Carburants Aviation Durable (SAF) : Décarboner le Transport Aérien

Le transport aérien face à l'urgence climatique

L'aviation commerciale émet environ 900 millions de tonnes de CO2 par an, soit 2,5 % des émissions anthropiques mondiales. Si l'on intègre les effets hors CO2 -- traînées de condensation, oxydes d'azote, formation de cirrus -- le forçage radiatif total du transport aérien atteint 3,5 % de l'impact climatique lié aux activités humaines, selon les données consolidées du rapport Lee et al. publiées dans Atmospheric Environment. Avec une croissance du trafic aérien projetée entre 3 et 4 % par an par l'IATA et un doublement du nombre de passagers attendu d'ici 2040, la trajectoire est incompatible avec les objectifs de l'Accord de Paris.

Contrairement à l'automobile, où l'électrification est désormais une réalité commerciale, l'aviation long-courrier ne peut pas se contenter de batteries. La densité énergétique massique des meilleures cellules lithium-ion -- environ 300 Wh/kg -- reste quarante fois inférieure à celle du kérosène Jet A-1 (11 900 Wh/kg). Même en tenant compte du rendement supérieur des moteurs électriques, un Boeing 787 alimenté par batteries nécessiterait une masse de stockage trente fois supérieure à celle de son réservoir de kérosène. L'hydrogène liquide constitue une piste prometteuse mais ne sera pas opérationnel avant 2035 au plus tôt, selon la feuille de route d'Airbus ZEROe.

Dans ce contexte, les carburants d'aviation durables (SAF, Sustainable Aviation Fuels) apparaissent comme le levier le plus immédiat et le plus efficace pour réduire l'empreinte carbone du transport aérien. Compatibles avec les moteurs et les infrastructures existants -- le fameux « drop-in » --, ils ne nécessitent aucune modification des aéronefs ni des systèmes d'avitaillement. Leur déploiement est déjà en cours, même si l'échelle reste insuffisante face à l'ampleur du défi.

Qu'est-ce qu'un SAF ? Définition technique et certification

Un SAF est un carburéacteur dont la matière première n'est pas le pétrole brut mais une source renouvelable ou recyclée : biomasse lignocellulosique, huiles usagées, graisses animales, déchets municipaux solides, CO2 atmosphérique capturé, ou encore hydrogène vert combiné à du CO2 (voie Power-to-Liquid). Le point essentiel est que le SAF respecte les spécifications techniques du kérosène conventionnel Jet A-1 définies par la norme ASTM D7566, garantissant une compatibilité totale avec les moteurs, les joints, les pompes et les réservoirs existants.

L'organisme américain ASTM International a approuvé à ce jour neuf voies de production de SAF, chacune correspondant à un procédé chimique spécifique. Les plus avancées industriellement sont :

• HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) : hydrogénation d'huiles végétales, de graisses animales ou d'huiles de cuisson usagées. C'est la voie la plus mature, représentant plus de 90 % de la production mondiale de SAF. Le procédé, similaire au raffinage pétrolier, produit un kérosène paraffinique de haute qualité.

• FT-SPK (Fischer-Tropsch Synthetic Paraffinic Kerosene) : gazéification de biomasse ou de déchets municipaux en gaz de synthèse (CO + H2), puis conversion catalytique en hydrocarbures liquides. Le procédé Fischer-Tropsch, inventé dans les années 1920, retrouve une seconde jeunesse grâce aux avancées en catalyse et en prétraitement de la biomasse.

• ATJ-SPK (Alcohol-to-Jet Synthetic Paraffinic Kerosene) : conversion d'alcools (éthanol, isobutanol) issus de la fermentation de biomasse lignocellulosique en kérosène synthétique par déshydratation, oligomérisation et hydrogénation.

• PtL (Power-to-Liquid) : capture de CO2 atmosphérique ou industriel, production d'hydrogène vert par électrolyse, puis synthèse Fischer-Tropsch ou méthanolisation pour obtenir du kérosène synthétique. C'est la voie la plus prometteuse à long terme mais aussi la plus énergivore et la plus coûteuse actuellement.

