Le premier dirigeable à énergie solaire

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1 Le premier dirigeable à énergie solaire

2 Le Projet Sol R : Réaliser le premier vol habité dans un dirigeable à énergie solaire. Sommaire Un projet de développement durable Comment fonctionne un dirigeable solaire? Notre prototype L équipe du Projet Sol R Partenaires du Projet Sol R p.3 p.5 p.7 p.9 p.10 Le Projet Sol R relève un défi particulièrement osé : faire voler un dirigeable avec l énergie du soleil. Il s inscrit dans la lignée de ces pionniers qui ont sans cesse repoussé les limites de l aéronautique : hier la vitesse et l endurance, aujourd hui le développement durable. Je soutiens cette équipe jeune et innovante qui porte ce beau projet d avenir. Gérard Feldzer, Directeur du Musée de l Air et de l Espace du Bourget, ancien Président de l Aéroclub de France. Cinquante ans avant la naissance de l aviation, des dirigeables parcouraient déjà les airs. Dans les années 1930, le Graf Zeppelin traversa 150 fois l Atlantique vers Rio de Janeiro et New York, transportant au total plus de passagers sur 1,7 millions de kilomètres. L explosion du Zeppelin Hindenburg en 1937 et l essor de l aviation durant la Seconde Guerre mondiale ont cependant mis un terme à l âge d or des dirigeables. Aujourd hui, ces aéronefs suscitent de nouveau un intérêt. Leurs qualités (charge utile et efficacité énergétique inégalées) prennent une nouvelle dimension dans le contexte actuel de raréfaction des ressources naturelles. Les dirigeables peuvent être équipés de panneaux solaires qui leur permettent de voler grâce à une énergie non polluante et entièrement renouvelable. Ces dirigeables nouvelle génération ouvrent alors des perspectives dans de nombreux domaines (télécommunications, observation aérienne et tourisme). Les pays en développement pourront également tirer partie de cette technologie propre et économique. Les dirigeables solaires apparaissent donc comme des appareils répondant aux enjeux du développement durable pour le transport aérien. Le prototype que nous réalisons, le Nephelios, sera le premier dirigeable habité au monde entièrement propulsé par l énergie solaire. Il pourra transporter un pilote et des équipements de recherche scientifique, entraînant des avancées technologiques cruciales pour l avenir du dirigeable et du transport aérien.

3 Si l on considère qu il faut oeuvrer dès à présent à trouver des alternatives crédibles au pétrole, alors le dirigeable solaire apparait comme une technologie particulièrement prometteuse. Le transport aérien se trouve en effet aujourd hui dans plusieurs impasses : économique puisque son coût augmentera inexorablement, écologique car il est extrêmement émetteur de gaz à effet de serre et enfin, sociale car il ne pourra jamais être accessible à l essentiel de la population mondiale. > Le dirigeable solaire est véritablement un projet de développement durable tant il apporte des solutions concrètes à l ensemble de ces défis. Relever le défi économique Conçus pour de multiples applications, les dirigeables disposent aussi d avantages compétitifs non négligeables sur d autres moyens de transport (avions, trains, bateaux et camions). Un projet de développement durable Leur faculté à déplacer des charges extrêmement lourdes et volumineuses (pièces d A380, turbines de centrales électriques, par exemple) s avère intéressante pour le fret et le transport de charges exceptionnelles. De plus, leur grande autonomie plus de 24h pour un dirigeable à propulsion thermique et potentiellement illimitée si elle est solaire leur confère un grand rayon d action et les rend parfaits pour les missions d observation. Enfin, leur faible consommation de carburant entre deux et sept fois moins que l avion et même l absence de carburant dans le cas du dirigeable solaire constitue l un de leurs atouts essentiels par rapport à l avion et l hélicoptère. Bon à savoir Pourquoi le dirigeable est-il si peu employé aujourd hui? - Parce que l avion et l hélicoptère étaient techniquement supérieurs au dirigeable du point de vue de la vitesse et de la manœuvrabilité. - Parce que le prix du pétrole et les contraintes environnementales n étaient pas des préoccupations majeures. - Parce qu il lui a manqué des soutiens industriel, scientifique et politique (comme l existence d un consortium). Trois conditions permettront que le dirigeable retrouve un intérêt économique dans les années à venir : Des programmes de Recherche & Développement ouvrant la voie à son exploitation complète. Une industrialisation de sa production. Une prise en considération des défis énergétiques et environnementaux. > Le Projet Sol R offre une alternative au pétrole dans le transport aérien et lui ouvre de nouvelles perspectives. Le projet allemand Cargo Lifter, suspendu aujourd hui, aurait permis de transporter des charges lourdes. Le Manned Cloud, le premier hôtel volant (2005). 3

