De combien d'électricité les avions électriques auront-ils besoin et combien cela coûtera-t-il ?

Quelle quantité d'électricité sera nécessaire pour l'aviation électrique et combien cela coûtera-t-il ?

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Au cours des dernières années, j'ai évalué la décarbonisation de l'aviation, en grande partie parce qu'il s'agit d'une cible difficile à haut mérite économique, et dans une certaine mesure parce qu'il y a tellement de bêtises surmédiatisées dans l'espace. Des dizaines de milliards de dollars de capital-risque et d'argent d'investisseurs de détail ont été acheminés par le biais de SPAC vers des programmes de décollage vertical électrique (EVTOL) et d'atterrissage et de mobilité aérienne urbaine (UAM) qui prétendent électrifier l'aviation, à titre d'exemple évident.

Cela ne se produira pas avant quelques décennies, et loin de l'échelle imaginée par les startups les plus conservatrices de l'espace. Ce qui va se passer, c'est une électrification lente, y compris des systèmes d'entraînement hybrides, de l'extrémité inférieure du marché des décollages et atterrissages conventionnels à voilure fixe (CTOL/ECTOL). Ce qui va se passer, c'est le retour de la mobilité aérienne régionale (RAM) qui active les milliers de petits aéroports mal utilisés avec des avions électriques, de plus en plus autonomes et à contrôle numérique du trafic aérien, ce que j'énonce dans ma projection de maturation jusqu'en 2040 pour les technologies et approbations réglementaires. Des entreprises comme XWing, dont le chef de produit Kevin Antcliff, ancien de la NASA, avec qui j'ai parlé à plusieurs reprises, prennent l'initiative sur l'autonomie, par exemple.

Maturation des composantes de la mobilité aérienne régionale jusqu'en 2040 par Michael Barnard, stratège en chef, TFIE Strategy Inc.

Je siège au conseil consultatif d'ELECTRON Aviation, qui construit un avion monopilote à 4 passagers avec une autonomie suffisante pour se rendre du Royaume-Uni aux Pays-Bas en taxi aérien, ou transporter 500 kg de fret entre les aéroports. Heart Aerospace, dont le fondateur et PDG Anders Forslund avec qui j'ai parlé il y a un an, construit actuellement un avion hybride de 30 passagers, après s'être rendu compte que son modèle entièrement électrique de 19 passagers n'atteindrait pas le bon point de mire. Eviation vient de faire voler son avion Alice entièrement électrique à 9 passagers, et les commandes ont dépassé les 2 milliards de dollars. Une autre entreprise furtive avec laquelle je travaille est la construction d'un autre petit ECTOL pour un marché spécifique qui compte des milliers d'avions plus petits en service aujourd'hui.

Il y a des milliers d'avions à turbopropulseurs de 50 à 96 passagers qui effectuent des vols réguliers et qui vieillissent actuellement. L'âge moyen des De Havilland Dash 8 opérant dans le monde est de 24,8 ans, et avec une moyenne d'heures de fonctionnement d'un peu moins de 1 600 heures par an, cela se heurte à l'exigence très coûteuse d'inspection de la cellule de 40 000 heures. La petite flotte actuelle d'Air Canada n'a que 10 ans en moyenne, mais elle a également retiré de nombreux Dash 8. Ces avions ne sont pas bon marché. Les hélices à elles seules peuvent coûter plus de 100 000 $, comme je l'ai découvert lors de discussions avec une autre startup qui m'avait demandé de rejoindre leur conseil d'administration. J'ai décliné celle-ci, car j'ai de nombreuses demandes où je ne vois pas d'alignement solide sur la décarbonation, les conditions de succès pour l'entreprise, aucun moyen pour moi de créer de la valeur ou une capacité à les influencer efficacement.

Projection de la demande de carburant d'aviation par type jusqu'en 2100 par Michael Barnard, stratège en chef, TFIE Strategy Inc.

En d'autres termes, l'extrémité inférieure du marché de l'aviation est suffisamment grande pour les grands modèles commerciaux et sera la première à s'électrifier, comme je le projette dans mes courbes de demande en aviation jusqu'en 2100.

Mais cela soulève des questions, qui m'ont été posées de manière différente par deux collaborateurs différents : combien d'électricité faudra-t-il pour l'aviation électrique et combien cela coûtera-t-il ?

