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Numérisation : ÖBB veut entrer dans le cloud

La numérisation de l’infrastructure fait partie des progrès importants pour le gestion du trafic. Les autrichiens ont débuté cette transformation dès cette année.

Des réseaux comme le belge Infrabel savent ce que cela veut dire : la gestion du trafic passe en Belgique de 200 à 30 cabines de signalisation, déjà en service, pour 3.600 kilomètres de lignes. La recette : des “loges” de la taille d’un conteneur gèrent un ensemble variable de plusieurs signaux et aiguillages. Elles sont installées le long de la voie tout proche des équipements mais, et c’est là que joue la numérisation, ces loges sont reliées entre elles par un réseau de fibres optiques, jusqu’à la cabine de signalisation qui la gère. Le rayon d’action peut aller loin, 40, 60 voire 100 kilomètres, puisque les ordres donnés passent à la vitesse de la lumière dans les fibres de verre. L’autre avantage de la fibre optique est que la cabine de signalisation reçoit en retour, de manière tout aussi rapide, une confirmation que l’équipement a reçu l’ordre et que, par exemple, les aiguillages sont bien verrouillés comme demandés. Ce contrôle sécurise fortement la gestion du trafic, et tout est enregistré sur serveur, au cas où on voudrait analyser un incident ou faire des statistiques.

Le verrouillage de différents aiguillages dans une position donnée est un traçage d’itinéraire. Dans les gares moyennes et grandes, des dizaines de combinaisons, dépendantes du nombre d’aiguillages, sont ainsi possibles pour orienter les trains et veiller à leur sécurité. Le verrouillage momentané des aiguillages (quelques minutes à peine), est ce qu’on appelle un enclenchement (interlocking en anglais). Une fois “enclenché”, l’itinéraire n’est plus modifiable jusqu’à ce qu’un train “l’emprunte” et, après son passage, le “libère”. Cette libération fait appel à des compteurs d’essieux ou parfois des circuits de voie qui sont des éléments de détection des trains. Une fois “libérés”, les aiguillages déverrouillés sont mis à disposition pour former un nouvel itinéraire décidé par l’opérateur en cabine de signalisation. Dans certaines gares aux heures de pointe, les aiguillages peuvent ainsi changer de position tous les 3-4 minutes. C’est un peu scolaire, mais cela permet à tout le monde de comprendre…

Du 9 au 19 août, la gare autrichienne de Linz est devenue “numérique” au sens de son exploitation. En dix jours, tous les éléments ont été intégrés dans le nouveau système d’enclenchements, en 16 sous-phases et par plusieurs équipes. D’une durée totale de deux ans, le projet consistait à “basculer” comme on dit, près de 232 aiguillages et 507 signaux lumineux, sur un rayon d’action dépassant largement la gare elle-même. Le système d’enclenchement a ici été réalisé avec la technologie Elektra fournie par Thales, également exploitée en Hongrie, en Bulgarie et en Suisse. Elektra est homologuée selon les normes CENELEC avec un niveau d’intégrité de sécurité 4 (SIL 4).

Cet exemple concret permet de mesurer la quantité de données que fournissent chaque jour, chaque heure et chaque minute le trafic ÖBB :  ponctualité des trains, mouvements des lames d’aiguillages, consommation d’énergie, comportement des signaux et des équipements de détection, etc… Une quantité qu’il convient d’ingurgiter !

(photo Thales)

L’objet de ÖBB Infrastruktur est de se débarrasser des 660 cabines de signalisation et migrer vers un cloud centralisé ! Les cabines de signalisation ne disparaîtraient pas pour autant mais seraient en nombre très réduit. Chez ÖBB, un vaste programme de numérisation a été introduit dès 2010. L’accent avait d’abord été mis sur l’utilisation de solutions standardisées à l’échelle de l’entreprise, assurée par une planification et une hiérarchisation communes à tous départements de la holding. Les objectifs de cette stratégie informatique ont pu être atteints grâce à une coopération constructive entre les départements et « à un mélange “sain” de prestations de services informatiques tant internes qu’externes, » explique-t-on dans l’entreprise. L’informatiques du groupe a été regroupée dans un centre de services partagés et placée sous la dénomination de “Business-IT” au sein de la ÖBB Holding AG dès la fin de 2012, de manière neutre sur le plan organisationnel. 

Vers une utilisation du cloud
Le cloud est un ensemble de matériel, de réseaux, de stockage, de services et d’interfaces qui permettent la fourniture de solutions informatiques en tant que service. Pour la gestion des actifs du système de signalisation, le cloud pourrait être une solution, étant donné les grandes quantités de données dispersées dans différents référentiels. L’utilisateur final (service de maintenance ou opérateurs) n’a pas vraiment besoin de connaître la technologie sous-jacente. Les applications de collecte et de distribution des données peuvent être dispersées dans tout le réseau et les données peuvent être collectées en plusieurs endroits sur divers appareils (tablettes, PC,…). De plus, un des grands avantages du cloud computing est de pouvoir exploiter toutes les fonctions du système de télégestion ferroviaire par acquisition d’une licence, sans devoir se procurer les très lourds systèmes matériels et logiciels nécessaires. Cela évite bien évidemment des options coûteuses.

Peter Lenz, l’ancien CIO du groupe ÖBB, expliquait que le cloud computing peut être rajouté à un portefeuille de services informatiques déjà existants. « En même temps, nous nous rendons compte que certaines solutions ne peuvent être proposées que sous forme de services de cloud computing à l’avenir. Nous nous préparons donc à leur utilisation. » Mais lesquelles ? Les ÖBB ont établi une catégorisation qui définit des règles d’utilisation claires pour les services du cloud. « Elle définit ce que nous voulons et sommes autorisés à faire dans le cloud et ce que nous ne pouvons pas faire. Nous testons actuellement [ndlr en 2016] ce projet de politique en matière de cloud computing et son applicabilité sur des cas concrets d’utilisation, » détaillait Peter Lenz. Un de ces cas concerne précisément les enclenchements dont nous parlions plus haut.

Le cloud computing a déjà été testé en Suisse. En 2017, la société privée Gornergratbahn (Zermatt) et Siemens ont célébré le premier système de contrôle ferroviaire fourni en tant que service. Le système Iltis de Siemens (utilisé par les CFF depuis plus de 20 ans), et les applications au sol et l’infrastructure informatique sont exploitées à distance dans le cloud, depuis Siemens à Wallisellen, à 170 km du centre de contrôle de Zermatt. Il s’agit du premier système de télégestion ferroviaire mondial pouvant être exploité dans cloud. En cas de besoin, le chef de sécurité du trafic ferroviaire peut en option activer un ordinateur auxiliaire sur site, permettant de gérer à nouveau les postes d’aiguillage du GGB de manière autonome depuis Zermatt. Bien évidemment, on est dans un environnement homogène, en circuit fermé. Ce n’est évidemment pas représentatif d’un réseau ferroviaire à l’échelle nationale. N’empêche…

Cette année, les ÖBB s’y sont mis aussi. Dans une démonstration en direct, il a été montré comment un enclenchement peut fonctionner dans le cloud. Le contrôle de la cabine de signalisation de la gare de Wöllersdorf a été pris en charge par un ordinateur cloud afin de régler les signaux et les détections, et ce depuis le siège de Thales à Vienne, à 55 kilomètres de là. La démonstration a montré que cela fonctionnait, bien évidemment à petite échelle. Elle avait pour but de vérifier les possibilités de décentralisation des opérations d’enclenchements. La tâche est maintenant de rendre l’innovation utilisable dans les opérations quotidiennes le plus rapidement possible et à l’échelle de tout le réseau autrichien.

La gestion des enclenchements par le biais du cloud suscite encore des débats, et les autrichiens en ont tout autant que d’autres réseaux. Dans un environnement physique contraint par l’urbanisation et les subsides publiques, l’option de multiplier les voies à l’envi n’est plus la politique des gestionnaires d’infrastructure. Il va falloir faire avec ce qu’on a ! Peut-on dès lors augmenter la capacité de la signalisation ferroviaire en la mettant dans le cloud ? C’est ce que tentent les ÖBB. Mais le défi dans un environnement ferroviaire est de rendre les technologies telles que le cloud computing, la communication sans fil ou les solutions IoT industrielles utilisables selon les exigences de sécurité les plus élevées et garantir ainsi la disponibilité optimale du système ferroviaire. Par ailleurs, on l’a vu plus haut, qu’il y ait un cloud ou pas, la quantité d’équipements reste importante sur les voies et dans les gares.

Thales, qui est surtout un fournisseur de solutions dans les secteurs de la sécurité et de la défense de nombreux gouvernements, veut répondre aux défis de niveau SIL 4 exigé par le ferroviaire à grande échelle. Il n’est pas clair pour l’instant jusqu’où les ÖBB comptent aller dans la direction du cloud computing, mais l’entreprise publique cherche et teste. Se pose tout de même la question du gestionnaire du cloud : que se passerait-il si celui-ci était amené à faire défaut à l’avenir, et de manière imprévisible ? Quid de la cybersécurité, dont on peut raisonnablement pensé qu’elle est au cœur du système ?

 

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cc-byncnd

L’attelage automatique sur wagon de fret va-t-il devenir une réalité ?

(see English version)

On fait grand cas ces derniers temps de l’attelage automatique des wagons de marchandises, tels qu’ils existent depuis longtemps sur les automotrices en trafic voyageur. Mais pourquoi l’Europe a-t-elle pris tant de retard ?

Le constat est simple : tous les continents du monde disposent d’un attelage automatique, d’une sorte ou d’une autre, depuis bien longtemps. Si l’Europe est à la traîne, c’est pour des raisons historiques et commerciales.

L’attelage apparaît dès que l’existence du “train”, même à l’époque où c’était encore par traction chevaline. Il est d’abord fait de chaînes. Mais ce système est problématique, notamment dans les ralentissements. Des tampons sont rajoutés pour amortir des chocs entre wagons. Mais ces attelages manuels montre aussi un autre visage : la quantité d’accidents recensés lors des opérations de formation des trains. Cet aspect était déjà fort présent dès les années 1900 et dans les séminaires internationaux. Il était donc impératif de diminuer les accidents.

Au XIXème siècle, les ingénieurs européens s’intéressaient déjà à l’application de l’attelage automatique aux États-Unis et au Canada. Aux États-Unis, les attelages Janney étaient de conception semi-automatique et ont été brevetés pour la première fois en 1873 par Eli H. Janney. Avant la création de l’Association of American Railroads (AAR), ils étaient connus sous le nom d’attelages Master Car Builder (MCB). En 1934, le MCB a été rebaptisé AAR. Au Royaume-Uni, plusieurs versions de ces attelages Janney furent installées sur un nombre limité de voitures, d’unités multiples, de wagons et de locomotives.

En Europe, chemin de fer rime avec “nation”, et en ces temps troublés de fin du XIXème siècle, l’attelage automatique devient un enjeu de géopolitique, tout particulièrement entre la France et l’Allemagne. Ainsi, en dépit de la création de l’UIC en 1922, la mesure du risque encouru lors de la manœuvre d’accrochage des wagons devenait l’objet de conflits entre différents acteurs, incapables de s’entendre sur une matière qui relevait pourtant de la science. Mais l’attelage automatique, tout comme le freinage des trains, ont aussi fait l’objet de résistances syndicales. Ces améliorations diminuait le temps de travail et supprimait des emplois. L’UIC n’a jamais pu accorder tout le monde sur ce thème. Un débat qui rappelle celui d’aujourd’hui, avec la digitalisation !

L’attelage Scharfenberg (également appelé “Schaku“) fait partie des attelages à tampon central. Cet attelage a été développé par Karl Scharfenberg à Königsberg (aujourd’hui Kaliningrad), et a fait l’objet de brevets en 1904 et 1907. L’attelage Scharfenberg est un attelage multifonctionnel qui fonctionne sans intervention humaine, car le mécanisme de couplage et les tuyaux d’air comprimé se connectent automatiquement. C’est la seule réussite européenne en matière d’attelage de trains.

Le “Shaku” n’est utilisé dans le monde entier que dans les trains de voyageurs de toutes sortes, des tramways aux trains à grande vitesse, et on le trouve aujourd’hui dans presque toutes les compagnies ferroviaires nationales. Il n’a malheureusement jamais été accepté pour les wagons de marchandises. En 2002, le type 10 de l’attelage Scharfenberg a été déclaré norme pour les trains à grande vitesse et fait maintenant partie de la spécification d’interopérabilité (STI).

L’Europe avait néanmoins opté pour l’attelage à vis, qui exige des opérations manuelles : serrage de l’attelage et, séparément, accouplage des conduites de freins (et des câbles électriques pour les voitures voyageurs).

Cet échec de l’UIC dans les années trente, qui entrave encore aujourd’hui l’exploitation du fret en Europe, a conduit à la décision de l’Union soviétique d’aller de l’avant sans qu’une norme ne soit atteinte dans les négociations. Un coupleur fut développé en 1932 et porta le nom de SA-3. En 1935, la conversion des véhicules commença progressivement, mais la Seconde Guerre mondiale a retardé le programme, de sorte que la conversion complète du matériel roulant russe ne fut achevée qu’en 1957.

Dans les années 60, l’UIC tenta de relancer l’attelage automatique. Mais le manque de consensus et surtout, la quantité de wagons de marchandises déjà muni de l’attelage à vis standard UIC ne milita pas pour poursuivre les études. Les propriétaires de wagons estimaient que les coûts de conversion étaient trop élevés par rapport aux gains escomptés.

L’industriel allemand Knorr Bremse tenta néanmoins un attelage automatique pour wagons afin de réduire les temps et les coûts des opérations d’attelage/dételage dans les triages, en proposant un attelage automatique moins onéreux et avec lequel les réseaux – et les particuliers – pourraient équiper leur parc de wagons à la demande et/ou au strict besoin, tout en conservant la compatibilité du reste du parc. Ce projet, nommé Z-AK en Allemagne, et désigné AAST en France (Attelage Automatique de Simple Traction), resta sans lendemains.

Le paysage mondial des attelages est actuellement celui-ci :

Et aujourd’hui ?
On peut se demander pourquoi, en 2020, l’attelage automatique sur wagon de marchandises est présenté en Europe comme “un grand progrès technologique”… Selon le magazine américain Railway Today, les américains pressentent que « nos homologues européens pourraient nous devancer, avec une technologie appelée DAC, pour “Digital Automatic Coupling. »  De quoi s’agit-il exactement ?

