Etude de développement d'un concept de locomotive hybride à chaîne de traction électrique autonome propre et durable

Dans une démarche globale d'asservissement du bilan énergétique et climatique de son pack d'engins ferroviaires, et pour acquérir le savoir-faire en matière de spécification de futures locomotives électriques multi-tensions dépendant d'un kit autonome hybride, ALSTOM Transport s'intéresse de près à la problématique de l'hybridation ferroviaire pour des locomotives électriques multi-tensions en leurs intégrant une source d'énergie hybride embarquée. C'est dans cet élan que s'inscrit le projet d' "Etude et développement d'un concept de locomotive hybride à chaîne de traction électrique autonome propre et durable ". Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE lancé par l'Association Nationale de la Recherche Technique (ANRT) et mené par la société ALSTOM Transport et le laboratoire SET-UTBM. Il a pour but d'étudier et de développer un kit autonome hybride respectant l'environnement, à intégrer dans une locomotive électrique multi-tensions à chaîne de traction électrique, en prenant en compte l'encombrement disponible ; ceci est prévu pour des applications dans les domaines de locomotives tirant jusqu'à 1800 Tonnes et circulant en Europe, remplaçant ainsi les locomotives de manoeuvre dans certains bouts de lignes non-électrifiées afin d'éviter le trafic ferroviaire, et les temps d'attente en réduisant ainsi les coûts d'exploitation, et en minimisant fortement la consommation du carburant, et les émissions du CO2. Ce qui ramène la nouveauté dans le projet est de pouvoir intégrer un groupe hybride autonome dans une locomotive électrique multi-tension sans effectuer des modifications dans son architecture. Les travaux réalisés ont consisté dans un premier temps à définir les différentes missions ferroviaires auprès des opérateurs privés sur des bout de lignes non-électrifiées répondant à notre problématique, et permettant ainsi de réaliser un dimensionnement énergétique du kit hybride autonome, respectant le cahier des charges de l'étude lié essentiellement à l'encombrement disponible. Ensuite, nous avons identifié les deux sources de tension et de courant de la source d'énergie hybride embarquée après avoir évalué plusieurs technologies potentielles. Dans un deuxième temps, et après avoir défini l'architecture technique de la chaîne de traction de la locomotive électrique multi-tension à option du kit hybride, nous avons présenté la démarche de dimensionnement et de modélisation des ces deux sources d'énergie et de puissance. La structure étant définie, nous avons abordé enfin la dernière phase d'étude qui est le développement du contrôle-commande, et la mise en oeuvre de la gestion d'énergie entre les deux sources présentes à bord du véhicule, en tenant compte des limitations énergétiques du système de stockage et du dimensionnement du système. Le but de ces stratégies d'énergie est de maximiser par exemple le rendement global de la chaîne de traction. Les dimensions et choix en termes de stratégie de gestion issus de cette thèse seront directement exploités dans le projet au moment de sa construction.In a comprehensive approach for controlling the energy balance and climate of their pack gear train, and acquire the know-how in the specification of future multi-voltage electric locomotives dependent on a standalone hybrid kit, ALSTOM Transport is very interested in the hybridization of their railway electric locomotives with multi-voltage power source incorporating a hybrid energy source onboard. It is in this spirit that the project fits "Survey and development of a Standalone embarked hybrid energy source clean and sustainable to be integrated in an electrical or diesel electrical locomotives". This project was realized as part of a thesis CIFRE launched by the National Association for Technical Research (ANRT) and leaded by ALSTOM Transport and lab-SET UTBM. It aims to study and develop a standalone hybrid kit respecting the environment, to integrate into multi-voltage electric locomotives, taking into account the space available aboard; This is intended for locomotives pulling up to 1800 tons and traveling in Europe, thereby replacing the shunting locomotives in certain pieces of non-electrified lines to avoid train traffic and wait times thereby reducing operating costs, and greatly minimizing fuel consumption and emissions of CO2. Which brings the novelty in the project to integrate a hybrid group in an independent multi-voltage electric locomotive without making changes in its architecture. The framework consisted at first to define the different profiles missions in railway traffic with private operators on the end of non-electrified lines responding to our problem, and thus achieving a sizing of a standalone hybrid energy source, respecting the specifications study related mainly to the space available. Then, we have identified two sources "voltage (Power source) and current (Energy Source)" of the hybrid energy source onboard after evaluating several potential technologies. In a second step of this study, and after defining the technical traction architecture of the electrical multi-voltage locomotive with option hybrid kit, we presented the approach of design and modeling of these two sources in energy and power. The structure is defined; we finally tackled the last phase of study about the development of control-command systems, and implementation of energy management between the two sources present in the vehicle, taking into account the limitations energy storage system and its sizing. The goal of these strategies is to maximize the efficiency of the electric traction chain. The size and choice in terms of management strategy from this thesis will be directly exploited in the project at the time of its construction.BELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF