Des trains sur batteries qui s'affranchissent - en partie - de la caténaire

La SNCF et les Régions disposent de 1000 rames fonctionnant au moins en partie au gasoil dont la durée de vie résiduelle est d'au moins 20 ans pour les plus anciens (X73500) et de 40 ans pour les plus récents (Régiolis bimodes). Le verdissement du transport régional semble donc d'abord passer par l'évolution de la motorisation des matériels existants.

Bombardier a présenté en marge d'Innotrans 2018 un Talent 3 hybride, s’affranchissant complètement de la motorisation thermique avec donc un mix « panto-batteries ». Cette rame expérimentale est dotée de 4 tonnes de batteries lithium-ion, rechargées lors des séquences sous caténaires et par la récupération au freinage. La puissance maximale disponible atteint 1 MW et autorise une accélération de 1,2 m/s² de 0 à 40 km/h même sur batteries. La vitesse maximale sur batteries est limitée à 140 km/h contre 160 km/h sous caténaire. L’autonomie entre deux recharges atteint environ 20 kilomètres. Il est possible de doubler l’équipement en batteries pour porter l’autonomie à une quarantaine de kilomètres.

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Usine Bombardier de Hennigsdorf - 21 septembre 2018 - En apparence, c'est un Talent3 classique mais il est équipé à titre expérimental de 4 tonnes de batteries pour pour circuler en autonomie sur une vingtaine de kilomètres, mais l'industriel mise sur un optimum de 8 tonnes sur ce matériel et sur le perfectionnement technologique des batteries pour en augmenter l'autonomie. © transportrail

Le surcoût d’exploitation par rapport à une rame électrique classique serait de l’ordre de 20%, mais de 40% inférieur par rapport aux autorails Diesel aujourd’hui indispensables aux lignes non électrifiées. Le bénéfice en termes d’émissions de gaz à effet de serre serait de l’ordre de 17%.

Bombardier ne cache pas s’intéresser au marché français avec la transformation des AGC bimodes qui pourrait judicieusement coïncider avec leur rénovation mi-vie. Un B81500 emporte 18 tonnes pour la chaine de traction Diesel, procurant une marge de manœuvre intéressante : le frein n’est pas le bilan des masses mais le coût des batteries. Avec 8 à 10 tonnes embarquées, l’autonomie pourrait atteindre au moins 80 km, avec la performance actuelle des batteries. Au passage, on notera l'allègement non négligeable du train, réduisant ses besoins énergétiques.

Avantages de l’AGC par rapport au Talent, l’installation des batteries sous les caisses d’extrémité et non en toiture (pas de reprise de consolidation de structure) et la chaîne de traction 1500 V plus facile à adapter. Sans compter que les batteries pourraient aussi être pilotées de sorte à réinjecter du courant dans la caténaire sur les zones aux installations faibles et/ou venir en appui de l’alimentation par ligne aérienne au démarrage sans trop solliciter le réseau électrique.

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Saint Léger sur Dheune - 17 juin 2017 - Apparus en 2004, les AGC bimodes ont ouvert une brêche importante en permettant l'usage de la traction électrique dès que possible sur des itinéraires non intégralement dotés de caténaires. Leur rénovation mi-vie sera-t-elle l'occasion de remplacer les moteurs Diesel par des batteries ? Il faudra assurément étudier l'implantation de zones électrifiées pour leur recharge, en utilisant le pantographe. © transportrail

En revanche, pour l'instant, la cible se limiterait aux éléments bimodes : les rames purement thermiques feront peut-être partie d'un autre lot, car la mutation apparaît un peu plus complexe.

Siemens suit le même credo avec un Desiro des ÖBB selon des principes similaires mais avec des batteries lithium-titane visant d’emblée une durée de vie de 15 ans à bord du train. Siemens motive son choix par la volonté d’adopter une solution optimisant la puissance rechargée sur le temps le plus court possible. Sur batteries, la rame prototype peut atteindre 120 km/h au lieu de 140 km/h avec une accélération de 0,77 m/s² contre 1 m/s² en mode électrique par caténaire. La rame devrait être mise en service commercial sur le réseau autrichien au second semestre 2019.

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Stratégie identique pour Siemens, qui exposait un Desiro City lui aussi doté de batteries, mais avec en outre une réflexion sur le type de batteries et leur durabilité à bord du train. La compétition est moins sur les principes que les modalités d'application. © transportrail

Cependant, l'implémentation de batteries n'est pas sans limites.

