Locomotive Wabtec FLXdrive
Réinventer les chemins de fer
Les trains ont longtemps été associés à la graisse et à la saleté, mais la solution électrique à batterie de Wabtec pourrait-elle révolutionner le secteur ferroviaire ? Reportage de Will Gray
Les chemins de fer jouent un rôle essentiel dans le transport des marchandises et des personnes dans le monde entier. Ils représentent 7 % de tous les mouvements de marchandises mondiaux – ce chiffre montant à près de 40 % pour les seuls transports terrestres – et offrent des itinéraires indispensables à des milliards de passagers chaque année. Cependant, bien qu’ils constituent un mode de transport exceptionnellement économe en énergie, les distances et les poids impliqués rendent également leur électrification extrêmement difficile.
Les trains diesel-électriques ont longtemps été les principaux outils de travail sur les voies ferrées, et bien que des trains électriques alimentés par des câbles aériens les aient remplacés sur certaines lignes, les coûts d’infrastructure associés rendent l’électrification sur de longues distances extrêmement coûteuse. Par conséquent, plus de 60 % du réseau ferroviaire au Royaume-Uni reste non électrifié ; cependant, en Chine – où 51,75 milliards de tonnes de marchandises ont été transportées par chemin de fer en 2024 – environ 25 % du réseau n’est pas électrifié. Les États-Unis dépendent encore davantage de cette technologie, avec une flotte importante de 28 000 locomotives diesel-électriques en service et 124 000 miles de voies ferrées de classe I fortement utilisées.
Les machines diesel-électriques traditionnelles utilisent leurs moteurs fonctionnant au carburant fossile pour générer de l’électricité, qui alimente ensuite des moteurs à entraînement direct. Selon l’Association internationale de l’énergie, elles contribuent pour une part importante aux 250 millions de tonnes de CO2 émises chaque année dans le secteur ferroviaire. Cependant, jusqu’à présent, aucune autre solution n’a pu offrir la puissance et les performances nécessaires pour rivaliser avec elles.
Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) est depuis longtemps un leader mondial dans le développement des locomotives diesel-électriques, ayant été pionnière dans l’élaboration de méthodes visant à en améliorer l’efficacité. En 2001, elle a introduit le freinage régénératif sur certaines de ses locomotives, créant ainsi la première machine hybride batterie-diesel-électrique au monde ; au cours des 25 années suivantes, elle a développé ce concept initial pour aboutir à la première locomotive de transport lourd entièrement électrique, à 100 % alimentée par des batteries, la FLXdrive.
Si cela semble représenter une longue période de développement, c’est parce que – comme pour la plupart des défis liés à l’électrification – cela n’a pu être réalisé qu’une fois que toutes les composantes nécessaires étaient en place. Jim Bunce a passé sept ans à diriger le développement des batteries et du système de gestion, et il est aujourd’hui responsable en ingénierie de systèmes. Il explique : « L’objectif était de concevoir un véhicule électrique à batterie de manière à ce qu’il offre la même capacité énergétique qu’une locomotive diesel électrique – et nous y sommes parvenus. »
« Les systèmes de traction et de propulsion sont presque identiques dans les locomotives diesel électriques et celles FLXdrive, ce qui leur confère essentiellement la même puissance de 4500 chevaux fiscaux. Le système électrique à batterie ne peut pas fonctionner seul sur les mêmes distances qu’une locomotive diesel électrique, mais il permet d’obtenir des améliorations significatives en termes d’efficacité sur de longues distances lorsqu’il est utilisé en combinaison avec d’autres véhicules. Le système FLXdrive est évolutif et modulaire, ce qui lui permet de s’adapter à diverses applications, notamment le transport sur ligne, le transport lourd, le fret, les manœuvres dans les gares et les opérations hybrides. »
La scalabilité est importante car le cycle de fonctionnement l’est également, mais le système électrique à batterie n’est pas actuellement capable de fonctionner de manière autonome. L’objectif n’est pas d’éliminer le moteur diesel en toutes circonstances, mais d’utiliser l’énergie des batteries là où cela offre les plus grands avantages opérationnels et environnementaux. Une locomotive utilisée dans un environnement de maintenance de métro, par exemple, fait face à des problèmes très différents d’une locomotive de transport de marchandises sur de longues distances – c’est pourquoi des versions distinctes ont été développées pour différents cas d’usage.