Tout d'abord, John Hilgers de ClearSkies a tendu la main. Son business model est intéressant. Il est un professionnel de longue date de la livraison de technologies aéroportuaires et, ces dernières années, il a étendu ses offres technologiques pour inclure les fermes solaires. Dans le cadre du programme américain Voluntary Airport Low Emissions Program (VALE) de la FAA, les aéroports peuvent obtenir un financement important pour construire des panneaux solaires sur les bords plats de leurs bandes ou sur des bâtiments ou sur des parkings, en profitant de la superficie du terrain et en fournissant de l'électricité propre pour compléter leur cœur de métier. Plus de 100 aéroports aux États-Unis sont désormais équipés d'énergie solaire, et les aéroports du monde entier ont également des parcs solaires, l'aéroport international d'Edmonton ayant 120 MW et Groningen aux Pays-Bas ayant 20 MW, comme exemples de deux aéroports avec lesquels j'ai une connexion.

Il y a quelque temps, il m'a demandé si je savais que j'avais fait des projections de la demande énergétique de l'aviation par rapport aux opportunités de parcs solaires dans les aéroports. Il reste sur ma liste de construire un modèle de cela, en étendant mon modèle de projection pour considérer la quantité d'électricité qui pourrait être générée localement pour l'aviation, la quantité qui devrait être acheminée vers l'aéroport à partir du réseau et quel serait l'équilibre dans le temps. Le régime réglementaire sous lequel opèrent les aéroports leur permet de vendre de l'électricité aux exploitants d'aéronefs sans devenir un service public, du moins aux États-Unis, ce qui est un avantage quelque peu surprenant.

Les complexités de la chaîne d'approvisionnement du ravitaillement en carburant de l'aviation deviennent remarquablement simplifiées lorsque ce sont des électrons qui circulent dans les avions au lieu du Jet A-1. À l'heure actuelle, les transporteurs opérant à partir de plusieurs aéroports ont des contrats avec de grands fournisseurs de carburant d'aviation tels que BP et Gazprom (heureusement, pas beaucoup en dehors de la Russie, j'ai découvert après avoir enquêté récemment sur leurs livraisons), ils fournissent des volumes probables selon leurs horaires, puis ils les mettre à jour plus près du vol, puis ils les mettent à jour la veille et enfin le pilote lui-même fait le calcul final du montant spécifique à remplir et fait une approbation et un transfert explicites de la personne chargée du ravitaillement. Ce processus a été remarquablement lent à automatiser, avec le voyage quelque peu présenté dans ce podcast Allplane, et accéléré par COVID-19 bien sûr, entre autres en éliminant le plomb de ravitaillement visitant le capitaine dans le cockpit avec un presse-papiers. Les technologies et les approches discutées dans le podcast étaient à la pointe vers 2000, ce que je sais, car j'ai dirigé le développement de startups basées sur elles à l'époque, ce qui remonte à des éons dans les années Internet.

Mais l'électricité n'a pas besoin d'une chaîne d'approvisionnement mondiale et de contrats mondiaux. Cela nécessite juste suffisamment d'électrons locaux, quelque chose qui peut être généré dans de vastes régions locales et transmis et distribué aux aéroports pour être ajouté aux batteries des avions. L'aéroport peut acheter des contrats d'achat d'électricité (PPA) ou des PPA virtuels pour ses propres raisons, mais ce qui est pertinent, c'est la quantité d'énergie qui peut entrer dans les avions dans un délai raisonnablement rapide. À l'heure actuelle, la fourniture d'énergie via des chargeurs augmente rapidement, et les systèmes de tarification du fret terrestre et du fret maritime repoussent rapidement les limites, de sorte que l'aviation n'aura pas de problème à plus petite échelle au départ ou à plus grande échelle plus tard.

Prenons l'exemple de l'avion 9 passagers Eviation Alice, à mi-chemin entre l'ELECTRON et le Heart ES-19 initial. Il dispose d'une batterie de 900 kWh, d'une valeur de 9 à 15 voitures et parcourra 250 milles marins (460 km) avec un peu de réserve pour le détournement et la réserve. Les vols de cette classe sont probablement en moyenne de 210 milles marins, et avec un détour et une réserve de peut-être 200 milles marins, la batterie restera probablement entre 40 % et 90 % la plupart du temps, ce qui est bon pour la durée de vie de la batterie. Supposons 30 % à 90 % de remplissage à l'aéroport, soit 540 kWh.

Pour un avion, ce n'est tout simplement pas un problème pour l'aéroport moyen. LAX utilise environ 155 000 MWh par an uniquement à des fins aéroportuaires, soit environ 425 MW par jour. Cela signifie que faire le plein d'une Alice ajouterait environ 0,1 % de sa consommation quotidienne. Le plus petit aéroport d'Helsinki utilise environ 54 000 MWh par an, ce qui signifie qu'une Alice aspirerait environ 0,4 % de l'électricité d'une journée moyenne. Notez que les aéroports utilisent généralement des chaudières au gaz naturel pour le chauffage, parfois avec des unités de cogénération pour l'électricité également, il ne s'agit donc pas de toute l'énergie consommée dans les opérations aéroportuaires, mais uniquement de l'électricité. Les aéroports électrifieront tout bien assez tôt, donc les MWh disponibles augmenteront.

