L'énergie électrique à batterie circule sur les rails

La locomotive FLXdrive, inaugurée lors d'une cérémonie en octobre dernier, arborait la livrée rose emblématique de Roy Hill. (Photo : Wabtec Corporation)

Fin octobre 2023, le fournisseur de solutions de transport Wabtec et son client de lancement Roy Hill, une société d'extraction de minerai de fer basée en Australie, ont célébré le lancement de la locomotive FLXdrive - un modèle de production que Wabtec a décrit comme la « première locomotive de transport lourd 100 % alimentée par batterie au monde pour le service sur les lignes principales ».

Ce lancement marquait l'aboutissement de plus d'une décennie de recherche et développement, entamée à une époque où la technologie et la densité des batteries étaient bien plus limitées. Rogerio Mendonca, président de la division Freight Equipment de Wabtec, a qualifié le premier projet de l'entreprise de « pilote scientifique avant tout ».

Rogerio Mendonca, président, Équipements de fret, Wabtec

La FLXdrive a véritablement pris son envol en 2021 avec une locomotive pilote développée en partenariat avec BNSF et qui a parcouru plus de 21 000 kilomètres. « Ce fut un projet pilote très réussi à bien des égards », a déclaré Mendonca. « Cette locomotive détenait environ 2,4 MWh de puissance. C'était la première fois qu'une véritable locomotive électrique à batterie, de taille standard, était utilisée pour le transport de marchandises par rail… »

« À ce moment-là, nous avons réalisé que nous étions probablement prêts pour un produit commercial à plus grande échelle basé sur la technologie des batteries. »

Solution évolutive

Wabtec s'est associé à plusieurs clients, dont Roy Hill, pour le développement conjoint de la locomotive de transport lourd FLXdrive. Ces partenariats, conjugués aux avancées rapides de la technologie des batteries, ont influencé des aspects tels que le conditionnement des batteries, la puissance optimale à bord, les systèmes de sécurité, etc.

Par conséquent, le modèle de production, bien que présentant des similitudes physiques avec la locomotive pilote, est très éloigné de cette version pilote. « [En 2021], nous avions cette locomotive de 2,4 MWh et celle que nous livrons à Roy Hill a une puissance de 7 MWh. Il s'agit donc de la même structure physique, de la même taille de locomotive, mais la technologie… nous a permis d'atteindre des niveaux de densité de puissance bien plus élevés, ce qui est l'une des variables critiques », a déclaré Mendonca.

La locomotive FLXdrive est dotée d'une architecture de batterie modulaire et évolutive, conçue pour s'intégrer à de nombreux véhicules et environnements ferroviaires, notamment les locomotives de transport lourd, de triage, régionales, de banlieue, hybrides et spécialisées. La capacité maximale de la batterie varie de 1,5 à 8,5 MWh, selon la configuration et l'application.

La version pour transport lourd repose sur le principe d'une locomotive diesel-électrique, a expliqué Mendonca, mais utilise des batteries lithium-ion refroidies par liquide à la place d'un moteur diesel. Un « ensemble complet de batteries » fournit la puissance requise – un total de 72 batteries dans le cas de la locomotive destinée à Roy Hill dans la région minière intensive de Pilbara, en Australie-Occidentale.

La locomotive FLXdrive est dotée d'une architecture de batterie modulaire et évolutive, conçue pour s'intégrer à de multiples véhicules et environnements ferroviaires. (Photo : Wabtec Corporation)

« Ce système de batteries est complexe et comprend non seulement les cellules, mais aussi tous les systèmes de sécurité et de contrôle qui l'entourent », explique Mendonca, notamment un système de gestion thermique exclusif. « Lorsque nous assemblons autant de batteries, nous voulons nous assurer de leur sécurité et de leur fiabilité. De plus, nous utilisons de nombreux accessoires et systèmes pour le refroidir, le gérer et garantir la stabilité du système. »

Bien qu'elle puisse fonctionner de manière autonome, la locomotive de transport lourd FLXdrive a été conçue pour fonctionner en groupe hybride, remplaçant ainsi l'une des unités diesel-électriques d'une chaîne de trois locomotives, par exemple. Le système de gestion de l'énergie de Wabtec permet d'optimiser l'énergie au sein de ce groupe.

« Cela détermine, par exemple, quand utiliser la batterie et quand la recharger, et quel est le fonctionnement optimal entre les deux moteurs [diesel] et la locomotive fonctionnant sur batterie », explique Mendonca. « Je dirais que l'un des aspects les plus fascinants de cette technologie est la capacité à gérer la répartition de l'énergie dans l'ensemble du train, non seulement pour optimiser la consommation de carburant, mais aussi les émissions. »

Charge en descente

La charge statique et la charge rapide CC optionnelle utilisant un pantographe fixe sont disponibles pour les unités FLXdrive. La charge mobile optionnelle est prévue prochainement. Le FLXdrive pour transport lourd est également capable de recharger le frein par récupération en mission.