Le Switcher est idéal pour un usage en extérieur, pour former des trains capables de transporter des marchandises d’un endroit à un autre ; ces véhicules peuvent généralement contenir moins de batteries car ils restent proches d’un système de charge. La version hybride, conçue pour les travaux de maintenance dans les systèmes de métro urbains plus importants, conserve un moteur diesel mais peut passer en mode fonctionnement entièrement électrique à l’intérieur des tunnels. Il a été conçu pour permettre d’éteindre le moteur là où les fumées et les émissions pourraient sinon affecter l’environnement de travail.
Dans le cas des locomotives de fret pour longues distances, la FLXdrive est équipée du nombre maximal de batteries et conçue pour fonctionner au sein d’une flotte, complétant les locomotives diesel-électriques existantes en opérant à leurs côtés afin de créer efficacement une solution hybride. « Un train de fret sur de longues distances aux États-Unis mesure généralement environ un mile et demi de long et compte trois ou quatre locomotives en tête du convoi », explique Bunce. « Nous remplaçons l’une de ces locomotives diesel-électriques par une FLXdrive, de sorte que les locomotives fonctionnent ensemble en tant que partie d’un convoi hybride. Les longues distances sont toujours couvertes par la flotte diesel-électrique, tandis que l’efficacité énergétique est améliorée grâce au système batterie-électrique. »
Prouver le concept
Pendant la période d’essai de trois mois dans la vallée de San Joaquin en Californie – une région entourée de montagnes et à terrain vallonné qui favorisait au maximum l’utilisation du freinage régénératif – cette locomotive a parcouru 13 320 miles en faisant partie d’un train composé d’autres locomotives diesel-électriques. En permettant une réduction de 11 % de la consommation de carburant (équivalente à plus de 6 200 gallons de diesel) ainsi qu’une diminution des émissions de CO2 d’environ 69 tonnes, elle a prouvé la viabilité du concept initial tout en mettant en évidence une importante opportunité d’amélioration.
La deuxième itération, mise en service pour des démonstrations auprès des clients en Australie il y a quelques années, a bénéficié d’une amélioration majeure : le système de batterie refroidi par air initial a été remplacé par un système refroidi par eau. L’efficacité accrue du refroidissement par eau a permis une augmentation significative de la densité des batteries, ce qui a permis de tripler leur capacité, l’amenant à 7 MWh au total. L’entreprise estime que, en fonction de l’itinéraire et des opérations du client, cela peut réduire la consommation de carburant et les émissions jusqu’à 30 %.
« Dans un système à refroidissement par air, il faut en réalité beaucoup d’espace pour aérer les batteries afin de les refroidir », déclare Bunce. « En passant à un système à refroidissement liquide, nous pouvons utiliser chaque centimètre carré d’espace disponible sur la locomotive. Parallèlement à ce développement, les essais en conditions réelles ont été cruciaux pour permettre à nos clients d’évaluer cette nouvelle technologie dans leurs applications – en comprenant quels besoins en entretien et en infrastructure ils pourraient avoir – ainsi que pour nous permettre de démontrer un système sûr et fiable, capable de maintenir des performances tout en offrant d’importantes économies de carburant et des avantages en termes d’émissions. »
La locomotive FLXdrive présente de fortes similitudes avec le moteur diesel électrique traditionnel, avec la même coque extérieure et la même disposition de la cabine – bien que les informations fournies au conducteur soient considérablement différentes. Le contraste devient encore plus évident en dehors de la cabine, où l’on ne trouve ni moteur diesel, ni alternateur qui transformerait normalement la puissance mécanique en électricité, ni grand système de refroidissement associé à l’installation diesel. À leur place se trouvent des batteries, ainsi qu’un système de gestion thermique conçu pour maintenir ces batteries dans leur plage de température de fonctionnement prévue.
La différence se ressent également dans l’expérience de conduite, la réduction des vibrations générées par le moteur améliorant considérablement la qualité de roulement à bord du véhicule. « Si l’on entrait dans la cabine de conduite où travaille aujourd’hui l’équipage sur une locomotive diesel-électrique par rapport à une locomotive FLXdrive, elles sont essentiellement identiques – mais l’absence de moteur diesel a en réalité un impact significatif sur le niveau de bruit et de vibrations du véhicule », déclare Bunce.
