Des lignes qui sentent trop le gasoil…

Dans le cortège de critiques à l’égard des lignes désormais qualifiées de desserte fine du territoire, leur dépendance à une énergie fossile n’a pas manqué d’être pointée, considérant que le ratio d’émissions polluantes par voyageur transportée serait bien meilleur en autocar voire même en voiture.

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Tours - Mars 2005 - Une image révolue mais parfois encore ancrée dans les mentalités : l'autorail à la fumée bien noire fait partie du passé, mais la traction Diesel reste encore aujourd'hui très présente sur le réseau français, notamment sur les lignes de proximité dans les Régions. © transportrail

Mettons de côté le fait que la faible fréquentation du train sur de nombreuses lignes provient en grande partie d’un déficit d’offre et concentrons-nous sur l’aspect technique, c’est-à-dire la motorisation des trains.

En France, 85% des 9137 km de lignes UIC 7 à 9 dénombrées en 2017 ne sont pas électrifiées et sont donc empruntées par des trains fonctionnant au moins en partie au gasoil. En partie, car avec l’arrivée des automoteurs bimodes (AGC puis Régiolis), l’exploitation a pu tirer profit chaque fois que possible de la traction électrique sur les sections munies de caténaires, notamment à l’approche des grands nœuds ferroviaires.

S’il est évident que d’un point de vue global, la réduction du poids des énergies fossiles dans la mobilité passe aussi par un report modal significatif des modes routiers vers les « modes doux » et les transports en commun, ces derniers ne peuvent plus s’affranchir d’une réflexion sur leur type de motorisation.

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Faulquemont - 2 mars 2017 - Autre image à proscrire : la circulation d'engins Diesel sur des lignes électrifiées, comme ici ces X73500 sur une relation Sarreguemines - Metz. Néanmoins, les matériels bimodes ont largement été déployés depuis 2004... mais en nombre encore insuffisants. © transportrail

Le train à hydrogène sur le devant de la scène

Et le moins que l’on puisse dire, c’est que l’édition 2018 d’Innotrans a été un concentré de nouveautés en la matière, incarnées par le Coradia i-Lint, dont 14 exemplaires sont entrés en service commercial en Basse-Saxe à la mi-septembre 2018. Souvent présenté par les médias français comme « une innovation de notre champion national », avec sa pile à combustible alimentée par hydrogène, l'autonomie atteint environ 1000 km, soit un usage très comparable à celui des autorails Diesel entre deux passage par la station-service.

Cependant, la pile à combustible n'est pas auto-portante. L'énergie produite passe par des batteries : en réalité, la pile est un moyen de gérer l'autonomie d'un train à batteries, qui peut s'affranchir du besoin de rechargement intermédiaire en service. En outre, la puissance développée reste limitée : sur le Coradia i-Lint, elle est de 395 kW, soit un peu moins que la puissance développée sur un X4750 de 1977 (412 kW), pas réputés pour leurs grandes aptitudes notamment sur les profils difficiles. De l'aveu même d'Alstom, il s'agit d'un engin de puissance modeste destinée à des itinéraires plutôt facile. Pas question de voir un tel engin se frotter à nos lignes de montagne avec des rampes de 25 pour mille au moins...

Autre limite de ce train, il n'a fondamentalement d'intérêt qu'au moment d'un besoin primaire d'acquisition de nouvelles rames. Or dans le cas français, le renouvellement du matériel régional a été largement réalisé : la question porte donc sur l'évolution de matériels existants arrivant à mi-vie. Que faire avec les X73500, les AGC puis les Régiolis bimodes ?

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Il ne paie pas de mine, mais il suscite bien des convoitises, notamment en France, d'autant plus parce qu'il est fabriqué par Alstom : le Coradia i-Lint fonctionne avec des batteries alimentées par une pile à combustible utilisant de l'hydrogène. C'est dans le Land de Basse-Saxe que commencent à circuler depuis septembre 2018 les 14 premiers autorails de ce type. (cliché X)

Le train à batteries : une solution pour transformer les parc existants ?

Dans ce domaine de l'évolution d'un matériel existant pour l'affranchir des énergies fossiles, Alstom, la SNCF et trois Régions françaises (Nouvelle Aquitaine, Occitanie et Grand Est) ont convenu d’un protocole de financement à hauteur de 16,6 M€ pour développer un prototype de Régiolis bimode dont l’un des groupes Diesel serait remplacé par des batteries, l’autre étant transformé en générateur de courant. Il s’agirait donc d’une rame « bimode améliorée » circulant en mode électrique soit par caténaire soit par les batteries, rechargées lors des séquences sous caténaires, en récupérant l’énergie au freinage et par le moteur Diesel. Cette rame devrait entrer en service commercial en 2021 en Occitanie.