« Cette fonction, je dirais, est l'un des aspects les plus pertinents en termes d'émissions et d'économies de carburant pour cette locomotive et simplifie l'ensemble de son fonctionnement » en éliminant en grande partie le besoin de charge statique, a commenté Mendonca. « C'est une fonction de l'application, car la topographie détermine en grande partie la capacité de ces locomotives à recharger la batterie. »

Roy Hill prévoit d'intégrer les locomotives électriques à batterie à sa flotte existante dans le cadre d'un ensemble hybride. (Photo : Wabtec Corporation)

« Nous avons des clients qui opèrent dans un environnement minier, où l'on va généralement d'une mine au sommet d'une montagne jusqu'à un port... Dans ces endroits, ces locomotives se rechargent plusieurs fois uniquement grâce au système de freinage. Ainsi, avec un train hybride, il pourrait être possible de ne plus avoir besoin de recharger ces locomotives électriques à batterie en externe. Elles pourront se recharger tout au long du trajet. »

De plus, le système de batterie intègre le FLX Optimizer, un régulateur de vitesse intelligent pour trains électriques, basé sur le Trip Optimizer des locomotives diesel de Wabtec. « Ce système gère le fonctionnement de la locomotive et détermine les points de freinage et d'accélération, contribuant ainsi à ce que nous appelons le trajet optimal », a déclaré Mendonca. « Quelle est la meilleure façon de transporter un train du point A au point B ? Ce système permet de calculer, en fonction de la vitesse, des points d'arrêt et de l'altitude, les points d'accélération et de freinage appropriés. »

Le FLXdrive bénéficie également grandement de ce système pour optimiser la charge et la décharge. Cela améliore non seulement le fonctionnement, mais aussi la durée de vie des batteries en maintenant un fonctionnement optimal.

Coûts et émissions réduits

Cette technologie sera essentielle pour offrir les performances attendues par des clients comme Roy Hill. La société minière exploite actuellement quatre locomotives diesel-électriques Wabtec ES44Aci de la série Evolution qui tractent des trains de minerai de 240 wagons sur un circuit fermé reliant sa mine, sur sa propre voie ferrée, à ses installations portuaires et vice-versa. L'entreprise expédie plus de 63 millions de tonnes de minerai aux producteurs d'acier chaque année.

« Ils bénéficient d'actifs extrêmement fiables et d'une grande disponibilité. C'est essentiel pour eux, car ils exploitent un véritable « tapis roulant » qui transporte le minerai de la mine au port et inversement », a déclaré Mendonca.

Compte tenu de l'itinéraire et des opérations ferroviaires de l'entreprise, les trains hybrides intégrant la locomotive FLXdrive devraient permettre une réduction à deux chiffres des coûts de carburant ainsi que des émissions par train.

Podcast : Applications et avantages de la locomotive électrique à batterie de Wabtec Rogerio Mendonca de Wabtec met en avant les avantages et les applications de la locomotive électrique à batterie FLXdrive de l'entreprise

« La raison fondamentale du développement des locomotives à batterie est d'aider nos clients dans leurs projets de décarbonation, qu'il s'agisse d'une rame composée de trois diesels équipés d'une ou de deux batteries, réduisant ainsi proportionnellement les émissions, ou d'un train complet à batteries », a déclaré Mendonca. « C'était le concept initial : créer un produit capable de transporter des charges lourdes sans aucune émission. Et je pense que la voie est très prometteuse. »

Roy Hill prévoit d'intégrer les locomotives électriques à batterie à sa flotte existante tout en poursuivant le développement de sa technologie diesel pour la rendre plus économe en carburant et plus fiable. « L'association de la batterie et du diesel va sans aucun doute leur permettre d'atteindre un excellent niveau d'optimisation en termes de rendement énergétique et de capacité de transport – autant de variables essentielles pour une grande société minière comme Roy Hill », a déclaré Mendonca.

Il a ajouté : « Les locomotives diesel-électriques constituent toujours une part essentielle de notre portefeuille, un élément essentiel des activités de tous nos clients dans le monde, et ce, pour un certain temps encore. La technologie diesel a évolué très rapidement ces dernières années en termes de consommation de carburant et… non seulement d'émissions de CO2, mais aussi d'émissions de particules des technologies Tier 4. Il existe donc sur le marché une technologie diesel-électrique très solide qui, combinée aux batteries, favorisera progressivement cette transition. »

Développement continu

La locomotive FLXdrive, qui sera livrée en Australie-Occidentale fin 2024, est construite dans l'usine Wabtec d'Erie, en Pennsylvanie. « Comme il s'agit de la première, nous la construisons à proximité de notre site d'ingénierie », a déclaré Mendonca. « À l'avenir, nous espérons qu'elles seront construites dans nos usines du monde entier. »

Le développement du produit se poursuivra même après la mise en service de la locomotive dans l'exploitation minière de Roy Hill à Pilbara, en Australie. (Photo : Wabtec Corporation)

Le développement du produit se poursuivra même après la mise en service de la locomotive. « Lorsque ces locomotives commenceront à circuler en Australie, nous serons là avec [Roy Hill] et nous les exploiterons ensemble. Nous continuerons d'apprendre et nous continuerons à intégrer nos connaissances au processus de construction et de conception », a déclaré Mendonca.

« Cela a été un processus d'apprentissage intéressant pour l'industrie en général », a-t-il ajouté, « et nous avons la chance d'avoir des partenaires comme Roy Hill qui accélèrent cet apprentissage avec nous. »

La technologie entourant les batteries – non seulement en termes de densité et de cycle de vie des batteries, mais aussi de contrôles – continuera d’évoluer rapidement et de générer encore plus de progrès en matière de conception, a prédit Mendonca.

« Depuis notre projet pilote d'il y a trois ans jusqu'aux locomotives que nous construisons aujourd'hui, nous constatons déjà une évolution significative. Et je pense que l'industrie dans son ensemble est convaincue que cette amélioration va se poursuivre », a-t-il déclaré. « C'est très prometteur. Et nous attendons avec impatience les prochaines années de développement de cette technologie. »