Très en retard au niveau mécanique, l’Europe pourrait en effet revenir au devant de la scène en ajoutant une couche digitale à l’attelage automatique. Ce qui change beaucoup de choses. D’autant que cette innovation n’est qu’une partie d’un concept plus général, lié au wagon de fret digital. Les Européens reconnaissent que s’ils veulent développer le transport ferroviaire de marchandises au-delà de la maigre part de marché qu’il occupe actuellement, ils doivent faire preuve d’innovation et d’agressivité avec la technologie moderne. Avec un brin d’humour, Sigrid Nikutta, responsable de l’activité de fret DB Cargo chez Deutsche Bahn, se dit heureuse qu’on n’ait pas réussi jusqu’ici à trouver un attelage automatique : « aujourd’hui les entreprises ferroviaires et l’industrie veulent franchir deux étapes d’une traite et combiner l’attelage automatique des wagons avec la numérisation du transport de marchandises. »

Un consortium du nom de DAC4EU a été créé et comprend six sociétés de transport de marchandises publiques et privées qui vont tester différentes options de couplage au cours des prochaines années : RCG (Autriche), DB Cargo (Allemagne), CFF Cargo (Suisse), et les loueurs de wagons de marchandises Ermewa, GATX Rail Europe et VTG. Le consortium est emmené par la Deutsche Bahn AG. Le projet pilote a été attribué par le ministère fédéral des transports et de l’infrastructure numérique (BMVI) pour environ 13 millions d’euros sur les deux ans et demi à venir. Il a débuté en juillet 2020 et se poursuivra jusqu’en décembre 2022. Il est cependant curieux que la France (excepté via Ermewa), l’Italie et la Suède soient absent de cet enjeu technologique.

L’objectif consiste à lancer un programme pilote d’attelage automatique numérique pour les wagons de marchandises. DB Systems Engineering a installé ce nouveau système sur plusieurs wagons de marchandises dans ses installations de Minden, en Westphalie. Une douzaine de wagons de marchandises vont recevoir 4 types différents d’attelage automatiques digitaux et vont être testés pendant deux ans. Un train de 24 wagons devra ensuite être formé avec la technologie qui sera adoptée pour vérifier la mise en oeuvre en exploitation réelle. Quatre fabricants développent actuellement des attelages DAC avec trois têtes d’accouplement différentes :

  • L’attelage de type Scharfenberg produit par Voith

  • L’attelage de type Schawb produit par Wabtec

  •  L’attelage SA-3 produit par CAF

  • Enfin l’attelage Dellner

Le futur couplage automatique choisi sera bien entendu construit par les quatre fournisseurs qui participent aux essais. Le projet est ambitieux. L’industrie espère convertir tout le trafic ferroviaire de fret en Europe en attelage automatique d’ici 2030, y compris avec des fonctionnalités numériques pour exploiter des trains de fret intelligents. L’attelage automatique est en effet une pièce essentielle à la digitalisation du fret ferroviaire. Il permet de former des lignes de données qui traversent tout le train pour fournir des informations sur les freins, la composition du train et les problèmes techniques. Et à l’avenir, le répartiteur saura non seulement où se trouve un wagon chimique, mais aussi quelle est la température des citernes. Le choix sera alors contraignant pour des centaines de propriétaires de wagons en Europe. On estime qu’environ 500.000 wagons sont concernés en Europe continentale.

Il faudra cependant être très attentif aux coûts : on a déjà vu les fortes réticences des opérateurs avec l’ETCS, qu’ils jugent trop coûteux pour très peu de bénéfices opérationnels. Dans ce cas-ci, le prix du futur attelage et de l’installation de la ligne de données numériques sera essentiel, quand on connait la valeur d’un wagon de marchandise âgé de 20 ans, c’est à dire peu de choses.

(photo DB)

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Comment les satellites et l’intelligence artificielle surveillent la végétation

La technologie permettant de comprendre la végétation peut sembler incongrue. Pourtant, les applications dans le domaine de l’intelligence artificielle et des données peuvent aider à mieux évaluer la végétation sur une zone donnée, à comprendre les systèmes dynamiques complexes de cette végétation et à prendre des mesures correctives si nécessaire.

Notre environnement est une structure complexe. Souvent, les processus qui agissent en son sein sont compris individuellement, mais leurs interactions et leurs rétroactions entre eux sont plus difficiles à appréhender avec des approches classiques. L’influence humaine sur l’environnement augmente également la complexité. Un exemple de la complexité de notre environnement est l’exploitation d’une centrale électrique refroidie à l’eau. Cette centrale prélève l’eau d’une rivière pour son refroidissement et renvoie l’eau chauffée à la rivière. Si l’eau devient rare en cas de sécheresse ou si l’eau disponible est trop chaude, la centrale va s’arrêter. Par conséquent, le système de contrôle de la centrale doit être capable de prévoir l’évolution de l’état thermique de l’eau et en même temps être capable de reconnaître sa propre influence sur l’état de l’environnement. Cette tâche ne peut être résolue que par l’utilisation d’une Intelligence Artificielle (IA) spécialisée. Elle doit être capable de reconnaître les conditions climatiques limites à un stade précoce et de développer indépendamment des scénarios d’action pour empêcher l’arrêt des installations. Les chemins de fer doivent avoir le même raisonnement pour offrir un réseau parfaitement en ordre de marche.

Selon le gestionnaire d’infrastructure britannique Network Rail, la résilience d’un réseau est la capacité des actifs, des réseaux et des systèmes à anticiper, absorber, s’adapter et/ou se remettre rapidement d’un événement perturbateur. Suite aux multiples défaillances de l’hiver 2013/14, le ministère britannique des transports avertissait que la résilience physique du réseau devait progressivement être renforcée dans les années à venir. Ces défaillances avaient été causées par des problèmes majeurs de stabilité du terrain, causés par des infiltrations d’eau ou de végétation non optimale.

(photo Network Rail)

En octobre 2016, Network Rail lançait un marathon de deux jours de défis à l’industrie. Elle devait démontrer des solutions, en utilisant des données satellitaires, qui auraient pu alerter Network Rail sur une détérioration quasi certaine des actifs et d’une perte de capacité de service à venir. Pour Network Rail, ce marathon a clairement démontré que les besoins ne pouvaient pas être satisfaits et qu’une infrastructure linéaire mince comme une ligne de chemin de fer, constituée de pentes principalement recouvertes de végétation, ne pouvait pas encore être surveillée de manière adéquate depuis l’espace. Les experts déclaraient à l’époque que « bien que l’on considère que les techniques ont déjà atteint le niveau opérationnel, il est évident que tant dans la recherche que dans la pratique, nous commençons seulement à bénéficier de l’imagerie haute résolution qui est actuellement acquise par les satellites de nouvelle génération. Il est très difficile de mesurer des déplacements dépassant quelques dizaines de cm par an et de fortes déformations non linéaires. » Mais la technologie s’est considérablement améliorée depuis.

Construit au XIXème siècle, le réseau ferroviaire est totalement inséré dans une végétation qui a repris ses droits au fil des décennies. En Allemagne, environ 70% des voies de la DB passent par des zones boisées. Ces dernières années, la DB, comme d’autres réseaux ferroviaires, a considérablement étendu l’entretien de la végétation le long de ses lignes pour les rendre plus résistantes aux tempêtes. Avec environ 33.400 kilomètres de voies ferrées, cela signifie que des millions d’arbres et de plantes doivent être examinés pour déterminer leur résistance aux tempêtes en raison de leur emplacement, de leur état ou de leur forme. En Allemagne, certaines tempêtes ont déjà provoqué l’arrêt d’un tiers du réseau ferré, particulièrement dans le nord et l’Est du pays. Rien qu’entre 2015 et 2017, il y a eu plus de 830 collisions de trains avec la végétation causées par des tempêtes, ce qui a coûté des millions à la compagnie publique allemande. Le phénomène est donc pris très au sérieux.

Après la tempête “Xavier” de 2017… (photo V.Boldychev via wikipedia)

Les opérateurs de réseau d’infrastructure utilisent principalement des solutions manuelles, rigides et étroitement ciblées, par exemple l’utilisation de voitures ou d’hélicoptères pour surveiller les réseaux d’infrastructure, malgré la disponibilité de données satellitaires. Ces processus de surveillance manuels sont souvent inefficaces et entraînent des coûts d’exploitation réseau élevés. La surveillance ou l’inventaire à grande échelle des réseaux couvrant tout un pays peut prendre des années avec les méthodes utilisées jusqu’à présent.

C’est pourquoi la Deutsche Bahn s’est appuyée sur une gestion professionnelle de la végétation. Environ 1.000 employés de DB Netz sont impliqués dans tous les aspects de la gestion des forêts et de la végétation qui bordent les voies. Dorénavant, la technologie digitale les aide dans leur tâche. La Deutsche Bahn enregistre maintenant les arbres depuis l’espace pour s’assurer de leur résistance aux tempêtes. Les satellites enregistrent le nombre d’arbres, la distance entre la végétation et les traces et la hauteur à laquelle les arbres poussent tout au long du réseau ferroviaire. Pour ce programme, la Deutsche Bahn a considérablement augmenté les ressources financières, et 125 millions d’euros sont disponibles chaque année pour l’entretien de la végétation. DB Netz ne fait évidemment pas cela seul.

L’opérateur de réseau allemand s’appuie sur LiveEO, une start-up berlinoise qui a participé en 2018 à la mindbox, un incubateur de start-up de la Deutsche Bahn AG, qui donne aux innovateurs la possibilité de tester et d’accélérer leurs idées et leurs produits au sein de la compagnie ferroviaire. Avec ce programme, la Deutsche Bahn soutient les jeunes entrepreneurs et les innovateurs. Ce soutien dure 100 jours pour de jeunes entreprises qui ont des idées d’amélioration pour les chemins de fer – entre autres grâce à un coaching approfondi ainsi qu’à un capital de départ de 25.000 euros. Cette aide est complétée par des essais de prototypes en conditions réelles et par un travail en commun au sein de la mindbox de la DB.

C’est dans ce cadre que LiveEO développe une méthode d’observation de la terre sur de grandes surfaces, dans laquelle les images satellites sont évaluées à l’aide de l’apprentissage automatique (Machine Learning en anglais), un procédé typique de l’IA. Au sein de la mindbox, LiveEO a pu améliorer l’application et la mettre en œuvre pour la première fois avec succès.

Comme l’explique Sabina Jeschke, directrice de la numérisation et de la technologie à la Deutsche Bahn, l’idée est d’anticiper au maximum un possible incident. Où les experts en végétation du chemin de fer doivent-ils se rendre de toute urgence ? Quels sont les arbres et les plantes qui ne sont pas capables de supporter des conditions météorologiques de plus en plus extrêmes ? Quelle végétation est plus résistante que l’autre ? Que faut-il maintenir ou planter comme végétation pour consolider un talus ou une tranchée ? Jusqu’à quel niveau la végétation peut-elle pousser avant de provoquer des problèmes d’adhérence (patinage) ?

(photo DBAG)

La DB envoie régulièrement des drones sur son réseau depuis 2015. Une flotte de 20 engins volants est désormais en service dans toute l’Allemagne. Ils sont équipés de caméras – la plupart du temps pour des vidéos, des images numériques haute résolution ou des enregistrements infrarouges. Pour le contrôle de la végétation le long des voies ferrées, les drones survolent les zones avec des caméras infrarouges. Les images sont vérifiées pour détecter les arbres malades qui pourraient tomber sur la voie en cas de vent violent. L’analyse photographique génère entre 3 et 5 gigaoctets de données par kilomètre de voie. Les données sont évaluées à l’aide de Big Data Analytics. La procédure est très fiable : les arbres qui ne résistent pas aux tempêtes sont détectés avec une probabilité de 95 %.

LiveEO ne dispose pas de ses propres satellites et doit alors utiliser des images optiques de la planète prises par le satellite Pléiades d’Airbus. La constellation de satellites Pléiades est composée de deux satellites optiques d’imagerie terrestre à très haute résolution qui couvrent la planète avec un cycle de répétition de 26 jours. Ces données satellitaires à haute résolution se présentent sous la forme d’images stéréoscopiques, ce qui permet à LiveEO d’en comparer et d’en déduire des profils de hauteur des arbres. LiveEO utilise l’imagerie multibande à différentes résolutions pour distinguer la végétation et les actifs du réseau, l’imagerie stéréo pour estimer la hauteur des arbres, la détection des différences pour identifier les changements, et l’interférométrie pour détecter les affaissements et autres distorsions du sol au niveau du cm près. LiveEO développe ses propres données de formation interne pour les algorithmes d’apprentissage machine.

Le fait de pouvoir détecter avec précision la hauteur des arbres à proximité des lignes de chemin de fer améliore la sécurité, permet d’identifier les arbres à risque élevé et à faible risque et réduit le coût du déboisement. Deutsche Bahn peut désormais économiser environ 25% de ses dépenses opérationnelles.

LiveEO produit actuellement une carte numérique des forêts le long des lignes de chemin de fer pour la Deutsche Bahn. Les images satellites sont utilisées pour enregistrer avec précision les populations d’arbres, la distance entre la végétation et les voies ferrées, et la hauteur à laquelle les arbres poussent. Cela permet à DB d’identifier encore mieux les arbres particulièrement sensibles aux tempêtes et de les traiter à temps. La particularité de LiveEO est qu’il ne reste que des données sur la végétation, alors que les drones capturent “tout ce qui se trouve à proximité de la piste”, sans distinction, ce qui demandait beaucoup de travail et de temps pour nettoyer les cartes. Cela démontre toute l’importance des incubateurs, qui permettent de capter des idées qui ne peuvent pas toujours naître au sein de grande entreprise très hiérarchique comme une compagnie ferroviaire. Et surtout dans les matières digitales, qui demandent des connaissances sans grand rapport avec le métier ferroviaire.

Anticipation
La technologie de LiveEO permet de prioriser et d’optimiser non seulement la gestion de la végétation, mais aussi de revoir les processus en cas d’interruption de service. La quantité de données est telle que seule une IA peut les synthétiser en un temps record et réduire la durée des interruptions. La combinaison de la planification des ressources de l’entreprise, de l’imagerie satellite, de l’apprentissage machine (ML) et de l’intelligence artificielle (IA) permet de mieux répondre aux défis de la gestion de la végétation.