Distance entre Helsinki et Stockholm

Helsinki est par coïncidence un bon exemple, car Stockholm est presque exactement à 210 milles marins que j'ai suggérés. Finnair exploite à lui seul trois vols sur l'itinéraire par jour la plupart des jours de la semaine, et quelques vols supplémentaires certains jours, d'autres compagnies aériennes offrant plus d'options. Notez que l'Alice ne peut pas remplacer l'Airbus 320 qui vole sur cette route avec potentiellement 170 passagers, mais arrondissons un peu les vols pour combler les lacunes des voyageurs d'affaires à peut-être 20 vols Alice par jour avec quelques avions.

Cela ferait grimper les besoins en électricité à environ 10,8 MWh par jour dans chaque aéroport, soit environ 2,5 % de la consommation quotidienne de l'aéroport.

L'ajout de l'aviation électrique ne va pas être une ponction sur l'approvisionnement en électricité d'un aéroport au départ, et nous sommes loin de remplacer l'Airbus A321 par un entièrement électrique, peut-être 40 ans. Ce sera un pourcentage plus élevé pour les petits aéroports, et Helsinki n'est pas minuscule avec 21,8 millions de passagers par an, mais l'échelle n'est pas particulièrement un problème.

Il met également le solaire sur les aéroports en perspective. Par exemple, l'aéroport d'Edmonton (YEG) comptait 8,2 millions de passagers annuels en 2019, ce qui en fait environ un tiers de l'échelle d'Helsinki, et dispose d'un parc solaire de 120 MW qui générera environ 210 GWh par an selon le calculateur PVWatts de NREL, éclipsant les propres exigences de l'aéroport. Cela varie considérablement au cours de l'année, bien sûr, juillet avec environ 0,9 GWh par jour et décembre avec environ 0,25 GWh par jour.

La grande majorité des vols réguliers au départ de l'aéroport, 10 à 16 vers chaque destination chaque jour, sont vers Calgary (300 km), Vancouver (800 km) et Toronto (2 700 km), que j'ai tous parcourus plusieurs fois. Les finalistes sont un nombre beaucoup plus petit par jour pour réchauffer les endroits, sans surprise, suivis de vols occasionnels vers d'autres endroits.

Prenons l'Airbus A321 de 200 sièges à titre de comparaison, car les jets modernes sont remarquablement efficaces. Il brûle environ 4 400 litres de carburant aux 1 000 km, toutes choses étant égales par ailleurs. Les moteurs à réaction modernes fonctionnent à 55% d'efficacité - ce qui est étonnant, soit dit en passant - mais ne le font qu'à 30 000 pieds d'altitude à une vitesse de croisière optimale. En supposant que le roulage, le décollage et l'atterrissage ont un impact sur l'efficacité, nous supposerons une efficacité de 50 % de la conversion du carburéacteur en énergie utile.

Le jet A contient environ 34,69 MJ/litre. Comme les voitures électriques, les avions électriques sont plus efficaces, avec des projections inférieures conservatrices à 85 %.

Électricité requise pour les vols courants à partir de l'aéroport d'Edmonton en MWh en supposant un Airbus A321

Avec une moyenne de 14 vols vers chaque destination par jour, la moyenne des MWh requis pour la grande majorité des vols est d'environ 440, soit 0,44 GWh. Les observateurs attentifs noteront que les jours ensoleillés de juin, il est probable que tous les vols au départ de l'aéroport seraient facilement alimentés par le panneau solaire avec de l'électricité nette circulant dans le réseau, tandis qu'en décembre, il faudra ajouter quelques centaines MWh du réseau. Comme il consomme normalement environ 50 MWh par jour, les connexions devraient être augmentées, mais c'est vrai malgré tout car il doit acheminer l'électricité de sa ferme solaire au réseau d'une manière ou d'une autre.

Sur l'année, c'est peut-être 160 GWh, ce que les mêmes observateurs attentifs noteront est inférieur aux 210 GWh que fourniront les panneaux solaires de l'aéroport. Ajoutez les 18 GWh probables de besoins en électricité de l'aéroport pour l'année et l'aéroport a encore 32 GWh restants. Vous pouvez faire fonctionner toute la flotte de véhicules de service au sol avec cela et fournir tout le chauffage de l'aéroport également, en remplaçant les 4,2 MW de centrales de cogénération au gaz naturel qui font le travail aujourd'hui.

