Augmentation de l'efficacité énergétique des locomotives en optimisant la charge thermique et pneumatique

Selon Ressources Naturelles Canada, la consommation de combustible pour le transport des marchandises par train a connu une hausse de 59% de 1990 à 2010. Les locomotives diesel étant la principale source de traction, la consommation annuelle de carburant associée au transport ferroviaire fut de 1,9 milliard de litres en 2010 (émissions de GES de 7,1 Mt CO2), dont 97,4 % pour le transport de marchandises. Des millions de tonnes de minerai transitent par les voies ferrées des régions nordiques (installations minières) vers des installations de transbordement portuaires ou des sites de transformation.

Le partenaire industriel au projet, la compagnie Transport Ferroviaire Tshiuetin Inc., doit transporter une quantité croissante de minerai de Schefferville vers Sept-Îles. En cours de projet, nous avons collaboré avec Technologies Genset-Synchro, dont la technologie brevetée présente un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité énergétique des groupes électrogènes. Il s’agit d’une génératrice avec stator rotatif qui permet l’opération à vitesse variable du moteur diesel pour optimiser la consommation de fioul et le rendement énergétique.

Ce projet a visé l’amélioration de l’efficacité énergétique et de la sécurité du transport ferroviaire, particulièrement dans le domaine minier en milieu nordique, par une approche intégratrice basée sur l’utilisation de l’hybridation pneumatique et des génératrices à vitesse variable, la récupération d’énergie cinétique et de chaleur et l’utilisation des systèmes de capteurs à bord du train et au long de la voie ferrée. L’objectif d’améliorer l’efficacité énergétique, diminuer la consommation de combustible, les frais d’exploitation et les émissions de GES a été atteint par les activités suivantes :

1. Développement de l’hybridation pneumatique des moteurs diesel, une technologie qui consiste en la récupération de l’énergie de freinage et son stockage sous forme d’air comprimé et chaleur. L’air comprimé stocké est ensuite utilisé pour suralimenter le moteur diesel de manière à optimiser son efficacité pour tous les régimes d’opération. Cette optimisation est particulièrement efficace lorsque les moteurs doivent fonctionner à de bas régimes. Les tests réalisés sur un banc expérimental à petite échelle démontrent un potentiel de réduction de la consommation de combustible qui peut atteindre 30 % en fonction du trajet. Nous continuons les recherches en laboratoire pour optimiser le processus d’hybridation pneumatique à l’aide d’outils d’intelligence artificielle (réseaux de neurones). Des efforts sont faits pour trouver des partenaires et du financement pour un projet pilote en conditions réelles d’opération.
2. Conception d’un système de réchauffement permettant le démarrage « à froid » des locomotives lors des arrêts à très basses températures. Les économies attendues de l’installation d’un tel système chez le partenaire industriel sont de l’ordre de 300 000 l de combustible annuellement.
3. Études et conception de systèmes de récupération et de stockage de chaleur en utilisant des matériaux à changement de phase, pour optimiser le fonctionnement des locomotives et pour assurer la sécurité du transport en milieux isolés.
4. Modélisation, analyse des performances et étude d’implantation de la génératrice à vitesse variable Genset-Synchro. Cette génératrice est munie d’un stator rotatif lui permettant de fonctionner à vitesse variable. Ainsi, nous pouvons ajuster la vitesse de rotation du moteur diesel au régime d’opération requis par la charge afin de réduire la consommation de carburant. Plus particulièrement, lorsque la charge est faible, nous diminuons la vitesse de rotation du couple moteur diesel-génératrice afin de réduire la consommation de combustible. Cette technologie a été appliquée pour produire de l’électricité et a permis de réduire la consommation de fioul de 8 à 10 % en période hivernale lorsque le groupe électrogène fonctionnait à 40-45 % de charge. Des réductions similaires sont attendues dans le transport ferroviaire en tenant compte que le régime d’opération des locomotives est la plupart du temps en dessous de 50 %.
5. Développement d’un système de capteurs à bord du train et des stations relais au long de la voie ferrée pour améliorer la sécurité des opérations et l’efficacité énergétique. Étude des solutions pour utiliser des énergies renouvelables pour améliorer l’efficacité énergétique de l’opération des trains.

Le projet a été réalisé en collaboration entre l’UQAR, l’ÉTS et l’ITMI. Il a impliqué 12 chercheurs et chercheuses au Canada, 3 chercheuses et chercheurs internationaux, 3 auxiliaires de recherche, 4 stagiaires postdoctoraux, 15 étudiants et étudiantes de maîtrise, 11 étudiants et étudiantes de doctorat et 15 stagiaires. Il s’est concrétisé par la publication ou la soumission de 16 articles scientifiques dans des revues, 11 présentations à des conférences avec comité de lecture, 7 mémoires de maîtrise et une déclaration d’invention.

La continuation du projet vise l’utilisation des techniques d’intelligence artificielle permettant l’optimisation énergétique des trains dans un contexte d’interactions fortement non linéaire d’un très grand nombre de paramètres affectant les performances. D’importants efforts sont déployés pour la démonstration de ces technologies dans des conditions réelles d’opération ferroviaire.