La réduction des émissions de CO2 sur le cycle de vie complet varie selon la voie de production et la matière première : de 50 % pour certains SAF HEFA à plus de 95 % pour le PtL alimenté en électricité renouvelable, par rapport au kérosène fossile.

Les filières HEFA : la maturité industrielle au prix de la disponibilité

La filière HEFA domine actuellement la production mondiale de SAF grâce à sa maturité technologique et à son coût relativement modéré. Le procédé consiste à hydrogéner des triglycérides -- huiles et graisses -- en présence d'un catalyseur à base de nickel-molybdène ou de cobalt-molybdène, à haute température (300-400 °C) et haute pression (50-100 bar). Les chaînes d'acides gras sont ainsi converties en alcanes linéaires (paraffines), puis isomérisées et craquées pour obtenir la distribution de longueurs de chaîne caractéristique du kérosène (C8-C16).

Neste, le raffineur finlandais, est le premier producteur mondial de SAF HEFA avec une capacité annuelle de 1,5 million de tonnes de diesel et kérosène renouvelables depuis l'extension de sa raffinerie de Porvoo et la mise en service de son usine de Singapour. Le SAF de Neste, commercialisé sous la marque Neste MY Sustainable Aviation Fuel, affiche une réduction de 80 % des émissions de CO2 sur le cycle de vie lorsqu'il est produit à partir d'huiles de cuisson usagées. TotalEnergies a converti sa raffinerie de Grandpuits, en Seine-et-Marne, en bioraffinerie, avec une capacité de production de 285 000 tonnes de SAF par an à partir de 2025. La conversion d'une raffinerie fossile en bioraffinerie illustre la transition industrielle en cours dans le secteur pétrolier.

Le talon d'Achille de la filière HEFA est la disponibilité limitée de la matière première. Les huiles de cuisson usagées (UCO), qui constituent la source la plus vertueuse en termes d'émissions (pas de changement d'affectation des sols), sont collectées en quantité finie : environ 5 millions de tonnes par an dans le monde, selon les estimations de la European Biodiesel Board. Or, la demande en SAF devrait atteindre 30 millions de tonnes par an d'ici 2030 si les mandats réglementaires sont respectés, soit un facteur dix par rapport à la production actuelle. La filière HEFA ne pourra pas répondre seule à cette demande, ce qui rend indispensable le développement des voies alternatives.

La voie Fischer-Tropsch : des déchets au kérosène

La conversion de biomasse ou de déchets municipaux en kérosène par la voie Fischer-Tropsch constitue la deuxième filière la plus avancée. Le procédé se décompose en deux étapes principales : la gazéification de la matière première en gaz de synthèse (syngas, mélange de CO et H2), puis la synthèse catalytique des hydrocarbures liquides.

La gazéification à haute température (800-1 200 °C) est l'étape la plus critique. Les technologies de gazéification à flux entraîné (entrained flow), développées par ThyssenKrupp et Linde, offrent les meilleures performances sur biomasse sèche, avec des taux de conversion supérieurs à 80 %. Pour les déchets municipaux, plus hétérogènes et plus humides, les technologies de gazéification plasma de Europlasma (filiale française, usine pilote à Morcenx) et de Fulcrum BioEnergy aux États-Unis sont privilégiées.

Fulcrum BioEnergy a inauguré en 2024 son usine Sierra BioFuels à Reno, Nevada, la première installation commerciale au monde convertissant des déchets municipaux en SAF par voie Fischer-Tropsch. La capacité initiale est de 40 millions de litres par an, alimentée par les déchets non recyclables de la région. Le projet a bénéficié d'un investissement stratégique de United Airlines, qui s'est engagée à acheter l'intégralité de la production pendant dix ans.

En Europe, le projet BioTfueL, porté par un consortium incluant TotalEnergies, IFP Energies Nouvelles, Axens et le CEA, a validé à l'échelle pilote la conversion de biomasse lignocellulosique (paille, bois) en biocarburants de deuxième génération par torréfaction, gazéification et synthèse Fischer-Tropsch. Les résultats montrent un rendement carbone global de 35 à 40 %, avec un potentiel d'amélioration par récupération de chaleur et optimisation catalytique.

