Train à hydrogène

L'hydrogène peut alimenter tous les types de transport ferroviaire : train de banlieue ; train de voyageurs; transport de marchandise ; métro léger ; transport en commun rapide ; chemins de fer miniers (aériens ou souterrains) et autres réseaux privés ou étatiques de voies ferrées industrielles ; tramways ou encore petits trains spéciaux de découverte de parcs, musées, aires naturelles etc.

• Le mot « hydrail » (combinant le mot hydrogène et le mot rail) est surtout utilisé par les anglophones. Il semble avoir été mentionné pour la première fois le 22 août 2003 dans une présentation invitée, au Volpe Center (un centre de recherche dédié aux transports, basé à Cambridge dans le Massachusetts), par Stan Thompson (prospectiviste et planificateur stratégique de la société américaine de télécommunications AT&T) lors d'un exposé intitulé Mooresville Hydrail Initiative[8].
  Cependant, selon les auteurs Stan Thompson et Jim Bowman, le terme a été imprimé pour la première fois le 17 février 2004 dans le Journal international de l'hydrogène (International Journal of Hydrogen Energy comme « mot-clé » pour les moteurs de recherche permettant aux chercheurs et aux techniciens du secteur du rail et/ou de l'hydrogène de faire connaitre et trouver plus facilement les travaux de cette discipline émergente, dans le monde entier[9].

• hydrolley est un néologisme (pour « hydrogen trolley ») désignant un tramway utilisant l’hydrogène comme source d’énergie, inventé à la quatrième conférence internationale Hydrail de Valence (Espagne) en 2008, comme mot clé simplifié pour les moteurs de recherche. Le tramway peut alors se passer de caténaires sur tout ou partie de la ligne, ce qui diminue les couts de construction et d’entretien de la ligne, ainsi que la gêne visuelle et les coûts d’électrification et de maintenance de la voie. « Hydrolley » a été préféré à « hydrail light rail » ou à une autre combinaison pouvant évoquer une électrification externe (janvier 2018).

• En 2002 : une première locomotive minière de 3,6 tonnes, 17 kW, a été développée pour Placer Dome, présentée à Val-d'Or, au Québec[10].
• Depuis 2005, des conférences internationales annuelles « Hydrail » ont été organisées par l'Université d'État des Appalaches et la Chambre de commerce de Mooresville South Iredell, en collaboration avec des universités et d'autres entités. Ces conférences se proposent de réunir des scientifiques, des ingénieurs, des chefs d'entreprise, des experts industriels et des opérateurs travaillant ou utilisant les technologies de l'hydrogène au service du rail, dans le monde entier pour accélérer et amplifier leur déploiement pour des raisons environnementales, climatiques, de sécurité énergétique, mais aussi de développement économique. De 2005 à 2018, ces conférences ont réuni des organismes nationaux, provinciaux et d'État des États-Unis, d'Autriche, du Canada, de Chine, du Danemark, d'Allemagne, de France, d'Italie, du Japon, de Corée, de Russie, de Turquie, du Royaume-Uni, de l'Union européenne et des Nations-Unies (ONUDI-ICHET). À leurs début ces rencontres étaient largement dominées par les acteurs et domaines universitaires mais à partir de 2013, un nombre croissant d'entreprises et d'industriels s’y sont rendus[11].
• En 2006 ; Le premier train à hydrogène au monde est mis au point par East Japan Railway Company[12]^,[11].
  En octobre 2006, le Railway Technical Research Institute au japon teste un train inter-cité à pile à hydrogène (70 tonnes)[13] ;
• En 2007 (avril), le mini-train à hydrogène du Musée national des sciences et technologie de Taiwan et le partenariat sur les piles à combustible de Taiwan produisent un premier parcours pédagogique sur ce thème[14]. Cette même année, l'Institut japonais de recherche technique des chemins de fer a construit au Japon deux trains de tourisme de 62 tonnes, chacune avec une pile à combustible de 450 kW PEM et une batterie de 150 kW ;
• En 2008, la East Japan Railway Company a testé au Japon dans la région de Nagano, durant une courte période, son NE Train hybride expérimental, équipé de 2 piles à combustible à PEM de 65 kW et d’une batterie lithium-ion 19 kWh (pendant une courte période |date=Janvier 2018 ;
• En 2009, BNSF Railway a dévoilé son projet « Vehicle Projects HH20B », une Locomotive de manœuvre alimentée par des piles à combustible à hydrogène, développée conjointement avec le US Army Corps of Engineers et Vehicle Projects Inc.[15] It reportedly performed its first run during 2010[11].
• En 2010 : une ligne de train à hydrogène (hydrail) à grande vitesse (357 km/h) est proposée en Indonésie[16]. La liaison ferroviaire (en cours d’étude de faisabilité), relierait plusieurs villes de Java avec un train à sustentation magnétique à hydrogène[17]^,[18] ;
• en 2011, FEVE et l’Université de Valladolid (CIDAUT) ont lancé the FC Tram H2 Project dans les Asturies à l'aide d'un FABIOLOS série 3400 reconverti de la SNCV[19]^,[11]. Il peut transporter jusqu'à 30 passagers à une vitesse maximale de 20 km/h.
• Dans les années 2010, les piles à hydrogène, ainsi que les équipements de production d’hydrogène ont été testés ou utilisés en routine par divers pays (dont Chine, Allemagne, Japon, Taïwan, Royaume-Uni et États-Unis).