« L’une des plus grandes sources de vibration sur la locomotive est ce moteur diesel, et bien que nos locomotives diesel-électriques disposent d’un système de montage amorti afin que les opérateurs ne ressentent pas cette vibration, elle reste importante. Le poids de la locomotive est probablement le principal facteur d’usure des rails, et son poids total ne change pas beaucoup, mais cela a un impact significatif sur la qualité de conduite pour l’opérateur. C’est bien plus agréable de conduire ! »
Électrification à grande échelle
Au niveau de la transmission, le FLXdrive s’appuie sur une technologie de traction par courant alternatif bien connue. La plupart des versions utilisent six moteurs de traction par courant alternatif à haut couple General Electric GEB13, montés sur les essieux, chacun délivrant environ 1000 chevaux de puissance. Un moteur alimente chaque essieu, et chacun d’eux est contrôlé individuellement grâce à son propre inverseur refroidi par fluide à fréquence variable avancé. Cela assure un certain degré de résilience, car un problème affectant un moteur ou un inverseur n’empêche pas nécessairement l’alimentation en énergie des moteurs restants.
L’architecture électrique repose sur un bus DC haute tension, et le système fonctionne normalement à 1350 V DC, les systèmes d’inversion transformant cet alimentation électrique en courant alternatif pour les moteurs à induction. Ce milieu haute tension – la plupart des plateformes automobiles modernes étant autour de 800 V – a fait que le développement de cette locomotive électrique à batterie nécessitait plus que simplement l’ajout de batteries de type automobile à une plateforme de locomotive existante. En fait, l’entreprise a dû concevoir des packs batterie sur mesure, adaptés pour fonctionner au sein de ce système de propulsion pour le transport de marchandises lourd.
C’est l’électrification à une échelle différente. Chaque ensemble de batteries a à peu près la taille d’un matelas queen-size – environ 64 pouces de long, 48 pouces de large et 10 pouces de haut – et avec le retrait des composants originaux, il y a suffisamment d’espace pour que ces énormes batteries occupent jusqu’à deux tiers de la locomotive. « Nous disposons actuellement de 72 ensembles de batteries à bord », dit Bunce. « Cela représente l’équivalent de 72 batteries Tesla sur un seul véhicule ! »
Wabtec conçoit et fabrique les packs de batteries entièrement en interne dans son usine située aux États-Unis à Erie, en Pennsylvanie. Elle utilise des cellules de batterie fournies par un tiers, pouvant intégrer divers types de chimies de cellules, notamment NMC (nickel-manganèse-cobalt), LFP (phosphate de fer et de lithium) et LTO (oxyde de titane et de lithium). Chaque pack de batteries compte 504 cellules individuelles, conçues pour atteindre 350 V au niveau de charge maximal ; ces cellules sont agencées de telle manière que quatre d’entre elles puissent fonctionner normalement à 1400 V, légèrement au-dessus des 1350 V requis.
« Les cellules de batterie que nous utilisons sont conçues pour des applications automobiles, car ce sont les secteurs qui en consomment le plus, et donc elles sont les plus faciles à se procurer », déclare Bunce. « Le format que nous avons choisi est disponible auprès de plusieurs fournisseurs, avec différentes compositions chimiques et des capacités variées, et tous disposent de plans de production couvrant plusieurs générations. Ainsi, à mesure que les capacités et les compositions chimiques s’améliorent, nous devrions en ressentir les avantages. »
« Toutes nos batteries sont assemblées électriquement en séries et en groupes, ce qui nous permet d’isoler les différents groupes de batteries selon les besoins. Nous alimentons toute cette énergie dans un bus CC commun, puis des piles d’invertisseurs individuels prennent de l’énergie à partir de ce bus CC pour contrôler chaque essieu séparément. Nous déterminons la taille et le nombre de batteries en fonction de l’application : notre système de transport de marchandises lourd a jusqu’à 72 packs de batteries, tandis que notre configuration Switcher plus petite en compte 28 – et dans certains cas, nous laissons de la place afin de pouvoir modifier ces unités à l’avenir si une plus grande autonomie est requise. »
Le contrôle indépendant de chaque essieu confère une résilience intégrée en cas de panne d’un moteur ou d’un inverseur, la puissance étant simplement redirigée vers d’autres moteurs sans aucun impact sur les performances de la locomotive. Cela permet également au système de gérer le glissement entre les moteurs, et chaque moteur de traction dispose de son propre système de transmission indépendant – intégré à l’assemblage du moteur d’essieu, contrairement aux systèmes de transmission globaux – afin d’optimiser la traction.
