Formation du 2 juillet 2026

De l’hydrogène au lieu du diesel – des alternatives de propulsion pour les trains

Stadler Rail fabrique des trains à pile à combustible (hydrogène) pour les lignes de transport public non électrifiées, qui étaient jusqu’à présent exploitées avec des locomotives diesel conventionnelles.

Dans son exposé, Stefan Bernsdorf, de Stadler, a présenté les chances et les difficultés des systèmes de motorisation alternatifs pour le matériel roulnt ferroviaire. Le train est certes déjà le moyen de transport en commun le plus écologique, mais de nombreuses lignes ferroviaires, en particulier les lignes secondaires, ne sont pas encore électrifiées et sont toujours exploitées avec des trains diesel. Les lignes sous caténaire sont considérées comme la solution la plus efficace pour la décarbonisation, tandis que les trains à batterie et à hydrogène ont leur rôle à jouer là où l’électrification complète n’est pas rentable. Les trains à batterie se distinguent par leur haute efficacité énergétique et leur aptitude pour les trajets courts à moyens, tandis que les trains à hydrogène disposent d’une autonomie largement supérieure grâce à leur plus forte densité énergétique. Les trains à batterie et à hydrogène sont ainsi un produit de niche à fort potentiel.

Exposé

Stefan Bernstorf, Product Category Manager pour les systèmes de propulsion alternatifs chez Stadler, nous a présenté les possibilités et les écueils des systèmes de propulsion alternatifs pour le matériel roulant ferroviaire. Il a d’abord souligné que le rail est d’ores et déjà le moyen de transport collectif le plus écologique. L’explication réside dans la faible résistance au roulement, la réduction de la résistance à l’air au couplage des voitures et à l’électrification qui est en place depuis plus de 100 ans. Néanmoins, seules environ 46 % des voies ferrées européennes sont électrifiées (aux États-Unis, ce chiffre est inférieur à 1 %). De nombreuses lignes secondaires sont encore exploitées avec des trains diesel. La décarbonisation du transport ferroviaire passe donc par plusieurs approches. L’électrification reste la solution la plus efficace et la plus durable. Elle est particulièrement adaptée aux lignes principales à fort trafic, aux réseaux de banlieue, aux transports régionaux à fort trafic et aux utilisations exigeant une puissance de traction élevée, comme les trains à grande vitesse ou les trains de marchandises. Les trains s alimentés par caténaire sont réputés simples, fiables, économiques et écologiques.

Sur les lignes où l’électrification complète n’est pas économiquement viable, les trains à batterie et les trains à hydrogène gagnent en importance. Les véhicules à batterie utilisent des batteries lithium-ion modernes. L’élément déterminant n’est pas tant une densité énergétique élevée que la longévité, la forte capacité de charge et la fiabilité. La conception des systèmes de batterie tient compte de la durée de vie, du profil d’exploitation, des conditions environnementales et des exigences de sécurité. Comme les batteries dégagent  une chaleur considérable pendant le fonctionnement, des systèmes de refroidissement sophistiqués sont nécessaires pour garantir la sécurité, l’efficacité et la longévité.

Les trains à batterie peuvent être rechargés soit en roulant sous caténaire, soit à des stations de recharge fixes. La recharge est de préférence effectuée sur des sections de ligne électrifiées, ce qui permet d’augmenter considérablement l’autonomie. >Les trains à batterie peuvent en général fonctionner pendant une à deux heures ou parcourir une centaine de kilomètres. Ils sont donc particulièrement adaptés aux trajets courts et moyens. Le FLIRT AKKU de Stadler est un exemple remarquable avec un record mondial d’autonomie de 224 km sans recharge dans la catégorie des trains à batterie à son actif.

La technologie des piles à combustible à hydrogène offre une alternative. La pile à combustible génère une réaction entre l’hydrogène et l’oxygène produisant de l’eau. Cette réaction produit en même temps de l’énergie électrique et de la chaleur. La pile à combustible est particulièrement efficace lorsqu’elle fonctionne à puissance constante et faible, raison pour laquelle elle est généralement associée à des batteries. Ces dernières assurent les pics de puissance requis lors de l’accélération et stockent l’énergie récupérée au freinage. La pile à combustible sert donc principalement de source d’énergie continue.

L’un des principaux avantages de l’hydrogène est sa densité énergétique supérieure à celle des batteries, ce qui permet d’atteindre des autonomies largement supérieures. Il requiert néanmoins des réservoirs plus grands et plus lourds, dont le poids est environ douze fois supérieur à celui de l’hydrogène stocké. Il faut également prendre en compte les coûts d’investissement élevés et la durée de vie limitée des piles à combustible. De plus, l’hydrogène utilisé doit être d’une très grande pureté d’au moins 99 995 %, car les impuretés peuvent endommager la membrane sensible de la pile à combustible.