  • L’imagerie satellitaire haute définition combinée à de multiples capteurs peut éliminer le processus laborieux d’envoi de personnel sur le terrain qui effectue manuellement un repérage sur le terrain et collecte des données.
  • Les algorithmes ML/AI peuvent traiter les données pour identifier les endroits spécifiques où la végétation pourrait empiéter ou interrompre les opérations et aider les équipes des chemins de fer à repérer des endroits précis pour couper ou enlever la végétation.
  • Des tableaux de bord peuvent repérer les alertes déclenchées par les algorithmes.
  • L’utilisation simultanée de l’inventaire des espèces d’arbres et des données météorologiques permet d’optimiser encore davantage les systèmes.
  • Les solutions ERP intégrées peuvent permettre d’automatiser davantage l’engagement des équipes en planifiant et en programmant les ordres de travail et en suivant les mises à jour de l’exécution dans le cadre des paramètres fixés par le budget.
  • Les solutions ERP peuvent être combinées avec des solutions mobiles sur le terrain pour permettre aux équipes de terrain de saisir les détails pendant la coupe de la végétation.

LiveEO vend en fait deux produits. Le premier est le “frontend” qui est conçu pour les décideurs et les gestionnaires et qui fournit une vue d’ensemble du réseau. Le second est une application mobile qui permet au personnel sur le terrain de prendre en charge des tâches spécifiques de gestion et de documenter l’avancement du traitement. « Cela permet une communication transparente entre tous les niveaux d’utilisateurs, » explique Sven Przywarra, co-fondateur de LiveEO GmbH.

Mais la DB se concentre également sur la gestion des perturbations majeures, et en particulier sur l’information aux passagers. Si une perturbation empêche les trains de poursuivre leur route ou les détourne, le besoin d’information des voyageurs augmente drastiquement. Pour la Deutsche Bahn, la principale préoccupation est donc de ne pas créer un vide d’information et de tenir les clients informés aussi rapidement et continuellement que possible. Il est alors nécessaire de disposer des bonnes informations le plus rapidement possible. Où se trouve exactement “l’arbre sur la voie” ? Quelles lignes sont bloquées ? Quels sont les trains arrêtés ? Où les trains sont-ils garés ? Qu’est-ce que cela signifie pour l’ensemble de l’exploitation ferroviaire ? C’est là que LiveEO entre à nouveau en jeu. « Les données satellitaires pourraient nous être d’une aide énorme, même en cas de panne. Cette année (2020), nous prévoyons de tester si la technologie peut nous donner un aperçu plus rapide de la situation sur les lignes en cas de perturbation que ce qui est possible actuellement. L’objectif est de maintenir la phase d’incertitude pour les clients aussi courte que possible et de publier une prévision le plus tôt possible, » explique Sabina Jeschke. Qui montre aussi les possibilités de l’IA au sein des chemins de fer : « les assistants linguistiques ou les “chat bots” pourraient également être utiles, car les systèmes intelligents aident les employés à faire face rapidement à l’augmentation soudaine du besoin d’informations. »

(photo pqsel)

LiveEO est un bon exemple d’entreprise qui applique des analyses d’énorme quantité de données d’observation de la Terre pour fournir un service précieux, plus sûr et moins coûteux que l’approche traditionnelle de surveillance de la végétation des lignes ferroviaires. De nos jours, il existe une pléthore d’images satellites avec une résolution allant jusqu’à un cm et une fréquence de plusieurs fois par jour. L’imagerie satellitaire est de plus en plus compétitive, ce qui en fait baisser le coût. Il existe d’autres applications innovantes qui utilisent l’interférométrie radar par satellite pour détecter les affaissements, qui sont un grand danger pour le réseau ferroviaire.

Avec près de 2000 satellites en direct autour du globe, obtenir une image détaillée de n’importe quelle partie de la surface de la Terre n’est plus un problème. Le défi consiste à déterminer ce qu’il faut faire de toutes ces images. L’analyse des données géospatiales est le prochain grand marché de l’espace. Il est certain que les prochaines années vont voir une forte hausse de l’utilisation combinée des images satellites et de l’IA pour augmenter la sécurité de la gestion des actifs d’un réseau ferroviaire et prévenir les dangers futurs, y compris par intégration en temps réel de données météo…

Sources :

2018 – Network Rail – Earthworks Technical Strategy

2019 – Sifted – Maija Palmer – Airbus launches satellite data platform

2019 – Innoloft – Lucia Walter – LiveEO is the startup of the week 36: Innovative Infrastructure Monitoring from Space

2019 – Okeanos Consulting & Ruhr-Universität Bochum – Dr.-Ing. Benjamin Mewes und Dr.-Ing. Henning Oppel – Künstliche Intelligenz in den Dienst von Mensch und Umwelt stellen

2020 – Geof Zeiss – Using satellite imagery to prioritize vegetation management for utilities

2020 – Deutsche Bahn – Prof. Dr. Sabina Jeschke – Ruhe in den Sturm bringen

2020 – Eisenbahn Journal – Stefan Hennigfeld – Vegetationspflege mit künstlicher Intelligenz

(photo Reinhard Dietrich via wikipedia)

Taxirail, le train autonome à la demande

(image de synthèse Exid Concept et Développement)

On parlait l’autre jour des 9.000 kilomètres de petites lignes UIC 7 à 9 dont on n’a pas encore trouvé la recette miracle pour leur maintien. Le concept novateur de Taxirail pourrait leur donner vie.

Le TaxiRail, inventé par la société Exid C&D, fut déjà présenté à l’automne 2018 et les développements se sont poursuivis depuis. Rail Europe News a pu récemment s’entretenir avec son auteur, Régis Coat, pour se faire expliquer le concept.

Créé en 2014, Exid C&D est un bureau d’innovations implanté en Bretagne, qui vise le conseil, le management de l’innovation, le pilotage de projets complexes, ainsi que du Design & Concepts. Il avait déjà conçu des projets comme le vélo caréné à assistance électrique Lovelo et la navette autonome Taxicol.

Régis Coat, entouré de quelques collaborateurs, s’est mis en tête de concevoir une réponse à la problématique des petites lignes ferroviaires françaises, dont le maintien est suspendu à leur degré d’utilisation – ou non, pour le transport voyageurs. L’enjeu sont multiples :

  • Une France rurale qui ne prend le train que le matin pour y revenir que le soir, laissant en journée un creux avec très peu de voyageurs;
  • Des provinces pas toujours très peuplées et dont les déplacements sont à 100% tournés vers la voiture;
  • L’impossibilité, avec les référentiels techniques actuels, de faire du train local autrement que par “chemin de fer lourd”;
  • Des coûts de production trop élevé sur les petites lignes.

À cela s’ajoute « des horaires TER pas toujours adapté à la demande, qui donne l’impression que ça arrange plus le transporteur que les usagers ». Il en résulte un usage affirmé de l’automobile, à l’encontre de la politique climatique choisie par la France, et un abandon progressif du réseau ferré local nécessitant des milliards en rénovation.

>>> À lire : France : la régionalisation ferroviaire dans le vif du sujet

Disruption à tous les niveaux
Le concept Taxirail, c’est d’abord la légèreté du mobile. Des navettes de 8 tonnes comportant 16 places assises sur une longueur de 6m. On préserve ainsi la voie, ce qui intéresse hautement le gestionnaire d’infra, et on limite les essieux du véhicule. Pas de grande vitesse mais une « une vitesse raisonnable, entre 90 km/h et 110 km/h en moyenne », avec une motorisation électrique ou hybride (hydrogène, bio-fuel ou bio-gaz). C’est capital parce que cela évite de coûteuses électrification pour des petites lignes déjà fort chères à entretenir. Par ailleurs, le confort, la sécurité et les performances sont garantis grâce à des essieux orientables et des suspensions actives, ce qui allège aussi la maintenance. C’est donc une conception différente que le VLR britannique.

>>> À lire : VLR, ou le retour des petits Railbus de jadis

Disruption aussi sur les enjeux environnementaux : ce sont les panneaux solaires qui alimentent les fonctions de confort (éclairage, chauffage/climatisation) et de divertissement (multimédia, Wi-Fi). De plus, comme il ne devrait consommer que 15 litres de gaz à l’heure et qu’il roule sans conducteur, le Taxirail peut circuler 24h/24 et 7 jours/7 sur des trajets de 20 à 50 km. Son autonomie serait d’environ 600 kilomètres.

Et la voie, justement ? « Rien de disruptif, tout est dans le véhicule » explique Régis Coat. Non pas qu’il ne faille pas remettre en état certaines portions de voie qui le nécessiteront, mais les véhicules étant 100% autonomes, cela requiert une technologie de reconnaissance de la voie. « Le système fonctionne en autonomie de niveau GoA4, » c’est à dire le plus haut niveau, sans personnes à bord autres que les voyageurs eux-mêmes. Régis Coat est déjà en contact avec la société qui a participé au concept de voiture autonome de Renault, qui a testé ses Zoe à Saclay à l’automne dernier.

Contrairement aux autos, les véhicules ferroviaires sont “physiquement” guidés par rail et n’ont pas besoin d’une reconnaissance instantanée de leur environnement à l’inverse des véhicules autonomes. Cependant, la détection des obstacles sur la voie devra être particulièrement affinée et dépendra aussi de la nature de la voie et des systèmes de détection (circuits de voie, autres…).

Quelles infrastructures ?
Les petites lignes visées peuvent fonctionner en circuit fermé, à l’aide d’un seul PCC. La voie arrive le long d’une gare existante, sur le même quai mais sans connexion au réseau SNCF. La topographie complète de la ligne est mise en mémoire à bord : « le véhicule “sait” parfaitement bien où il y a une courbe ou une pente plus serrée, et aura automatiquement l’ordre de ralentir ». La question du GPS est ici essentielle « mais il s’agit de quelque chose de plus sophistiqué que ce que nous avons dans nos autos. Ce sera basé sur le système Galileo, plus industriel ». Dans sa Bretagne natale, Régis Coat vise par exemple les lignes Morlaix-Roscoff, Lamballe-Dole ou Auray-Quiberon, « dès l’instant où la demande des usagers prime sur les contraintes d’exploitation ».

La question des passages à niveau est aussi cruciale, et le concepteur en est bien conscient. Le passage à niveau a le désavantage de mêler deux réglementations : la ferroviaire et la routière. Leur traversée par navette autonome requiert une modification de la Loi et des référentiels techniques. La direction de l’EPSF à Paris ne semble pas opposée à des modifications. On se rappellera que Patrick Jeantet, ex-patron de SNCF Réseau, évoquait justement dans son “kit méthodologique pour la desserte fine des territoires”, des “navettes autonomes sur voie unique”.

Ce qui induit aussi une conception du véhicule qui rencontrent les critères de crash-test, mais ce ne sera forcément pas ceux du “grand chemin de fer”, d’où peut-être une arrivée en gare SNCF sur voie dédiée et séparée, “hors zone SNCF Réseau”. Cela existe déjà sur certains petits chemins de fer à voie étroite en Suisse ou ailleurs.

Orienté usager
L’autre disruption, plus forte encore, concerne l’utilisateur. Fini les horaires qui ne conviennent à personne, ou les arrêts qui n’ont personne à embarquer : « avec Taxirail, nous faisons nos horaires, et nos arrêts » s’enthousiasme Regis Coat. L’entrepreneur souligne qu’il pourrait conserver le principe de l’horaire matin et soir, « avec des Taxirail à cadence rapprochées et plusieurs modules chaînés… en un train », pour davantage coller aux besoins horaires et à l’éventuelle affluence. Certains vont en effet travailler plutôt que les élèves, nécessitant des trains trop matinaux pour ces derniers. D’autres ne font que du mi-temps, à d’autres heures. Les heures de sport des français sont encore à un autre moment de la journée. Pour tous ces publics différenciés, Regis Coat a bien vu que l’offre TER classique était tout simplement inexistante.

En heure creuse, place au “Taxirail à la demande”, d’où son nom. Moyennant une appli, « on commande son “taxi” une heure à l’avance », voire moins, un peu à la manière d’Uber. Avantage : le module ne se déplacera que si on le lui demande. On ne gaspille donc pas à faire rouler des trains vides à des heures où il n’y a pas de demande, laquelle peut ainsi varier d’un jour à l’autre. La même appli est utilisée aux arrêts pour valider le trajet via une borne, sans quoi le véhicule ne s’arrêterait pas.

Derrière cette exploitation, l’intelligence artificielle de Taxirail doit être connectée en permanence aux PCC pour se charger de définir en temps réel les horaires les plus pertinents en fonction des besoins des voyageurs. Le système permet aussi de répartir les véhicules là où on sait qu’à telle heure il y aurait davantage de demande. Cela évite d’envoyer des véhicules vides au fin fond de la ligne. Rappelons que le concept de machine learning permet… à la machine d’apprendre par elle-même en collectant au fur et à mesure du temps toutes les données disponibles (appli, demandes, amplitude,…). Cela permet d’affiner les statistiques et de prévoir, si nécessaire, la mise en place future de véhicules supplémentaires.

Régis Coat a du pour réussir ce projet de rupture, s’entourer d’experts du ferroviaire mais aussi provenant du secteur de l’automobile et de l’aéronautique. Reste maintenant à trouver une ligne, 10-15 kilomètres, pour tester ce concept. Le concepteur est persuadé de pouvoir rendre “quasi” rentables ces lignes structurellement déficitaires : « on peut radicalement baisser une ligne qui pompe 2 millions d’euros de déficit par an à moins de 100.000 euros ».  Voire pas de déficit du tout ? Cela dépendrait in fine du modèle économique.

Ce projet, certes fortement disruptif, a l’avantage de recréer un service attractif pour les voyageurs, rencontre l’exigence de rentabilité pour l’exploitant ainsi que la nécessaire protection de l’environnement, tout en consommant peu d’espace, peu d’énergie et n’émettant pas de gaz à effet de serre. Régis Coat est déjà en “conversation” avec certaines régions, notamment Grand-Est. Car il faut maintenant un démonstrateur “réel” et des partenaires industriels prêts à s’engager. EXID Concept & Développement prévoit de mettre en service le premier Taxirail en 2023, au moment de l’ouverture à la concurrence des lignes TER.

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Alstom va tester des locomotives de manœuvre automatiques aux Pays-Bas

(photo Lineas)

Alstom a signé un accord avec le gestionnaire néerlandais ProRail pour procéder à des essais de conduite automatique de type ATO sur des locomotives de manœuvre diesel-hydraulique appartenant à Lineas, opérateur privé belge.