La plupart de ces technologies peuvent (ou pourront) aussi être adaptée et utilisées par d'autres formes de transports (dont les transports routiers ou maritimes[11]^,[8].

• En 2012, le projet de train à l'hydrogène du Danemark prépare un projet de construction du premier train d'Europe alimenté à l'hydrogène et utilisant un moteur à combustion interne[20]^,[21] ; là, dans le cadre du mini-train Hydrogen Pioneer Train de l'Université de Birmingham, un Groupe motopropulseur est aussi mis à l'échelle pour un test de configuration[22]^,[23]^,[24].
  L’Anglo American Platinum (Amplats) en Afrique du Sud et Vehicle Projects Inc. ont lancé à la mine Dishaba 5 locomotives PEMFC Trident nouvelle génération dotées d'un stockage réversible en hydrure métallique (pour des essais)[25]^,[26] ;
• De 2012 à 2014, le concept d'hydrail est testé en Chine (pile à combustible à membrane échangeuse de protons)[24]. En novembre 2010, l’Université Jiaotong du Sud-ouest avait déjà présenté un premier prototype d’Hydrail[27] ;
• En 2014, les États allemands de Basse-Saxe, de Rhénanie-du-Nord-Westphalie, du Bade-Wurtemberg et les autorités responsables des transports en commun de Hesse signent une lettre d'intention avec Alstom Transport pour des essais avec deux trains Alstom Coradia à pile à combustible avant 2018[28] ;
• En 2015, l'Université de Warwick commence à travailler sur une locomotive à hydrogène. Et Cette même année, le tramway du centre-ville d'Oranjestad à Aruba entre en service; Le Downtown Dubai Trolley Project était aussi annoncé devoir entrer en service autour de Burj Khalifa et du Dubai Mall à Dubaï[29]. En 2015, CSR Sifang Co Ltd. présente son premier tramway de 380 passagers à Qingdao (Chine)[30] ;
• En 2016 CRRC TRC(Tangshan) a mis au point le premier tramway commercial au monde (type hybride à pile à combustible) et a achevé son premier essai (opération de démonstration de tourisme industriel de Nanhu en 2017).
  En septembre 2016, Alstom annonce la sortie de son nouveau train iLint, produit dans son usine de Salzgitter. En novembre 2017, les autorités de transport locales de l'État de Basse-Saxe passent commande de 14 trains iLints. Les essais et la procédure d’homologation par l'Autorité fédérale des chemins de fer allemands Eisenbahn-Bundesamt ont débuté fin[31] ;
• En septembre 2017, Alstom propose au Royaume-Uni de tester un train alimenté par une pile à combustible à hydrogène sur la nouvelle ligne construite entre Liverpool et Chester (dès décembre 2018). Alstom installe à Halebank, près de la ligne, un point de collecte d’hydrogène fourni par la proche raffinerie de Stanlow[32] ;