Le système de batterie volumineux ajoute un poids considérable à la locomotive, mais dans ce cas – contrairement à de nombreux autres véhicules électriques où le poids des batteries constitue une contrainte inévitable que les ingénieurs s’efforcent constamment de réduire – cette masse supplémentaire est un avantage, car elle contribue à la traction entre les roues et les rails. Les locomotives diesel-électriques ajoutent en réalité du ballast pour augmenter le poids, mais le système de batterie permet d’en avoir moins besoin afin d’alimenter efficacement les rails, et le poids du véhicule est optimisé dans les limites imposées par la voie ferrée et l’infrastructure terrestre.
Sécurité et performances des batteries
Compte tenu des hautes tensions impliquées, la sécurité opérationnelle est une priorité ; la capacité d’isoler certaines parties du système électrique avant de remplacer les batteries ou d’intervenir sur l’équipement d’inversion faisait partie intégrante des critères de conception. Le FLXdrive intègre une approche LOTO (« Lock Out – Tag Out ») – une pratique établie dans l’industrie ferroviaire – qui garantit que le système puisse être isolé et verrouillé physiquement afin d’empêcher toute autre personne de rétablir l’alimentation pendant les travaux. Une sécurité supplémentaire est assurée par l’utilisation d’un système à clé piégée, qui oblige les équipes de maintenance à effectuer une série d’actions pour isoler et déconnecter progressivement l’équipement.
« La sécurité était un enjeu majeur dans la conception de cette locomotive », explique Bunce. « Nous avons consacré beaucoup de temps et d’efforts à évaluer divers scénarios d’utilisation dans différents types de services, afin de comprendre non seulement comment le véhicule pouvait être utilisé en tant que locomotive, mais aussi comment les techniciens prendraient en charge l’équipement, comment ils remplaceraient ses composants et comment ils interagiraient avec les autres parties du véhicule. »
Le dossier de sécurité couvre également le besoin de protection physique contre les conditions difficiles auxquelles sont soumis les véhicules ferroviaires lourds, qui circulent à grande vitesse et risquent de participer à des accidents graves. Wabtec a collaboré directement avec des clients individuels pour évaluer les scénarios de réponse d’urgence, en combinant leurs connaissances en matière de technologie des batteries avec la compréhension par les opérateurs de leur environnement ferroviaire spécifique. Bunce ajoute : « Nous avons conçu ce pack pour qu’il soit robuste, grâce à une validation par de nombreux tests de chute, de choc et de vibration. »
Le maintien de la batterie à une température de fonctionnement adéquate fait également partie essentielle des exigences de sécurité, tout en étant un facteur majeur pour obtenir les meilleures performances. Afin d’optimiser les performances dans ces deux cas, Wabtec a consacré beaucoup de temps au développement de son propre système de refroidissement sur mesure. « Les batteries actuelles préfèrent un environnement avec une température de fonctionnement nominale d’environ 25 degrés Celsius », déclare Bunce. « Nous avons conçu notre système de gestion thermique des batteries pour les chauffer ou les refroidir afin de les maintenir à cette température, en utilisant un mélange 50–50 d’éthylène glycol et d’eau pour assurer cette fonctionnalité. »
Le système, développé par une société affiliée à Wabtec et constituant une technologie existante déjà utilisée dans d’autres applications de transport, a été adapté pour être intégré à un système de locomotives de marchandises. Les groupes batterie sont montés directement sur une plaque de refroidissement intégrée, ce qui permet d’assurer un refroidissement indépendant pour chaque groupe. Les tuyaux et canaux de refroidissement ne entrent jamais en contact avec les cellules batterie ni avec le système électrique, garantissant ainsi leur isolation complète, et la plaque de refroidissement distribue ce froid à toutes les cellules.
Le système utilise généralement un circuit par colonne, et chaque groupe de batteries possède une connexion de séparation qui permet d’isoler les groupes individuels sans avoir à vider tout le système de refroidissement de la locomotive. Cela permet aux ingénieurs en maintenance d’isoler simplement un groupe donné du système de refroidissement, de le retirer et de le remplacer, puis de reconnecter les tuyaux de refroidissement pour remettre le système en service.