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Molsheim - 30 janvier 2015 - Trois Régions vont participer à l'expérimentation de remplacement d'un des deux blocs-moteurs d'un Régiolis par des batteries, pour disposer d'un système de charge permanente des batteries et limiter le groupe thermique à un rôle de générateur. © transportrail

Bombardier ne reste pas à quai en présentant en marge d'Innotrans 2018 un Talent 3 hybride, s’affranchissant complètement de la motorisation thermique avec donc un mix « panto-batteries ». Cette rame expérimentale est dotée de 4 tonnes de batteries lithium-ion, rechargées lors des séquences sous caténaires et par la récupération au freinage. La puissance maximale disponible atteint 1 MW et autorise une accélération de 1,2 m/s² de 0 à 40 km/h même sur batteries. La vitesse maximale sur batteries est limitée à 140 km/h contre 160 km/h sous caténaire. L’autonomie entre deux recharges atteint environ 20 kilomètres. Il est possible de doubler l’équipement en batteries pour porter l’autonomie à une quarantaine de kilomètres.

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Usine Bombardier de Hennigsdorf - 21 septembre 2018 - En apparence, c'est un Talent3 classique mais il est équipé à titre expérimental de 4 tonnes de batteries pour pour circuler en autonomie sur une vingtaine de kilomètres, mais l'industriel mise sur un optimum de 8 tonnes sur ce matériel et sur le perfectionnement technologique des batteries pour en augmenter l'autonomie. © transportrail

Le surcoût d’exploitation par rapport à une rame électrique classique serait de l’ordre de 20%, mais de 40% inférieur par rapport aux autorails Diesel aujourd’hui indispensables aux lignes non électrifiées. Le bénéfice en termes d’émissions de gaz à effet de serre serait de l’ordre de 17%.

Bombardier ne cache pas s’intéresser au marché français avec la transformation des AGC bimodes qui pourrait judicieusement coïncider avec leur rénovation mi-vie. Un B81500 emporte 18 tonnes pour la chaine de traction Diesel, procurant une marge de manœuvre intéressante : le frein n’est pas le bilan des masses mais le coût des batteries. Avec 10 tonnes embarquées, l’autonomie pourrait atteindre 60 km environ, avec la performance actuelle des batteries, ce qui pourrait recouvrir un large champ d’application, tout en réduisant la masse totale du train. Avantages de l’AGC par rapport au Talent, l’installation des batteries sous les caisses d’extrémité et non en toiture (pas de reprise de consolidation de structure) et la chaîne de traction 1500 V plus facile à adapter. Sans compter que les batteries pourraient aussi être pilotées de sorte à réinjecter du courant dans la caténaire sur les zones aux installations faibles et/ou venir en appui de l’alimentation par ligne aérienne au démarrage sans trop solliciter le réseau électrique.

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Saint Léger sur Dheune - 17 juin 2017 - Apparus en 2004, les AGC bimodes ont ouvert une brêche importante en permettant l'usage de la traction électrique dès que possible sur des itinéraires non intégralement dotés de caténaires. Leur rénovation mi-vie sera-t-elle l'occasion de remplacer les moteurs Diesel par des batteries ? Il faudra assurément étudier l'implantation de zones électrifiées pour leur recharge, en utilisant le pantographe. © transportrail

Siemens suit le même credo avec un Desiro des ÖBB selon des principes similaires mais avec des batteries lithium-titane visant d’emblée une durée de vie de 15 ans à bord du train. Siemens motive son choix par la volonté d’adopter une solution optimisant la puissance rechargée sur le temps le plus court possible. Sur batteries, la rame prototype peut atteindre 120 km/h au lieu de 140 km/h avec une accélération de 0,77 m/s² contre 1 m/s² en mode électrique par caténaire. La rame devrait être mise en service commercial sur le réseau autrichien au second semestre 2019.

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Stratégie identique pour Siemens, qui exposait un Desiro City lui aussi doté de batteries, mais avec en outre une réflexion sur le type de batteries et leur durabilité à bord du train. La compétition est moins sur les principes que les modalités d'application. © transportrail

Bref, si Alstom met en avant son rôle pionnier sur l’usage de l’hydrogène sur des matériels sortant d’usine, les trois principaux constructeurs européens convergent sur l’usage des batteries et la recherche de l’optimisation de leur bilan économique et de leur cycle de vie. Pour l’instant, CAF et Hitachi Rail ne sont pas encore positionnés sur ce créneau (mais on peut supposer que cela ne saurait tarder).

Donc il y aura des batteries...