4 Faire face aux impératifs écologiques D après l ONU, le secteur aérien représente à lui seul 2,5% des rejets de CO 2 dans le monde. Au vu de sa part relative dans le transport de passagers et de marchandises, ce chiffre apparait considérable. Il est de plus en forte augmentation : rien que pour le tourisme, les rejets de CO 2 devraient augmenter de 150% dans les 20 prochaines années. Pour le transport de passagers, l avion est donc le véhicule le plus polluant qui soit : un Airbus A340 de 350 places consomme environ 5 litres pour 100 kilomètres par passager, l équivalent d une voiture récente. Pour le transport de marchandises, le bilan carbone de l avion est pire encore : transporter une mangue de Côte d Ivoire jusqu en Europe entraîne par exemple 10 fois plus de rejets de CO 2 avec l avion qu avec un navire frigorifique. Non seulement le dirigeable consomme peu de carburant mais sa construction devrait également s avérer moins énergivore que celle des avions car elle inclut moins de structures métalliques. Son seul point faible réside peut-être dans l utilisation de l hélium, un gaz fossile. Heureusement, il sera possible d avoir recours à l hydrogène, gaz abondant et qui peut être produit à partir d énergies renouvelables. > Le Projet Sol R offre des perspectives écologiquement soutenables en permettant de réduire sensiblement les émissions de CO2 du transport aérien. Répondre aux attentes sociales Carte du rayonnement solaire sur Terre : les couleurs chaudes signalent une forte intensité lumineuse. L efficacité des systèmes de transport est fondamentale pour le développement économique d un pays. Que l on pense au transport de passagers ou de marchandises, la mise en place de technologies adéquates est indispensable pour alimenter les circuits économiques en main d œuvre, en équipements ou en produits industriels. Elle précède même souvent la formation de ces circuits en ouvrant l accès à de nouveaux territoires ou en rendant les échanges avec ceux-ci économiquement viables. La problématique des transports pèse lourdement sur le développement des pays du Sud. Les barrières géographiques, les faiblesses des infrastructures, les déséquilibres institutionnels empêchent l instauration d un management centralisé du transport. Autant d obstacles qui aggravent les problèmes déjà posés par l accroissement du prix de l énergie. De ce point de vue, le dirigeable solaire peut faire partie de ces technologies qui apportent des solutions concrètes à long terme. Les faibles contraintes qu il impose en termes d infrastructures, et sa souplesse d utilisation, font déjà de lui l un des moyens de transport aérien les plus adaptés aux pays du Sud. L énergie photovoltaïque procurera à l avenir un véritable avantage pour beaucoup de pays en développement (Afrique, Indonésie, etc.) et des pays BRIC (Brésil et Inde) qui bénéficient d un ensoleillement idéal. 4

5 Comment fonctionne un dirigeable solaire? A la confluence de deux technologies Notre projet se situe à la confluence de deux technologies en évolution constante. La technologie photovoltaïque, dont les performances progressent très rapidement du fait d investissements massifs : en 20 ans, les rendements obtenus en laboratoire sont passés de 20% à plus de 40%, et ceux des panneaux commercialisés de 5% à 20%. C est le phénomène de la poussée d Archimède, due au gaz (plus léger que l air) se trouvant à l intérieur de l enveloppe, qui assure la portance du dirigeable et lui permet de flotter dans l air. Ses déplacements C est l hélium qui va nous permettre de porter la structure de notre dirigealbe (toile, panneaux solaires, nacelle, système de propulsion) et de transporter des hommes ou des objets. Notre ballon de 350m 3 soulevera 350 kg, dont 100 kg de charge utile (pour le pilote essentiellement). En vertu du principe d Archimède, si la charge du ballon est inférieure à celle que peut soulever le gaz, alors l aéronef va monter, et si au contraire elle est supérieure, l appareil va descendre. Nous devons donc le maintenir à l équilibre de charges. > Le ballon est dit dirigeable lorsqu il peut se déplacer dans l air et s orienter grâce à des gouvernes et des hélices. Son référentiel est le courant aérien au sein duquel il évolue. D autre part, le dirigeable, qui existe depuis plus de deux siècles mais dont la quasi disparition du ciel a empêché un transfert de connaissances et une amélioration technologique continue. De nouvelles technologies, notamment issues de l aviation, peuvent permettre des améliorations majeures. Cela explique que le dirigeable, terrain inexploré de l aéronautique, se prête particulièrement bien à l innovation. La force exercée par la poussée d Archimède (Buoyancy) est égale au poids du volume de fluide déplacé. Lorsque la masse volumique de l objet est inférieure à celle du fluide, la poussée exercée est supérieure à la force de gravité et l objet est déplacé vers le haut. Sa vitesse Elle est fonction de la puissance de ses moteurs rapportée à la résistance qu il offre à l air elle-même dépendant principalement de sa surface frontale et de son aérodynamisme. A volume et forme constants, pour doubler la vitesse du dirigeable, il est nécessaire de multiplier sa puissance de propulsion par huit et donc sa surface de panneaux solaires d autant. 5

