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L’hydrogène peut être l’avenir du chemin de fer non-électrifié

(photo Jacek Rużyczka via common wikipedia)

L’hydrogène est présenté comme une alternative aux coûteuses l’électrifications de lignes ferroviaires, mais personne ne sait exactement si c’est plus économique que d’autres solutions techniques, par exemple par batteries.

L’hydrogène est devenu un sujet technologique majeur ces dernières années. Cette énergie a été saluée comme la clé d’un avenir énergétique propre, principalement parce qu’elle peut être produite à partir de diverses sources. Au départ, la recherche sur cette énergie était axée sur le secteur automobile. Cela est dû au fait est que les automobiles basées les énergies fossiles sont une source importante de pollution atmosphérique, tandis que les véhicules à pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène ne produisent effectivement aucune émission. Plus récemment, le procédé a été décliné dans une version ferroviaire, mais pas uniquement dans le but de sauver la planète. En parallèle, une question majeure est de savoir si la production d’hydrogène est durable.

L’hydrogène à quel prix ?
L’hydrogène peut être produit à l’aide d’un certain nombre de procédés différents. Les procédés thermochimiques utilisent la chaleur et les réactions chimiques pour libérer l’hydrogène des matières organiques telles que les combustibles fossiles et la biomasse. L’eau (H2O) peut être divisée en hydrogène (H2) et en oxygène (O2) par électrolyse ou énergie solaire. Les micro-organismes tels que les bactéries et les algues peuvent également produire de l’hydrogène par des processus biologiques. La séparation solaire directe de l’eau, ou processus photolytique, utilise l’énergie lumineuse pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ces procédés sont actuellement en phase de recherche, mais offrent un potentiel à long terme pour la production durable d’hydrogène avec un faible impact sur l’environnement. Une certitude : l’utilisation de l’énergie renouvelable est un beau projet mais dans le cas d’une utilisation industrielle, la production ne doit jamais être interrompue, même si les éoliennes ne tournent pas. Il faut actuellement 3kW d’énergie pour produire 1kW d’hydrogène, et tant que ce ne sera pas fait avec une énergie entièrement renouvelable, ce ne sera pas complètement vert. Ce qui pose un défis technologique.

Jusqu’à ces dernières années, il était clair que le coût de la fabrication de l’hydrogène le mettait hors jeu avec les énergies fossiles, car, même s’il est sans carbone, l’hydrogène était très gourmande en énergie pour sa fabrication. Selon un site web néerlandais, le coût de production de l’hydrogène vert était deux à trois fois plus élevé que celui de l’hydrogène gris produit à partir du gaz naturel, donc pas vraiment compétitif. La comparaison avec le gaz naturel, sans capture de CO2, n’était pas pertinente à long terme car elle impliquait d’énormes émissions de CO2.

Mais cela est en train de changer car, depuis deux ans, des améliorations sensibles en technologies d’énergies renouvelables ont permit de faire chuter le coût de l’électricité verte. L’un des éléments clés, pour une production industrielle, est que la capacité des électrolyses puisse atteindre le niveau du gigawatt, ce qui n’était pas le cas jusqu’à récemment. Cela implique également que le prix des électrolyses soit réduit de manière drastique car elles ne sont opérationnels que partiellement, lorsque la météo le permet.

Selon une récente analyse de BloombergNEF, le coût de l’hydrogène pourrait descendre à 1,40 dollar par kilo en 2030 contre une fourchette de prix comprise aujourd’hui entre 2,50 et 6,80 dollars par kilo. En 2050, le kilo d’hydrogène renouvelable pourrait même tomber à 80 cents, soit l’équivalent de celui du gaz naturel. L’expérience menée en Allemagne par Alstom sur une rame Coradia iLint a ainsi nécessité la construction d’une station de distribution de 10 millions d’euros gérée par le groupe Linde, et payée par le gouvernement fédéral allemand. Il ne s’agit ici que d’une station d’alimentation, car à l’avenir, il serait possible de produire l’hydrogène sur place. Cet hydrogène est pour le moment amené sur place, ce qui n’est pas à terme durable.

(photo pixabay)

Comment fonctionne le train à hydrogène ?
Les modules de piles à combustible à hydrogène situés sur le toit du wagon sont au cœur du système et fournissent suffisamment d’énergie en combinant l’hydrogène et l’oxygène. Les piles à combustible fonctionnent en extrayant l’oxygène de l’air ambiant, tandis que les réservoirs stockent l’hydrogène. Lorsqu’il est en marche, le train n’émet que de la vapeur d’eau, qui est le seul sous-produit de la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène dans la pile à combustible. L’électricité produite alimente ensuite les moteurs de traction.

Une alternative à l’électrification
Le grand avantage des trains à hydrogène est bien évidemment que cette propulsion permettrait de ne plus devoir électrifier une ligne ferroviaire. C’est ce que le test mené en Basse-Saxe voulait démontrer. Aujourd’hui, la moitié des lignes ferroviaires de l’UE ne sont pas électrifiées et sont exploitées par des trains diesel générant une pollution atmosphérique et un bruit importants. Dans certains cas, les trains diesel sont également amené à circuler sur des portions électrifiées à l’approche des grandes gares. Il s’agit de trains régionaux de voyageurs, de locomotives de manœuvre ou de locomotives de ligne.

Selon la Commission européenne, les trains à hydrogène ont le potentiel de devenir compétitifs à court terme par rapport aux trains diesel (ils peuvent potentiellement remplacer 30 % des volumes de matériel roulant si on se base sur l’application la plus aboutie pour le marché d’ici 2030), suivis par les locomotives de manœuvre et grande ligne qui doivent encore faire l’objet de développements technologiques supplémentaires (au niveau des puissances). Mais le mouvement est lancé.

