Solutions

Les solutions de traction verte d'Alstom : des technologies durables pour les voies ferrées non électrifiées

Le choix de la technologie de traction par batterie ou par hydrogène pour l'exploitation sans caténaire

Les technologies de propulsion par batterie et par hydrogène sont des alternatives crédibles et complémentaires au diesel. Chaque technologie a son propre usage, en fonction du contexte opérationnel et des spécifications techniques. Au-delà des exigences fonctionnelles, plusieurs autres facteurs influencent le choix de la technologie appropriée, tels que les coûts d'exploitation et l'investissement. C'est pourquoi une approche fondée sur le coût total de possession et sur l'empreinte environnementale doit être prise en compte lors du choix technologique, en tenant compte de la disponibilité de l'infrastructure et de l'achat des véhicules.

Exigences en matière d'infrastructure

De matière générale, les trains à batterie conviennent mieux aux lignes courtes, tandis que les trains à hydrogène sont plus adaptés à l'autonomie opérationnelle requise pour couvrir des lignes non électrifiées plus longues. Les trains électriques à batterie nécessitent une capacité de charge suffisante via des lignes aériennes ou des solutions de charge dédiées dans les gares et les dépôts. Quant à la mobilité à l'hydrogène, elle nécessite une production locale d'hydrogène et une logistique de distribution.

Facteurs influençant le coût du système

Le coût d'exploitation des trains à hydrogène dépendra de l'évolution de l'ensemble de l'écosystème hydrogène d'un pays. Cet écosystème devrait être accessible aux opérateurs des train ainsi qu'aux autres consommateurs, ce qui favorisera le développement de l'infrastructure et de la logistique de l'hydrogène. Pour les lignes de trains à batterie, l'installation de nouvelles stations de recharge connectées au réseau de moyenne ou basse tension existant permet d'optimiser l'investissement, car elles peuvent être installées plus facilement que les systèmes à caténaires. Alstom vise à proposer des trains à traction verte alimentés par des sources d'énergie vertes, pour réduire davantage les émissions du puits à la roue, dont les coûts devraient continuer à baisser.

Capacité ciblée

Le volume actuel ou prévu du trafic sur les lignes concernées doit être pris en compte. A partir de plus d'un train par heure sur un segment donné, le choix de l'électrification par caténaires est justifié, même s'il s'agit du choix d'infrastructure le plus coûteux. Les véhicules sans caténaire constituent une alternative plus économique sur les lignes à faible densité.

Topographie et conditions climatiques

La topographie et les conditions climatiques des lignes en question influencent l'autonomie opérationnelle des voitures sans caténaire.

•Des températures très élevées ou très basses exigent un refroidissement ou un chauffage approprié des compartiments et de la cabine de conduite, ainsi que des systèmes de batteries et des piles à combustible, ce qui influe sur la quantité d'énergie utilisée pour alimenter les moteurs.

•La topographie d'une ligne influe sur la plage d'autonomie : la pente et la longueur des pentes (par exemple, en montagne) influencent non seulement la quantité d'énergie nécessaire, mais aussi la quantité supplémentaire d'énergie de freinage récupérée et donc économisée.

  • Exigences en matière d'infrastructure

    De matière générale, les trains à batterie conviennent mieux aux lignes courtes, tandis que les trains à hydrogène sont plus adaptés à l'autonomie opérationnelle requise pour couvrir des lignes non électrifiées plus longues. Les trains électriques à batterie nécessitent une capacité de charge suffisante via des lignes aériennes ou des solutions de charge dédiées dans les gares et les dépôts. Quant à la mobilité à l'hydrogène, elle nécessite une production locale d'hydrogène et une logistique de distribution.

  • Facteurs influençant le coût du système

    Le coût d'exploitation des trains à hydrogène dépendra de l'évolution de l'ensemble de l'écosystème hydrogène d'un pays. Cet écosystème devrait être accessible aux opérateurs des train ainsi qu'aux autres consommateurs, ce qui favorisera le développement de l'infrastructure et de la logistique de l'hydrogène. Pour les lignes de trains à batterie, l'installation de nouvelles stations de recharge connectées au réseau de moyenne ou basse tension existant permet d'optimiser l'investissement, car elles peuvent être installées plus facilement que les systèmes à caténaires. Alstom vise à proposer des trains à traction verte alimentés par des sources d'énergie vertes, pour réduire davantage les émissions du puits à la roue, dont les coûts devraient continuer à baisser.