6 En captant l énergie des photons, les électrons de la couche de silicium N sont excités et créent une différence de potentiel avec la couche P chargée positivement. Ceci engendre une circulation d électrons et donc un courant électrique. Son énergie L énergie photovoltaïque résulte de la conversion de la lumière solaire en énergie électrique. La puissance délivrée varie alors en fonction de la technologie des panneaux, de l intensité lumineuse, et donc de la latitude, de l heure de la journée, de la période de l année et de la couverture nuageuse. Quelles sont les avancées techniques qui permettront d améliorer les performances des dirigeables? Energie : Aucun dirigeable habité n a encore jamais volé grâce à des panneaux solaires : c est notre défi! L autonomie énergétique du dirigeable doit être progressivement augmentée jusqu à atteindre un cycle complet de 24h. Enveloppe : De meilleures formes, matériaux et structures permettront des gains de vitesse et de poids. Atterrissage/Décollage : Ce sont des phases délicates pour le dirigeable mais des équipements et des procédures adaptées permettront de réduire les risques et le personnel nécessaire. Stockage : Actuellement, le dirigeable peut être soit entreposé en extérieur attaché à un mât, soit abrité dans un hangar approprié (donc aux dimensions conséquentes), mais ces deux solutions ont des inconvénients. Gaz porteur : Pour des raisons économiques et écologiques, il faudra à terme remplacer l hélium des ballons par l hydrogène. L incertitude existe mais elle est faible car la technologie est aujourd hui très bien maitrisée. Les atouts du dirigeable pour l utilisation de l énergie photovoltaïque Une importante surface est disponible pour les panneaux solaires. Sa charge utile importante permet d emporter les panneaux et les batteries. Plus léger que l air, il n a pas besoin d énergie pour assurer sa sustentation. La vitesse limitée réduit la consommation d énergie. Pour info Des nouvelles énergies, aucune ne permet de remplacer le pétrole pour voler, excepté le photovoltaïque. Les biocarburants ont des impacts écologique et social encore incertains. Eolien, hydroélectricité et géothermie sont inexploitables dans le domaine aérien. L hydrogène (avec la pile à combustible) est encore mal maîtrisé. C est avant tout un vecteur et non une source d énergie. 6

7 Notre défi et notre valeur ajoutée consistent à optimiser le dirigeable par l emploi de l énergie photovoltaïque : une première mondiale! Notre objectif est également d effectuer des mesures et des tests relevant de la recherche fondamentale sur les dirigeables. Avant d envisager toute utilisation, il est nécessaire de réaliser un prototype permettant de tester nos innovations. Un projet réalisable Fixation de panneaux solaires sur l'enveloppe Toile recouverte de polyuréthane pour l'étanchéité Les principales innovations du Projet Sol R 1. Tests de puissance et de consommation d énergie en situation réelle. 2. Mesures de l évolution de la pression et du comportement du gaz à l intérieur du ballon. 3. Equipement et motorisation électrique du ballon. Hélices bipales orientables à 360 Notre prototype Fabrication d un ballonnet par Bastien Lefrançois, Musée de l air et de l espace, au Bourget Capteurs de mesure de pression de l'enveloppe à l'intérieur Nacelle monoplace Au niveau de la conception, les principes essentiels nous sont bien connus et maîtrisés, une erreur remettant en cause la viabilité de notre projet est par conséquent très peu probable. Au niveau de la fabrication et de l assemblage, des ajustements seront nécessaires car nous travaillons à l heure actuelle sur un prototype. Enfin, les performances (vitesse, autonomie et manoeuvrabilité) sont relativement difficiles à évaluer «en laboratoire». Elles constituent encore pour nous un point à améliorer. Des experts à nos côtés Stéphane Rousson, pilote chevronné, a déjà construit plusieurs dirigeables et a l expérience du vol. Bastien Lefrançois, responsable de notre équipe Enveloppe, est diplômé de l Ecole Centrale de Paris et membre de l expédition de Jean-Louis Etienne. Jordi Veirman, notre responsable solaire, est doctorant à l Institut National de l Energie Solaire. Hervé Kuhlmann, Président du réseau de recherche sur les dirigeables Dirisoft 7