Au cours de l'année, le parc solaire d'Edmonton est probablement suffisant pour alimenter tous les vols au départ d'Edmonton, l'ensemble de l'aéroport, les flottes au sol à l'intérieur de l'aéroport et pour être un centre régional de ravitaillement en carburant pour le camionnage et la flotte automobile. Pas que ce serait le cas pendant des décennies, car selon mes prévisions, ce n'est que vers 2070 que les autonomies des gros avions de passagers atteindront des distances transcontinentales, et les biocarburants SAF feront le gros du travail au sommet pendant des décennies après que les cellules vieillissent.

C'est insuffisant, soit dit en passant, pour alimenter l'aviation avec de l'hydrogène vert à partir de la même ferme solaire. Les panneaux solaires à l'électrolyse de l'hydrogène à l'élimination des vapeurs à la compression au stockage à la liquéfaction à l'avion à l'évaporation des moteurs auraient une efficacité beaucoup plus faible, probablement un quart d'utilisation plus directe de l'électricité, et donc les panneaux qui sont suffisants pour toute l'aviation Edmonton voit actuellement n'alimenterait peut-être qu'un quart de celui-ci, même si l'aviation à hydrogène allait être une chose.

Mais il y a ensuite la question suivante, qu'un fondateur furtif d'une autre entreprise m'a posée récemment : combien coûtera l'électricité comme carburant d'aviation ? Il est beaucoup plus difficile de répondre à cette question, car les prix de détail et commerciaux de l'électricité sont très différents des prix de gros en raison de divers facteurs politiques. C'est une question intéressante de savoir comment cela se déroulera.

Par exemple, l'Allemagne a l'un des tarifs de gros de l'électricité les plus bas d'Europe, mais elle est réputée parmi les tarifs commerciaux et industriels les plus élevés, 300 $ / MWh et plus récemment. Cela a été intentionnellement fait par eux en tant que politique visant à accroître l'efficacité de l'utilisation de l'énergie dans toute leur économie, et lorsque j'ai fait le calcul, cela représentait presque exactement les mêmes coûts supplémentaires que ceux appliqués à l'essence et au diesel (mais pas au Jet A-1). De toute évidence, à mesure que les réseaux se décarbonent, promouvoir l'efficacité de l'électricité par des prix élevés devient contre-productif. Cela suggère environ 160 $ ​​pour remplir l'Alice en Allemagne.

Les États-Unis, également célèbres, n'ont pratiquement aucune taxation au-delà des bases sur leurs combustibles fossiles, et au moins dans le domaine de l'aviation, ne leur ajoutent pas de tarification du carbone ou de taxes sur l'efficacité. Ses frais d'électricité moyens dans le secteur des transports étaient de 102,00 $ par MWh en 2021, il en coûterait donc environ 55 $ pour remplir l'Alice.

Au Canada, les tarifs industriels par MWh varient largement, allant d'environ 45 à 60 $/MWh pour l'hydroélectricité héritée à très faible teneur en carbone au Québec et en Colombie-Britannique, à 150 $/MWh pour l'électricité à très haute teneur en carbone et davantage générée par des combustibles fossiles en Alberta et en Saskatchewan. C'est une fourchette de 24 $ à 81 $ pour un remplissage pour l'Alice.

En supposant les 540 KWh pour l'Alice, et en inversant les litres de Jet A à la place, nous aurions besoin d'environ 140 litres pour parcourir la même distance s'il s'agissait d'un avion à combustion interne, toutes choses étant égales par ailleurs, et en utilisant un facteur d'efficacité élevé de 40 %. Au prix moyen actuel du Jet A par litre de 0,80 $, cela reviendrait à un prix d'environ 112 $. Comme on peut le voir, les 150 $ de l'Allemagne rendraient peu probable l'électrification de l'aviation, les 55 $ des États-Unis en feraient une évidence, tandis que les tarifs du Canada varient de bons à très bons pour les avions électriques. Par coïncidence, la Californie verte a l'un des tarifs d'électricité les plus élevés des États-Unis, évidemment un échec politique, et ses 156,30 $ par MWh se transformeraient en 84 $ pour remplir l'Alice, toujours une affaire.

Ensuite, vous avez le monde intéressant des aéroports. Ils pourront vendre eux-mêmes l'électricité directement aux exploitants d'avions sans avoir à s'établir en tant que service public, du moins aux États-Unis, selon Hilgers. Et ils voudront faire un profit sur le service. Ils pourraient bénéficier d'allégements fiscaux sur l'électricité, mais sinon, ils obtiendront certainement des incitations de divers types pour construire leurs propres grandes centrales solaires et au moins un peu de stockage.

