Mobilité ferroviaire et hydrogène

Après avoir étudié la manière dont l'hydrogène bas-carbone peut être produit, stocké et transporté, nous avons commencé à explorer les diverses utilisations finales avec la mobilité routière (voir références des articles ci-dessous). Dans ce quatrième article, nous aimerions aborder l'utilisation de l'hydrogène dans la mobilité ferroviaire. Les trains à piles à combustible sont arrivés à maturité, sont opérationnels et joueront un rôle important pour répondre aux besoins spécifiques de décarbonation du transport ferroviaire.

Contexte et opportunité pour les trains à hydrogène

En Europe, 46% des lignes ferroviaires ne sont pas électrifiées et sont exploitées avec des trains à moteur diesel. En France, ces lignes sont principalement des lignes régionales mais représentent 10% du trafic de passagers et 15% du trafic de fret. Il est important de trouver des solutions de décarbonation pour remplacer les moteurs diesel par des alternatives sans émission sans avoir à électrifier ces lignes, ce qui nécessiterait des dépenses prohibitives pour une faible densité de trafic.

Il existe près de 7 200 trains régionaux en Europe, dont 6 000 (83 % de la flotte) en Allemagne, en Italie, au Royaume-Uni et en France. L’âge moyen des trains est de 20 ans (sur une durée de vie de 30 à 40 ans), mais les trains les plus anciens sont déjà en cours de remplacement. En France, la SNCF vise à éliminer progressivement les trains diesel d’ici 2035.

Passer du diesel à l’hydrogène

Le passage d’un train régional du diesel à l’hydrogène permet d’éviter l’émission de 700 tonnes de CO2 par an (1). D’ici à 2030, les prévisions tablent sur un taux de remplacement de la flotte de 10 à 30 %, ce qui permettrait d’éviter l’émission de plus d’un million de tonnes de CO2 dans le secteur.

Des solutions spécifiques répondent à des cas d’utilisation spécifiques, avec la promesse de maintenir le niveau de service offert par les moteurs diesel – environ 1 000 km d’autonomie, 150 à 300 passagers, 140 km/h de vitesse moyenne. Ces solutions sont les suivantes :

  • Des trains entièrement alimentés à l’hydrogène, adaptés aux lignes non électrifiées (par exemple, en Allemagne, en Italie ou dans le reste du monde).
  • Des trains bi-modes H2-électrique, équipés d’un pantographe, adaptés aux lignes partiellement électrifiées avec caténaire (par exemple, en France).

Les deux modèles de train embarquent également une batterie lithium-ion, pour fournir une aide en phase d’accélération et pour stocker l’énergie lors du freinage.

La technologie est-elle pertinente ?

L’hydrogène est une solution intéressante par rapport aux batteries (plus lourdes à transporter à bord) et à l’électrification des lignes, qui peut être prohibitive pour les lignes peu fréquentées (les coûts peuvent représenter 2 à 3 millions d’euros par km). L’hydrogène trouve sa pertinence maximale sur ces lignes, où la fréquence des trains est inférieure à une heure, et/ou où la distance non électrifiée couverte dépasse 80-100 km.

Le transport de marchandises peut également bénéficier du passage à l’hydrogène, car les moteurs de fret restent une source notable d’émissions pour l’industrie. En Europe, les trains de marchandises rencontrent des problèmes sur les lignes où 90 % de la distance est couverte par une caténaire, mais où les dernières dizaines de kilomètres vers les zones de chargement ne le sont pas. Aujourd’hui, les trains diesel doivent être utilisés sur l’ensemble de ces lignes. Demain, les moteurs bi-modes pourraient être des alternatives décarbonées pertinentes. En Amérique du Nord et dans le monde entier, où les lignes de fret sont très peu électrifiées, des moteurs entièrement à hydrogène seraient nécessaires, avec d’importantes batteries. Le développement des piles à combustible pour le fret a pris du retard sur celui des trains de passagers régionaux, en partie à cause des besoins en énergie des trains de marchandises. En moyenne, un train de marchandises pèse 15 fois plus lourd qu’un train régional.

Les trains de remisage – équipés de moteurs particulièrement polluants et circulant sur des voies de stockage et de remisage – pourraient également bénéficier de ce changement. Les trains de remisage équipés de piles à combustible sont particulièrement intéressants s’ils sont exploités avec un faible temps de repos et sur de longues distances quotidiennes.

Développements commerciaux initiés par tous les acteurs

Les principaux constructeurs mondiaux développent depuis une dizaine d’années des modèles de trains à piles à combustible.

  • Alstom (France) s’est positionné sur les moteurs à pile à combustible dès 2014, avec la transformation de sa ligne Coradia LINT en trains Coradia iLINT full-H2. Ce modèle a déjà été commandé par des régions en Allemagne, en Autriche et aux Pays-Bas. Le Régiolis bi-mode est en cours de développement pour l’opérateur français SNCF, tandis que des efforts de rétrofit sont en cours pour les flottes régionales britanniques.
  • Le Mireo de Siemens (Allemagne), concurrent direct du Coradia iLINT, a été commandé en Allemagne dès 2017. Un Mireo Plus B bimode devrait concurrencer le Régiolis d’Alstom, bien qu’il soit un hybride électrique-batterie et non hydrogène-électrique.
  • Stadler (Suisse) développe son propre Flirt H2, dont la mise en service est prévue pour 2024.
  • BNSF (États-Unis) et Ballard (Canada) développent un moteur de train de remisage hybride à pile à combustible.
  • CRRC (Chine) a développé des tramways hybrides H2-supercondensateurs en Chine, opérationnels depuis 2017 à Tangshan.

Possibilités de synergie avec les besoins régionaux en matière de bus H2

Au niveau régional, il pourrait être intéressant pour un opérateur de mobilité de combiner les besoins en hydrogène des trains régionaux avec ceux des bus régionaux. Cela permettrait de mieux répartir les coûts élevés des unités de production et de distribution sur une gamme plus large de véhicules et d’usages. La mutualisation permettrait également d’améliorer les taux d’utilisation des électrolyseurs en combinant les besoins de ravitaillement épars des trains avec les besoins plus réguliers des bus.

> (1) Basé sur le mix électrique français pour la production d’H2 et la recharge des batteries électriques à bord des trains.

Sources : Alstom, UIC, ADEME, IAC Partners

Voir aussi !

> Mobilité routière et hydrogène

> Transport et stockage d’hydrogène

> Production bas-carbone d’hydrogène

> Mobilité aérienne et maritime

Pour aller plus loin…

> Retrouvez toutes les conférences de notre cycle « La filière hydrogène, acteur clé de la transition énergétique »

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