Alstom a signé un accord avec ProRail, l’opérateur d’infrastructures néerlandais, pour procéder à des essais de conduite automatique ATO sur des locomotives de manœuvre en 2021. Les essais seront réalisés au plus haut degré d’automatisation (GoA4) dans une gare de triage. L’objectif est de montrer comment l’utilisation de trains entièrement automatisés peut optimiser l’exploitation ferroviaire et ainsi garantir une mobilité rentable et pérenne face à une hausse de la demande d’opérations de manœuvre.

Alstom équipera pour cela une locomotive de manœuvre diesel-hydraulique appartenant à l’opérateur belge Lineas, avec une technologie de contrôle automatique et d’un système intelligent de reconnaissance et détection des obstacles. Il devrait s’agir d’une HLD77/78 mais ce n’est pas encore précisé. Les tâches ordinaires, telles que le démarrage et l’arrêt, le couplage des wagons, le contrôle de la traction et des freins ainsi que la gestion des urgences, seront entièrement automatisées sans personnel actif à bord du train, sauf pour celles liées au protocole de sécurité des essais.

L’ATO, pour Automatic Train Operation, est un dispositif d’amélioration de la sécurité opérationnelle basé sur un degré d’automatisation par grade allant du niveau GoA 0 (en anglais Grade of Automation), en passant au GoA 2 où démarrages et arrêts sont automatisés, et pouvant aller jusqu’au niveau GoA 4, où le train roule automatiquement sans personnel de conduite à bord. À ce jour, ce sont plutôt les métros en circuit fermé tels la ligne 14 à Paris ou le VAL de Lille qui peuvent prétendre au niveau GoA 4, avec différentes configurations et systèmes de contrôles selon les cas.

Alstom a démontré les avantages de l’ATO, en particulier sur des systèmes de métro à travers le monde. L’expérience montre que l’automatisation entraîne une augmentation de la capacité, une réduction des coûts, des économies d’énergie et  une flexibilité opérationnelle. Les trains automatisés peuvent circuler de façon plus rapprochée, les temps de réaction humains n’étant plus un problème, ce qui permet d’augmenter efficacement la capacité du réseau. Les trains fonctionnent également de façon plus uniforme, ce qui permet une utilisation plus efficace de l’énergie.

L’ATO sur “grand chemin de fer” existe déjà mais n’est pas encore la règle. Il peut être superposé  sur le système de sécurité ETCS de niveau 2 et tous les grands fournisseurs fournissent leur solution. Un test d’ATO de niveau GoA 2 Siemens a par exemple été entrepris avec succès, en mars 2018 au Royaume-Uni, sur la ligne RER Thameslink traversant Londres. Fin 2018, Alstom avait procédé avec succès à l’essai du système ATO à un degré GoA de niveau 2 avec ProRail et une locomotive de fret de Rotterdam Rail Feeding (RRF) sur la Betuweroute, une ligne de fret dédiée reliant Rotterdam à l’Allemagne. Le grade GoA 2 signifie que le train se déplace automatiquement et s’arrête précisément à quai, sans intervention du conducteur, en fonction du profil de trajet fourni par ATO trackside.

L’équipe suisse Auto-Ferrivia a aussi réalisé une forme originale d’ATO sur un train ancien, là aussi avec succès, sur une échelle GoA 2. Son concept d’ATO est largement indépendant sur le plan technologique du véhicule et de l’infrastructure et convient plus particulièrement aux chemins de fer aux conditions d’exploitation simples, sur n’importe quel train, ce qui pourrait intéresser les petites lignes. En février 2020, West Japan Railway a testé avec succès le fonctionnement automatisé des trains sur une section de la ligne de boucle d’Osaka, en vue de l’introduction de l’ATO sur ses itinéraires les plus fréquentés de la région d’Osaka.

En février 2020, Stadler, en collaboration une fois encore avec ProRail, la Province de Groningue et Arriva Netherlands, a mis en service un train d’essai doté de l’ATO avec cette fois un groupe de VIP à bord. C’était la première fois que des voyageurs aux Pays-Bas montaient à bord d’un train qui peut accélérer et freiner automatiquement. Pour garantir la sécurité du train, celui-ci fonctionnait sous un système de protection des trains et sous la surveillance obligatoire d’un conducteur. On le voit, un peu partout, des projets prennent forme.

L’expérience d’Alstom aux Pays-Bas va encore plus loin puisqu’il s’agirait d’une toute première automatisation GoA niveau 4 avec des trains de manœuvre aux Pays-Bas. « Ce projet ouvre la voie à un réseau ferroviaire entièrement digitalisé. Ces essais permettront au système ferroviaire européen de bénéficier d’une plus grande capacité, d’une diminution de la consommation d’énergie et des coûts tout en offrant une plus grande flexibilité opérationnelle et une meilleure ponctualité. Ce test s’inscrit pleinement dans la stratégie d’Alstom, visant à apporter une valeur ajoutée à nos clients pour une mobilité verte et intelligente » commente Bernard Belvaux, Directeur général Alstom Benelux.

En procédant à ces essais aux Pays-Bas, Prorail et Lineas affichent leur volonté d’introduire des trains automatisés et de contribuer au développement de systèmes ferroviaires modernes dans le pays. Alstom entend être un leader en matière d’ATO et participe notamment à Shift2Rail.

(photo Enno)

Un autre projet d’essais d’Alstom vise à mettre en œuvre le système de conduite automatique (ATO) pour des trains de voyageurs régionaux en Allemagne. Ce projet débutera en 2021 avec la collaboration de l’Association régionale de la ville de Braunschweig, du Centre aérospatial allemand (DLR) et de l’Université technique de Berlin (TU Berlin). Après évaluation des voies sélectionnées et de l’équipement nécessaire à la conduite automatique, les essais seront effectués avec deux trains régionaux Coradia Continental appartenant à Regionalbahnfahrzeuge Großraum Braunschweig GmbH.

Pour ce projet, deux trains basés sur la fameuse plateforme Coradia Continental d’Alstom seront dotés du système européen de contrôle des trains (ETCS) et d’un équipement de conduite automatique (ATO) qui permettra aux trains de fonctionner de manière automatique, en testant différents niveaux d’automatisation GoA3 en service voyageurs normal et GoA4 pendant les manœuvres. « La conduite automatique des trains est l’un des défis les plus passionnants de l’industrie ferroviaire. Elle nous offre la possibilité de modeler et de modifier radicalement la gestion opérationnelle de demain. Mais de nombreuses recherches sont encore nécessaires avant d’y parvenir et je suis très heureuse de travailler avec Alstom sur ce projet » a déclaré Birgit Milius, Chef/Professeur du Département des opérations et infrastructures ferroviaires de l’Université TU Berlin et responsable scientifique du projet.

Les résultats de cet important projet contribueront de façon décisive à une meilleure définition du cadre juridique et réglementaire de la conduite automatique des trains. La Basse-Saxe, qui a annoncé son intention d’exploiter des trains régionaux au niveau d’automatisation GoA3, sera à la pointe de la technologie dès que le projet aura fait ses preuves.

(basé sur communiqué de presse Alstom)

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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

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Coradia iLint: après l’essai réussi, place à l’exploitation en série

(photo Alstom)

Après 530 jours et plus de 180.000 kilomètres parcourus, l’opération d’essai des deux premiers trains à hydrogène au monde sur le réseau Weser-Elbe s’est achevée avec succès fin février. Depuis septembre 2018, deux trains de présérie du modèle Coradia iLint du constructeur Alstom étaient mis en service voyageurs pour un test grandeur nature.

Le Coradia iLint est le premier train de voyageurs au monde à fonctionner avec une pile à combustible à hydrogène qui génère de l’énergie électrique pour la chaîne de traction. Ce train intégralement sans émissions est silencieux et n’émet que de la vapeur d’eau et de l’eau condensée. Le Coradia iLint se caractérise par plusieurs innovations : conversion d’énergie propre, stockage d’énergie flexible dans les batteries et gestion intelligente de la force motrice et de l’énergie disponible. Développé spécifiquement pour une utilisation sur des lignes non électrifiées, il permet un fonctionnement propre et durable du train tout en maintenant des performances élevées.

Alstom est le seul constructeur à s’être engagé sur la voie de l’hydrogène, quand les deux concurrents Bombardier et Siemens ont préférer s’en tenir aux batteries.

>>> Á lire : Automotrice avec batteries en service commercial en Autriche

D’autres constructeurs comme Stadler, Hitachi et CAF sont également actifs sur le marché de la traction alternative, car la demande pour ces types de solutions est en hausse.

Face à la technologie hydrogène adoptée par Alstom, il est beaucoup trop tôt pour faire une comparaison raisonnée entre les deux options. Au-delà de la technologie choisie, il s’agit surtout :

  • d’éviter à l’avenir la traction diesel, réputée polluante et pas en phase avec les objectifs climatiques;
  • d’éviter de manière écologique les coûteuses électrifications de lignes ferroviaires.
  • de répondre à différents cas d’utilisation des trains sans captage d’électricité selon la distance à parcourir en autonomie et le temps de recharge.

À partir de 2022, 14 trains de la série Coradia iLint remplaceront les unités diesel multiples précédemment utilisées dans le réseau Weser-Elbe. La société régionale de transport public Basse-Saxe LNVG y a investit environ 81 millions d’euros, soit tout de même 5,78 millions d’euros par rame, ce qui n’est pas donné. Alstom produira non seulement les trains de piles à combustible pour le LNVG en Basse-Saxe sur son site de Salzgitter, mais assurera également la maintenance des véhicules et l’approvisionnement en énergie pour une période de 30 ans. L’entreprise de gaz et d’ingénierie Linde construira et exploitera une station de remplissage d’hydrogène pour les trains de série près de la gare de Bremervörde.

« Au cours de la dernière année et demie, nos deux trains de présérie du Coradia iLint ont prouvé que la technologie des piles à combustible peut être utilisée avec succès dans l’exploitation quotidienne de services voyageurs. Nous sommes donc une source d’inspiration importante sur la voie d’une mobilité sans émissions et durable dans le transport ferroviaire », s’enthousiasme Jörg Nikutta, porte-parole d’Alstom Allemagne et Autriche. « De plus, nous avons obtenu des données précieuses pour le développement ultérieur de la technologie de traction. »

« Nous sommes fiers d’avoir été la première compagnie ferroviaire au monde à pouvoir utiliser les deux premiers trains à pile à combustible sur notre réseau Weser-Elbe », explique Andreas Wagner, chef de la division SPNV et responsable de la société ferroviaire Elbe-Weser GmbH (EVB). « Dès le début, nos passagers étaient très curieux d’essayer ces trains avec la nouvelle technologie. En plus du niveau de bruit très faible, le train à hydrogène émet des émissions nulles. Le fonctionnement du Coradia iLint a été une motivation très particulière pour nos conducteurs de train. »

Quel intérêt par rapport aux batteries ?
Les systèmes de piles à combustible améliorent les performances des batteries, leur permettant de résoudre les problèmes d’autonomie et de distance, ainsi que de temps de ravitaillement. La plus grande différence entre la technologie des piles à combustible électriques et des batteries réside dans leur aptitude au transport lourd, en l’occurence des trains. Les véhicules électriques à batteries ont en effet une limite de poids maximum autorisés à l’essieu, ce qui limite le nombre de batteries pouvant être installées. Ce fut d’ailleurs l’un des grands défis du CityJet Eco de Siemens sur sa rame Desiro testée en Basse-Autriche, avec des batteries lourdes au lithium-titanate (technologie LTO – linear tape-open) placées en toiture, ce qui a modifié le centre de gravité de la rame et ramené sa vitesse à 80km/h.

La rame Coradia iLINT n’a pas ces problèmes mais doit en revanche faire face à un questionnement écologique sur la fabrication de l’hydrogène. Le Land de Basse-Saxe en a pris conscience et a bénéficié du programme national d’innovation du gouvernement fédéral allemand pour la technologie de l’hydrogène et des piles à combustible, qui a investit 8,4 millions d’euros supplémentaires pour fabriquer de l’hydrogène non plus à partir d’énergies fossiles mais par électrolyse et au moyen d’énergie éolienne. Cela rajoute des coûts supplémentaires sur l’ensemble du concept (1), et le vent n’est pas disponible tous les jours.

Actuellement, les coûts du train Coradia iLINT restent un frein. Le contrat RMV pour 27 Coradia iLints s’élève à environ 500 M € avec la part d’Alstom montant à 360 M €. À comparer avec les 150 millions d’euros déboursés par Transdev pour 41 rames diesel classiques Lint. Le contrat de 11 iLINT pour la Moyenne-Saxe vaut 100 millions d’euros, soit 9 millions la rame. Pas donné…

De manière globale Alstom dispose d’un beau carnet de commande pour l’ensemble de ces rames en Allemagne, remportant des contrats en 2019 pour la fourniture de rames plus classiques comme les huit Coradia Lint pour la Ostdeutsche Eisenbahn GmbH (Odeg, région de Berlin), 18 rames pour la société publique de leasing du Bade-Wurtemberg SFBW et 41 rames pour Transdev dans le cadre de ses services en Bavière. Si on y ajoute donc les rames à hydrogène, le constructeur peut se targuer de posséder désormais un portefeuille de traction complet.

On va donc suivre intensément ces projets de trains à hydrogène qui passent maintenant de la phase expérimentale à l’exploitation en série.

(basé sur un communiqué de presse Alstom)

(1) Libération : Un train à l’hydrogène, est-ce vraiment propre ?

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Des pièces lourdes désormais imprimées en 3D chez Deutsche Bahn

L’impression 3D n’est pas nouvelle pour la Deutsche Bahn. La compagnie publique ferroviaire allemande a en effet commencé à utiliser une imprimante 3D en 2015. Depuis, elle a imprimé près de 7.000 pièces détachées. La DB est le premier opérateur a avoir effectué une certification de l’impression 3D, octroyée par le TÜV SÜD, l’un des principaux organismes de certification dans ce domaine.