Afin de prévenir la dérive thermique – l’un des risques les plus étroitement surveillés dans tout grand système de batteries – l’équipe a développé une solution passive au niveau des groupes de batteries. Bunce explique : « Les locomotives passent une grande partie de leur temps en mode veille ou arrêté, et dans de nombreux cas, nous les expédions dans le monde entier. Dans ces situations, elles ne sont pas alimentées du tout et le système de gestion des batteries n’est pas opérationnel. »
« Pour ces raisons, nous avons conçu notre système de manière à ce qu’il ne dépende pas du système de gestion des batteries pour atténuer les dérives thermiques. Les gaz sont dirigés à travers un disque de rupture, puis s’écoulent du pack de batteries de manière contrôlée par le biais d’une cheminée pour quitter le véhicule. Il n’y a pas de propagation d’un pack à l’autre, car tout reste contenu au sein d’un pack de batteries individuel. Bien que le système de gestion des batteries apporte une valeur ajoutée lorsqu’il est en fonctionnement et puisse réduire les risques au sein de ce pack, il ne constitue pas un élément critique pour la sécurité dans notre stratégie d’atténuation des dérives thermiques. »
Gestion de l’énergie
Le secret du fonctionnement de la locomotive électrique à batterie réside dans sa capacité à capter de l’énergie en mouvement. C’est pourquoi elle s’avère si efficace comme complément aux locomotives diesel électriques au sein d’un convoi pour les voyages de longue distance. Les locomotives diesel électriques conventionnelles de l’entreprise utilisent déjà une traction en courant alternatif, où le freinage dynamique fait en sorte que les moteurs de traction génèrent de l’électricité. Cependant, le système traditionnel dissipe simplement cette énergie de freinage sous forme de chaleur grâce à des réseaux résistifs électriques et des soufflants de refroidissement, tandis que le système électrique à batterie exploite cette énergie en la stockant pour une utilisation ultérieure pendant le voyage.
Le montant des avantages offerts dépend bien sûr de l’opération spécifique que réalise la locomotive FLXdrive, et Bunce explique : « Chaque itinéraire et chaque application est différent. Le travail dans les dépôts de manœuvre bénéficie beaucoup des fonctions de récupération d’énergie grâce aux démarrages et arrêts répétés, mais même dans les transports de marchandises, elle peut apporter des avantages significatifs. Le poids et la vitesse du train, ainsi que l’ampleur de la pente à descendre, influencent tous deux la quantité d’énergie générée qui peut être stockée – et cette quantité peut être importante. »
Il ne s’agit pas seulement de récupérer de l’énergie, mais aussi de comprendre et de gérer la manière et le moment où elle doit être stockée ou utilisée. Cela fait de la freinage régénératif une partie d’une stratégie énergétique plus large – et l’avantage des chemins de fer est qu’ils suivent toujours une ligne fixe le long d’une topographie connue. Consciente de cela, Wabtec peut optimiser le fonctionnement le long du parcours et a développé un système intelligent de gestion de l’énergie pour FLXdrive, capable de planifier les phases de charge et de décharge en fonction de ce qui l’attend, dans le but d’utiliser au mieux la régénération tout en évitant des charges inutilement intenses.
Connu sous le nom de FLXoptimizer, ce système logiciel avancé de gestion de l’énergie et d’automatisation a été spécialement conçu pour faire fonctionner les FLXdrive. Agissant comme un système de supervision sur l’ensemble des locomotives du convoi, il s’appuie sur la technologie Trip Optimizer éprouvée de Wabtec, utilisée pour les trains diesel de l’entreprise, en développant des fonctions standard telles que le contrôle de vitesse intelligent piloté par l’IA et en étendant cette logique à une gestion intelligente du mélange hybride de locomotives diesel et à batterie.