Le débat des prochaines années sera aussi de savoir s’il est encore utile d’électrifier une ligne. Tout devrait dépendre du trafic attendu sur ces lignes : un service S-Bahn ou RER n’est peut-être pas encore adapté au train à l’hydrogène.

Il y a maintenant des projets de trains à hydrogène un peu partout en Europe. Pendant dix jours, un Coradia iLint a roulé aux Pays-Bas sur la ligne de 65 kilomètres entre Groningen et Leeuwarden. Grâce à ces tests, les Pays-Bas sont devenus le deuxième pays d’Europe où le train à hydrogène a fait ses preuves en tant que solution durable pour les lignes ferroviaires non électrifiées. Au Royaume-Uni, en janvier de cette année, une entreprise commune entre Alstom et Eversholt Rail a révélé des concepts et des plans pour convertir le matériel roulant de la classe 321 en trains à hydrogène du futur, qui pourraient être opérationnels dès 2021. Après des tests sur son réseau, l’autorité de transport de Basse-Saxe (LNVG) a passé commande de 14 Alstom Coradia iLint, qui entreront en service à partir de 2021. Cette commande a été suivie en mai 2019 d’un accord avec l’autorité de transport du Rhin-Main (RMV) pour 27 véhicules, qui entreront en service à partir de 2022.

Il est intéressant de noter qu’actuellement, ces commandes sont le fait d’autorités régionales de transport, qui ont probablement les encouragements de Berlin pour mener cette politique. La Deutsche Bahn, qui aurait pu être un leader, semble rester à l’écart. Cette régionalisation des trains à hydrogène explique peut-être l’absence de projet en France, où on ne compte que sur la SNCF pour se décider, à moins qu’une région décide de lancer, mais avec quels fonds ? Henri Poupart-Lafarge, le CEO d’Alstom, indiquait en février dernier sur Europe 1 que le train à hydrogène arriverait en France “dans quelques années”.

L’Europe compte cependant prendre le lead sur la propulsion à hydrogène, et ne plus dépendre de technologies étrangères. Comme les objectifs d’un monde décarboné sont ambitieux, le train à hydrogène peut mener à une partie de la solution. Il y a cependant encore du chemin à faire pour que la production soit réellement rentable et puisse faire oublier le pétrole…

Sources:

2018 – Institution of mechanical engineers – Could hydrogen trains be the future of rail?

2018 – Ville, Rail & Transports – Le train à hydrogène d’Alstom primé

2019 – The Independant – Are hydrogen-powered trains the future?

2019 – Deutschlandfunk.de – Sonderfahrt in die Zukunft

2019 – Transitions & Énergies – Seule une baisse du prix de l’hydrogène en fera une vraie énergie de substitution

2019 – Amit Katwala – Wired – The UK’s getting hydrogen trains, but they’re not what we need

2020 – Euractiv.com – Frédéric Simon – Europe’s draft hydrogen strategy

2020 – Euractiv – UK jumps on hydrogen railwagon

2020 – Eisenbahn.blog – “Wir sind überzeugt, dass Wasserstoff den Wandel auf der Schiene vorantreiben wird.”

2020 – Railtech.com – Future of mobility: what is known about hydrogen trains in Germany

2020 – Transition & Énergies – Le train à hydrogène a de l’avenir

2020 – Elektroautos news – Frank Thelen: Wasserstoff eine Zukunfts – oder nur Brückentechnologie?

2020 – Cummins.com news – Power to passenger trains: How hydrogen can revolutionize railway operations in Europe

cc-byncnd


1 Comment

  1. kkstb says:

    “L’hydrogène est présenté comme une alternative aux coûteuses électrifications de lignes ferroviaires, mais personne ne sait exactement si c’est plus économique que d’autres solutions techniques, par exemple par batteries.”

    Ça, on peut seulement juger projet par projet, en regardent l’intégralité du système ferroviaire, veut dire, infrastructure et exploitation.

    Évidement, si on voit un système ferroviaire dans sa intégralité, ça reste l’ancienne logique économique : le plus des trains (notamment marchandises), le plus favorable le caténaire.

    Egalement évident : En comparaison avec l’hydrogène, la batterie est certainement plus favorable en efficacité énergétique mais très limité en capacité de stockage d’énergie. En conséquent la batterie est seulement pour les distances court et moyen (max. 120km) et inutile pour les trains tractés ou notamment les trains marchandises.

    La batterie est alors intéressant dans un pays avec un haut niveau d’électrification et (un peu exagéré) quelques antennes sans caténaire, si il n y a pas des trains marchandises sur ces antennes. Ou on trouve une solution hydrogène pour les locomotives des trains marchandises sur ces antennes.

    Deuxième inconvenance de la batterie, suite au problème capacitaire, on ne peut pas profiter de l’électricité produit “inutilement”, comme votre exemple des éoliennes. Autre cas typique sont les stations hydroélectrique fluviaux, qui produisent leurs électricité jour et nuit, indépendant de la consommation. S’ils ne produisent pas, l’eau passe simplement à coté et l’énergie est perdu.

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L’auteur de ce blog


Frédéric de Kemmeter
Train & signalisation - Observateur ferroviaire depuis plus de 30 ans. Comment le chemin de fer évolue-t-il ? Ouvrons les yeux sur des réalités plus complexes que des slogans faciles

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