Avec l’impression 3D, la DB peut produire des pièces de rechange métalliques en peu de temps, réduisant ainsi considérablement les délais de livraison. « De cette façon, nous pouvons assurer un meilleur approvisionnement en pièces détachées et rendre les véhicules à la disposition de nos passagers plus rapidement », explique Stefanie Brickwede, chef de projet pour l’impression 3D à la Deutsche Bahn. « En particulier, il s’agit de pièces associées à de longs délais de livraison ou qui ne seraient plus disponibles. »

(photo Deutsche Bahn)

De grands développements
Jusqu’à récemment, l’impression 3D semblait ne concerner que des pièces légères en plastiques. L’évolution des technologies d’impression 3D a permit de développer toute une gamme de filaments plastiques hautes performances qui présentent des caractéristiques mécaniques similaires aux métaux. Il existe plusieurs types de matériaux hautes performances qu’on distingue par famille, comme celle des polyaryléthercétones (PAEK) ou encore des polyétherimides (PEI).

Mais les choses évoluent rapidement. L’impression 3D en métal est désormais disponible. Depuis plusieurs années, la technologie du Metal binder jetting, ou injection de liant sur lit de poudre, connaît un développement important. Le procédé est aujourd’hui utilisé par les plus gros acteurs de la fabrication additive métallique. Si l’impression 3D en métal utilise aujourd’hui principalement des technologies de fusion laser sur lit de poudre ou de fusion par faisceau d’électrons, de nombreuses autres technologies sont en train d’émerger, explique le webzine Technique de l’Ingénieur.

Il ne faut cependant pas confondre l’impression 3D avec l’usinage, aussi sophistiquée soit-elle. La principale différence est que l’impression 3D est une forme de fabrication additive, tandis que l’usinage est soustractive. L’usinage commence toujours par un bloc de matériau (appelé ébauche) qu’elle découpe pour créer une pièce finie. Cela produit fatalement de nombreux déchets. La réduction des déchets entre parfaitement dans une politique globale écologique et l’impression 3D peut répondre à ces défis. Mais bien entendu, derrière cela il y a surtout de nombreux avantages financiers.

Aujourd’hui, le marché de la fabrication additive métallique mondial dépasse toutes les prévisions de croissance. Or ce marché intéresse fortement les chemins de fer, qui sont parmi les plus gros consommateurs de métal dans le monde industriel.

Des délais de livraison plus courts, moins de déchets de production, les avantages sont nombreux. Le délai de livraison et d’attente des pièces spéciales lourdes pour l’entretien des véhicules pouvait prendre jusqu’à 24 mois auparavant. Les nouveaux processus d’impression ont considérablement réduit ce timing. « Grâce à la percée de l’impression en métal, nous pouvons désormais progressivement garantir un approvisionnement plus rapide en pièces détachées et nos trains reprennent rapidement la route » explique Sabina Jeschke, membre du conseil d’administration de la DB pour la numérisation et la technologie. « L’objectif est de disposer d’environ 10.000 pièces de rechange différentes disponibles en impression 3D d’ici 2021 ».

(photo Siemens)

Le processus permet non seulement d’économiser du temps, mais aussi des matières premières, car les pièces de rechange ne doivent plus être stockées en grande quantité, mais peuvent être fabriquées si nécessaire. La Deutsche Bahn déclare que cela minimise les déchets de production, réduit les stocks et élimine de nombreux transports. La fabrication additive contribue ainsi à la protection de l’environnement.

Une autre motivation est qu’après 20 ans, les pièces de rechange ne sont tout simplement plus fabriquées. Certains appareillages sont d’ailleurs obsolètes, comme tout ce qui concerne l’électricité. Au fil du temps, l’usure et la fragilité standard affaiblissent progressivement les pièces moulées par injection, ce qui signifie qu’elles doivent être remplacées tous les 10 à 15 ans. Les véhicules ferroviaires sont conçus pour avoir une durée de vie de plus de 25 ans, mais il n’est pas rare qu’un train reste en service pendant 40 à 50 ans, voire plus dans des cas exceptionnels. L’impression 3D permet de refaire des pièces qu’on ne trouve plus.

Le processus d’impression 3D est utilisé pour créer des objets tridimensionnels en appliquant et en solidifiant le matériau en couches minces. Il existe deux processus couramment utilisés :

  • L’impression 3D par dépôt de matière fondue sous le nom de FDM ou Fused Deposition Modeling. C’est un procédé qui utilise un filament continu d’un matériau thermoplastique. La tête d’impression est déplacée sous contrôle informatique pour définir la forme imprimée et dessine l’objet par différentes couches avec un matériau liquide.
  • Le processus de lit de poudre est traité à partir de la matière première sous forme… de poudre. Les couches individuelles sont chacune constituées d’une pincée de poudre. Dans le cas des plastiques tels que le polyamide ou des métaux tels que l’acier et le titane, un laser fond ou chauffe les granulés de poudre individuels avec une précision extrême. Dans le jargon technique, ces processus sont appelés fusion laser sélective (SLM) et frittage laser sélectif (SLS).

Pour qu’une pièce de rechange puisse être produite par un simple bouton, la DB crée des modèles de construction pour l’impression 3D à partir de dessins existants ou d’objets numérisés. La DB peut produire des composants pesant plus de 17 kilos et adaptés même aux trains ICE. L’impression prend environ une heure pour un porte-manteau ou deux jours pour une boîte à câbles. Cela signifie que cette méthode de production est particulièrement adaptée aux productions individuelles, mais qu’elle devient dès lors non rentable à partir de plus de 100 pièces.

L’impression 3D est également testée dans les gares : des panneaux de main courante en braille permettent aux personnes mal voyante de se repérer plus facilement dans les gares.

(photo Deutsche Bahn)

Partenariat et formation professionnelle
Au lieu de mettre en place elles-mêmes des centaines d’imprimantes 3D coûteuses, la Deutsche Bahn s’appuie sur un partenariat avec le réseau Mobility goes Additive . Plus de 40 entreprises – dont des universités mais aussi des start-ups -, se sont réunies pour stimuler ensemble les innovations en imprimante 3D. Des fabricants d’imprimantes et des prestataires de services d’impression, tout comme Siemens et d’autres partenaires, font aussi partie de ce partenariat.

Mobility goes Additive (MGA) a obtenu en décembre 2019 une première approbation pour l’utilisation d’une pièce de suspension de frein fabriquée par impression 3D. Cette pièce très lourde est maintenant utilisée sur le Hamburger Hochbahn.

L’organisme BOStrab, responsable de la réglementation fédérale allemande sur la construction et l’exploitation des systèmes de transport par train léger sur rail, a également participé à l’approbation de la pièce imprimée en 3D. À la suite de cette mise en service, une norme pour les futures approbations sera développée par BOStrab pour accroître l’application des composants et pièces de rechange imprimés en 3D dans le secteur ferroviaire.

La DB intègre également l’impression 3D dans la formation professionnelle pour la première fois. Les quelque 200 jeunes professionnels qui commencent leur apprentissage dans l’un des douze grands ateliers de maintenance en septembre 2019 fabriqueront à l’avenir des pièces en utilisant le processus d’impression 3D. La formation commerciale et technique n’ayant pas encore pris en compte l’impression 3D, la Deutsche Bahn a développé son propre programme de formation à sa sauce.

Normes et sécurité
Il est évident que l’impression 3D doit faire l’objet d’un cadre normatif et légal exigeant. L’impression 3D s’est développée rapidement ces dernières années et son potentiel d’innovation technologique comporte des aspects cachés avec des risques pour la sécurité, pour les droits de propriété intellectuelle, pour l’éthique criminelle et humaine. Il faudra être attentif aux pièces 3D “piratées”, sans normes de qualité, comme on en voit dans le secteur de l’automobile. Au niveau des normes, il parait évident que chaque pièce fabriquée en 3D devra obtenir au minimum les mêmes critères de durabilité, d’usure et de qualité que la même pièce originale sortie d’usine.

L’impression 3D comporte un potentiel de développement considérable qui permet d’aider les entreprises ferroviaires à fournir des trains plus fiables, plus rapidement. Eviter des trains annulés ou qui encombrent les ateliers, c’est aussi un critère important pour promouvoir une politique modale. Des trains qui restent le moins possible en atelier, ce sont aussi des actifs qui rapportent plus d’argent…

(photo Deutsche Bahn)

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Le premier train à grande vitesse sans conducteurs est lancé en Chine

La Chine se lance dans le train à grande vitesse sans conducteur en préparation des Jeux olympiques de 2022. Elle met au point sa propre technologie.

La Chine vient de franchir une nouvelle étape dans ses vastes plans d’expansion de train à grande vitesse. Alors que le compte à rebours des Jeux olympiques d’hiver de Pékin de 2022 se poursuit, la nouvelle ligne à grande vitesse de 175 kilomètres qui relie la capitale chinoise à la ville olympique de Zhangjiakou vient d’entrer en service, réduisant le temps de trajet à 47 minutes au lieu des trois heures habituelles.

Cette nouvelle ligne à grande vitesse fait partie des infrastructures liées aux Jeux olympiques d’hiver. Trois villes ont été retenues : Pékin, Zhangjiakou et Yanqing, pour le déroulement des 109 épreuves de la compétition. Commencé en 2016, il aura fallu moins de quatre ans pour terminer cette ligne nouvelle. « La ligne ferroviaire Beijing-Zhangjiakou est la version ferroviaire à grande vitesse 2.0 de la Chine, intégrant les technologies ferroviaires intelligentes », a déclaré au Global Times Lv Gang, ingénieur en chef du projet, indiquant que le lancement du service représentait également l’avenir du développement du train à grande vitesse.

Une partie des TGV en circulation n’auraient… pas de conducteurs. Une recherche rapide sur le site officiel des chemins de fer 12306 China Railway montre en effet qu’il y a actuellement environ 30 trains à grande vitesse circulant quotidiennement entre Pékin et Zhangjiakou, mais seulement six d’entre eux sont desservis par un nouveau “train intelligent”. Le train, nouveau produit de la série chinoise Fuxing, est exploité comme étant le premier chemin de fer à grande vitesse intelligent au monde. De quoi s’agit-il ?

D’abord, ce TGV “intelligent” conçu pour une vitesse maximale de 350km/h, dispose toujours à bord d’un conducteur, au cas où, mais il ne conduit pas ! Ensuite, les chinois utilisent la technologie 5G pour l’exploitation du système, celle-là même qui suscite encore des polémiques et un tas de principes de précaution en Europe. L’automatisation des systèmes à bord utilise le service satellitaire de géolocalisation et de navigation BeiDou (BDS) développé par la Chine. Le système de conduite autonome permet au train de démarrer et de circuler automatiquement entre les gares, en ajustant son horaire en fonction de l’horaire tout en s’arrêtant avec précision à quai. 2.718 capteurs permettent de détecter toutes les anomalies. Les contraintes propres à chaque gare – il y en a 10 sur le parcours -, sont intégrées, comme la fermeture automatique des portes et l’architecture technique de chaque gare.

À bord, outre un éclairage intelligent, les passagers peuvent recharger leurs téléphones via des chargeurs sans fil et chaque siège possède sa propre tablette tactile. En gare, des robots et des technologies de reconnaissance faciale aident les voyageurs à se rendre là où ils doivent aller, avec leurs bagages et leurs enregistrements électroniques. Durant les jeux olympiques, ces trains seront spécialement aménagés pour les athlètes, qui disposeront de l’espace nécessaire pour tous leurs équipements. Les technologies 4G et 5G permettront de leur côté aux fournisseurs d’affiner la technologie 5G pour l’avenir, qu’il soit ferroviaire ou non.

La ligne est également la première en Chine à adopter une approche BIM (Building Information Modeling) sur l’ensemble du cycle de vie pour toutes les disciplines techniques impliquées dans le projet, marquant une étape importante dans les méthodes de construction ferroviaire en Chine et dévoilant une nouvelle pratique de construction ferroviaire intelligente. « La ligne de chemin de fer présente des technologies ferroviaires intelligentes telles que la conduite autonome, les services compatibles 5G, le Wi-Fi à bord et les services de billets électroniques, donnant l’exemple au développement futur du chemin de fer chinois et cela pourrait être des caractéristiques clés pour vendre notre grande vitesse ferroviaire », explique Luo Duhao, ingénieur en chef de la LGV vitesse Pékin-Zhangjiakou.

« Les lignes à grande vitesse de la Chine sont d’une efficacité redoutable. Une fois réservé, une simple carte d’identité ou un passeport valide aux portes d’entrée et c’est tout ce dont vous avez besoin pour voyager », explique l’anglais Mark Smith, de Seat61.

Aujourd’hui, la Chine abrite le plus grand réseau ferroviaire à grande vitesse du monde, qui s’étend sur environ 35 000 kilomètres, ainsi que le train commercial le plus rapide – le maglev de Shanghai.

>>> Voir notre article : Et si on parlait du train à sustentation magnétique ?

Prouesse ou propagande ? Élément clé de la géopolitique chinoise ? Probablement, mais à chacun de jauger. Une certitude : l’Asie avance et ne s’embarrasse pas des atermoiements propres à l’Europe. Il sera intéressant ici de suivre ce dossier du train autonome chinois ainsi que la technologie 5G de BeiDou. Au fond, les chinois mettent eux même au point leur propre monde : la couverture satellitaire, la 5G, la robotisation et la grande vitesse, classique ou de type Maglev. Il est grand temps pour l’Europe de se réveiller…

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Le rail, ce secteur multiple (4)

Notre série reprend. Après trois épisodes où nous évoquions les quatre secteurs qui vivent leur propre vie, les différents niveaux de tutelle auxquels sont assujettis nos chemin de fer, et ensuite le type d’entreprise ferroviaire que nous avons en Europe aujourd’hui, il est temps de nous pencher sur un autre secteur ferroviaire d’importance : la construction et les fournisseurs.

Dans un passé récent, les fournisseurs de matériel roulant étaient considérés comme de simples sous-traitants sur ordre de l’entreprise publique. L’ingénierie des fournitures étaient alors intégrée au sein des entreprises historiques qui disposaient de leurs propres bureaux d’étude, de leur propre laboratoire et parfois même d’un centre d’essais. Jadis, les entreprises étaient carrément constructeur, créant ainsi un monde complet en circuit fermé, avec ses propres normes. Le rail représentait un exemple parfait de l’économie circulaire planifiée, mais surtout un superbe exemple d’entre-soi, provoquant l’élaboration de milliers de normes nationales qui firent que les chemins de fer n’étaient interopérables qu’à minima, c’est à dire uniquement au niveau de certaines voitures voyageurs et wagons de marchandises.