« C’est vers 2010 que le développement du système de gestion de l’énergie a commencé, et il n’a cessé de se développer depuis », dit Bunce. « Le fonctionnement d’une locomotive FLXdrive est essentiellement identique à celui de toute autre locomotive diesel électrique – les opérateurs individuels ne prennent pas de décisions concernant la meilleure façon d’optimiser la consommation de carburant ou la vitesse ; tout cela s’effectue en arrière-plan grâce au système de gestion de l’énergie – et nous utilisons également aujourd’hui l’intelligence artificielle de diverses manières pour optimiser encore davantage ce que nous avons déjà accompli. »
« Nous travaillons avec nos clients pour comprendre les différents environnements opérationnels ainsi que les modes spécifiques qu’ils souhaitent, mais tout est géré via le système de gestion de l’énergie. Nous cartographions en réalité chaque itinéraire individuel dans le cadre de la mise en œuvre du système de gestion de l’énergie adapté au cas d’usage particulier du train – ainsi, au début du voyage, nous savons exactement ce que nous transportons, quelles locomotives nous avons, quelle énergie nous utilisons et où nous allons. »
« Nous utilisons ce système pour les installations diesel électriques classiques, mais lorsque nous disposons d’une locomotive électrique à batterie au sein du convoi et que nous pouvons fonctionner en mode hybride, nous établissons un plan complet de charge et de décharge avant même que le train ne quitte le dépôt. La solution de gestion de l’énergie connaît cette itinéraire, ce qui permet de planifier les opérations afin que la batterie ne soit jamais ni complètement pleine ni complètement vide, et d’obtenir le maximum d’énergie possible de cette batterie. »
En plus de la charge régénérative, la locomotive électrique à batterie intègre une solution intégrée permettant la charge par prise statique. Le système standard a été adapté à partir de technologies généralement utilisées dans l’industrie automobile, et Bunce poursuit : « Les exigences en matière de charge varient en fonction de l’application, du profil d’utilisation et des infrastructures du client, et nous travaillons avec chaque client pour personnaliser ces solutions à leurs besoins. »
« En général, pour les opérations de transport de marchandises par train, la plupart du chargement s’effectue grâce au système de freinage régénératif lorsque le terrain le permet, mais la charge par prise électrique en station est utile pour des locomotives hybrides ou Switcher, où, à la fin de la garde, lorsque la locomotive n’est pas en usage, elle peut être branchée et rechargée pendant l’absence du conducteur. Cela ressemble beaucoup à un système de véhicule électrique, et dans certains cas, nous faisons appel à un fournisseur de services de charge pour véhicules électriques afin de le soutenir. »
En plus de cela, l’entreprise a également développé une option de charge rapide en courant continu spécifique aux trains, utilisant un pantographe fixe pour puiser l’énergie dans les lignes aériennes. Elle n’est pas encore capable d’être utilisée pour la charge en mouvement, mais Bunce affirme que Wabtec « s’attend absolument à disposer de cette capacité » à l’avenir. « Nous tirerions de l’énergie du système de pantographe lorsque nous le traversons et l’utiliserions pour recharger les batteries tout en étant en mouvement, ainsi que pour alimenter simultanément le système de propulsion », explique-t-il : « Lorsque nous ne serons plus sous la ligne aérienne, nous utiliserions alors les batteries pour continuer à avancer. »
Adaptation des performances
La philosophie du FLXdrive était d’égaler autant que possible les performances des machines diesel-électriques existantes – mais ce n’était pas aussi simple que de remplacer le moteur diesel par une capacité de stockage électrique équivalente. Contrairement à une locomotive diesel-électrique, où le moteur doit atteindre une certaine vitesse avant de pouvoir fournir toute sa puissance, les premiers essais ont montré que la locomotive électrique à batterie pouvait réagir trop rapidement, posant ainsi un défi inattendu pour l’opérateur par rapport à un produit conventionnel.
Bien sûr, les chiffres relatifs à la performance et à l’autonomie varient en fonction du tracé, mais l’objectif a toujours été de développer une gamme de solutions adaptées à diverses applications. Bunce explique : « Le FLXdrive Switcher a été conçu pour fonctionner pendant une pleine journée de huit heures, en fonction des besoins typiques de manœuvre de nos clients. Quant au FLXdrive heavy-haul, il peut tirer un train de un mile et demi ou plus, ce qui fait que son autonomie dépend fortement du tracé, du terrain et des conditions d’exploitation. »
« En général, sur une route vallonnée, la locomotive utilise son énergie pour monter la pente, puis le système se recharge lorsqu’elle descend. Une application minière typique, allant de la mine au port, implique des déplacements en montée dans une direction et en descente dans l’autre – ce qui permet d’exploiter pleinement les caractéristiques du terrain dans ce type d’utilisation. »
Wabtec dispose de commandes pour tous types d’opérations, dans le monde entier. Union Pacific recevra bientôt quatre unités FLXdrive Switcher pour les opérations dans les dépôts en Californie, tandis que Canadian National recevra une telle unité. En Australie, BHP utilise plusieurs unités de transport lourd dans la région minière du Pilbara, les faisant fonctionner pleinement chargées en descente depuis les mines intérieures vers les ports côtiers afin de se recharger automatiquement pendant la descente.