Power-to-Liquid : le SAF ultime mais le plus énergivore

La voie Power-to-Liquid (PtL), aussi appelée e-fuel ou carburant de synthèse, représente le graal de la décarbonation aéronautique. Le principe est élégant : capturer du CO2 dans l'atmosphère ou à la sortie d'une cheminée industrielle, produire de l'hydrogène vert par électrolyse de l'eau, puis combiner les deux par synthèse Fischer-Tropsch ou par la voie méthanol pour obtenir un kérosène synthétique dont la combustion ne fait que relarguer le CO2 initialement capturé. Le bilan carbone net approche zéro.

L'entreprise allemande Atmosfair, en partenariat avec Sunfire et Climeworks, a mis en service en 2024 la première usine PtL intégrée au monde à Werlte, en Basse-Saxe. L'installation utilise un électrolyseur SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cell) de Sunfire, alimenté en électricité éolienne, et un capteur de CO2 atmosphérique de Climeworks. La production, encore modeste (quelques centaines de tonnes par an), a été certifiée conforme à la norme ASTM D7566 et est achetée par Lufthansa.

Le principal obstacle au déploiement du PtL est son coût. La production d'un litre de e-kérosène coûte actuellement entre 3 et 6 euros, contre 0,50 à 0,70 euro pour le kérosène fossile. Cette différence de facteur six à dix s'explique par trois postes : l'électricité renouvelable (50 % du coût), l'électrolyse (25 %) et la capture du CO2 (15 %). Les projections de l'Agence internationale de l'énergie prévoient une baisse à 1,50-2,00 euros le litre d'ici 2035, à condition que le coût de l'électricité renouvelable descende sous 20 euros le mégawattheure et que les électrolyseurs atteignent des efficacités de 80 % -- des objectifs cohérents avec les trajectoires technologiques actuelles.

Le Chili, grâce à ses ressources éoliennes exceptionnelles en Patagonie et solaires dans le désert d'Atacama, attire les projets PtL les plus ambitieux. HIF Global, soutenu par Porsche, Siemens Energy et ExxonMobil, construit à Punta Arenas la première usine e-fuel commerciale à grande échelle, avec une cible de 550 millions de litres par an d'ici 2027. Ce projet illustre la logique économique du PtL : produire là où l'électricité renouvelable est la moins chère, puis transporter le carburant liquide vers les marchés de consommation.

Le cadre réglementaire : mandats européens et objectifs ICAO

La montée en puissance des SAF est indissociable du cadre réglementaire qui impose des obligations d'incorporation aux compagnies aériennes et aux fournisseurs de carburant.

ReFuelEU Aviation

Le règlement européen ReFuelEU Aviation, adopté en octobre 2023 dans le cadre du paquet Fit for 55, impose des mandats d'incorporation croissants de SAF dans tous les aéroports de l'Union européenne :

Année	Taux de SAF minimum	Dont e-fuel (PtL) minimum
2025	2 %	-
2030	6 %	1,2 %
2035	20 %	5 %
2040	34 %	10 %
2050	70 %	35 %

Ces mandats créent un signal de marché puissant pour les investisseurs et les producteurs. Le mandat de 70 % en 2050 implique une production européenne de SAF de l'ordre de 28 millions de tonnes par an, contre quelques centaines de milliers de tonnes actuellement. L'ampleur du défi industriel est vertigineuse.

CORSIA (ICAO)

Au niveau mondial, le programme CORSIA (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) de l'OACI impose depuis 2024 une compensation des émissions de CO2 excédant les niveaux de 2019 pour les vols internationaux. Les SAF certifiés permettent aux compagnies de réduire directement leurs émissions plutôt que d'acheter des crédits carbone, ce qui constitue une incitation économique significative à mesure que le prix des crédits augmente.

Les motoristes et les avionneurs face au défi SAF

Si les SAF sont par définition « drop-in », leur utilisation à 100 % (neat SAF) soulève des questions techniques que les motoristes travaillent activement à résoudre. La norme ASTM D7566 autorise actuellement un taux de mélange de 50 % maximum pour la plupart des voies de production. L'objectif de l'industrie est d'atteindre la certification pour un vol 100 % SAF d'ici 2030.