  • Capacité ciblée

    Le volume actuel ou prévu du trafic sur les lignes concernées doit être pris en compte. A partir de plus d'un train par heure sur un segment donné, le choix de l'électrification par caténaires est justifié, même s'il s'agit du choix d'infrastructure le plus coûteux. Les véhicules sans caténaire constituent une alternative plus économique sur les lignes à faible densité.

  • Topographie et conditions climatiques

    La topographie et les conditions climatiques des lignes en question influencent l'autonomie opérationnelle des voitures sans caténaire.

    •Des températures très élevées ou très basses exigent un refroidissement ou un chauffage approprié des compartiments et de la cabine de conduite, ainsi que des systèmes de batteries et des piles à combustible, ce qui influe sur la quantité d'énergie utilisée pour alimenter les moteurs.

    •La topographie d'une ligne influe sur la plage d'autonomie : la pente et la longueur des pentes (par exemple, en montagne) influencent non seulement la quantité d'énergie nécessaire, mais aussi la quantité supplémentaire d'énergie de freinage récupérée et donc économisée.

Optimisation de la conception des trains pour une meilleure consommation d'énergie

Le dimensionnement des piles à combustible et le stockage de l'hydrogène, ainsi que la taille et le type de batterie, la charge rapide et la conversion d'énergie, doivent tenir compte des besoins énergétiques des systèmes d'exploitation, des systèmes de refroidissement et des auxiliaires. Alstom définit le bon équilibre en utilisant son propre outil numérique de calcul de l'énergie.

La chaleur résiduelle réutilisée pour la climatisation et l'énergie cinétique renvoyée dans la batterie des trains à batterie et à hydrogène réduisent également la consommation totale d'énergie du train.

L'aérodynamique et le poids du train sont optimisés pour une meilleure consommation d'énergie pendant le service, soutenue par l'intégration des différents composants dans les systèmes de traction : Mitrac B™ pour les trains à batterie ou Mitrac H™ pour les trains à hydrogène.
En outre, la gestion intelligente de l'énergie permet de contrôler et de diriger le train afin d'assurer un service ininterrompu. Le système de recommandations au conducteur d'Alstom utilise les informations relatives au train, à la voie et à l'horaire pour déterminer la manière la plus économe de conduire le train tout en respectant l'horaire prévu.

Par exemple, le système permet de réduire jusqu'à 15 % la consommation d'énergie de traction, ce qui augmentera la portée opérationnelle des trains non alimentés par des caténaires.

Alstom a obtenu de la Commission européenne un financement au titre des projets importants d'intérêt européen commun (IPCEI Hy2Tech) pour poursuivre le développement de piles à combustible à hydrogène et du stockage de l'hydrogène, ainsi que des batteries et des convertisseurs dédiés aux applications de mobilité lourde.

Reconversion écologique du matériel roulant existant

Le catalogue FlexCare Modernise™ d'Alstom propose un re-tractionnement vert sans émissions directes de carbone pour le matériel roulant existant, en remplaçant le diesel par des solutions à base d'hydrogène et de batteries. Pour les clients cherchant à réduire leur consommation de diesel et les émissions de CO2 liées à l'exploitation des trains, nous proposons un re-tractionnement qui consiste à moderniser la traction diesel en la combinant de technologies de batterie ou d'hydrogène.

Avantages du re-tractionnement écologique

Le re-tractionnement du matériel roulant existant permet aux exploitants de respecter les nouvelles normes environnementales, de diminuer la consommation d'énergie et de réduire les émissions. Nos clients peuvent capitaliser sur leur matériel roulant existant tout en réduisant les coûts et en devenant plus durables.

Le re-tractionnement peut également être utilisé pour prolonger la durée de vie d'un train, ce qui permet aux clients d'améliorer les performances et de réduire la consommation d'énergie et l'impact sur l'environnement tout en ajoutant 20 ans de durée de vie utile à un train existant. À partir d'une étude de faisabilité sur la réduction des émissions, les coûts et les performances de la flotte, Alstom construira un prototype/pilote pour les essais afin de trouver la solution la plus adaptée aux besoins du client.