Avec ou sans pile à combustible, les batteries semblent donc devoir s'imposer à bord des automoteurs régionaux. Comme on vient de le voir, le trio hydrogène - pile - batteries peut être intéressant au moment d'un renouvellement de flotte, ou en cas de développements significatifs, et à condition d'avoir organisé la production et la distribution d'hydrogène en conséquence, comme aujourd'hui pour ravitailler les trains en gasoil.

Pour l'adaptation de matériels existants, le couple performance - autonomie reste la pierre angulaire. Les constructeurs annoncent des aptitudes de circulation comparables à un train électrique sous caténaires, mais il faudra en analyser la consistance et notamment la durée de l'effort. Là encore, le profil des lignes jouera beaucoup, comme le rapport fréquence - intensité de sollicitation des batteries. Multiplier les batteries aura un coût et serait de toute façon bridé par les contraintes de charge à l'essieu. Il faudra inéluctablement organiser la recharge des batteries avec l'interface complètement maîtrisé qu'est le couple pantographe - caténaire, cette dernière pouvant elle aussi évoluer pour réduire son coût d'installation. Le schéma de desserte entrera en compte pour les points de charge en ligne, en équipant par exemple les zones de gare d'une caténaire simplifiée (fil trolley, profilé aérien...) pouvant être reliée à des réseaux électriques de moyenne puissance (63 kV voire peut-être 11 kV) plus faciles d'accès et donc plus économiques à la construction. Les questions à éclaircir sont donc d'abord les suivantes : quelle performance du rechargement sur une durée de 7 à 10 minutes pour les terminus ? sur une durée de 1 à 2 minutes pour les points intermédiaires dans les zones de gare ? Quant à la montée et descente du pantographe, des balises automatiseront sans difficultés cette phase.

Et l'efficacité du train à batteries reste posée sur les lignes à profil montagnard. L'électrification par caténaire reste à ce jour la seule option de décarbonation, mais on sait que l'analyse purement financière faite de ces investissements les conduit rapidement au placard...

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Tarare - 22 décembre 2014 - Cas d'école des choix énergétiques pour le transport régional : lorsque le parcours comporte une forte rampe (ici le col des Sauvages, à 28 pour mille), la performance d'un système à batteries, avec ou sans hydrogène, risque d'être singulièrement altérée, tandis que l'électrification conventionnelle reste pour l'instant handicapée par son coût... © E. Fouvreaux

L’autonomie du train à batteries est donc une question essentielle pour évaluer la viabilité d’un tel concept. Elle implique un réexamen assez large de la conception du train dans l’objectif de limiter sa consommation d’énergie, sans rogner sur les fonctionnalités de confort (climatisation) ou les services (prises 220 V, écrans d’information, Wifi etc…). Le développement de modules de pilotage de la consommation d’énergie est évidemment une solution (par exemple en réduisant la puissance de la climatisation au démarrage) tout comme l’utilisation d’équipements à faible consommation (par exemple la pompe à chaleur réversible pour le confort thermique et évidemment l’éclairage par LED).

Longévité, recyclage et impact environnemental

En 2018, on considère que la durée de vie moyenne des batteries à usage ferroviaire serait de l’ordre de 7 ans en moyenne, selon les modalités de leur sollicitation. L’industrie espère augmenter cette longévité. A l’issue de cette période, l’objectif est de pouvoir assurer au moins 75% de la puissance de la batterie. Au-delà, le renouvellement des équipements à bord des trains pose la question de la seconde vie des batteries, pour une utilisation totale sur 20 ans.

L’impact sur la consommation des matières premières servant à la fabrication de ces batteries, provenant pour l’essentiel du continent asiatique, est un sujet à multiples facettes. D'abord le cycle de production qui n'est pas forcément vertueux, l'acheminement vers les lieux d'utilisation non plus. Ensuite, il faudra compter sur les progrès technologiques (le rendement des batteries) et une maîtrise de la consommation, ce qui, in fine, rejoint l’enjeu du report modal pour contenir le parc de véhicules individuels.

Du côté de l'hydrogène, pour l'instant, l'argument de trains sans émissions directes est incontestable, mais il ne faut pas négliger plusieurs points. D'abord, le rendement énergétique complet de l'hydrogène entre la production et la consommation n'est pas une référence. Qui plus est, si l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles, le bilan devient franchement médiocre. Verdir la production d'hydrogène est donc un préalable.

Pas d'universalité dans les solutions

C'est une évidence : il n'y a pas de solution universelle applicable à l'ensemble du réseau. Lorsqu'on entend la présidente de la Région Occitanie s'exprimer en septembre 2018 pour proposer Toulouse - Bayonne comme première ligne exploitée par des autorails à l'hydrogène, alors que le parcours est intégralement sous caténaire, on mesure le risque de débordement par la tentation de la nouveauté au détriment d'un peu de rationalité.