Les choses ont énormément évolué dès les années 90 : construire un train ne devenait plus le monopole des seuls cheminots ! Les fournisseurs eux-mêmes, jadis très liés à l’État, voulaient s’émanciper du rigide carcan national pour concevoir des trains et des équipements vendables dans toute l’Europe voire le monde entier. L’industrie ferroviaire  – comme toutes les industries – demande en effet de la constance et ne peut se conformer au ‘stop and go‘ qu’impose les contraintes budgétaires des gouvernements, quelles que soient les coalitions au pouvoir. L’expansion sur un marché plus vaste permet justement d’éviter ce ‘stop and go‘, d’avoir une meilleure répartition des carnets de commande. Elle a été rendue possible par l’Europe des frontières ouvertes et ses directives, ainsi qu’au niveau mondial par de nombreux traités de libre-échange que certains vilipendent un peu vite…

Le revers de la médaille est que l’ingénierie a changé de camp : elle est partie vers l’industrie. Le meilleur exemple en France est le départ de François Lacôte, un des pères du TGV, de la SNCF vers Alstom en 2000. Signe des temps : les entreprises ferroviaires sont devenues aujourd’hui de simples prestataires de service, ce qui provoque encore une forte amertume chez les anciens cadres. Après tout, Air France n’a jamais construit ses propres avions…

Le mode de production a lui aussi fortement évolué. Devant ce regroupement, mais aussi cette fragmentation du chemin de fer, le besoin de normes techniques à l’échelle européenne se faisait grandement sentir. Nous y reviendrons ultérieurement. Relevons simplement que les normes permettent de justifier un produit à tous les acheteurs du monde, et qu’en général les normes sont « indiscutables ». La norme devenait donc un argument de vente mais une certaine amplitude est laissée pour « customiser » certains aspects sur demande des différents clients.

Vers une industrie mondialisée
La restructuration majeure qu’a subit le secteur de la construction ferroviaire est en droite ligne avec celle qu’a subit la sidérurgie et le secteur «métal» en Europe. Exit les petites fonderies locales, les petits ateliers qui fournissaient trois wagons par semaine.

De rachats en rachats, des groupes se sont constitués, couvrant l’Europe entière et non plus seulement un territoire national. Le maître mot est la plate-forme spécialisée : une seule usine (ou deux) produit un seul type de matériel, mais sur mesure. Ainsi, chaque groupe produit un type de tram sur une seule plate-forme, mais peut en modifier les paramètres secondaires comme la largeur des caisses et les aménagements intérieurs. L’essentiel – comme la chaîne de traction, la motorisation – est uniformisé, ce qui diminue les coûts de production et permet surtout d’utiliser des composants communs, normalisés et unifiés dans la mesure du possible. Un tram de Berlin ou de Milan disposera donc d’éléments identiques, mais aux paramètres ‘customisés‘, conçus sur mesure.

Le petit monde ferroviaire compte les quelques grands groupes suivant :

  • Les intégrateurs (fournissant trains, trams et métros en gammes complètes) : Alstom, Bombardier, CRRC, Hitachi, Siemens, Skoda, Talgo, Stadler…
  • Les spécialisés (dans l’un ou l’autre créneau : wagons, autorails, automotrices, draisine de service…) : Astra Rail Industries, CAF, Greenbrier, Kockums Industrier, Lohr Industries, Newag, Plasser & Theurer, Stadler, Vossloh, Windhoff…
  • Les équipementiers : Compin, Faiveley,  Knorr-Bremse, Robel, SKF, Voith, Wabtec, WBN Waggonbau Niesky…

Vers des métiers de service
Malgré cette politique de plateforme élargie au niveau européen, voire mondial, force est de constater qu’elle n’a pas fait entièrement disparaître la problématique du ‘stop and go‘. À un moment donné, tout le monde va être servi de nouveau matériel roulant, qui a une durée de vie d’environ 25 à 30 ans. Que faire pour maintenir l’activité ? À l’origine, la maintenance n’était qu’un simple acte technique relevant de l’acheteur, en l’occurrence les entreprises étatiques ferroviaires, qui comptent chacune des dizaines d’ateliers. L’irruption de nouveaux matériels roulants impose à chaque fois la formation du personnel d’atelier. Lorsque les pannes sont trop importantes, l’entreprise ferroviaire fait appel au fournisseur. C’est souvent le cas avec les logiciels informatiques embarqués. Or qui connait le mieux un matériel roulant ? Le constructeur lui-même.

Sur ce constat, la maintenance est devenue une part de plus en plus importante du modèle économique… des fournisseurs : un coût peut devenir une opportunité, un business model. Sur le plan technique, un travail considérable a été entrepris pour repenser fondamentalement les approches et les processus, travail amplifier par la numérisation galopante des actifs, à commencer par les perspectives de maintenance prédictive. L’industrie privée est maintenant en mesure de fournir une maintenance contractualisée, qui lui impose par exemple de fournir 98% des rames actives en journée. Pour arriver à de tels taux, c’est toute la conception de matériel roulant qui doit être repensée à la faveur d’une maintenance la moins contraignante possible. Siemens dispose ainsi de son propre atelier à Dortmund. Stadler construit de plus en plus ses propres ateliers à côté de ses clients, comme c’est le cas aux Pays-Bas.

Ces constructeurs en profitent alors pour introduire de nouvelles méthodes de réparation, comme l’imprimante 3D qui permet de remplacer rapidement un accoudoir ou une poignée de porte, sans devoir stocker des tonnes de pièces de rechange.

Ce nouveau métier de constructeur/maintenance devient presque la norme et offre une opération win-win à tous les acteurs. L’opérateur de train se débarrasse d’un élément de coût tandis que le constructeur, par son atelier, acquiert de précieuses données qui lui serviront pour concevoir les matériels roulants futurs.

Tout cela contribue, il est vrai, à fragmenter encore davantage le paysage ferroviaire, mais aussi à bousculer les frontières entre concepteurs, ingénierie et prestataires de services ferroviaires.

Retour à l’épisode 0102 – 0304

Pour s’informer : https://mediarail.wordpress.com/

Pour approfondir : http://mediarail.be/index.htm

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Technologie ferroviaire : cinq startups innovantes à surveiller en 2020

Basé sur son propre choix, le webzine Railway Technology nous propose ici cinq startups innovantes à surveiller en 2020.

(Cet article emprunte principalement à la version anglaise de Varsha Saraogi à ce lien)

Le secteur ferroviaire adopte de plus en plus des technologies modernes telles que l’Intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage automatique, et de plus en plus de start-up se multiplient pour résoudre les problèmes auxquels sont confrontées les entreprises ferroviaires. Voici cinq start-ups innovantes à surveiller en 2020.

(photo Deutsche Bahn)

Diverses initiatives sont mises en œuvre pour encourager les start-ups dans le secteur ferroviaire. HackTrain est par exemple un hackathon et une conférence annuels au Royaume-Uni, avec le soutien du Great Western Railway, de Stagecoach et d’Arriva, où les entreprises discutent des principaux problèmes à résoudre sur leurs réseaux, notamment les trains bondés, la sécurité et le matériel roulant défectueux. Ce ne sont pas toujours les opérateurs ni même les constructeurs qui trouvent eux-mêmes les solutions. Depuis plusieurs années, la SNCF renforce aussi de son côté sa collaboration étroite avec les startups pour accélérer sa transformation numérique et innover pour faciliter toutes les mobilités.

En Allemagne, DB mindbox  est un espace de coworking de la Deutsche Bahn à Berlin. Les startups et les employés de DB travaillent ensemble sur des innovations pour le cœur de métier du ferroviaire, notamment basées sur les technologies numériques. Dans les arches du S-Bahn sous la gare de Jannowitzbrücke, DB offre aux fondateurs, aux pirates et aux développeurs un espace de 720 mètres carrés où ils peuvent développer leurs produits spécifiquement pour répondre aux besoins des clients du rail et les tester pour la commercialisation.

Comme dans d’autres secteurs, des start-ups sont attirées par les progrès permanents réalisés sur une multitude de fronts technologiques, notamment dans le domaine de l’intelligence artificielle, des datas et de l’internet des objets. Voici cinq startups technologiques à surveiller en 2020 qui visent à résoudre les problèmes complexes de l’industrie ferroviaire.

Neuron Soundware
Neuron soundware a été fondé en 2016 par Pavel Konečný à Prague. Cette startup technologique développe un système intelligent qui détecte les problèmes mécaniques des machines. En enregistrant des données audio via des capteurs et en faisant une évaluation automatique ultérieure par des algorithmes d’intelligence artificielle, le système peut aider à prévenir les pannes inattendues des actifs de production critiques, comme des aiguillages ou du matériel roulant. La société tchèque propose ainsi une maintenance prédictive, une détection des problèmes mécaniques en temps réel et un diagnostic à distance des équipements.

Neuron Soundware propose le déploiement d’algorithmes d’IA pré-formés pour surveiller de grandes quantités de machines comme les moteurs, les compresseurs, les pompes, les turbines, les robots, etc. Cette stratégie est soutenue en fournissant une solution de surveillance facile à mettre en œuvre qui peut être opérationnel en quelques semaines et financé par frais mensuels facturés par machine, c’est-à-dire une solution en tant que service. La société travaille déjà à la mise en œuvre de sa technologie avec des clients comme Airbus, Siemens, ŠKODA AUTO, BMW, Daimler, innogy ou LG.

(photo Customer Clever)

Customer Clever
Cette startup britannique de biométrie prévoit d’utiliser la reconnaissance faciale pour réduire la surpopulation devant les portiques à ticket, un des grands maux du Royaume-Uni. Fondé en 2014, Customer Clever a créé un algorithme logiciel basé sur le cloud qui peut déterminer le sexe, l’origine ethnique, l’âge et l’heure de visite d’une personne. Ayant été principalement utilisée pour des missions de sécurité indoor, la patrouille frontalière ou le contre-terrorisme, la start-up du Staffordshire a développé sa technologie pour aider les détaillants, les lieux de loisirs et les centres commerciaux à mieux comprendre les clients et leurs habitudes. Cela intéresse forcément le secteur ferroviaire et ses nombreuses grandes et petites gares.

Développée par le Bristol Robotics Laboratory, la technologie utilise deux lumières infrarouge clignotant à grande vitesse pour aider une caméra à capturer la forme, la texture et l’orientation des personnes. La technologie permettrait aux voyageurs de simplement passer devant les caméras pour accéder aux quais après avoir été scannés et enregistrés. Le personnel serait alerté en cas de franchissement de la ligne sans paiement.

Après avoir obtenu un financement du Railway Safety and Standards Board, Customer Clever travaille maintenant avec Cubic Transportation Systems, une société qui a créé le billet sans contact Oyster Card de Londres. En outre, la start-up vise à intégrer à l’avenir le paiement des billets par le biais de l’empreinte digitale ou du scan oculaire.

RailHero
Cette autre startup britannique a mis au point une application de compensation ferroviaire automatisée pour aider les passagers à obtenir le remboursement qui leur est dû en cas de retard et d’annulation de train. Selon les recherches de Rail Hero en Grande-Bretagne, et les navetteurs ont laissé tomber près de 60% des indemnités de retard qui leur étaient dû, soit 120 millions de £ par an ! Motif : trop de complexité, utilisation exclusive des formulaires, complications… Avec l’aide de l’application, ils n’ont besoin que de prendre une photo du billet et l’algorithme RailHero valide et envoie illico la demande de compensation à la compagnie ferroviaire.

La société de logiciels utilise une API de validation de remboursement différée automatisée pour fournir des informations de retard en temps réel avec précision. Les utilisateurs peuvent obtenir une compensation via leur méthode de paiement préférée ainsi que des mises à jour en temps réel sur la réclamation.

RailPod
L’objectif de la start-up basée à Boston est de rendre l’infrastructure ferroviaire mondiale plus sûre, plus rentable et plus efficace grâce à l’utilisation de robots d’inspection automatisés. Les drones de RailPod effectuent des inspections quotidiennes de la voie à l’aide d’une technologie de capteur avancée et d’un service de traitement des données basé sur le cloud, fournissant aux opérateurs des informations en temps réel sur les conditions de la voie. Son outil d’inspection peut être utilisé avec une télécommande sans fil ou configuré pour des applications autonomes. Le véhicule RailPod couplé à son logiciel Web donne un accès immédiat aux rapports d’inspection, y compris les données sur la géométrie de la voie, l’usure du rail, la caténaire aérienne, la cartographie des actifs et la détection de rupture de rail.

(photo Railpod)

« RailPod offre une plate-forme flexible qui peut effectuer différents types d’inspection des chemins de fer, avec ou sans interférence humaine », explique Brendan English, PDG de RailPod. La startup a réellement décollé en 2013 après avoir remporté le Diamond Award et une subvention de 100.000 $ de MassChallenge. L’année suivante, la startup levait cette fois 2,5 millions de dollars supplémentaires auprès des investisseurs. Aujourd’hui, RailPod compte 10 employés et sa plateforme est actuellement testée par plusieurs chemins de fer aux États-Unis et au Canada.

Hyper Poland
Terminons par le plus disruptif : nous sortons ici du chemin de fer traditionnel. Fondée en 2016, initialement comme groupe de réflexion à l’Université de technologie de Varsovie, la startup polonaise Hyper Poland développe une technologie qui permet une mise en œuvre rapide et échelonnée d’une technologie de transport inspirée des hyperloop (en utilisant les couloirs ferroviaires et les réglementations existantes). La technologie d’Hyper Poland, déjà en phase 1, permettrait selon ses promoteurs de transporter des marchandises et des personnes à une vitesse deux fois plus élevée qu’un chemin de fer conventionnel, soit à une vitesse de 415 km/h à un coût très compétitif.

Lors de la recherche d’une plateforme de financement participatif, Hyper Poland a levé 300.000 € auprès de plus de 400 investisseurs, soit 150% de son objectif initial. La startup a déjà construit un prototype et une piste d’essai à l’échelle 1/5, dont la démonstration a eu lieu en octobre 2019 à Varsovie. Hyper Poland a participé à la table ronde “Rail meets Hyperloop” qui a eu lieu lors de la deuxième édition d’Hypermotion, à Francfort en novembre dernier.

D’aucun pourrons énumérer des dizaines d’autres startups qui occupent le champ de la recherche ferroviaire. Nous aurons l’occasion d’en reparler. Le volume du marché mondial de la technologie ferroviaire devrait croître à un taux de croissance annuel composé de 2,6% pour atteindre une valeur annuelle moyenne de 185 milliards d’euros selon Statista, entre 2019 et 2021. Les startups et leurs technologies contribuent considérablement à ce processus car elles sont les précurseurs de innovation.

