La France sur les rails du train hydrogène

Le marché de l’hydrogène

La filière hydrogène est aujourd’hui scindée entre le marché historique de production d’hydrogène à base d’énergies fossiles et le marché émergent de l’hydrogène-énergie qui s’inscrit dans la dynamique de la transition énergétique.

Connu pour ses nombreuses applications finales, l’hydrogène est surtout mis en avant comme un vecteur énergétique capable de verdir différents modes de transport. Si la roadmap publiée par l’association Hydrogen Europe ne prévoit pas à court terme une percée de l’hydrogène pour certains moyens de transport (fret maritime, aviation, petits véhicules légers), le constat n’est pas le même pour le ferroviaire ou encore pour les transports urbains à l’image des bus. Effectivement, le train hydrogène fait partie des scénarii de déploiement les plus optimistes avec un potentiel marché de masse européen à l’horizon 2030 (trajectoire similaire avec celle des taxis hydrogènes). De nombreux pays comme l’Allemagne, le Japon, ou encore aujourd’hui la France et les Pays-Bas, songent sérieusement au développement de la filière hydrogène pour verdir le secteur ferroviaire. De plus, la récente conférence sur le développement de l’hydrogène-énergie, qui s’est déroulée en septembre dernier à Tokyo, n’a fait que confirmer que ce nouveau vecteur pouvait devenir un réel moyen de décarboner les mobilités. Les 30 pays présents à ce rendez-vous se sont ainsi engagés à investir dans la mobilité hydrogène en s’efforçant de faire face aux nombreux défis qui subsistent : augmenter la capacité de production d’hydrogène vert, investir dans le déploiement massif d’infrastructures, lever les barrières réglementaires, etc.

L’hydrogène prend place dans les opportunités de verdissement du rail

Le train, déjà parmi les moyens de transport les plus sobres en carbone pourrait bien le devenir encore plus !

Encore loin du tout électrique, sur les 30 000 Km de lignes de voies ferrées que la SNCF exploite, 14 313 Km ne sont pas électrifiés. L’exploitation de ces lignes essentiellement de TER et de Corail Intercités est donc assurée par des locomotives diesel. En somme, 20% des trains en circulation fonctionnent ainsi encore au diesel. La fin annoncée du diesel et les efforts de réduction des émissions carbones incitent la SNCF à établir une nouvelle stratégie pour l’exploitation de ces lignes en se fixant un objectif de sortie du diesel d’ici 15 ans.

Les limites de l’électrification

L’électrification symbole de développement des petites lignes bénéficie des coûts énergétiques les plus avantageux de 0,5 €/km. Elle prend donc tout son sens sur des lignes au trafic intense. Sur des axes secondaires, son bilan est beaucoup moins probant. En effet les travaux d’électrifications représentent un investissement conséquent d’en moyenne 1 M€/km hors présence d’ouvrage d’art. A cet investissement initial s’ajoutent aussi des coûts de maintenance des caténaires sur la phase d’exploitation. Ces coûts, loin d’être négligeables, peuvent dans le cas de lignes à très faible fréquentation faire émerger l’hypothèse de la desélectrification ou de recherche d’alternatives moins onéreuses.

Une première opportunité avec le train hybride : exemple de la stratégie Bombardier

Pour sortir des énergies fossiles, le constructeur Bombardier privilégie une solution hybride de trains équipés de batteries prenant le relai en absence de caténaires. Cette solution offre une très bonne efficience énergétique et un surcout relativement limité (20 à 30% par rapport à une traction diesel). En parallèle, Bombardier tente également de profiter de l’expérience du domaine automobile sur le développement des batteries. Cette solution n’est toutefois adaptée que pour les lignes courtes ou partiellement électrifiées du fait de sa faible autonomie (environs 40 km sur batterie).

Bombardier tire ainsi parti de la maturité technologique de l’alimentation sur batteries pour proposer rapidement une solution de remplacement des machines diesel.

L’hydrogène, une nouvelle opportunité que l’Allemagne et les Pays-Bas ont saisi

Le constructeur Français Alstom a pris le pari inverse en misant massivement sur l’hydrogène. L’Allemagne a donc été le précurseur du train hydrogène avec la première mise en circulation du Coradia iLint. La région de Hambourg accueille depuis 2018 deux trains à hydrogène du constructeur, une première mondiale en service commercial. Ce positionnement de pointe lui a permis de décrocher en mai dernier un contrat de 360 millions d’euros pour la livraison de 27 trains à la région de Francfort à partir de 2022.

