Conception préliminaire, intégration et évaluation d’un système de gestion thermique à base de liquide pour les avions hybrides à pile à combustible

Face à la demande croissante d'une aviation durable, les systèmes de propulsion hybride-électrique, en particulier ceux intégrant des piles à hydrogène en raison de leur haute énergie spécifique et de leur potentiel d’émissions nulles de carbone, suscitent un intérêt important. Cette thèse vise à combler une lacune importante dans l’évaluation des avions hybride-électriques à pile à combustible : la conception et l’intégration d’un système de gestion thermique (TMS) efficace, capable de maintenir des conditions de fonctionnement optimales tout en minimisant son impact sur les performances de l’aéronef.En se concentrant sur une étude de cas dans le domaine de l'aviation générale, cette recherche propose une méthodologie pour la conception préliminaire, l’intégration et l’évaluation d’un TMS à base de liquide, adapté aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons à basse température (LT-PEMFC), dans ce cadre de propulsion hybride-électrique. L’étude, qui se déroule dans le cadre d’une architecture d’avion rétrofitée, en particulier le Daher Kodiak 900, aborde les défis liés à l’intégration de tels systèmes dans une cellule existante.Un environnement complet de conception et d’optimisation multidisciplinaire (MDAO) estdéveloppé à l’aide de la plateforme de simulation FAST-OAD étendue pour inclure une modélisation spécifique au TMS. Des modèles de composants sont rassemblés et/ou dérivés pour représenter le TMS. D’autres composants sont également inclus afin de refléter adéquatement l’intégration de la pile à combustible dans le périmètre défini. Une stratégie d’hybridation et un profil de vol représentatif sont définis pour établir le contexte opérationnel de la pile à combustible et de son TMS. Cet environnement de calcul prend en compte les interactions entre les charges thermiques, les contraintesvolumiques, la traînée aérodynamique, et d’autres compromis au niveau de l’aéronef. L’objectif de cet environnement est double : premièrement, servir d’outil pour les évaluations de faisabilité préliminaires, et deuxièmement, poser les bases d’une approche évolutive de modélisation et d’évaluation du TMS, applicable à d’autres études de cas et/ou exigences en puissance.L’étude a donné les résultats suivants pour le Kodiak 900 équipé d’une pile à combustible de 200 kW fonctionnant uniquement pendant la phase de croisière. Le système final de pile à combustible (incluant son TMS) a une masse de 307 kg et occupe un volume d’environ 1.344 m3. Comparé à la configuration conventionnelle à moteur à combustion interne (ICE), la version hybridée permet uneréduction de 183 kg des émissions de CO2 sur une mission de 300 NM, mais cela se fait au prix d’une réduction de 263 kg de la charge utile disponible. Le gain en émissions par passager résultant est donc limité à moins de 2% . En comparant les émissions par kilogramme de charge utile disponible, la configuration ICE conventionnelle surpasse la version hybridée.Une analyse de sensibilité menée aux niveaux de l’avion, de la pile à combustible, et du TMS a montré que, même avec les paramètres de conception les plus favorables, les améliorations de performance restent modestes et que l’avion ICE conventionnel conserve un avantage global. Enfin, un scénario hypothétique mettant en œuvre la pile à combustible sans son TMS conduit à des conclusions excessivement optimistes, soulignant ainsi l’importance d’une modélisation et d’une prise en compte précises du TMS. À cet égard, cette thèse apporte une contribution significative en proposant une méthodologie pour le dimensionnement d’un TMS à base de liquide appliqué aux LT-PEMFC.