• En 2018, en Allemagne, deux prototypes de trains Alstom Ilint entrent en service commercial dans la région de Buxtehude – Bremervörde – Bremerhaven – Cuxhaven. Le Schleswig-Holstein vise la desserte de 1 100 km de lignes via 60 trains hydrail iLint d'ici 2025[8]. À partir de janvier 2018, ces trains devraient tous être entretenus dans un dépôt de Bremervörde (1^er site de ravitaillement en hydrogène pour train). Cet hydrogène devrait être généré sur place grâce aux éoliennes locales[11].
• En septembre 2018, en Allemagne, le premier train de passagers commercial au monde fonctionnant à l'hydrogène, fabriqué par Alstom, entre en service en Basse-Saxe[33]^,[34].
• En mars 2018, le gouvernement de l'État du Sarawak (Malaisie) a proposé que le système de train léger sur rail de la capitale Kuching soit alimenté par des piles à combustible à hydrogène et qu'il soit achevé avant 2024[35].
• En novembre 2018 le député français Benoît Simian rend un rapport sur le train à hydrogène au gouvernement français qui souhaite déployer des trains à hydrogène en France[34].
• En septembre 2018 première mise en service mondiale d'un train à hydrogène en en Basse-Saxe (ligne Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde - Buxtehude) [36].
• Le 21 mai 2019 Alstom remporte un contrat de 27 trains en Hesse pour desservir la région de Francfort-sur-le-Main [37].
• Le 29 aout 2019 la SNCF annonce qu'elle devrait commander une quinzaine de trains, dont 3 destinés à la Région Occitanie dans le cadre de son programme régional programme "hydrogène vert" [38].
• Le 24 aout 2022 inauguration de dessertes en hydrogène sur les liaisons Cuxhaven - Bremerhaven - Bremervörde - Buxtehude (lignes Bremerhaven–Cuxhaven (de) et Bremerhaven–Buchholz (de)) avec des rames Alstom Coradia[39].

L’hydrogène est un élément commun et facile à trouver : par exemple l'eau, qui est formée de deux atomes d’hydrogène associée à un atome d'oxygène)[11], peut être hydrolysée en oxygène et en hydrogène via différents moyens dont le reformage à la vapeur (impliquant habituellement l'utilisation de combustibles fossiles) ou l'électrolyse (qui nécessite de grandes quantités d'électricité).

Il a été proposé de produire en continu de l'hydrogène pour alimenter des trains à hydrogène (hydrails) dans des gares (ou des centres de maintenance), rien que grâce à un approvisionnement constant en électricité et en eau. L’hydrogène serait ensuite pompé par le train et stocké dans des réservoirs sous pression[11]. Si l’installation est en excédent elle peut alimenter le réseau de gaz ou compresser l’hydrogène excédentaire pour d’autres usages.