8 Les membres de nos équipes techniques sont aussi bien des étudiants de grandes écoles, que des élèves de lycées techniques. Nos études techniques sont validées par des professeurs spécialistes. Les objectifs atteints Le Nephelios est en cours de construction. Il sera présenté au Salon du Bourget du 15 au 21 juin Ce prototype constitue un premier essai qui va permettre d acquérir l expérience et les connaissances nécessaires au développement du futur dirigeable. > Des atouts indéniables Le matériel que nous utilisons est extrêmement robuste (notamment la toile) et a fait ses preuves dans le domaine du dirigeable et de l ULM. Nous nous appuyons sur l expérience technique et pratique de nos équipes et de nos conseillers. Des étudiants de l INSA s occupent de l assemblage des panneaux. > Nos réalisations récentes RECRUTEMENT : Nous avons des équipes compétentes, motivées et encadrées. Nous disposons d une plateforme web de gestion du projet et des réunions régulières sont organisées avec les membres investis dans notre effort de recherche. ASSEMBLAGE: Les panneaux solaires sont en cours d assemblage et l enveloppe est en montage au sein du Musée de l Air et de l Espace. D autres réalisations sont en cours. SALONS : Nous avons déjà présenté notre projet au public, aux médias et aux professionnels lors du Salon Vert de l Aéronautique du Bourget (juin 2008) et de la Fête des Transports au Trocadéro (septembre 2008). En attendant celui du Bourget RECOLTE DE FONDS : Divers sponsors et plusieurs partenaires techniques de renom se sont joints à notre projet, en contribuant matériellement et/ou financièrement. Notre prochain objectif : Du Blériot XI au Néphélios du projet Sol R un centenaire d innovation s est écoulé. Les performances de Louis Blériot ont bercé des générations de passionnés d aéronautique. Ainsi dans un esprit d innovation et de commémoration, l équipe du projet Sol R, composée d ingénieurs et de jeunes chercheurs, se lance dans la traversée de la Manche, en dirigeable, dès l été 2009, 100 ans après l exploit de Louis Blériot. Les étudiants testent les panneaux solaires Performances: Charge utile: 1 pilote Longueur: 22m Diamètre: 5,5m Puissance: 2,4 kw Emissions de CO2: 0g Vitesse: 40km/h L équipe Enveloppe durant le montage dans le Musee de l Air et de l Espace. 8

9 Le Projet Sol R s est constitué au début de l année 2008 autour de trois étudiants, après leur rencontre avec un passionné de dirigeables, Stéphane Rousson. Celui-ci préparait alors sa traversée de la Manche en ballon à pédales et leur a proposé de se lancer dans la construction d un dirigeable solaire. L équipe s est ensuite progressivement élargie à d autres étudiants motivés et bénévoles pour atteindre aujourd hui plus de 30 personnes. L équipe du Projet Sol R L organigramme: L equipe du Projet Sol R Notre équipe réunit des étudiants issus de différentes formations : Des écoles d ingénieurs : -INSA (solaire, nacelle, mécanique, électronique) -EPF (gestion de projet) -Centrale Paris (enveloppe) -Arts et Métiers (enveloppe) Des lycées techniques : -Lycée Timbaud (nacelle) -Lycée Doisneau (réducteur) -CFA de la FDM d Evry (réducteur) D autres écoles : -ESSEC (gestion) -EHESS (journalisme scientifique) -ENS Ulm (sociologie et politiques publiques) -Gobelins (création de sites web) -ESAT com (communication visuelle) Notre équipe est dynamique, motivée et totalement bénévole. Nous sommes mus par le sentiment d accomplir un projet d avenir et de développement durable mais aussi de réaliser un rêve : celui de voler, sans polluer, en totale autonomie et en puisant notre énergie dans l air et le soleil. L aventure ne fait que commencer... L aventure ne fait que commencer... Une équipe énergique. 9

10 Partenaires du Projet Sol R Nos sponsors : Nos partenaires techniques : Remerciements : Nous remercions également la Fondation Air Liquide de nous avoir fourni l hélium. 10

11 Les fondateurs du Projet Sol R Thomas RAPHAEL 22 ans EPF 4e année Aloun VANGKEOSAY 22 ans INSA Lyon 3e année Arnaud VAILLANT 22 ans ESSEC 3e année Transporter, voyager, planer, ne peser que quelques grammes, et tout cela sans polluer, voilà un projet dans l air du temps! Pour me contacer : + thomas.raphael@projetsolr.com ) Je me suis lancé dans ce projet pour exercer le métier d ingénieur tel que je me l imaginais : créatif, pionnier. Pour me contacer : + aloun.vangkeosay@projetsolr.com ) Quand Thomas et Aloun m ont parlé de ce projet, j ai tout de suite su que ce serait une expérience incroyable. Pour me contacer : + arnaud.vaillant@projetsolr.com ) Communication Anthony LAURENT Relation Presse + anthony.laurent@projetsolr.com Julien SOUAAD Salon du Bourget + julien.souaad@projetsolr.com Par télephone : +33 (0) Toute l actualité du Projet Sol R sur :

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