Dans le cadre de l’élimination de la traction thermique sur les lignes non électrifiées, des constructeurs ont développé des trains à pile à hydrogène, dont deux exemplaires circulent déjà en service commercial en Allemagne et d’autres en essai au Royaume-Uni. D’autres pays envisagent également de recourir aux trains à hydrogène, qui sont en concurrence avec les trains hybrides électriques-batteries.
Un peu d’électrochimie
Le principe de la pile à combustible a été découvert il y a plus de 150 ans. Il répond à la réaction chimique hydrogène + oxygène > eau + électricité + chaleur (2 H2 + O2 > 2 H2O). Dans la pile, au niveau de l’anode la molécule d’hydrogène est oxydée en produisant des électrons (e–) qui créent un courant électrique. La réaction est 2 H2 > 4 H++ 4 e–. À la cathode, la molécule d’oxygène subit une réduction en présence des électrons libérés par la réduction de l’hydrogène selon la réaction O2 + 4 e– > 2 O²–. Au niveau de la cathode les protons H+ se recombinent avec les anions oxydes O²– pour produire de l’eau (H2O) selon la réaction 4 H+ + 2 O²– > 2 H2O. L’électrolyte employé (potasse, membrane polymère, acide phosphorique, carbonates de métaux alcalins ou céramique) détermine les possibilités d’utilisation des piles à combustible avec des températures de fonctionnement variant de 60 ˚C à 900 ˚C. Plusieurs types de piles ont été développés : les piles alcalines (AFC), les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC), les piles à acide phosphorique (PAFC), les piles à carbonates fondus (MCFC) et les piles à oxydes solides (SOFC). Les rendements varient de 50 % pour les deux premières à 80 % pour les MCFC. Au début des années 90, les constructeurs automobiles ont commencé à s’intéresser à la technologie hydrogène, qui est une des solutions, ne rejetant que de la vapeur d’eau, pour diminuer dans les transports les émissions de gaz à effet de serre.
Le dihydrogène (H2) peut être produit industriellement de deux manières, soit par vaporeformage d’hydrocarbures, très souvent du méthane, représentant 49 % de la production mondiale de dihydrogène, ou par électrolyse de l’eau avec un rendement d’environ 40 %. Pour réellement réduire l’émission de rejets carbonés et produire un « hydrogène vert », il faut que le dihydrogène soit fabriqué par électrolyse alimentée par de l’électricité d’origine renouvelable : éolienne, hydroélectrique ou photovoltaïque, ou d’origine nucléaire. D’autres procédés existent mais sont au stade expérimental.
Les trains à hydrogène
Dès 2002 une locomotive avait été équipée d’une pile à hydrogène de 17 kW pour le groupe minier Placer Dome au Québec. Plusieurs projets de trains à hydrogène, dénommés aussi hydrail, ont été développés dans un certain nombre de pays, en 2006 au Japon par la compagnie JR East, en 2007 à Taïwan, en 2009 par la compagnie américaine BNSF, en 2010 en Indonésie. En Europe, le premier prototype de train à hydrogène a été développé pour trouver une alternative à la traction diesel en 2010 par la compagnie Feve, qui exploitait alors des trains à voie métrique en Espagne, et qui a été repris le 1er janvier 2013 par la Renfe. Le Feve avait lancé en 2011, en partenariat avec l’université de Leon, le projet « Roblasolar » d’un train à énergie solaire, mais abandonné à l’automne 2011.