(photo Hyper Poland)

Les trains à batteries : où en est-on ?

Automotrice Talent à batteries (photo Bombardier)

La vague verte qui sévit dans le monde depuis quelques temps nous indique que les trains diesels vont devoir opter pour une autre propulsion nettement plus propre. C’est un gigantesque défi pour les constructeurs et les opérateurs.

Contexte
Il y avait dans l’Europe des 28 en 2017 environ 54% de lignes électrifiées, montant qu’il faut probablement relever si on y ajoute la Suisse et la Norvège, non incluses. On peut néanmoins estimer que 40% des lignes ferroviaires actives ont besoin de la traction diesel, soit grosso modo 90.000 kilomètres de lignes. L’utilisation de la traction diesel représente encore environ 20% de l’ensemble du trafic ferroviaire en Europe et davantage ailleurs. Dans ces conditions, le chemin de fer ne peut pas encore se vanter d’être le transport 100% écologique. Mais il est tout de même le moins polluant des transports du monde…

D’autre part, la nouvelle Commission européenne von der Leyen a publié son plan pour un vaste green deal, le décrivant comme étant identique « au moment de l’homme sur la lune ». Le carburant diesel est ainsi devenu une cible privilégiée, bien qu’il y ait des débats intenses et un certain nombre de fake news sur ce sujet très politique. Les gouvernements européens sont confrontés au dilemme sur la manière d’éliminer les trains diesel qui produisent du dioxyde de carbone et d’autres polluants nocifs.

Bien sûr, le dioxyde de carbone n’est pas le seul gaz à effet de serre, et l’émission d’autres polluants tels que les oxydes d’azote ou les particules est un problème avec la traction diesel, en particulier pour le secteur routier. Le taux d’émissions de CO2 dépend fortement de la technologie d’échappement utilisée pour la combustion des moteurs mais fait également référence à la production d’électricité, par exemple par le charbon, qui domine en Allemagne, en Pologne et dans certains autres pays. De plus, l’électricité utilisée par le chemin de fer peut provenir en partie de centrales électriques au charbon.

Très chère électrification
Entre Ulm et Lindau, un des plus grands projets d’électrification en Allemagne depuis des années est en cours. Mais son budget dérape. Alors qu’en 2017, il était prévu 250 millions d’euros, DB Netze annonce aujourd’hui des surcoûts qui feront grimper l’addition à 300 millions d’euros pour un projet qui prendra fin seulement en 2021. C’est cher pour si peu.

En Grande-Bretagne, lorsque le gouvernement a annulé ses plans d’électrification des lignes ferroviaires à travers le Pays de Galles, les Midlands et le nord de l’Angleterre, et a réduit l’électrification du réseau ferroviaire du Great Western, il a mis fin prématurément à un programme d’investissement ferroviaire présenté comme le plus grand que le pays ait vu depuis l’ère victorienne.

Plusieurs rapports suggèrent que les gouvernements et les fabricants de trains voudraient voir une autre façon de faire rouler des trains électriques… sans caténaires.

Les constructeurs de trains se sont alors attelés à rechercher d’autres solutions de propulsion :

  • par la technologie à batteries;
  • par la technologie à hydrogène, plus novatrice.

Ces deux technologies donnent l’espoir qu’à l’avenir, il ne soit plus nécessaire d’électrifier les lignes ferroviaires à l’aide des coûteuses caténaires. Faire du train moins cher pour un futur décarboné, voilà une solution qui trouve un consensus général. Mais ce n’est pas aussi simple.

Hydrogène vs batteries électriques
Les piles à combustible à hydrogène et la technologie des batteries ont suscité l’intérêt ces dernières années. Alors qu’Alstom semble se tourner vers la technologie à l’hydrogène, avec de vrais tests sur deux lignes régionales en Allemagne, il est intéressant de voir quelle est la réponse de ceux qui préfèrent la technologie des batteries, promues par Bombardier et Siemens.

L’hydrogène utilisé dans les piles à combustible a un rapport énergie / poids dix fois supérieur à celui des batteries lithium-ion. Par conséquent, il offre une portée beaucoup plus grande tout en étant plus léger et en occupant de plus petits volumes. Mais en tant que source d’énergie, l’hydrogène a une faible densité d’énergie, ce qui signifie que les trains auraient besoin d’un très grand espace pour stocker le carburant. La technologie à l’hydrogène convient donc pour des trains légers pour un service régional, mais pas pour des trains lourds ou des intercity longue distance.

Nous reviendrons dans un autre article sur les avantages et inconvénients des deux technologies actuellement testées.

Les trains à batteries
Siemens, Bombardier et Stadler : les trois constructeurs de trains régionaux ont introduit des rames qui peuvent également rouler électriquement sur des lignes sans caténaire. Les chemins de fer tirent leur énergie des accumulateurs. L’idée n’est pas nouvelle : les Chemins de fer du Palatinat avaient jadis investi dans des wagons-accumulateurs dès 1895, et ils ont été utilisés en fonctionnement régulier à partir de 1904. Des véhicules similaires ont suivi, entre autres en Bavière et en Prusse. Et dans l’histoire récente des chemins de fer, par exemple, les wagons-accumulateurs ETA 150 de la Deutsche Bundesbahn ont été largement utilisés.

On notera que le concept de train hybride – ou bi-mode -, a évolué. Des trains hybrides électro-diesel et diesel-batterie ont également été commandés dans différents pays, mais ils n’entraînent pas une décarbonisation complète. Le but aujourd’hui est bel et bien de supprimer toute forme d’énergie fossile dans la propulsion des véhicules ferroviaires.

Comme le note le site Energypost UK, l’utilisation de batteries comme source d’alimentation d’un train a été testée en Allemagne à basse vitesse et avec des charges légères, en utilisant des batteries traditionnelles au plomb. C’est une technologie éprouvée, donc elle est bon marché et fiable, mais les batteries ont une durée de vie limitée et sont fabriquées avec des liquides corrosifs et des matériaux précieux.

Des batteries au lithium-ion ont été essayées au Royaume-Uni en fournissant une source d’alimentation supplémentaire pour la chaîne de traction. Malheureusement, ces trains ne pouvaient parcourir que 50 km sur les sections non-électrifiées. Les trains à batteries ne peuvent donc fonctionner que sur des itinéraires spécifiques et ne sont pas faciles à remplacer en cas de défaillance.

La technologie des batteries a depuis lors fait des progrès. Au cours des 20 dernières années, la technologie des tramways sans lignes aériennes a été continuellement développée. En particulier, des véhicules hybrides avec pantographe et batteries sont à l’étude. Ce sont des véhicules qui chargent leurs batteries sur le fil de contact sur les lignes électrifiées. Stadler développe ce type de variante. Elle devrait être testée en tant que prototype en 2019. Une autonomie de 80 kilomètres en fonctionnement sur batterie est prévue pour un train d’essai. Cela semble peu, mais cela suffirait, selon le fabricant suisse, à couvrir 80% des routes non électrifiées en Allemagne. En plus de la charge des batteries pendant la conduite, la charge à l’arrêt final est également possible pendant 10 ou 15 minutes.

Railway Gazette rappelle que la puissance des batteries présente des avantages par rapport aux piles à combustible en termes d’émissions de CO2, même lorsque les émissions provenant de la production des batteries sont prises en compte. Mais le poids des batteries continuera de limiter la portée des véhicules. L’alimentation par batterie convient donc aux locomotives de manœuvre qui ont généralement des périodes d’inactivité pendant la journée pour permettre la recharge, ainsi qu’aux automotrices hybrides ou aux locomotives équipées de pantographes pouvant fonctionner sur des lignes électrifiées et se recharger à partir de points de charge caténaires ou fixes sur des lignes non électrifiées.

Desiro Cityjet Eco (photo Siemens)

Autriche
Le Cityjet Eco est une solution encouragée par les ÖBB et Siemens pour des services de train sur les lignes non électrifiées, en remplacement de la motorisation diesel. 1.300 km de lignes ne sont pas électrifiés en Autriche et fonctionnent par trains diesel. En octobre 2019, une rame Desiro de Siemens a fait des tests sur des sections de lignes non électrifiées en Basse-Autriche, avec pratiquement aucun bruit ni émission. L’automotrice est alimentée par batteries au lithium-titanate (technologie LTO – linear tape-open). Les batteries ont une capacité de 528 kWh et peuvent être chargées plus rapidement que les batteries lithium-ion. Sur les itinéraires électrifiés, le train s’alimente en énergie via son pantographe, qu’il stocke également dans les batteries de 14 tonnes pour être utilisé sur des itinéraires sans lignes aériennes. Grâce à l’énergie des batteries, il peut parcourir jusqu’à 80 kilomètres. Cela peut être suffisant pour de très nombreuses lignes locales.

Le site allemand internationales-verkehrswesen.de a répertorié quelques autres projets.

Danemark
Le ministre des Transports Benny Engelbrecht est parvenu à un accord avec le Sjælland, le Midtjylland et les autorités de la région de Copenhague pour tester des trains à batterie sur deux lignes de chemin de fer distinctes. Les trains à batteries devraient circuler sur le tronçon entre Helsingør et Hillerød en Zélande du Nord et sur la ligne du Lemvig dans le nord du Jutland occidental à partir de la fin de 2020 et au début de 2021. Une éventuelle commande d’automotrices pourrait avoir lieu et les trains à batteries pourraient entrer en service voyageurs à partir de 2025 au Danemark. L’analyse a révélé que des trains à batteries pouvaient également être utilisés sur la ligne Kalundborg – København, en coordination avec les services entre Nykøbing / Sjælland et Copenhague.

Impression d’artiste (photo Merseyrail)

Grande-Bretagne
Au Royaume-Uni, six des 52 automotrices que Stadler doit livrer à Merseyrail (Grand Liverpool) seront équipées d’une batterie de 5 tonnes pour analyser la rentabilisation du stockage d’énergie à bord. Il s’agit de comparer dans quelle mesure il serait mieux de prolonger une électrification ou de la remplacer par des trains à batteries. Selon une analyse technique du réseau, il est peu probable que l’électrification sur les lignes non électrifiées se poursuive dans un avenir proche, vu son coût. L’utilisation potentielle d’automotrices Merseyrail alimentées par batteries pourrait améliorer cette rentabilisation. Qui est plus cher : batteries ou troisième rail ? Cela sera examiné après que les unités Merseyrail auront été testées avec leur fonctionnement par batteries en 2020. Outre son côté écologique, cet exemple britannique se situe clairement dans l’opportunité d’éviter une coûteuse électrification, même par troisième rail.

Allemagne
En juin 2019, l’autorité de transport NAH.SH du Land du Schleswig-Holstein dans le nord de l’Allemagne près de la frontière du Danemark a sélectionné Stadler pour fournir 55 batteries Flirt Akku Emus afin d’exploiter des services régionaux accompagnés de 30 ans de maintenance. Stadler entre ainsi aussi dans le monde des trains à batteries.

On notera au passage que cette une initiative régionale, et non pas de l’État national comme c’est le cas dans d’autres pays. On observe aussi que les Länder se font concurrence sur “qui sera le Land le plus vert d’Allemagne”. C’est une preuve que la décentralisation permet de bonnes initiatives en phase avec le futur décarboné.

Flirt Akku (photo Stadler)

Les autorités de transport de Mittelsachsen et de Leipzig, ZVMS et ZVNL, ont convenu de commander 11 automotrices à trois voitures Alstom Coradia Continental à batteries, pour une utilisation sur la ligne RE6 Chemnitz – Leipzig, avec entrée en service en 2023. Selon ZVMS, la liaison ferroviaire entre Chemnitz et Leipzig sera sensiblement plus rapide, plus confortable et plus respectueuse de l’environnement. La ligne RE6 est actuellement exploitée par la société Mitteldeutsche Regiobahn (Transdev), utilisant des rames tractées par de coûteuses locomotives diesel Siemens ER20.

Un autre Land, le riche Bade-Wurtemberg, a commandé une flotte de 20 unités électriques à batterie Mireo à Siemens Mobility pour exploiter le paquet de lignes régionales appelé «Netz 8 Ortenau» (vallée du Rhin). Le contrat s’étalera sur 13 ans à compter de décembre 2022 avec une production contractualisée de 2,1 millions de trains-km/an. Les trains fonctionneront sur et en dehors des lignes électrifiées. Des automotrices Mireo similaires ont déjà été achetées pour opérer sur les services électrifiés de la vallée du Rhin dans la même zone. Cela permet d’unifier le parc de matériel roulant et d’éviter des frais de formation en conduite.

L’avenir
Il existe donc un certain nombre d’options, et aucune d’entre elles n’est une solution parfaite en soi. Pour faire bouger les choses, les opérateurs de train devraient perdre leur droit d’utiliser des moteurs diesel polluants et ceux-ci devraient être remplacés tous les dix ans. Les villes pourraient avoir le droit d’exploiter les trains les traversant de manière similaire aux zones à faibles émissions qui existent un peu partout, pour le transport automobile. Une politique attendue depuis longtemps serait de supprimer le diesel hors taxes dont bénéficient actuellement les opérateurs ferroviaires, du moins dans certains pays.

La révision des aspects les plus polluants du système ferroviaire européen ne se fera pas du jour au lendemain, mais pour se mettre en route pour 2040 et au-delà, les grandes décisions concernant les chemins de fer décarbonés doivent être prises dès maintenant.

Automotrice de la gamme Mireo (photo Siemens)

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On reparle beaucoup d’Hyperloop ces temps-ci

(photo Hardt Hyperloop)

Une capsule remplie de passagers, capable de voler dans un tube à une vitesse d’environ 1000 km/h et qui pourrait servir ainsi d’alternative à l’avion – telle est la vision derrière la technologie Hyperloop. Lors de conférences techniques et dans divers médias, cette utopie est souvent évoquée et donne l’impression que nous allons faire le voyage Vienne – Cologne en une heure ! Bien qu’en théorie cela semble fantastique, il est important de prendre en compte les nombreux défis auxquels l’Hyperloop est confronté tant en construction que dans son impact sur la société. Le coût de cette technologie et du système de tubes sophistiqués, estimé à des millions de dollars, constitue le plus important défi de cette technologie disruptive.