Plus récemment, les Pays-Bas ont annoncé lors du Kilimaatop (Sommet sur le climat) leur volonté de tester également le train Coradia iLint sur la ligne Groningen-Leeuwarden à compter du premier trimestre 2020. L’objectif est de valoriser l’utilisation du vecteur énergétique hydrogène sur les lignes non électrifiées du réseau ferroviaire des Pays-Bas. A noter que cette initiative met en relation diverses typologies d’acteurs : Alstom, Engie, Arriva (opérateur de services de transport) et Prorail (gestionnaire de l’infrastructure ferroviaire néerlandaise).

Le pari de l’hydrogène

Le train à hydrogène

Fonctionnement

La propulsion de trains par de l’hydrogène repose principalement aujourd’hui sur la conversion d’hydrogène (sous forme de dihydrogène) en énergie électrique. Des réservoirs d’hydrogène alimentent une pile à combustible produisant de l’électricité par réaction chimique avec l’oxygène de l’air. L’énergie électrique produite est alors stockée dans les batteries Lithium-ion avant d’alimenter à son tour le moteur électrique du train. En complément, l’énergie cinétique du train est partiellement récupérée lors du freinage contribuant ainsi à la recharge de ces batteries.

L’importante capacité de stockage offerte par les trains, et la faible durée de recharge que proposent les stations hydrogènes, sont des éléments clés qui permettent de pallier aux inconvénients des batteries électriques. Grâce à l’efficacité de la motorisation électrique, le vecteur énergétique hydrogène utilisé pour les trains maintient un rendement global de 50% (malgré un rendement de 50-60% pour la conversion d’hydrogène en électricité). L’hydrogène surpasse ainsi les moteurs essences et diesels dont le rendement maximal avoisine les 40%.

Performance

Les performances des trains à hydrogènes sont sans commune mesure avec celles offertes par les trains à batteries et représentent donc le principal argument de ce mode de propulsion. En effet, quand les trains à batterie de Bombardier visent une autonomie de 100 km (contre 40 km actuellement), le Coradia ILint d’Alstom affiche une autonomie de 1 000 km avec une vitesse maximale de 140 Km/h pour une capacité de 300 personnes. Autre avantage précédemment mentionné, la durée de ravitaillement en hydrogène ne dépasse pas quelques minutes.

Coûts

Ces niveaux de performance ont tout de fois un prix, il faut compter un surcoût de 30% par rapport à un train Diesel pour l’achat d’un train à propulsion hydrogène. Les réservoirs d’hydrogène et la pile à combustible constituent l’essentiel de ce surcoût.

A l’exploitation, les coûts énergétiques sont aussi bien plus importants. Ils peuvent, suivant le moyen de production d’hydrogène, atteindre 3 €/Km soit 3 fois les coûts énergétiques d’une locomotive diesel et 6 fois ceux d’une électrique.

Voici ci-dessous un tableau comparatif des différents modes de propulsion des trains :

Production et stockage

L’alimentation des trains en hydrogène requiert le déploiement d’un réseau de production, de stockage et de distribution à part entière. La France peut s’appuyer sur des entreprises leader dans ce domaine comme Air Liquide ou Engie. Economiquement, ces infrastructures représentent des investissements lourds, notamment en raison des exigences de sécurité liées au caractère explosif de ce gaz. De plus, ces infrastructures permettent de fournir une énergie donc le prix est quasiment doublé à cause du circuit de compression et des étapes de transport et de distribution. Une station de recharge se chiffre ainsi au-dessus d’un million d’euros et distribue de l’hydrogène produit à partir de sources fossiles pour près de 4€/Kg et 10€/kg pour de l’hydrogène produit à partir d’une source d’énergie renouvelable. Sur le plan énergétique, le faible rendement de la production d’hydrogène à partir d’électricité (entre 65-75% pour une réaction d’électrolyse) pénalise le rendement énergétique global.

Pour Engie, l’hydrogène devient toutefois compétitif à partir de 20 km d’électrification nécessaire sur le réseau ferroviaire.

