Le train hydrogène, une voie de décarbonation du secteur ferroviaire

Au vu des récents événements géopolitiques et de l’urgence climatique qui s’impose, la recherche de substituts au gaz naturel en Europe vient accélérer la dynamique de croissance du secteur de l’hydrogène, dont les usages se multiplient. Longtemps connu pour son utilisation dans les industries lourdes (production d’ammoniac, de méthanol, etc.), ce vecteur énergétique est amené à se développer plus amplement dans le secteur du transport, y compris sur le marché ferroviaire.

Développement des lignes hydrogène en France : la SNCF se lance dans la course

Le train hydrogène, une réponse aux enjeux de décarbonation de la flotte ferroviaire

L’hydrogène peut alimenter tout type de transport ferroviaire, à commencer par les trains de voyageurs. Aujourd’hui en France, sur les 30 000 km de rails exploités par la SNCF, 40% ne sont pas électrifiés et nécessitent l’utilisation d’autorails thermiques sur certaines portions de réseau, en particulier sur les axes régionaux peu fréquentés. Ainsi, 25% des TER de la SNCF fonctionnent au diesel et présentent une empreinte carbone 9 fois supérieure aux TER électriques, l’objectif du géant ferroviaire étant de sortir intégralement du diesel d’ici 2035.

Sortir des combustibles fossiles nécessite de s’intéresser aux options alternatives à disposition. La première est d’électrifier les réseaux concernés avec des coûts avoisinant 1M€/km, ce qui est prohibitif sur les petites lignes régionales au regard du nombre d’usagers. Autrement, les rames dotées de batteries permettent de stocker l’électricité en l’absence de caténaire et assurent une autonomie jusqu’à 80 km actuellement, les améliorations des technologies de batteries permettant à moyen terme d’atteindre 200 km, trop faible néanmoins en comparaison aux 1000 km d’autonomie du diesel.

La troisième voie consiste alors à se tourner vers le train à hydrogène, considéré comme un compromis entre les deux précédentes. Au sein de rames nouvelle génération, l’hydrogène est stocké dans des réservoirs sous pression puis transmis dans une pile à combustible, qui alimente à son tour un moteur de traction électrique assurant la propulsion du train.

Un rapport parlementaire de 2018 sur le verdissement de la flotte ferroviaire française préconisait pour sortir du diesel le développement d’un tel type de train avec un soutien marqué de la part des pouvoirs publics. Les objectifs évoqués étaient alors de trois ordres : favoriser un mode de mobilité n’émettant aucune pollution locale, mutualiser les stations hydrogène avec les autres modes de mobilité afin d’abaisser les coûts, et assurer un approvisionnement en hydrogène décarboné.

Fonctionnement du Coradia iLint – Alstom

Le projet Régiolis H2

Ainsi, le train hydrogène semble pertinent pour remplacer les rames  diesel sur les portions de lignes non électrifiées, ce dernier n’émettant pas de CO2 et étant particulièrement silencieux. La SNCF et les régions investissent aujourd’hui en ce sens au travers du projet Régiolis H2, qui prévoit la mise en exploitation de 12 rames hydrogène conçues par Alstom pour fin 2025. En 2018, le constructeur français a en effet mis en circulation en Allemagne  le premier train à hydrogène au monde, le Coradia iLint, du nom de la gamme Coradia très répandue sur les lignes TER. Ce dernier a d’abord été mis en service sur le réseau ferroviaire allemand et circule aujourd’hui dans plusieurs pays européens.

Alstom a mis au point trois rames hydrogène distinctes, destinées aux différents besoins des opérateurs ferroviaires. Le Coradia iLint, qui fonctionne intégralement à l’hydrogène, est capable de transporter 150 passagers à 140 km/h sur 1000 km. Mais le constructeur a également développé le Coradia Stream et le Coradia Polyvalent, tous deux constitués de quatre voitures transportant 218 passagers à 160 km/h sur une distance de 600 km.

En France, le projet Régiolis H2 se matérialise par l’acquisition de 12 rames hydrogène Coradia Polyvalent sur 4 régions. D’une part, 9 rames sont réparties en Auvergne-Rhône-Alpes, Bourgogne-Franche-Comté et Occitanie, et 3 rames sont dédiées à la région Grand-Est d’autre part. A la différence des Coradia iLint qui fonctionnent uniquement à l’hydrogène, la gamme Coradia Polyvalent est bi-mode, permettant à la fois une traction autonome sur les secteurs non électrifiés, mais également une utilisation des caténaires sur les portions qui en sont équipées.

Le coût global du projet s’élève à 231M€, dont 215M€ apportés par les régions, elles-mêmes subventionnées par l’Etat. Enfin, 8M€ sont apportés par la SNCF, et la même somme de la part d’Alstom.

Des trains qui transforment les contraintes d’exploitation

Les trains du projet Régiolis H2 présentent une autonomie jusqu’à 600 km, en comparaison au Régiolis diesel qui a une autonomie de 1000 km. Un des enjeux majeurs constitue alors le développement d’infrastructures de recharges dédiées assurant un maillage territorial suffisant.

“Aujourd’hui, les pompes à gasoil se situent dans les centres de maintenance (technicentres). Pour autant, ces derniers sont contraints en termes fonciers, ce qui, additionné à la réglementation, rend compliqué d’y installer une station de recharge hydrogène.” souligne Charles Foncin, ingénieur énergie hydrogène à la Direction Technologies, Innovation et Projets Groupe de la SNCF.