Diverses start-up européennes, telles que Hardt Hyperloop aux Pays-Bas, Zeleros en Espagne et Hyper Poland, se sont consacrées au thème d’Hyperloop. Et on en a encore beaucoup parlé à la fin du mois de novembre. D’une part, Certifer, agence française de certification ferroviaire créée en 1997, a annoncé qu’elle collaborait avec Virgin Hyperloop One (VHO) pour atteindre son objectif de surpasser les niveaux de sécurité de tous les systèmes de transport existants. Virgin Hyperloop One est une société concurrente d’Hyperloop d’Elon Musk.

Certifer a suivi les progrès de VHO dans les phases de recherche et développement, de prototypage et de test et a procédé à un examen complet du statut de conception de leur solution. Les experts en sécurité indépendants expérimentés de Certifer ont confirmé l’aptitude de la technologie et de l’organisation de Virgin Hyperloop One à être évaluées en termes de sécurité et ont confirmé que la société était prête à franchir cette première étape historique – la première du genre dans l’espace hyperloop.

Cela signifie que la technologie Hyperloop pourrait entrer dans une phase plus concrète de la réalisation.

D’autre part, un évènement qui devient de plus en plus emblématique chaque année, Hypermotion Fair à Francfort, a aussi eu droit à sa conférence sur Hyperloop. Du 26 au 28 novembre 2019, des leaders en technologies et des experts se rencontraient pour rechercher de nouvelles solutions dans les domaines du trafic, des transports, des infrastructures et de la logistique. Au total, environ 200 orateurs et 3.000 visiteurs d’Allemagne et du monde entier ont participé au salon Hypermotion pour débattre de la mobilité du futur.

Le ‘Hypermotion Lab’ est la pièce centrale de l’évènement à cause de ses questions perturbatrices et de ses analyses prospectives. Pour cette troisième édition, le concept d’Hyperloop, qui est en quelque sorte le cœur visionnaire du médiatique Elon Musk, prenait une place importante.

David Pistoni, cofondateur et PDG de Zeleros, Gabriele Semino, ingénieur en mécanique chez Warr Hyperloop, Mars Gueze, directeur du marketing chez Hardt Hyperloop, Katarzyna Foljanty, PDG de Hyperloop en Pologne, et Bertrand Minary, chef des innovations, ont participé à une conférence à l’Hypermotion Fair sur les projets Hyperloop pour le fret ferroviaire et multimodal dans la compagnie ferroviaire française SNCF.

Martin J. Fröhlich, responsable de New Horizons chez Deutsche Bahn AG, a dirigé les débats. Apparemment, l’un des plus grands opérateurs ferroviaires d’Europe rêve également de voyager dans des tubes avec des capsules lancées à 1000km/h. « Lorsque nous parlons d’Hyperloop, nous devons également nous rappeler qu’il est plus écologique que les autres modes de transport et qu’il peut également être utilisé pour le transport de marchandises », a souligné Bertrand Minary de la SNCF.

Dans dix ans, selon les prévisions, un milliard de camions rouleront sur les routes et les files d’attente en Europe et le nombre de morts sur les autoroutes augmentera, explique Minary. « Nous devons faire en sorte que la transition entre la route et le rail se déroule dans les meilleures conditions tout en pensant à de nouveaux modèles. Hyperloop peut ici jouer un grand rôle. Outre l’aspect environnemental, les camions génèrent également plus de bruit qu’un système Hyperloop. En outre, les camions créent des embouteillages et sont moins sûrs que le train. »

(photo Hardt Hyperloop)

Mars Gueze, PDG de la société néerlandaise Hardt Hyperloop, soulève le problème du manque de soutien politique et du manque de capital. C’est un problème central : « Les investisseurs veulent d’abord voir un prototype réel, mais nous avons besoin d’argent pour le construire », explique Gueze. Sans prototype, Hyperloop risque de rester un projet théorique ou, pire, un projet généré sur d’autres continents plutôt que l’Europe.

Katarzyna Foljanty, co-fondatrice de Hyper Poland, explique aussi que la Pologne va construire une piste d’essai pour démontrer le système de suspension du véhicule et l’efficacité de l’unité linéaire. Hyper Poland et l’institut du chemin de fer travaillent à la mise au point d’une solution sur le vide à grande échelle, adaptée aux essais de fatigue à long terme des capsules Hyperloop.

Les différents partisans d’Hyperloop insistent beaucoup sur le fait qu’Hyperloop serait entièrement alimenté par la technologie solaire. Or, si ce n’est pour le moment pas possible dans le transport aérien, les systèmes Maglev et TGV pourraient quant à eux être aussi alimentés par l’énergie solaire. Il manque encore de la clarté sur la quantité d’énergie nécessaire pour faire fonctionner l’Hyperloop, mais la plupart des liaisons seraient deux à trois fois plus ‘éco-énergétiques’ que les déplacements en avion. Cependant, les arguments énergétiques seront prépondérants pour l’acceptabilité du système à l’avenir. C’est donc un point crucial.

Nous entrons dans une nouvelle décennie qui sera à la fois passionnante et disruptive. Car les nouvelles technologies font peur et induisent chez certaines personnes un mouvement de rejet. Il sera donc crucial de convaincre que l’Hyperloop n’est pas un instrument opposé à la lutte contre le réchauffement climatique.

(source principale Jarnvagsnyheter.se)

(photo Hardt Hyperloop)

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Triage autonome des wagons dans le port de Bremerhaven

Des manœuvres autonomes sont en cours de tests sur des voies ferrées du port de Bremerhaven, en Allemagne. Les résultats du projet de recherche “Rang-E – Manœuvres autonomes sur les rails portuaires” ont été présentés par l’Institut d’économie et de logistique du transport maritime (ISL).

(d’après l’article de l’Internationales Verkehrswesen – source ISL)

Un constat

Le rail est considérablement désavantagé en termes de réception et d’expédition dans les ports par les réglementations d’exploitation ferroviaire en comparaison par rapport au temps requis avec d’autres modes de transport. Après la séparation de la locomotive dans la zone portuaire, les trains ou wagons sont convoyés par une locomotive de manœuvre vers les terminaux, où des contrôles du train et du chargement sont encore nécessaires. En conséquence, les premiers mouvements de chargement des wagons de marchandises ne sont effectués que plusieurs heures après leur arrivée dans la zone portuaire. Pour les trains assemblés au port, les essais de freinage obligatoires et les les manœuvres entraînent des retards de deux ou plusieurs heures environ, avant que les trains ne puissent réellement quitter la zone portuaire pour se rendre dans l’hinterland. Il faut donc accélérer ces processus et c’est l’objet d’un programme numérique.

Le projet Rang-E (littéralement ‘triage numérique’) est financé par le ministère fédéral des Transports et de l’Infrastructure numérique dans le cadre de l’Initiative des technologies portuaires innovantes (IHATEC). Le consortium du projet Rang-E est composé d’experts de l’ISL, du BIBA et de l’IVE à Braunschweig, bien connu pour ses recherches en technologies. Rang-E fait référence aux entreprises portuaires allemandes en ce qui concerne les stratégies actuelles de numérisation de l’économie allemande, telles que l’Internet des objets (IoT) et Logistique 4.0. L’Institut d’économie et de logistique du transport maritime, fondé en 1954 à Brême, est l’un des principaux instituts européens de recherche, de conseil et de transfert de savoir-faire en logistique maritime.

Une manœuvre autonome permet d’optimiser la disposition et le contrôle de l’exploitation des locomotives dans le port, ainsi que dans la manutention de conteneurs et dans la manutention de wagons. Les terminaux de Bremerhaven offrent une excellente plate-forme, Bremerhaven représentant une part importante du trafic ferroviaire dans l’arrière-pays.

Depuis août 2017, les chercheurs analysent les processus de manœuvres autonomes de wagons au port de Bremerhaven. Cet emplacement est particulièrement bien adapté pour identifier les obstacles à l’automatisation car il s’agit d’un port historiquement bien conçu pour la desserte ferroviaire.

(Photo © Elbe-Weser GmbH)

Différents niveaux d’automatisation, notamment l’autonomie complète et la maîtrise des locomotives de manœuvre, sont mis à l’étude. En outre, il est aussi prévu de voir dans quelle mesure une opération de manœuvre peut être mise en œuvre au moyen d’une locomotives munies de batteries électriques. L’équipe d’experts a suivi deux approches différentes :

  • Automatisation du processus des manœuvres classiques

L’équipe du projet a identifié les différentes tâches manuelles répétitives requises par les manœuvres de trains de marchandises et les processus qui sont susceptibles d’être automatisés pour d’éventuelles opérations autonomes sur l’infrastructure portuaire.

Entre autres choses, des attelages automatiques modernes seraient nécessaires pour une opération de conduite autonome pour atteler et séparer des wagons de marchandises, qui seraient capables de se coupler ou de se séparer de manière sélective. En outre, toute une série de sous-processus devraient être automatisés pour une opération sans surveillance, par un ensemble de technologies dotées des capteurs permettant des tests de freinage, de tangage et même de contrôle du chargement.

Dans certains domaines, les premières approches d’automatisation existent déjà. Cependant, des concepts technologiques innovants nécessitent encore des recherches plus approfondies afin de rendre techniquement possible le fonctionnement autonome à l’avenir.

  • Création d’un “port idéal”

Au-delà des technologies d’automatisation, des processus et du cadre juridique obligatoire, l’équipe de recherche a identifié un autre moyen de gagner du temps et de l’argent dans les opérations ferroviaires du port : la conception d’une infrastructure portuaire devant permettre un minimum de manœuvre. Ce concept de “port idéal” nécessite des trains de blocs sur terminaux.

À cette fin, il est nécessaire que chaque terminal du port dispose d’un nombre suffisant de voies de chargement rectilignes d’une longueur de 700m et que les trains soient préalablement assemblés et triés. « La mise en œuvre du concept de port de type idéal semble difficilement réalisable à Bremerhaven en raison de la croissance des infrastructures. Le résultat de projet central issu de Rang-E – le concept de port idéal-type – convient comme impulsion de recherche pour le développement futur de nouvelles installations portuaires ailleurs dans le monde », explique le professeur Dr. med.

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Automotrice avec batteries en service commercial en Autriche

Course contre la montre entre Alstom et Siemens ? L’automotrice Cityjet Eco développée par Siemens Mobility a mené son premier service de transport de passagers en Haute-Autriche sur la Donauuferbahn.

Alors qu’Alstom a mis en service depuis septembre 2018 ses premières rames hybrides à hydrogène, Bombardier et Siemens ont opté pour les batteries. La rame de Siemens est une Desiro ML Cityjet Eco alimentée par batteries au lithium-titanate (technologie LTO – linear tape-open). Les batteries ont une capacité de 528 kWh et peuvent être chargées plus rapidement que les batteries lithium-ion. Comparées aux batteries lithium-ion classiques, ces batteries modifiées permettent des courants de charge nettement plus élevés pour une charge rapide.

La voiture centrale contient trois blocs de batteries, le système de refroidissement, deux convertisseurs CC / CC, un refroidisseur de batterie et d’autres composants électroniques.  Les batteries sont rechargées sur les sections électrifiées par le biais du pantographe avec l’électricité verte des lignes classiques. Grâce à un concept thermique spécial pour les conteneurs de batterie, il est prévu que les conditions météorologiques extérieures n’auront aucune influence sur la durée de vie de la batterie et sur son état de charge. La durée de vie des piles serait d’environ 15 ans. L’utilisation de ces batteries réduirait les émissions de CO2 selon Siemens de 50%. Le Desiro ML Cityjet Eco peut se déplacer à une vitesse maximale de 140 km / h sur des pistes électrifiées et peut atteindre une vitesse maximale de 120 km / h en mode batterie. L’autonomie sous batteries serait limitée à environ 80-90 kilomètres.

Cityjet Eco est la solution encouragée par les ÖBB pour des services de train sur les lignes non électrifiées, en remplacement de la motorisation diesel. 1 300 km de lignes ne sont pas électrifiés et fonctionnent par trains diesel. Il était prévu de passer à la propulsion par batterie ou à l’hydrogène dans cette région de la Haute-Autriche, qui dispose du plus grand nombre de liaisons non électrifiées. Par rapport aux véhicules diesel, le Cityjet Eco peut être exploiter sur les sections non électrifiées de la Basse-Autriche avec pratiquement aucun bruit ni émission. « Avec le Cityjet Eco nous faisons un pas de plus pour environ 350 kilomètres de lignes non-électrifiées en Haute-Autriche que nous pouvons exploiter de manière respectueuse pour l’environnement », a déclaré Michaela Huber, à la tête de ÖBB-Personenverkehr AG.

Le conseiller en infrastructures Günther Steinkellner enchaîne : « En Haute-Autriche, nous souhaitons investir de manière durable dans notre infrastructure ferroviaire avec les ÖBB. Toutefois, l’extension prévue des lignes de chemin de fer régionales électrifiées ne peut pas être réalisée du jour au lendemain. Donc des solutions temporaires comme le Cityjet Eco permettent déjà de nous apporter une contribution de grande valeur écologique », explique Arnulf Wolfram, PDG de Siemens Mobility Autriche. « Les résultats de nos recherches et les tests en cours pour des opérations avec voyageurs ont montré qu’une batterie électro-hybride demeure la meilleure technologie pour l’utilisation mixte de trains sur les lignes autrichiennes non-électrifiées. Cette innovation augmente l’attrait du transport public pour l’environnement ».

Face à la technologie hydrogène adoptée par Alstom, il est beaucoup trop tôt pour faire une comparaison raisonnée des deux technologies. Disons simplement que Siemens est bien implanté en Autriche depuis des décennies, et que la firme fait le forcing pour rester dans la course avec les nouvelles propulsions…

Le Cityjet Eco sera régulièrement opérationnel en Haute-Autriche du 17 octobre au 15 novembre, en semaine, sur la Donauuferbahn de et vers Linz, sur l’Almtalbahn (jusqu’à Sattledt) et sur le Hausruckbahn. L’objectif est d’utiliser les résultats du projet pilote pour développer une solution en série sur plusieurs lignes non électrifiées. Siemens travaille déjà sur la variante de batterie de la nouvelle génération de trains électriques Mireo Plus B, où B signifie batterie.

Le comportement du train électro-hybride dans les opérations ferroviaires fait partie du programme d’essais qui déterminera la disponibilité de ces trains sur le réseau ÖBB. Dans le cadre du projet, des sites potentiels pour les stations de charge seront identifiés afin d’offrir une alternative à la traction diesel. ÖBB a annoncé son intention de mettre en œuvre des projets et des solutions pour atteindre une énergie de traction 100% verte et, d’ici 2050, vise à devenir un opérateur neutre en CO2.

 

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