Rail zéro émission et sécurisation du réseau avec de grosses batteries sur roues

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Freight Train
Train de marchandise

La quasi-élimination de la pollution de l’air par les trains de marchandises diesel-électriques d’ici 2025 est désormais possible en les modernisant avec des wagons à batterie.

Une étude de Berkeley Lab montre comment les trains électriques à batterie peuvent apporter justice environnementale, économies et résilience aux États-Unis

Les trains sont depuis longtemps en marge des efforts d’électrification aux États-Unis car ils ne représentent que 2 % des émissions du secteur des transports, mais les trains de marchandises diesel émettent 35 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an et produisent une pollution atmosphérique qui conduit à 6,5 milliards de dollars. des coûts de santé, entraînant environ 1 000 décès prématurés chaque année. De plus, ces décès et ces effets néfastes sur la santé affectent de manière disproportionnée les communautés défavorisées et à faible revenu, qui sont plus susceptibles d’être situées à proximité des gares de triage et des voies ferrées.

La récente baisse spectaculaire des prix des batteries a créé une nouvelle possibilité d’électrification des trains de marchandises. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l’Énergie, en collaboration avec des chercheurs de l’UCLA et de l’UC Berkeley, soutiennent que les États-Unis peuvent moderniser les trains diesel-électriques avec des batteries d’une manière qui soit compétitive par rapport au diesel. Cela éviterait ces décès inutiles et ces impacts sur la santé et permettrait au secteur américain du transport ferroviaire de marchandises d’économiser 94 milliards de dollars sur 20 ans grâce à la réduction de la pollution atmosphérique et des émissions de dioxyde de carbone. Leur étude a récemment été publiée dans la revue Énergie naturelle.

« Une conversion rapide du secteur du fret ferroviaire n’est pas seulement techniquement faisable et rentable, elle apporterait des avantages sanitaires et économiques immédiats et durables aux communautés à faible revenu », a déclaré Natalie Popovich, scientifique au Berkeley Lab et auteur principal de l’étude. “Et cela donnerait un coup de pouce aux efforts de notre pays pour lutter contre le changement climatique, d’autant plus que la capacité ferroviaire de fret américaine devrait doubler d’ici 2050.”

Les trains jouent un rôle important dans le transport des marchandises à travers les États-Unis, en particulier les marchandises lourdes telles que le charbon, le bois et le minerai. Selon la Federal Railroad Administration, 28 % du fret américain est transporté à travers le pays par chemin de fer, et ce pourcentage devrait augmenter considérablement au cours des deux prochaines décennies. Lors de la récente Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques de 2021, les États-Unis se sont joints à une douzaine d’autres pays pour signer de nouveaux accords visant à réduire les émissions du transport maritime, et des solutions zéro émission pour le transport ferroviaire de marchandises feront partie de cet engagement.

Diesel-électrique, mais pas batterie-électrique

Contrairement à plusieurs autres régions du monde, tous les trains de marchandises aux États-Unis sont toujours diesel-électriques, en grande partie parce que la stratégie d’électrification typique consistant à construire des lignes électrifiées sur des voies est plus difficile à mettre en œuvre aux États-Unis avec ses vastes distances. Dans les trains diesel-électriques, un moteur diesel est connecté à un alternateur qui alimente ensuite en électricité des moteurs électriques connectés aux essieux de la locomotive. Il est donc possible de moderniser les trains pour qu’ils soient alimentés par des batteries car les trains diesel-électriques sont déjà équipés d’un moteur électrique.

« Des améliorations spectaculaires de la technologie des batteries, associées à la transmission électrique existante dans les trains de fret à prédominance diesel-électrique aux États-Unis, ouvrent la voie à une conversion rapide au rail de fret électrique à batterie et à des économies de coûts substantielles », a déclaré Amol Phadke, scientifique au Berkeley Lab. , auteur correspondant de l’étude. « De plus, le poids des batteries est moins contraignant qu’il ne le serait pour les véhicules ou les camions électriques. Nous pouvons ajouter une voiture à un train de marchandises construit avec des batteries, et le poids de cette voiture à batterie n’est pas un problème avec les trains.

Les trains diesel-électriques existent depuis les années 1920 et ils ont commencé à remplacer les trains à vapeur dans les années 1930 car ils étaient plus performants et moins polluants. À cette époque, utiliser des moteurs diesel pour produire de l’énergie pour les moteurs des trains était moins cher que d’essayer de développer des trains entièrement électriques en raison des coûts élevés de l’électricité. Aujourd’hui, un siècle plus tard, nous sommes à un point où le prix de l’électricité est compétitif par rapport au diesel, et les coûts environnementaux et sanitaires de continuer à dépendre du diesel pour alimenter les trains de marchandises sont trop dévastateurs pour être ignorés.

« Notre analyse montre qu’un passage au fret électrique par batterie réduira de plus de moitié les émissions annuelles de dioxyde de carbone de l’industrie, éliminant ainsi plus de 400 millions de tonnes métriques de dioxyde de carbone en 20 ans », a déclaré Popovich.