Planning de déploiement

Avec l’impulsion donnée par le plan Hydrogène de Nicolas Hulot en 2018, le train hydrogène pourrait profiter des objectifs de remplacement de la flotte de 900 locomotives diesels de la SNCF pour 2050. Alstom estime donc une première circulation de trains à hydrogène en France à partir de 2022 pour le lancement d’un service commercial en 2024. Les commandes des transporteurs s’enchainent pour tenir ces délais. Les retours d’expérience des premières lignes joueront sans nul doute un rôle majeur dans la répartition de l’ensemble des remplacements dans les années à venir.

Les défis à surmonter

Une expérience à acquérir

Le développement de la mobilité hydrogène est relativement récent, et ce plus encore dans le ferroviaire que dans l’automobile. Les premiers prototypes de trains à hydrogène développés datent des années 2000, et la première mise en service commercial a tout juste un an.

L’absence de retour d’expérience significatif compte son lot d’incertitudes notamment en termes de vieillissement ou de coûts réels d’exploitation. En effet, le ferroviaire comporte des contraintes spécifiques dont l’impact à long terme sur ces nouveaux trains n’est pas encore totalement connu. La résilience du système d’hydrogène aux vibrations, aux passages sous des tunnels ou à la circulation sous des caténaires aura donc un impact non négligeable sur le développement de cette technologie au vu des contraintes de sécurités de ce gaz.

Un engagement collectif nécessaire

La principale faiblesse de la traction à hydrogène tient dans ses coûts. Pour rendre les trains hydrogènes compétitifs, les volumes seront déterminants. D’une part, le réseau local de production et de distribution de l’hydrogène devra assurer des volumes suffisants pour limiter le coût d’entrée, cette idée étant appuyée par l’opportunité de mettre en commun ces réseaux avec ceux des bus et des voitures à hydrogène. D’autre part, l’ampleur des commandes jouera un rôle important dans la répartition de l’amortissement des coûts de développement et la limitation des surcoûts à l’achat des locomotives.

De l’hydrogène encore gris

L’hydrogène apparait aujourd’hui comme une réelle alternative qui s’inscrit dans la transition énergétique. Toutefois, 94% de l’hydrogène Français est issu des énergies fossiles. Il représente même près de 3% des émissions carbones du pays. La production décarbonée d’hydrogène est toutefois possible, notamment par des procédés comme l’électrolyse de l’eau. Cette transformation utilise un courant électrique pour décomposer de l’eau en dioxygène et en dihydrogène. La production de ce gaz sans énergie fossile est donc possible grâce aux énergies renouvelables ou au nucléaire mais représente actuellement moins de 5% de la production. C’est aujourd’hui en enjeu clé pour les acteurs de la filière hydrogène.

A court terme, compte tenu des coûts de production, de stockage et de compression, l’hydrogène décarboné ne sera pas encore assez compétitif en termes de rentabilité économique par rapport aux autres modes de propulsion existants dans le secteur ferroviaire. Pour autant, l’hydrogène n’est pas oublié. En effet, les contraintes et les coûts élevés d’électrification (ou de renouvellement d’infrastructures électriques) des réseaux ferroviaires soulèvent des débats sur la recherche de nouvelles solutions technologiques. Les prochaines négociations entre Etat et Régions pourraient être plus orientées sur le verdissement du mode de transport ferroviaire et donc se focaliser sur le financement de technologies alternatives disponibles (batteries, hydrogène, électrification partielle, etc.). Dans cette optique, l’hydrogène vert présente le réel atout environnemental de n’émettre ni particules fines, ni CO2. De manière plus globale, les subventions (à l’échelle française et européenne) pour développer la filière hydrogène sont de plus en plus importantes. En effet, les régions françaises, en tirant profit de leurs spécificités (fort potentiel industriel, forte présence d’énergies renouvelables, engouement autour des mobilités décarbonées, etc.), ont entamé une mobilisation autour du développement de l’hydrogène énergie et principalement pour les applications liées à la mobilité.

Articles connexes :

• Un vrai démarrage pour les bus à hydrogène en France
• [Infographie] Votre fiche de révision sur l’hydrogène
• 13 grands groupes s’allient pour faire de l’hydrogène l’énergie du futur