Comment l'aéroport fixera-t-il le prix de l'électricité qu'il fabrique lui-même ? Bonne question.

Ce que l'on peut dire, c'est que bon nombre des moteurs des écarts de prix de l'électricité disparaîtront à mesure que nous passerons à de nombreuses énergies renouvelables, largement connectées au CCHT, avec une bonne quantité de stockage sur le réseau. Ensuite, les facteurs d'efficacité seront purement économiques, et non environnementaux, et en tant que tels, des ajouts inférieurs dans des endroits comme l'Allemagne sont probables. Deuxièmement, à mesure que nous nous débarrasserons des coûts de carburant, les pénuries, les écarts et les guerres de prix deviendront une chose beaucoup moins courante. Troisièmement, alors que nous interconnectons de plus en plus de réseaux avec HVDC, les marchés et la concurrence feront leur possible pour faire baisser les coûts et les prix. Et si nous construisons judicieusement des lots de stockage hydroélectrique pompé d'une durée de vie de plus de 125 ans, l'amortissement des coûts d'investissement finira par atteindre zéro, de sorte que seuls les coûts d'exploitation seront pertinents.

Mon point de vue est que le monde tendra vers une situation globalement stable de prix de détail de 40 $ à 50 $ / MWH en dollars de 2020 d'ici 2100, mais qu'il y aura beaucoup de pics de prix géographiques et temporels jusque-là. Les jockeys du tableur qui déterminent où faire le plein, combien, s'il faut faire le plein et quels itinéraires privilégier économiquement ne partiront pas – ils feront des modèles encore plus complexes.

Mais revenons sur l'histoire de la tarification du carburant d'aviation. La raison pour laquelle l'Europe commence à peine à fixer le prix du carbone sur le kérosène, et pourquoi d'autres juridictions le taxent à peine, c'est parce que l'aviation est considérée comme un bien de développement économique. En conséquence, ils ont artificiellement limité le prix du carburant d'aviation pour accélérer son adoption en tant que politiques nationales et juridictionnelles. Nous pouvons certainement nous demander si c'était une bonne idée étant donné le rôle démesuré que joue l'aviation dans le réchauffement climatique, mais c'est un précédent qui mérite d'être pris en considération.

Et si les aéroports étaient autorisés à exclure l'électricité utilisée pour alimenter les avions électriques de diverses taxes et suppléments ? Compte tenu des avantages majeurs de l'électrification en matière d'efficacité et de climat pour tous les segments industriels et les grands consommateurs, que se passerait-il si cela était vrai pour tous les tarifs d'électricité industriels et commerciaux en tant que politique, à mesure que les tarifs des combustibles combustibles augmentent de plus en plus, soit en raison du carbone des prix ou simplement des biocarburants SAF plus chers ? Dans quelle mesure cela inciterait-il le passage à l'aviation électrique ? Je réfléchis beaucoup et je pense que les politiques aéronautiques nationales et internationales devraient le soutenir.

Note de fin : Une version originale de cet article utilisait les données du site Web public de Shell sur les 24 millions de litres de carburant fournis à l'aéroport chaque année, mais bien que Shell soit le principal fournisseur, il existe deux autres fournisseurs de carburant. Deux commentateurs ont remis en question les ordres de grandeur des besoins énergétiques, alors j'ai retiré la pièce et refait le calcul complètement sous un angle différent et je suis arrivé bien dans le même ordre de grandeur.

est membre des conseils consultatifs de la startup d'aviation électrique FLIMAX, stratège en chef chez TFIE Strategy et co-fondateur de distnc technologies. Il héberge le podcast Redefining Energy - Tech (https://shorturl.at/tuEF5), qui fait partie de l'équipe primée Redefining Energy. Il passe son temps à projeter des scénarios de décarbonation de 40 à 80 ans dans le futur et à aider les dirigeants, les conseils d'administration et les investisseurs à choisir judicieusement aujourd'hui. Qu'il s'agisse du ravitaillement de l'aviation, du stockage en réseau, du véhicule au réseau ou de la demande en hydrogène, son travail est basé sur les fondamentaux de la physique, de l'économie et de la nature humaine, et informé par les exigences de décarbonation et les innovations de multiples domaines. Ses postes de direction en Amérique du Nord, en Asie et en Amérique latine ont renforcé son point de vue mondial. Il publie régulièrement dans plusieurs médias sur l'innovation, les affaires, la technologie et la politique. Il est disponible pour le conseil d'administration, le conseiller en stratégie et les allocutions.

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