L’origine de l’hydrogène est également un facteur crucial. Seul l’hydrogène produit par électrolyse à partir d’électricité renouvelable est considéré comme «vert».

Lorsqu’on compare les systèmes complets, les trains à batterie sont généralement meilleurs en termes d’efficacité énergétique et de bilan carbone que les trains à hydrogène. Les trains à hydrogène sont, pour leur part, plus avantageux sur les longues distances non électrifiées à parcourir sans arrêts fréquents pour recharger. Le FLIRT H₂ de Stadler, par exemple, a été le premier train à hydrogène en service aux États-Unis et a établi un record de distance de 2 803 km sans ravitaillement.  

Aujourd’hui, Stadler propose des véhicules à batterie et à hydrogène. Dans le FLIRT AKKU, les batteries sont installées soit sous le plancher, soit sur le toit, soit dans une unité d’alimentation nommée «Power Pack». Les véhicules sont rechargeables en roulant sous caténaire et peuvent parcourir jusqu’à 100 km en mode batterie, même dans des conditions difficiles.

Dans les engins à hydrogène comme le FLIRT H₂, tous les composants à hydrogène sont intégrés dans un PowerPack séparé et ventilé. Ainsi, les réservoirs d’hydrogène et les conduites à haute pression ne se trouvent pas dans l’habitacle, ce qui renforce la sécurité. Les véhicules peuvent fonctionner toute la journée sans nécessiter de ravitaillement et utilisent des batteries tampons pour couvrir les pics de consommation et récupérer l’énergie au freinage.

Les retours d’expérience opérationnels sont positifs à ce stade. Cinquante‑cinq trains FLIRT à batterie sont déjà en service dans le land allemand du Schleswig Holstein. Ils parcourent plus de dix millions de kilomètres par an, assurent plus de 400 liaisons par jour et économisent de grandes quantités de diesel. Toutefois, l’entretien de ces véhicules nécessite des ateliers spécialement équipés, des systèmes de sécurité incendie, des zones de stockage de batteries contrôlées et des systèmes intelligents de gestion des batteries.

Nous disposons aussi d’importants retours d’expérience en matière de trains à hydrogène. Le ravitaillement est possible en une trentaine de minutes, mais requiert une infrastructure fiable et redondante. Si les réservoirs d’hydrogène nécessitent peu d’entretien, les piles à combustible doivent être contrôlées régulièrement et les filtres à air remplacés. L’évacuation de l’eau est également un point important, car la pile à combustible produit de l’eau en grande quantité comme seul rejet.

Il a enfin été établi que les systèmes de propulsion alternatifs façonneront l’avenir du transport ferroviaire sur le réseau qui n’est pas ou pas intégralement électrifié. L’électrification reste certes la solution la plus efficace, mais les trains à batterie et à hydrogène offrent des alternatives économiques et écologiques à la traction diesel classique pour différents profils d’utilisation. Leur introduction réussie nécessite toutefois une infrastructure adaptée, de nouveaux processus de maintenance et une formation spécifique pour l’exploitation et la maintenance.

Visite guidée de la production

La halle dans laquelle la visite guidée a démarré était autrefois un parking. Aujourd’hui, on y assemble des engins ferroviaires hautement spécialisés, Stadler étant notamment réputé pour ses produits sur mesure («tailor made»). Contrairement à des fabricants tels qu’Alstom ou Siemens, qui proposent principalement des plateformes standardisées, Stadler développe de nombreux trains en fonction des exigences spécifiques de chaque client.

Stadler développe actuellement un projet de premier train à voie étroite fonctionnant à l’hydrogène. Ces engins sont mus par l’association de l’hydrogène (H₂), d’une pile à combustible (PAC), d’une batterie tampon et de moteurs électriques. La pile à combustible produit de l’électricité en continu, ce qui nécessite une batterie tampon pour compenser les pics de charge. L’efficacité d’une pile à combustible est certes d’environ 30 %, mais la densité énergétique de l’hydrogène est nettement supérieure à celle des batteries. Il est néanmoins possible que les trains électriques à batterie soient davantage utilisés à long terme. Stadler ne se limite pas aux trains à batterie ou à hydrogène purs, mais travaille également sur des engins hybrides, ce qui ouvre un champ d’application beaucoup plus vaste.