Stations de charge et de ravitaillement pour les trains à hydrogène et à batterie et leurs écosystèmes

Les analyses de rentabilité des véhicules électriques à batterie et à hydrogène, ainsi que les performances opérationnelles, dépendent davantage des solutions de recharge que les trains diesel, en induisent une gestion plus complexe. Fort de sa connaissance du matériel roulant et de ses premières expériences avec ces nouvelles technologies de traction, Alstom peut proposer un portefeuille de produits et de services de solutions de recharge en partenariat avec des entreprises spécialisées.

Nous nous engageons à élargir notre offre pour soutenir l'introduction de la traction par hydrogène et par batterie en fonction des besoins des clients (réduction de la consommation d'énergie ou la fourniture d'une solution de charge rapide...)

Solutions de charge de batterie

Au cours des 20 dernières années, Alstom a développé un portefeuille de solutions d'infrastructure électrique pour faciliter l'intégration des véhicules dans leurs environnements opérationnels, tels que les centres-villes pour les applications de tramway. Cette offre comprend des solutions d'alimentation électrique au sol - telles que nos technologies APS™ et SRS™, notre sous-station électrique réversible avancée Hesop™, des lignes aériennes, ou encore la recharge en îlots ou en dépôt.

En outre, Alstom développe un portefeuille de solutions de charge statique et dynamique pour les trains à batterie ainsi que les outils de gestion associés avec des partenaires clés du secteur. Ce portefeuille comprendra :

  • la prise en compte du transfert d'énergie par caténaire et pantographe, par prise ou sans fil
  • l'inclusion de solutions dynamiques et statiques, en fonction de l'équipement du véhicule (pantographe), de la modalité de charge, de la puissance maximale nécessaire ou encore de l'accessibilité aux zones de charge
  • une approche systémique entre la batterie de traction du véhicule et la station de recharge afin de trouver le meilleur compromis entre le stockage d'énergie à bord du véhicule, le nombre de stations de recharge, leur emplacement et la puissance maximale disponible.

Solutions de ravitaillement en hydrogène

Fort de son expérience dans l'introduction des premières flottes de véhicules à hydrogène au monde pour le transport commercial de passagers, Alstom permet une transition en douceur du diesel au ravitaillement en hydrogène dans le monde entier, en collaboration avec des partenaires clés du secteur de l'hydrogène, avec:

  • la fourniture d'outils nécessaires à la gestion de l'influence des variations climatiques sur la température de l'hydrogène et sur le temps de ravitaillement
  • l'application dune approche systémique optimale entre le système de stockage de l'hydrogène à bord du véhicule et la station de ravitaillement pour faire face aux phénomènes physiques pendant les opérations de ravitaillement, tels que les hausses de température et les baisses de pression
  • la prise en compte du calendrier de l'opérateur ferroviaire pour dimensionner la capacité de compression de la station de ravitaillement en hydrogène et le stockage haute pression sur site
  • la collaboration avec les principaux acteurs du secteur sur les protocoles de ravitaillement et les technologies de communication entre le véhicule et la station, afin de créer des solutions de qualité et de participer à la définition de normes internationales

Technologie à batteries

Plus de 20 ans d'expérience dans les technologies de batteries

Nos solutions de modernisation verte permettent aux clients d'atteindre de nouveaux niveaux de flexibilité opérationnelle en convertissant les flottes existantes. Les solutions de modernisation existantes permettent de remplacer une traction diesel par une traction électrique à batterie et également d'améliorer les trains électriques à l'aide de batteries de traction.

Nos solutions de batteries haute performance sont conçues pour une longue durée de vie et différentes méthodes de recharge sont possibles, en fonction du programme d'exploitation du train : stations de recharge fixes, recharge de nuit en dépôt ou recharge rapide à l'aide de pantographes fixes ou flexibles pendant les arrêts en gare ou à via les lignes aériennes pendant la conduite. La méthode de recharge choisie influence le choix de la technologie et de la taille des batteries.  

La durabilité est une considération essentielle tout au long de la chaîne de valeur, les batteries étant composées à 95 % de matériaux recyclables. L'utilisation en seconde vie peut être envisagée pour des applications spécifiques en fonction du projet du client.