La durée de vie des batteries d'abord : elle oscille actuellement entre 5 et 7 ans, tend cependant à augmenter avec les progrès techniques. En fin de vie, l'objectif est de disposer d'une performance à 75% de la situation nominale d'un équipement neuf. Outre la question de l'impact environnemental de la production de batteries importées du continent asiatique (en partie par le retard industriel européen sur le sujet, privilégiant la rente à court terme des moteurs Diesel) où sont situées la majorité des terres rares nécessaires à leur fabrication, leur recyclage reste à inventer.

Les constructeurs annoncent des aptitudes de circulation comparables à un train électrique sous caténaires, mais la conception du matériel devra elle aussi évoluer pour rechercher toutes les pistes de réduction de la consommation d'énergie de trains de plus en plus dotés de fonctions consommatrices (prises 220 V, écrans d’information, Wifi etc…). Il faudra analyser la consistance et notamment la durée de l'effort demandé aux batteries. Là encore, le profil des lignes jouera beaucoup, comme le rapport fréquence - intensité de sollicitation des batteries.

Lyon - Clermont-Ferrand peut être un exemple significatif : une solution par batteries seules n'est pas la plus naturelle de prime abord par la rudesse du profil de la section non électrifiée, la vitesse assez élevée (140 km/h) sur la section St Germain des Fossés - Roanne et la longueur totale du parcours hors caténaires entre les deux Saint Germain (136 km).

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Tarare - 22 décembre 2014 - Cas d'école des choix énergétiques pour le transport régional : lorsque le parcours comporte une forte rampe (ici le col des Sauvages, à 28 pour mille), la performance d'un système à batteries, avec ou sans hydrogène, risque d'être singulièrement altérée, tandis que l'électrification conventionnelle reste pour l'instant handicapée par son coût... © E. Fouvreaux

Multiplier les batteries aura un coût et serait de toute façon bridé par les contraintes de charge à l'essieu, ce qui revient à limiter la solution pantographe - caténaire - batteries à des liaisons relativement courtes ou pouvant disposer de zones électrifiées intermédiaires. Cela pose aussi la question de la polyvalence des solutions à l'échelle des Régions pour maintenir un usage efficient du matériel roulant et éviter des morcellements in fine onéreux.

Quel champ d'action pour une formule hybride ?

L'autre solution en cours de développement en France, par Alstom avec le concours des Régions Nouvelle Aquitaine, Occitanie et Grand Est (16,6 M€), s'appuie sur un Régiolis bimode dont l’un des groupes Diesel serait remplacé par des batteries, l’autre étant transformé en générateur de courant. Il s’agirait donc d’une rame « bimode-bicourant hybdride » circulant en mode électrique soit par caténaire soit par les batteries. Celles-ci seraient rechargées lors des séquences sous caténaire, par l’énergie récupérée au freinage et par le moteur thermique. Cette rame devrait entrer en service commercial en 2021 en Occitanie.

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Molsheim - 30 janvier 2015 - Trois Régions vont participer à l'expérimentation de remplacement d'un des deux blocs-moteurs d'un Régiolis par des batteries, pour disposer d'un système de charge permanente des batteries et limiter le groupe thermique à un rôle de générateur. © transportrail

Le maintien d'un moteur thermique pourrait être compatible avec l'objectif d'élimination des énergies fossiles en recourant à de nouveaux carburants. Les moteurs industriels utilisés par l'industrie ferroviaires sont proches de ceux utilisés pour le transport routier (poids lourds, autocars), qui commence à se convertir a minima au GNV mais qui expérimente aussi de nouveaux biocarburants issus du recyclage de déchets ménagers et du secteur agro-industriel, sous forme liquide ou gazeuse. A la clé, des perspectives de circuits courts de production, et la préservation des terres arables qui ne seraient pas spécifiquement destinées à la production de carburants.

Cependant, cette formule pose elle aussi des questions sur le couple performance - autonomie. L'usage des batteries semble d'abord destiné à la mise en mouvement du train, phase la plus énergivore, et à fournir un appoint au moteur thermique maintenu en cas d'effort ponctuel pour le maintien en vitesse. La question est donc similaire à celle posée pour les trains électriques avec batteries : quelles sont les aptitudes réelles de ce type de motorisation sur des parcours où l'exploitation nécessite soit une vitesse soutenue sur un parcours long (exemple : Coutras - Périgueux avec 76 km à 160 km/h) soit d'affronter des profils sévères (les 70 km du versant sud de la ligne des Cévennes avec des rampes de 25 / 1000) ?

L'enjeu est d'autant plus important qu'il concerne des voies uniques où le temps de parcours entre croisements est une donnée essentielle. Il ne faudrait pas que les nouvelles motorisations n'amènent à dégrader les performances de l'offre ferroviaire au risque de nuire à sa crédibilité...