Wagon de train de marchandises

Les wagons-citernes sont modulaires et peuvent être déployés dans différentes configurations dans des endroits confrontés à des pannes de courant ainsi que dans d’autres secteurs, tels que l’électrification des navires.

L’étude souligne qu’il existe d’autres voies pour électrifier les trains de marchandises américains, comme l’électrification des trains via des lignes électriques aériennes ou l’utilisation de piles à combustible à hydrogène conjointement avec des trains alimentés par batterie. Cependant, sur la base du fait que les trains de marchandises sont déjà diesel-électriques et compte tenu des progrès récents de la technologie des batteries, les chercheurs montrent que la voie batterie-électrique offre la solution à long terme la plus rentable avec de multiples avantages supplémentaires.

Leur analyse montre que la technologie de batterie existante pourrait alimenter un train de marchandises sur 150 miles (la distance quotidienne moyenne parcourue). Un train de marchandises alimenté par batterie utiliserait la moitié de l’énergie requise par un train diesel-électrique, et compte tenu de la baisse des prix des batteries et des coûts environnementaux du diesel, les trains électriques à batterie sont en passe d’être plus compétitifs que les trains diesel-électriques . Étant donné que la planification du fret ferroviaire est centralisée, l’étude suggère que les chemins de fer pourraient atteindre un volume élevé d’utilisation des infrastructures de recharge rapide, ce qui réduirait encore les coûts.

L’un des principaux avantages de la modernisation des trains de marchandises diesel-électriques existants avec des wagons à batterie – autrement appelés wagons à batterie – est que les trains à batterie électriques peuvent toujours utiliser le moteur diesel comme source de carburant de secours. Cette capacité à double carburant, permettant l’utilisation de batteries ou de diesel, est un avantage unique par rapport à l’électrification complète du système ferroviaire de fret ou à l’utilisation de piles à combustible à hydrogène.

Les batteries modulaires offrent des avantages de résilience

Un autre avantage majeur est que les trains électriques à batterie peuvent être déployés comme alimentation de secours propre, renforçant ainsi la résilience du réseau électrique. Historiquement, les trains diesel-électriques ont été utilisés comme générateurs d’électricité en cas d’urgence. Au début de 1998, une série de tempêtes de verglas a laissé plus d’un million de personnes sans électricité dans le nord-est des États-Unis et dans certaines parties du Canada. Dans une banlieue de Montréal, le maire a déplacé une locomotive diesel-électrique entière près de l’hôtel de ville pour alimenter leurs opérations d’intervention d’urgence.

Avec l’augmentation des phénomènes météorologiques extrêmes et des pannes de courant, les trains électriques à batterie ont le potentiel d’être déployés dans tout le pays pour éviter les pannes d’électricité. Ces wagons modulaires à batterie peuvent être transportés là où ils sont nécessaires et chargés dans des endroits où les prix de l’électricité sont bas, offrant ainsi des avantages significatifs par rapport au stockage à l’échelle du réseau. De plus, les wagons-citernes à batterie pourraient fonctionner comme des conteneurs d’expédition modulaires, capables d’échanger entre le fret ferroviaire et les navires de transport maritime, avec des avantages positifs pour la décarbonisation des deux secteurs et l’élargissement de la portée de la résilience.

« La conversion du secteur américain du fret ferroviaire en batterie électrique générerait environ 220 gigawattheures de stockage mobile », a déclaré Phadke. « De plus, ces wagons à batterie pourraient être déployés lors d’événements extrêmes, comme lors des récents incendies de forêt catastrophiques en Californie ou de la tempête hivernale de 2021 au Texas qui a laissé des millions de personnes sans accès à l’électricité. Cette capacité de stockage d’énergie mobile créerait également une nouvelle source de revenus potentielle pour les opérateurs ferroviaires de fret. »

D’un point de vue technique, les chercheurs ont démontré qu’il ne devrait y avoir aucune contrainte pour passer à des trains de fret entièrement électriques, mais des recherches supplémentaires et des projets de démonstration à grande échelle sont nécessaires pour optimiser l’infrastructure de recharge. « Les analyses des systèmes et des marchés de Berkeley Lab ont mis en lumière ce domaine négligé et ont démontré que nous pouvons décarboniser certains secteurs avec la technologie existante, ce qui nous aidera à atteindre nos objectifs climatiques beaucoup plus rapidement tout en faisant progresser la justice environnementale et la résilience du réseau. C’est un gagnant-gagnant », a déclaré le directeur du centre de stockage d’énergie de Berkeley Lab, Noel Bakhtian. « L’analyse technico-économique des trains de marchandises électriques à batterie montre que nous disposons de solutions viables pour permettre la transition vers un avenir énergétique propre, abordable et résilient. »

Référence : « Economic, Environmental and Grid-resilience Benefits of Converting Diesel Trains to Battery-electric » par Natalie D. Popovich, Deepak Rajagopal, Elif Tasar et Amol Phadke, 11 novembre 2021, Énergie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41560-021-00915-5

La recherche a été soutenue par la Fondation William et Flora Hewlett, via la Fondation Berkeley Lab.

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