Une fois isolé, l'hydrogène peut être utilisé de deux manières :

1. Utilisation directe comme carburant gazeux[11].
2. Utilisation dans une pile à combustible : Ce dispositif convertit l'énergie chimique contenue dans l'hydrogène pour générer de l'électricité, de l'eau et de la chaleur[11] . Son rendement (proche de 30 %) est à peu près équivalent à celui des moteurs diesel contemporains, mais moindre que celui la traction électrique conventionnelle utilisant des câbles caténaires aériens[11].
   Plus légère et de plus en plus performante, cette solution a accru la viabilité des véhicules fonctionnant à l'hydrogène. Mais la durée de vie de la pile est encore trop brève pour des trains à grande vitesse ou roulant sur de grandes distances (hormis comme source auxiliaire d’électricité). La technologie progresse néanmoins rapidement : ainsi l’entreprise Hydrogenics proposait en 2001 une pile à combustible de 25 kW pesait 290 kg pour une efficacité comprise entre 38 et 45 % (de rendement). En 2017 ses piles à combustible étaient plus puissantes et plus compactes (72 kg, avec un rendement de 48 à 55 %, soit une densité d'énergie multipliée par 5 environ)[11]. À ce jour la propulsion à hydrogène semble moins intéressante pour les locomotives de fret ou les trains à grande vitesse, et plus attrayante pour les applications de faible puissance (locomotives de manœuvre et petites unités[11]. Cependant le fait qu’il devient plus facile et rentable de produire de l’hydrogène avec le vent ou le soleil, et le fait que sa combustion n’émet que de la vapeur d’eau pourrait stimuler cette solution dans le secteur du rail[11]. La pile à combustible pourrait donc rapidement devenir l’une des techniques clés de la propulsion à l'hydrogène.

À partir de janvier 2017, la production d'hydrogène dans le monde a significativement augmenté, de même que sa disponibilité, augmentant son attrait. Produite par électrolyse, elle coûte encore à peu près le même prix que le gaz naturel mais près du double du fioul (alors moins taxé que l’essence) ; contrairement au moteur diesel utilisant le fioul, la propulsion à l'hydrogène ne produit aucune émission (hormis de la vapeur d'eau)[11].
En outre de l’hydrogène peut être produit à moindre coût aux heures creuses ou lors de surproduction électrique par des énergies intermittentes. Cela sera probablement l'une des pratiques les plus économiques à l’avenir.

La revue spécialisée The Railway Engineer a postulé que la prédominance croissante de l’énergie éolienne conduira à des excédents d’énergie électrique la nuit (ou en période venteuse et ensoleillée) ; excédent facilement converti en stocks d’hydrogène alors produit à coût raisonnable (par électrolyse)[11] ; selon Alstom, un parc éolien de 10 MW peut produire 2,5 t d'hydrogène/jour (de quoi alimenter 14 trains de type iLint circulant sur 600 km/jour[11]).

Si ce carburant doit être fortement développé, il nécessite cependant encore un réseau de distribution performant (qui implique d'importants investissements). Pour ce qui concerne les besoins des trains, l'hydrogène comprimé peut aussi être transporté par rail, et éventuellement desservir des péniches ou des camions sur des plateformes multimodales[11].

Le journal Railway Technology note que dans le passé l’industrie ferroviaire a été lente à adopter les nouvelles technologies, et que ses perspectives sont habituellement plutôt conservatrices. Mais il considère que des tests réussis à grande échelle par un utilisateur précoce (…qui pourrait être l’Allemagne par exemple, qui s’est lancée en 2018) pourrait faire surmonter les réticences et le traditionalisme des institutions ferroviaires[8].

Le « repowering » des locomotives (passage du diesel à l’hydrogène) présente l’avantage d'alléger les motrices et de les rendre non-polluantes tout au long de la voie ferrée. C’est aussi un moyen de diminuer la consommation globale d’énergie du train par rapport à la traction conventionnelle a conclu une étude faite par un consortium réunissant Hitachi-Rail Europe, l'Université de Birmingham et Fuel Cell Systems Ltd. (ex : jusqu’à 52 % d’économies sur la ligne Norwich - Sheringham au Royaume-Uni d’après une simulation[11]).

Des innovations technologiques sont attendues dans ce domaine ; par exemple en 2013 a été mis en place le 1^er système industriel capable de coupler dans une même unité la production par électrolyse et le stockage d'hydrogène solide (par McPhy Energy)[59]