La question n’est plus simplement de savoir si une locomotive électrique à batterie peut fonctionner ; il s’agit plutôt de déterminer comment cette technologie doit être spécifiée, soutenue et intégrée pour chaque application particulière. FLXdrive 2.0 poursuit le développement de ce concept, permettant à la technologie, aux clients et à l’infrastructure qui l’entoure d’apprendre ensemble. La technologie en est encore à un stade précoce de développement, et les améliorations en termes de capacité des batteries et de densité énergétique continueront à élargir l’éventail des applications possibles à l’avenir.
Finalement, l’électrification complète des réseaux ferroviaires est encore loin d’être réalisée, et bien que les véhicules électriques à batterie soient très adaptés à certaines applications – en particulier le manœuvrage et les travaux dans les gares – leurs limites de portée signifient que les systèmes hybrides resteront pertinents pour longtemps. Dans un monde où la durabilité est une priorité, Bunce estime donc que des carburants alternatifs joueront également un rôle aux côtés du FLXdrive, grâce à une gamme de solutions plutôt qu’à une seule technologie de remplacement imposée à tous les réseaux.
Aux fins de cela, en plus du développement de son système électrique à batterie, Wabtec explore déjà des technologies de carburants et de propulsion alternatifs tels que le biodiesel, le diesel renouvelable et le gaz naturel, l’éthanol et l’hydrogène étant actuellement en cours d’évaluation.
« La technologie électrique à batterie reste encore fortement en développement, et il faudra finalement disposer d’une gamme de produits pour accompagner nos clients, y compris des carburants alternatifs, des systèmes hybrides et des applications à batterie, tous ces éléments jouant un rôle important à l’avenir », déclare Bunce. « Chaque application aura ses propres exigences, mais il existe certainement des applications destinées aux clients qui se prêtent parfaitement à un avenir entièrement électrique. »
La locomotive FLXdrive actuelle constitue une plateforme de développement, et non une solution définitive. Les batteries sont basées sur des formats de cellules qui peuvent bénéficier des améliorations apportées par l’industrie batterie dans son ensemble – une plus grande capacité, de meilleures technologies de charge et une meilleure densité énergétique pouvant toutes améliorer les locomotives futures. Le système de contrôle continuera également à optimiser l’utilisation de l’énergie existante, en tirant parti des progrès inévitables de l’IA.
Il est déjà clair que la technologie a dépassé la question initiale de savoir si les batteries peuvent alimenter une locomotive. Le défi technique réside désormais dans l’échelle, l’intégration, la gestion de l’énergie ainsi que dans le développement des infrastructures nécessaires pour faire fonctionner ce type de matériel. FLXdrive propose plusieurs solutions à ce défi : une locomotive conçue pour ressembler et fonctionner comme du matériel ferroviaire traditionnel, mais avec une approche fondamentalement différente de l’énergie selon les différentes opérations.
Le progrès réalisé, allant des premières leçons hybrides aux démonstrations pour les clients, montre comment le système continuera d’évoluer. La refroidissement a déjà permis d’augmenter la capacité ; l’architecture haute tension a facilité l’utilisation de moteurs de traction éprouvés ; la régénération permet désormais de convertir l’énergie de freinage en énergie stockée ; le logiciel prédictif a transformé une voie ferrée fixe en une carte énergétique ; et l’ensemble du système a été conçu pour assurer la sécurité de son fonctionnement et de sa maintenance.