Les chaudrons des trains à batterie ou à hydrogène ne sont pas fondamentalement différents de ceux des trains conventionnels à caténaire ou diesel. Le gabarit est essentiel, car il décrit la limite de l’espace exploitable maximal à l’intérieur et à l’extérieur du train. Malgré l’ajout de composants techniques, le passage des passagers ne doit pas être entravé, même s’il peut parfois être étroit. Les piles à combustible occupent moins d’espace que les grands systèmes de batteries.

Pour le stockage d’électricité, Stadler utilise principalement des batteries LFP (lithium-fer-phosphate). Afin de minimiser les risques d’incendie de batterie, les batteries sont installées dans un «sarcophage» spécialement protégé. De plus, les batteries sont livrées en flux tendu : elles ne sont livrées à l’usine que le jour de leur installation. Cela réduit le risque d’exposition à des contraintes externes importantes, susceptibles de causer des déformations ou des dommages pendant le stockage.

La sécurité est tout aussi importante par rapport à l’hydrogène. Celui-ci n’est pas stocké sur le site; au lieu de cela, une station de ravitaillement en hydrogène est implantée sur la piste d’essai à Hemishofen. De nombreuses personnes associent immédiatement la sécurité de l’hydrogène à l’accident du dirigeable Hindenburg, ce qui explique pourquoi ce sujet retient une attention particulière. Les réservoirs d’hydrogène sont soumis à une pression d’environ 350 bars.  À titre de comparaison, les bouteilles de plongée sont souvent utilisées à environ 250 bars. Les réservoirs sont doublés à l’intérieur d’un liner en HDPE (ce qui les rend étanches au gaz) et sont installés horizontalement dans un système multicouche. Une diffusion minimale émane toujours des réservoirs. Pour détecter les fuites majeures, des détecteurs spéciaux de molécules d’hydrogène sont mis en œuvre.

Les piles à combustible elles-mêmes fonctionnent à des températures inférieures à 100 °C, mais requièrent un refroidissement actif. Elles ne produisent pas de gaz d’échappement classiques, mais de la vapeur d’eau et de l’eau liquide. La pile à combustible doit être soigneusement rincée avant chaque essai, pour éviter que la membrane sensible et coûteuse ne soit endommagée. De plus, les piles à combustible doivent être démontées et révisées après environ cinq à sept ans.

Il est également intéressant de noter l’évolution des réservoirs d’hydrogène chez Stadler. Le premier réservoir d’hydrogène utilisé était vertical et, malgré sa taille impressionnante d’environ deux mètres de haut et cinquante centimètres de diamètre, ne pouvait contenir que six kilogrammes d’hydrogène utilisable. Les réservoirs actuels sont nettement plus performants avec une capacité pouvant atteindre 200 kilogrammes. Ils peuvent être remplis environ 8 000 fois avant qu’un contrôle ne soit nécessaire, ce qui correspond à environ la moitié de leur durée de vie prévue.
D’un point de vue économique, les trains à hydrogène et à batterie représentent actuellement un défi majeur. Ils sont deux à trois fois plus chers que les engins comparables alimentés par caténaire. Il faut également prendre en compte les coûts de l’infrastructure de recharge ou de ravitaillement nécessaire. L’hydrogène n’est donc pas considéré comme une solution viable pour les voitures particulières, en raison des systèmes de remplissage complexes. En revanche, la technologie est jugée prometteuse pour les applications nécessitant de longues distances, comme le transport de marchandises par camion ou le transport de conteneurs par bateau.
Pour améliorer davantage l’efficacité énergétique, Stadler s’appuie sur le système de gestion des données ferroviaires (Rail Data Management System, RDS). Ce système optimise le fonctionnement d’un train en affichant des recommandations aux conducteurs pour une conduite aussi économe en énergie que possible pour faire baisser la consommation.

L’histoire de Stadler reflète également l’évolution impressionnante de l’entreprise. Lorsque Peter Spuhler a repris l’entreprise, elle ne comptait que 18 personnes. Aujourd’hui, près de 18 000 personnes travaillent pour Stadler dans le monde entier. Un jalon important a été franchi dans les années 1980 avec le prototype du GTW-MThB (automotrice articulée de la Mittelthurgaubahn). Cet engin a servi de base au futur train Thurbo, qui a été utilisé notamment dans la région du lac de Constance et qui a été le tremplin au succès futur de l’entreprise. Alors qu’Alstom a été la première entreprise à développer un train à hydrogène, Stadler mise aujourd’hui sur des solutions sur mesure, et continue de développer les technologies pour les moteurs à batterie, hybrides et à hydrogène.