Alstom Coradia Continental battery train for VMS (Verkehrsverbund Mittelsachsen) near Scharfenstein castle, Saxony, Germany in August 2023
Le train régional Coradia Continental™ BEMU d'Alstom pour VMS rechargé en station de charge fixe aérienne

Alstom produit des trains à batterie pour les réseaux régionaux et périurbains connus sous le nom d'unités multiples électriques à batterie (BEMU). Le dimensionnement et l'optimisation du groupe motopropulseur des trains de passagers dépendent de divers paramètres tels que la longueur et la topographie de la ligne non électrifiée, ainsi du planning d'exploitation. Alstom est capable d'optimiser son système de traction par batterie en utilisant son outil avancé de suivi de la consommation d'énergie, capable de simuler le comportement des trains dans des conditions spécifiques au client. Par exemple, les taux d'accélération élevés en gare dans les zones urbaines nécessitent plus d'énergie tandis que dans les zones périurbaines la présence de nombreuses stations sur une ligne entraîne la fourniture d'énergie cinétique lors du freinage qui est ensuite réinjectée dans la batterie. En outre, les trains sont plus efficaces sur le plan énergétique lorsqu'ils roulent à vitesse constante sur des voies régionales plus longues. De plus le système d'aide à la conduite d'Alstom peut fournir des recommandations.

Collaborators from Services in Tarbes, France
Employé de l'activité Services d'Alstom à Tarbes, France

 

Nos solutions de modernisation verte permettent aux clients d'atteindre de nouveaux niveaux de flexibilité opérationnelle en convertissant les flottes existantes. Les solutions de modernisation existantes remplacent le diesel par une traction électrique à batterie et améliorent les trains électriques avec des batteries de traction.

Technologie hydrogène

Des solutions novatrices pour la traction par hydrogène

Un train alimenté à l'hydrogène peut parcourir jusqu'à 1 000 km, est silencieux et confortable et ne rejette que de l'eau. Les véhicules fonctionnant à l'hydrogène peuvent parcourir de plus longues distances que les véhicules à batterie. Nos trains à hydrogène, qui ont déjà fait leurs preuves, ont parcouru plus de 1,5 million de kilomètres en service passagers dans 10 pays. Alstom investit également dans le développement de piles à combustible pour les trains, avec l'acquisition de HELION Hydrogen Power.

Les trains à hydrogène doivent être ravitaillés en hydrogène à partir de stations de ravitaillement fixes ou mobiles. L'hydrogène est stocké à bord du train dans des réservoirs spéciaux qui répondent à toutes les exigences de sécurité. L'utilisation d'hydrogène vert est recommandée pour limiter davantage les émissions locales directes de CO2 pendant les opérations.

Train à hydrogène Coradia iLint - le premier train de passagers à hydrogène au monde

Depuis 2022, deux flottes alimentées à l'hydrogène sont en service régulier en Allemagne : 14 trains dans la région allemande de Basse-Saxe et 27 trains dans la région métropolitaine de Francfort. Le Coradia iLint a été utilisé avec succès dans neuf autres pays, dont le Canada et l'Arabie saoudite.

En septembre 2022, un Coradia iLint a parcouru avec succès 1 175 kilomètres sans ravitaillement en hygrogène. Ce record a démontré l'efficacité des solutions à base d'hydrogène pour le transport de passagers sur de longues distances.

  • Coradia Stream H pour FNM

    Coradia Stream H pour FNM

    En 2020, 6 trains à hydrogène Coradia Stream H™, avec une option pour 8 autres, ont été vendus à FNM en Italie. En 2023, 2 trains supplémentaires ont été commandés dans le cadre de l'option. Le premier entrera en service commercial de passagers dans la région de Lombardie en Italie en 2024. Il s'agira des premiers trains à hydrogène opérationnels en Italie. En décembre 2023, 2 trains Coradia Stream H ont été commandés par la région italienne des Pouilles (FSE).

  • Coradia iLint pour LNVG, Allemagne

    Coradia iLint pour LNVG, Allemagne

    En 2017, Alstom a remporté un contrat auprès de LNVG pour la livraison de 14 trains à pile à combustible. Pour ce projet, Alstom s'est associé à la société de gaz et d'ingénierie Linde pour fournir l'hydrogène. Le premier train a été livré en 2022.

  • Coradia iLint pour RMV, Allemagne

    Coradia iLint pour RMV, Allemagne

    En 2019, fahma, filiale de RMV, a commandé 27 trains à pile à combustible. Outre les trains, la commande comprenait également la fourniture d'hydrogène, la maintenance et la mise à disposition de capacités de réserve pour les 25 prochaines années. La livraison a commencé en 2022.

Pour aller plus loin