L’avenir des chemins de fer de fret à faibles émissions ne viendra probablement pas d’un changement technologique radical unique ; il émergera plutôt route par route et application par application, à mesure que les batteries, le logiciel, le système de charge et les carburants alternatifs s’améliorent ensemble – et Bunce conclut : « Chaque route et chaque application a ses propres besoins spécifiques, et nous les évaluons tous pour déterminer quelles pourraient être les attentes à long terme. »
« La technologie électrique à batterie en est encore à ses débuts en termes de développement et d’adoption. Ainsi, à mesure que la capacité des batteries s’améliore et que notre système de gestion de l’énergie continue d’évoluer, je pense que nous verrons une augmentation progressive de la portée des locomotives. Nous examinons constamment de nouvelles conceptions et technologies afin d’évaluer des moyens d’améliorer la densité globale de notre système – et je pense que nous ne faisons que commencer. »
Un outil polyvalent et adaptable
Wabtec collabore avec des clients individuels en Amérique du Nord, en Amérique du Sud et en Australie pour développer des locomotives électriques à batterie répondant à divers besoins spécifiques, allant du transport local au transport de minerais sur de longues distances. Aucun travail n’est identique dans le secteur ferroviaire mondial, c’est pourquoi Wabtec a développé quatre versions de base différentes de son système FLXdrive pour répondre à des besoins variés.
Les modèles de base sont tous conçus pour fonctionner sur une écartement de voie de 1435 mm, mais chacun est adapté pour optimiser les performances dans différents modes d’exploitation ferroviaire clés – y compris le travail dans les gares, le transport local, l’exploitation souterraine et le transport de longue distance à forte charge.
Ces modèles de base sont basés sur la plateforme standard Heavy-Haul 32 t/essieu, l’énergie étant fournie par des moteurs individuels à jusqu’à six essieux motorisés. Le freinage régénératif permet une réutilisation cruciale de l’énergie, tandis qu’il existe également un système de charge en courant alternatif 480 V intégré, avec une charge rapide en courant continu optionnelle via des rails de charge situés sur le dessus de la locomotive.
Transport à forte charge
C’est la version à la plus grande capacité, conçue pour le service sur les lignes principales. Elle est généralement utilisée en combinaison avec d’autres locomotives diesel-électriques au sein d’un convoi.
Puissance (maximale) : 3200 kW / 4360 ch
Capacité de la batterie : 7 MWh
Essieux : 6, format Co-Co
Poids : 461 klbs / 209 t
Dimensions : L – 76 ft / 23,2 m ; largeur – 10 ft / 3 m ; hauteur – 15,5 ft / 4,7 m
Vitesse maximale : 76 mph / 123 kph
Puissance de traction
- Démarrage : jusqu’à 200 klbf / 890 kN
- En continu : jusqu’à 155 klbf / 690 kN
- Freinage par régénération : jusqu’à 98 klbf / 436 kN
Version de capacité réduite
Cette version à capacité inférieure est conçue pour les travaux dans les chantiers ainsi que pour des services de transport locaux et régionaux de courte distance.
Puissance (maximale) : 1700 kW / 2280 chevaux
Capacité de la batterie : 2,7 MWh, temps de charge complète : 4–7 heures
Essieux : 6, format Co-Co
Poids : 417 klbs / 189 t
Dimensions : L – 68 ft / 20,7 m ; largeur – 10 ft / 3 m ; hauteur – 15,5 ft / 4,7 m
Vitesse maximale : 70 mph / 112 kph
Puissance de traction
- Démarrage : jusqu’à 200 klbf / 890 kN
- En continu : jusqu’à 155 klbf / 690 kN
Shunter
C’est la version à capacité la plus faible développée à ce jour, conçue avec une plateforme de roulement différente adaptée au travail sur les chemins de fer d’Asie centrale.
Puissance (maximale) : 700 kW / 940 ch
Capacité de la batterie : 1,2 MWh
Essieux : 4, format Bo-Bo
Poids : 212 klbs / 96 t
Vitesse maximale : 70 mph / 112 kph
Force de traction
– Mode de démarrage : jusqu’à 83 klbf / 370 kN
Mode double
Celui-ci a été développé spécifiquement pour fonctionner sur les chemins de fer souterrains en Europe, avec une combinaison hybride à bord de type électrique et batterie-electrique.
Puissance (maximale) : 800–1500 kW / 1072–2010 ch (seulement batterie) ; 3800–5500 kW / 5095–7375 ch (électrique + batterie)
Capacité de la batterie : 1,5 ou 2 MWh
Essieux : 6, format Co-Co
Poids : 278 klbs / 126 t
Vitesse maximale : 70 mph / 112 kph
Effort de traction
– Mode de démarrage : jusqu’à 117 klbf / 520 kN
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