Selon une nouvelle étude, la conversion des locomotives diesel-électriques en locomotives à batterie est réalisable et présente de nombreux avantages.
Les locomotives restent un moyen rapide et efficace de transporter des marchandises par voie terrestre. La faible résistance au roulement de l’acier sur l’acier sera toujours supérieure à celle du caoutchouc sur la route, et la possibilité de tirer de longues chaînes de wagons de marchandises, étroitement liées les unes aux autres, confère également aux trains un avantage aérodynamique important. Sans parler du fait que l’ensemble du système ferroviaire est construit autour de la conservation de l’énergie, en évitant les pentes lorsque cela est possible et en conservant l’élan en utilisant le moins d’arrêts possible.
Mais si certaines régions ont largement réussi à électrifier leurs systèmes ferroviaires, d’autres persistent à utiliser des locomotives diesel, qui sont en grande partie responsables de près d’un ½ % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, soit environ 250 millions de tonnes d’équivalent CO2 chaque année, selon l’OWID. Il faudra y remédier dans la course au « zéro émission » d’ici à 2050.
Équiper les infrastructures ferroviaires de lignes aériennes pourrait avoir du sens dans certaines régions, mais aux États-Unis, où presque toutes les infrastructures ferroviaires sont privées, où les distances sont longues, où de nombreuses régions sont peu peuplées et où le gouvernement n’a pas fait grand-chose pour encourager l’électrification, moins de 1 % du réseau ferroviaire est électrifié, et ce type d’infrastructure semble être une solution impossible à mettre en œuvre.
Une nouvelle étude parue dans Nature Energy chiffre une alternative : les locomotives électriques à batterie qui transportent leur propre énergie. Ces locomotives commencent déjà à voir le jour avec des initiatives telles que la FLXDrive de Wabtec, la première locomotive au monde alimentée à 100 % par des batteries, qui a terminé un essai de trois mois au début de l’année avec 2,4 MWh de batteries à bord.
La locomotive FLXDrive de Wabtec est décrite comme la première locomotive au monde alimentée à 100 % par des batteries.
Étant donné que les locomotives diesel d’aujourd’hui sont généralement équipées de systèmes d’entraînement électriques, utilisant le moteur diesel comme générateur, il n’est pas difficile de les convertir à l’alimentation par batterie en courant continu. Il suffit d’avoir une grosse batterie et le câblage nécessaire pour la connecter au système d’entraînement.
Dans le nouveau document d’étude, l’équipe propose de fixer des wagons de batteries dédiés derrière la locomotive. Selon les calculs de l’équipe, chaque wagon pourrait tirer jusqu’à 14 MWh de stockage d’énergie sous la forme de batteries au phosphate ferreux de lithium à longue durée de vie. Il est possible d’utiliser plusieurs locomotives, et/ou plusieurs wagons couverts de batteries, pour alimenter un train donné.
Cette étude analyse la consommation d’énergie, les aspects pratiques et économiques d’un train théorique circulant en Californie, utilisant quatre locomotives de 3,3 mégawatts tirant 100 wagons couverts et 6 806 tonnes de marchandises payantes, alimentées par un seul wagon couvert de batteries.
Elle constate que ce seul gros bloc de batteries suffit à atteindre une autonomie de 241 km, ce qui correspond à la distance moyenne entre les arrêts des trains de marchandises de classe 1 aux États-Unis. Selon l’équipe, le poids du wagon à batteries augmente la consommation d’énergie du train d’environ 5 %, mais la consommation d’énergie globale du train est environ deux fois moins élevée que celle d’un train diesel-électrique typique, grâce au rendement élevé des batteries et à la possibilité de récupérer une partie de l’énergie de freinage dans le système.
Les wagons à batteries pourraient être rechargés à chaque arrêt pendant le chargement, le déchargement et le changement d’équipage, en supposant qu’un chargeur rapide puisse être fourni. Cela prendrait entre 30 et 60 minutes avec la technologie de charge 2C existante. Une autre solution consiste à remplacer le véhicule par un nouveau véhicule, ce qui signifie que peu d’infrastructures sophistiquées seraient nécessaires et qu’une batterie usagée pourrait se recharger lentement jusqu’à la prochaine utilisation.
En termes d’économie, l’équipe a calculé le coût total de possession (TCO) des locomotives électriques à batterie et des locomotives diesel-électriques sur 20 ans, et a constaté que les locomotives électriques à batterie devraient coûter entre 6,47 et 8 millions de dollars US chacune, la part du lion étant absorbée par les coûts de la batterie et de l’infrastructure de chargement. Les moteurs diesel coûteront environ 5,85 millions de dollars chacun, la majeure partie de cette somme étant consacrée au carburant et à l’entretien.
Mais cela suppose qu’il n’y ait pas de coûts liés aux dommages environnementaux – si ceux-ci sont perçus « dans l’hypothèse d’une poursuite de la mise en œuvre de la règle Tier 4 de l’EPA », selon les chercheurs, le coût total de possession d’une locomotive diesel pourrait atteindre 11,83 millions de dollars.
Si l’ensemble du secteur ferroviaire américain électrifie ses flottes de cette manière, l’équipe souligne que le pays disposera effectivement de quelque 200 gigawattheures de stockage d’énergie modulaire et mobile, dont des parties pourront être déposées dans des zones sinistrées souffrant d’une perte d’électricité due à des phénomènes météorologiques extrêmes. Il n’est pas nécessaire que le système ferroviaire s’arrête ; les moteurs diesel sont toujours à bord, prêts à fonctionner si nécessaire. Lorsqu’ils sont connectés au réseau pour être rechargés, ils pourraient également fournir de précieux services d’équilibrage de la charge en réponse rapide. Ces deux services pourraient devenir des sources de revenus.
Il existe évidemment d’autres possibilités d’énergie propre pour le rail, notamment l’hydrogène. Selon les chercheurs, une locomotive à pile à hydrogène, comme celle qui a fait ses débuts il y a trois ans en Allemagne, pourrait être déployée pour un coût inférieur de moitié environ à celui d’un train à batteries, car elle permettrait d’éviter les coûts initiaux élevés des batteries et la nécessité de construire une infrastructure de recharge. Toutefois, même dans les hypothèses les plus prudentes, le coût total de possession serait à peu près équivalent à celui d’un train à batteries d’ici 2050.
Il est également possible de convertir les locomotives diesel pour qu’elles fonctionnent à l’ammoniac, ce qui rendrait le stockage d’énergie plus petit et plus léger que l’hydrogène ou les batteries. L’ammoniac simplifierait également la logistique du ravitaillement en carburant. En revanche, l’ammoniac vert sera plus cher que l’hydrogène, et sa combustion sera moins efficace que celle de l’hydrogène dans une pile à combustible. L’étude ne mentionne pas l’ammoniac comme alternative et ne tente pas de comparer les prix.
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00915-5