La solution développée par Alstom avec le Coradia i-Lint est intéressante, principalement lorsqu'il faut renouveler du matériel ancien arrivé en fin de vie. Avant d'en faire une référence, il faudra évaluer dans le temps l'autonomie, les performances atteintes et le bilan économique. La gestion de l'approvisionnement en hydrogène devra être clarifiée et ne devra probablement pas être cantonnée à des usages restreints à quelques engins ferroviaires. En résumé : ce devrait être une facilité essentielle d'accès au réseau et le déploiement dervra être pensé dans une stratégie de flotte. Mais il faudra penser en réseau, avec de mutliples usages potentiels, au-delà du réseau ferroviaire.

En revanche, lorsqu'il faut envisager de conserver des rames au pire à mi-vie, du fait de leur potentiel de vie important, le remplacement des moteurs thermiques par des batteries constitue probablement l'orientation à privilégier, sous réserve là aussi de stabiliser leur cycle de vie et leur modèle économique. Cette solution impose néanmoins des infrastructures en ligne pour la recharge, via pantographe, dont il faudra définir le positionnement et préciser la conception, même si elle semble devoir recourir à des composants déjà largement connus et éprouvés. Le lien avec l'évolution de l'autonomie des batteries est évident... mais aussi avec l'organisation des services circulant sur le réseau ferroviaire pour l'implantation des points de rechargement.

Une chose est cependant certaine : la fin du Diesel sur le transport régional semble amorcée, ce qui fera chuter en France l’un des arguments des tenants de la contraction du réseau.

Electrifier classiquement mais moins cher

Il ne faut pas se leurrer : l'électrification conventionnelle par caténaire reste à ce jour la solution techniquement la plus efficace. Il y aura probablement matière à concevoir de nouveaux projets d'équipement : on pourra citer certaines sections périurbaines à fort trafic (ou fort potentiel de trafic) comme Nantes - Sainte Pazanne ou Toulouse - Colomiers dans des logiques d'offre de type RER dans les grandes métropoles.

Sobriété énergétique, frugalité des solutions mises en oeuvre et des moyens à mobiliser pour convertir les lignes en traction thermique devraient immanquablement amener à réexaminer les référentiels français sur le nombre de poteaux d'ancrage au kilomètre, la section de fil de contact, redécouvrir le fil trolley sur des lignes circulées à vitesse modérée (100 km/h) comme c'est déjà le cas sur Bellegarde - Evian, Plaisir - Epône-Mézières ou Marly le Roi - Saint Nom la Bretèche, et les seuils d'usure avant renouvellement. Les industriels planchent aussi sur la simplification des poteaux et consoles, sur la nécessité de fondations en béton en fonction de la nature des sols. Autre volet d'optimisation du dimensionnement des installations fixes de traction électrique : les sous-stations et la connexion au réseau de transport d'électricité.

Alors, une caténaire frugale 30% moins chère que le coût moyen actuel en France : chiche ?

Plus loin : le réseau ferroviaire producteur d'énergie ?

Le système ferroviaire, ce sont d'abord des infrastructures pour faire circuler du matériel roulant afin de transporter des biens et des personnes... mais c'est aussi un patrimoine foncier et bâti qui peut être utilisé pour de la production locale d'énergie à usage ferroviaire (au sens large) voire à dispostion d'activités périphériques.

Certains industriels étudient certes l'implantation de panneaux photovoltaïques sur les traverses, de mini-éoliennes par l'action combinée du vent et du passage des trains (encore faut-il que leur nombre soit suffisant) mais d'autres possibilités semblent émerger. De façon plus pragmatique, on peut imaginer utiliser les abris de quais, le toit des gares, des ateliers de maintenance, des parkings, pour produire une énergie à usage local immédiat. On pourrait couvrir les voies de remisage du matériel avec de tels panneaux, pour préconditionner les rames, d'autant plus efficacement qu'à l'ombre, elles nécessiteraient moins d'énergie pour être climatisées.  Moins connu, le nettoyage des talus ferroviaires pourrait être l'occasion de valoriser les bois de coupes transformés en copeaux de chauffage pour un usage local...

Le transfert de Gares & Connexions à SNCF Réseau vient à point nommé engager une unification du foncier, élargissant l'ancrage territoriale du gestionnaire d'infrastructures et lui ouvrant peut-être la voie à une activité énergétique complémentaire à son coeur de métier ferroviaire. On en reviendrait presque à la Société Hydro-Electrique des Chemins de Fer du Midi...