Rolls-Royce a réalisé en 2023 le premier vol transatlantique alimenté à 100 % SAF avec un Boeing 787 Dreamliner de Virgin Atlantic, équipé de moteurs Trent 1000. Les données de vol ont confirmé une réduction de 70 % des émissions de CO2 du cycle réservoir au sillage, une diminution de 30 % des émissions de particules de suie -- ce qui réduit la formation de traînées de condensation -- et des performances moteur strictement identiques au kérosène conventionnel.

CFM International (joint-venture entre Safran Aircraft Engines et GE Aerospace), qui produit les moteurs les plus vendus au monde (LEAP pour les A320neo et 737 MAX), a certifié l'ensemble de sa gamme pour un fonctionnement à 50 % SAF et vise la certification 100 % SAF d'ici 2030. Le programme RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines), qui développe le successeur du LEAP avec une architecture open fan, intègre dès sa conception la compatibilité totale avec les SAF et l'hydrogène.

Airbus, parallèlement à son programme hydrogène ZEROe, considère les SAF comme la solution de transition indispensable. Le constructeur européen a testé l'ensemble de sa gamme -- A320, A330, A350, A380 -- avec 100 % SAF sur un moteur, accumulant des milliers d'heures de données. En partenariat avec les programmes de propulsion électrique hybride, les SAF pourraient réduire l'empreinte carbone de l'aviation commerciale de 75 % d'ici 2050.

Défis logistiques et économiques : la chaîne d'approvisionnement

Le déploiement massif des SAF ne se résume pas à construire des usines de production. L'ensemble de la chaîne logistique -- stockage, transport, avitaillement -- doit être adaptée.

Les SAF sont actuellement livrés aux aéroports par camion-citerne, mélangés au kérosène fossile dans les dépôts de carburant avant distribution aux aéronefs par les réseaux d'oléoducs et d'hydrants existants. Ce modèle « co-mingling » fonctionne pour les volumes actuels mais atteindra ses limites avec la montée en puissance des mandats. Les grands aéroports européens -- Amsterdam-Schiphol, Francfort, Paris-CDG -- investissent dans des infrastructures de stockage dédiées pour accueillir des volumes croissants de SAF.

Le différentiel de prix entre SAF et kérosène fossile reste le frein principal à l'adoption. Le SAF HEFA coûte actuellement entre 1,50 et 2,50 euros le litre, soit deux à quatre fois le prix du kérosène fossile. Le PtL est encore plus cher. Ce surcoût se répercute sur le prix des billets : selon une étude d'IATA, un mandat d'incorporation de 10 % de SAF augmenterait le prix moyen d'un billet long-courrier de 2 à 4 %. Un mandat de 50 % entraînerait une hausse de 10 à 20 %, ce qui pose des questions d'acceptabilité sociale et de compétitivité des compagnies européennes face à leurs concurrentes du Golfe ou d'Asie, moins contraintes réglementairement.

Perspectives : vers une filière industrielle mature

La décennie qui vient sera décisive pour les SAF. Les investissements annoncés dépassent 50 milliards de dollars au niveau mondial, avec des dizaines d'usines en construction ou en phase de planification. La diversification des voies de production -- HEFA, Fischer-Tropsch, ATJ, PtL -- est essentielle pour sécuriser l'approvisionnement et éviter une dépendance excessive à une seule matière première.

L'intégration des SAF dans une stratégie de décarbonation globale du transport aérien, incluant l'amélioration de l'efficacité aérodynamique, l'optimisation des trajectoires de vol par l'intelligence artificielle, et à terme la propulsion à hydrogène, permettra d'atteindre les objectifs de neutralité carbone que le secteur s'est fixés pour 2050.

Pour l'ingénieur aéronautique, les SAF illustrent parfaitement la convergence entre chimie de procédé, génie mécanique, réglementation et économie industrielle. Décarboner l'aviation ne relève pas d'une innovation unique et spectaculaire, mais d'un effort systémique mobilisant l'ensemble des compétences de l'ingénierie moderne. Les carburants d'aviation durable en sont la clé de voûte.