«Powerpacks» à hydrogène pour véhicules ferroviaires

Molinari Rail, l’entreprise de technique ferroviaire de Winterthour, se consacre à de nouvelles solutions technologiques pour la conversion de rames automotrices diesel afin que les véhicules existants puissent à l’avenir être exploités de manière écologique. Une équipe interdisciplinaire d’experts est chargée d’évaluer et de tester des systèmes de propulsion et de stockage innovants pour le trafic régional, fondés sur une technologie basée sur l’hydrogène.

Pour atteindre les objectifs climatiques, toutes les émissions de gaz à effet de serre doivent être évitées autant que possible dans l’UE d’ici 2050. La décarbonisation des transports publics routiers et ferroviaires exige à la fois le passage à des sources d’énergie renouvelables et alternatives et la modernisation des moyens de transport existants. Des solutions de propulsion écologiquement durables sont nécessaires pour les lignes ferroviaires non électrifiées qui sont utilisées par des trains à moteur diesel. 

Lors de l’acquisition de nouveaux véhicules, les solutions suivantes sont actuellement disponibles : Rames automotrices à accumulateurs, rames automotrices à piles à combustible ou rames automotrices hybrides avec une utilisation continue des moteurs diesel et blocs d’accumulateurs intégrés. Malgré les investissements ambitieux réalisés dans le cadre du passage aux propulsions alternatives, une part importante de lignes secondaires et régionales subsistera, par exemple en Autriche ou en Allemagne. L’électrification de ces lignes ne sera pas rentable financièrement dans les années à venir. C’est, par exemple, le cas des trains les plus récents.

Une grande flotte existante de rames automotrices diesel doit donc être maintenue en service de manière décarbonée. La série de véhicules ÖBB 5022, qui compte soixante rames, en est un exemple : Avec une consommation d’environ 960 000 litres de diesel, celle-ci pourrait économiser 2500 tonnes de CO2 par an grâce à une propulsion alternative.

Stockage d’hydrogène à basse pression

Les ingénieurs de Molinari Rail ont maintenant formé une équipe chargée de créer des solutions intégrales pour de tels cas. Sous la direction de l’entreprise basée à Winterthour, des technologies doivent être développées sur la base de l’automotrice des ÖBB. Celles-ci permettront de convertir un moteur diesel existant en un moteur à combustion à hydrogène. Les réservoirsdiesel existants doivent être remplacés par des réservoirs d’hydrogène à basse pression et de nouveaux modules de réservoir doivent être conçus pour être intégrés sous le plancher (en remplacement des réservoirs de diesel existants) ainsi que dans la toiture.

Un réservoir spécial de stockage d’hydrogène à basse pression avec un alliage d’hydrure métallique doit être développé pour le stockage à bord du train. Dotée d’un système de gestion thermique, cette solution conviendrait aussi bien à un usage stationnaire (conception en conteneur) qu’à un usage mobile (module de réservoir pour véhicules ferroviaires). 

La technologie fonctionne de la manière suivante : Dans un réservoir à hydrure métallique, l’hydrogène est adsorbé au contact de certains matériaux métalliques et diffusé à l’intérieur du treillis métallique. Un apport de chaleur permet de réabsorber l’hydrogène du matériau métallique et ainsi de l’éliminer. Ce type de stockage offre à la fois des avantages en termes de sécurité (faibles pressions de stockage) et une densité volumétrique de stockage élevée. L’essentiel du développement se situe dans les domaines liés à la réduction des coûts, au raccourcissement des temps de chargement et de déchargement ainsi qu’à l’apport et à l’évacuation de la chaleur. 

Dans le cadre du projet de recherche mené par Molinari Rail, d’autres approches de technologies alternatives de stockage devront être poursuivies, mises en œuvre et évaluées. Celles-ci s’appuieront sur les avantages des accumulateurs à hydrure par rapport aux accumulateurs haute pression habituels, avec en même temps, la réduction des coûts et de l’effort de fabrication.

Moteur à combustion interne à hydrogène

L’élément essentiel des activités de recherche s’oriente vers le développement d’un moteur à combustion à hydrogène basé sur un moteur diesel Powerpack avec un réglage moteur adapté. L’objectif est de maintenir les performances et l’efficacité d’un moteur diesel de base, de réduire entièrement les émissions ou encore d’envisager un traitement des gaz d’échappement. Sans oublier d’adapter le choix des matériaux de fonctionnement (point-clé : fragilisation par l’hydrogène).

Lors de la conversion, les options possibles en matière d’adaptation du moteur doivent également être examinées. Cela affecte des composants ou des paramètres tels que l’alimentation en carburant du moteur et de la chambre de combustion, le système d’admission, le système d’allumage, les pistons et le taux de compression, le système de charge, la commande du moteur et le post-traitement des gaz d’échappement.

Ultérieurement, la mise en œuvre devra être effectuée sur un moteur réel, sur un banc d’essai de moteur à hydrogène équipé conformément aux exigences de sécurité. Les éventuelles fuites d’hydrogène seraient alors surveillées, un système de ventilation et une matrice de sécurité correspondante seraient testés. Les défis concernent notamment la disponibilité et la durée de vie des soupapes d’injection, le système d’allumage pour l’allumage par étincelle, les anomalies de combustion en général, le système de charge pour le fonctionnement transitoire, le post-traitement des gaz d’échappement (principalement pour les oxydes d’azote) et leur impact sur les matériaux. À cela s’ajouterait une multitude de tests et de simulations.

D’importants besoins en Europe

Le système de stockage d’hydrogène à basse pression et le moteur à combustion interne à hydrogène doivent aboutir au développement d’une solution globale pour les powerpacks à hydrogène destinés à être intégrés aussi bien dans les rames automotrices diesel existantes que dans les nouvelles. Parallèlement à la gestion globale du projet, Molinari Rail se chargerait également de l’intégration du système dans les véhicules ferroviaires. Les partenaires scientifiques du projet sont : 

1. HyCentA Research GmbH pour le développement du réservoir d’hydrogène à basse pression, y compris la gestion thermique
2. L’Institut pour les machines à combustion et la thermodynamique (IVT) de l’Université technique de Graz pour le développement du moteur à combustion à hydrogène.