécessaire pour les carburants liquides, et (ii) le gaz naturel est utilisé comme source de chaleur à court terme alors que la chaleur est entièrement électrifiée à long terme. Au total, 16 impacts ont été quantifiés, et six impacts ont été étudiés plus finement, dont celui sur les changements climatiques. Tous les systèmes considérés présentent de meilleures performances que le kérosène fossile à l’exception de (1) HEFA en raison de la production de chaleur induite (les impacts dont la performance est pire que le kérosène fossile sont: changement climatique pour le court terme, matières particulaires et eutrophisation des eaux douces pour le long terme) et (2) Systèmes électro-intensifs incluant les électrocarburants et H2 en raison de la consommation d'électricité lors de l'électrolyse de l’eau (les impacts dont la performance est pire que le kérosène fossile sont: matières particulaires, eutrophisation des eaux douces et utilisation des ressources en eau, pour le court et le long terme). Les biocarburants dérivés des résidus forestiers se sont avérés les plus performants sur le plan environnemental. Toutefois, ce résultat dépend hautement de la (mauvaise) performance environnementale, largement incertaine et peu mesurée sur le terrain, de la dégradation de ces résidus en forêt. Les systèmes entièrement électriques sont démontrés comme approche favorable à l'environnement pour le segment domestique.

This work proposes and applies a methodology to compare and anticipate, by life cycle assessment (LCA), the environmental consequences of investments into four key emerging alternatives aviation systems to fossil kerosene. This includes biofuels (from waste cooking oil (WCO) or forestry residues), electrofuels (from atmospheric/industrial CO2, combined with renewable H2), electric battery, and H2 systems (either combustion or within fuel cells). We focus on commercial aviation (passengers and cargo), this representing 88% of the CO2 emissions from global aviation. Six environmental impacts are considered, including climate change, photochemical ozone formation, particulate matter, freshwater eutrophication, marine eutrophication, and water use. Four pathways for biofuels (hydroprocessed esters and fatty acids (HEFA) with WCO, biomass gasification followed by either Fischer-Tropsch (BGFT) or syngas fermentation and alcohol upgrading (SF), and sugar fermentation and alcohol upgrading (SuF)), two for electrofuels (carbon capture technologies based on liquid or solid sorbent), four for Li-based batteries, and two for water-splitting H2 production have been studied. The comparisons are made based on the following functional unit: “Ensuring the annual global supply in 2035 of 6 trillion revenue passenger kilometres (RPK) of domestic flight and 9 trillion RPK of international flight”, itself based upon ICAO forecasts. Our comparative framework covers essential issues typically disregarded in previous analyses, including the fact that: i) under current framework conditions, liquid fuel alternatives require blending with fossil kerosene; ii) residual biomasses, when mobilized for aviation, are diverted from another use (counterfactual use); iii) fuels may affect the type and number of aircraft needed to supply the service described by the functional unit, among others because of an induced mass penalty; iv) some of the systems imply additional infrastructure, including for the end-of-life, and v) a fair comparison requires considering non-CO2 climate forcers such as NOx, induced cloudiness, water vapour, black carbon, sulfate. Two time scopes are considered (near- and long-term). The main differences are: (i) the long-term assumes that blending with fossil kerosene will no longer be required, and (ii) natural gas is used as a heat source in the near-term while heat is fully electrified in the long term. Moreover, full electric systems are considered only for the domestic segments (19 passengers plane; both time scopes). Climate results indicate, in both the near- and long-term, that all scenarios perform better than fossil kerosene, except for HEFA in the near-term. This is due to the counterfactual use of WCO for heat, then supplied by natural gas. Biofuels and electrofuels are heavily penalized by the blending requirements with fossil kerosene in the near-term; this also applies to hybrid electric battery systems (international segments, both time horizons). All H2 systems, as well as the biofuels (besides the HEFA) and the full electric systems, achieve net zero (or negative) climate impact. For the two formers, this is explained by the important amount of heat recovered from both the gasification process and the H2 production, translating into avoided natural gas. For this reason, results are quite different in the long-term, where systems whose performance is less dependent upon recovered heat (biofuels, full electric, H2) are those closer to a zero climate impact performance. Other impacts are mostly driven by electricity.