Ainsi, la multiplication des sites, due à l’externalisation des pompes en dehors des centres, implique que le train qui réalisait habituellement son plein en technicentre doive effectuer un trajet supplémentaire jusqu’à la station hydrogène la plus proche.

Cette nouvelle contrainte d’exploitation peut toutefois être mise à profit à travers une politique de massification des bornes de recharge à l’échelle régionale : “Il sera nécessaire de mutualiser les stations hydrogène dédiées au ferroviaire avec celles des réseaux de transport de bus. Le développement de stations multimodales prévoyant de grandes capacités de stockage est un enjeu clé, notamment pour l’abaissement des coûts.”, poursuit le spécialiste.

Concernant la durée du plein, les chiffres sont similaires aux autorails thermiques : compter 30 min pour l’hydrogène contre 20 min pour le gasoil. Les stations sont aujourd’hui expérimentales et ont vocation à être développées à plus grande échelle. Dans un contexte d’ouverture à la concurrence du marché ferroviaire, réussir pour la SNCF à optimiser l’utilisation des trains hydrogène et assurer leur régularité sera un enjeu clé afin de conserver ses parts de marché.

L’exploitation ferroviaire planifie en effet le roulement du train en répondant aux besoins exprimés par la région en nombre de voyageurs et en fréquence visée. Aujourd’hui, la SNCF développe des solutions d’exploitation innovantes afin de répondre aux différentes contraintes (plan de transport, itinéraires, capacités en gare, etc.). A titre d’exemple, OpenGOV utilise des algorithmes capables de prédire les retards et perturbations de trafic. Déployé dans plusieurs gares, il permet d’adapter en temps réel l’affectation des trains en fonction de la disponibilité des voies. Face aux défis des trains hydrogène et la montée en puissance d’un univers concurrentiel, la SNCF peut capitaliser sur ses solutions et son savoir-faire afin de renforcer sa compétitivité.

Les acteurs hydrogène au cœur du marché du ferroviaire sur des problématiques nouvelles

Si la SNCF se positionne sur ce nouveau marché, une multitude d’acteurs du ferroviaire comme de l’hydrogène jouent un rôle clé dans le développement de la filière.

Les constructeurs adoptent aujourd’hui une stratégie d’acquisition de savoir-faire clés sur la chaîne de valeur hydrogène, à l’instar d’Alstom, qui au printemps 2021 a racheté la société Helion Hydrogen Power, basée à Aix-en-Provence, qui fournit des piles à combustible à forte puissance.

Mais l’approvisionnement en pièces n’est pas le seul enjeu. Dans le cadre de la transition énergétique, il s’agit aussi d’assurer à l’exploitant de réseau ferré que son train fonctionne à l’hydrogène décarboné, qui ne représente actuellement que 5% de la production, le reste étant issu de combustibles fossiles. Pour ce faire, Alstom a noué un partenariat stratégique avec Engie qui sera en charge de fournir de l’hydrogène bas carbone aux locomotives de fret ferroviaire. L’énergéticien ambitionne en effet d’ici 2030 de développer une capacité de production d’hydrogène renouvelable de 4 GW, soit à lui seul les deux tiers des objectifs de 6,5 GW fixés par le gouvernement à l’échelle nationale.

Ce partenariat stratégique et ces acquisitions permettent à Alstom de se positionner en acteur clé de l’hydrogène ferroviaire et conserver son avance face à son concurrent majeur Siemens qui se lance également dans la filière. Le groupe allemand compte lancer les essais de son train hydrogène “Mireo Plus H” en Allemagne dans le Bade-Wurtemberg en 2023, pour une première exploitation commerciale à compter de 2024, entre les villes de Tübingen, Horb et Pforzheim. Avec ce programme, Siemens tente de rattraper son retard vis-à-vis   qui commercialise déjà des trains de passagers à hydrogène en Allemagne et autres pays européens et se renforce sur l’ensemble de la chaîne de valeur.

Du côté des bornes de recharge, Engie ambitionne de gérer plus d’une centaine de stations, dont le marché ferroviaire est un débouché non négligeable. Les appels d’offres émis par les régions et dédiés à la mise en place de bornes de recharge ferroviaires seront cependant ouverts à l’ensemble des acteurs du secteur : Air Liquide, McPhy, Atawey, etc. Pour fournir un hydrogène local et renouvelable, McPhy propose par exemple d’installer un site d’électrolyseurs à proximité des bornes de recharge, ce qui évite d’acheminer l’hydrogène par camions ou pipelines et permet de réduire les coûts. Leur station, adaptée aux mobilités lourdes, peut délivrer de 20kg jusqu’à plusieurs tonnes d’hydrogène par jour, capables de recharger des rames telles que celles du Coradia Polyvalent.

Maîtriser les coûts de l’hydrogène décarboné : un enjeu d’avenir

Ces dernières années ont été caractérisées par l’émergence d’une filière hydrogène décarbonée  de plus en plus compétitive en comparaison à l’hydrogène gris d’origine fossile. Dans le contexte actuel marqué p ar la hausse des prix de l’énergie, un des enjeux majeurs à venir sera la maîtrise des coûts d’approvisionnement en hydrogène bas carbone, dont 70% du prix provient de l’électricité.

Les stratégies de partenariats entre acteurs du ferroviaire et de l’hydrogène sont alors clés afin de faire émerger des synergies pour une filière plus durable, sûre et abordable.