Dans le jargon ferroviaire, la notion d'électrification sous-entend l'équipement de l'infrastructure. Or il s'agit bien de décorréler l'usage de l'électricité pour la motorisation des trains et l'installation d'équipements fixes et continues, solution considérée comme onéreuse et qui, aujourd'hui, n'arrive pas à passer dans les mailles du filet que constitue l'évaluation socio-économique, pour les raisons évoquées en ouverture de ce dossier.

Puisque la situation de référence s'appuie sur une traction autonome au gasoil qui a nettement réduit l'écart de performance et donc le bénéfice par rapport à la traction électrique, le bénéfice pour la collectivité ne peut guère s'appuyer sur les gains de temps de parcours mais surtout sur des aspects environnementaux qui, malheureusement, sont nettement moins pris en compte, même si, encore une fois, le mode ferroviaire reste plus vertueux que les modes routiers.

L'édition 2018 d’Innotrans a été un concentré de nouveautés en matière d'électrification du transport régional, mais les solutions présentées par les industriels méritent d'être relativisées. Au-delà de l'enthousiasme et des intérêts économiques des uns et des autres, il apparaît nécessaire, sinon urgent, de prendre un peu de recul, de les évaluer sereinement et surtout de préciser leurs domaines de pertinence respectifs.

Le train à hydrogène sur le devant de la scène

Alstom ne lésine pas sur la promotion de son 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 de ce train 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 élément, pointé par plusieurs ingénieurs britanniques (relayés par Railway Gazette) dans une étude sur la pertinence du couple pile à combustible - hydrogène, et non des moindres sur le rendement énergétique de cette motorisation : il faut 3 kW d'énergie pour délivrer 1 kW à la jante avec une telle motorisation contre 1,2 kW pour un train à traction électrique classique. Autant dire que le coût énergétique lié à l'électrification conventionnelle pourrait être assez rapidement amorti par la moindre consommation en exploitation... sans compter que si l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles, le bilan devient franchement médiocre. Verdir la production d'hydrogène est donc un préalable.

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)

On notera la prudence d'Alstom qui planche sur une nouvelle déclinaison du Régiolis, qui serait alimentée soit par le traditionnel couple pantographe-caténaire, soit par une pile à hydrogène combinée à des batteries. La pile serait utilisée sur les sections dépourvues de caténaires, afin de produire de l'électricité pour recharger les batteries. Le constructeur a fait le tour des Régions en fin d'année 2018 pour essayer d'obtenir des commandes et développer le produit. Problème : les besoins sont faibles, les parcs TER étant déjà largement renouvelés, et le prix risque d'être assez dissuasif.

Batteries sur les rames existantes : les industriels se mobilisent aussi

Le verdissement du transport régional semble donc d'abord passer par l'évolution de la motorisation des matériels existants. La SNCF dispose de 1000 rames fonctionnant au moins en partie au gasoil dont la durée de vie résiduelle est d'au moins 20 ans pour les plus anciens (X73500) et de 40 ans pour les plus récents (Régiolis bimodes).

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 8 à 10 tonnes embarquées, l’autonomie pourrait atteindre au moins 80 km, avec la performance actuelle des batteries. Au passage, on notera l'allègement non négligeable du train, réduisant ses besoins énergétiques.

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

Cependant, l'implémentation de batteries n'est pas sans limites.

La durée de vie des batteries d'abord : elle oscille actuellement entre 5 et 7 ans, tend cependant à augmenter avec les progrès techniques. En fin de vie, l'objectif est de disposer d'une performance à 75% de la situation nominale d'un équipement neuf. Outre la question de l'impact environnemental de la production de batteries importées du continent asiatique (en partie par le retard industriel européen sur le sujet, privilégiant la rente à court terme des moteurs Diesel) où sont situées la majorité des terres rares nécessaires à leur fabrication, leur recyclage reste à inventer.

Les constructeurs annoncent des aptitudes de circulation comparables à un train électrique sous caténaires, mais la conception du matériel devra elle aussi évoluer pour rechercher toutes les pistes de réduction de la consommation d'énergie de trains de plus en plus dotés de fonctions consommatrices (prises 220 V, écrans d’information, Wifi etc…). Il faudra analyser la consistance et notamment la durée de l'effort demandé aux batteries. 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, ce qui revient à limiter la solution pantographe - caténaire - batteries à des liaisons relativement courtes ou pouvant disposer de zones électrifiées intermédiaires. Cela pose aussi la question de la polyvalence des solutions à l'échelle des Régions pour maintenir un usage efficient du matériel roulant et éviter des morcellements in fine onéreux.

Vers un mixage de solutions

Le passage d'une réflexion sur le champ des possibilités techniques à la mise en oeuvre opérationnelle dans l'exploitation courante amène à l'élaboration d'un mixage des solutions. Lyon - Clermont-Ferrand peut être un exemple significatif : une solution par batteries seules est d'emblée exclue par la rudesse du profil de la section non électrifiée, la vitesse assez élevée (140 km/h) sur la section St Germain des Fossés - Roanne et la longueur totale du parcours hors caténaires entre les deux Saint Germain (136 km).

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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... Le mixage de solutions maintenant une motorisation thermique pourrait tirer profit de la quête de polyvalence des solutions appliquées au matériel roulant. © E. Fouvreaux

L'option développée par Alstom avec le concours des Régions Nouvelle Aquitaine, Occitanie et Grand Est (16,6 M€) s'appuie sur un 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-bicourant hybdride » circulant en mode électrique soit par caténaire soit par les batteries. Celles-ci seraient rechargées lors des séquences sous caténaire, par l’énergie récupérée au freinage et par le moteur thermique. Cette rame devrait entrer en service commercial en 2021 en Occitanie. Pour le Grand Est, il faudra tout de même s'assurer de la compatibilité des équipements avec la caténaire 25 kV, ce qui ne semble pas assuré...

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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

Le maintien d'un moteur thermique pourrait être compatible avec l'objectif d'élimination des énergies fossiles en recourant à de nouveaux carburants. Les moteurs industriels utilisés par l'industrie ferroviaires sont proches de ceux utilisés pour le transport routier (poids lourds, autocars), qui commence à se convertir a minima au GNV mais qui expérimente aussi de nouveaux biocarburants issus du recyclage de déchets ménagers et du secteur agro-industriel, sous forme liquide ou gazeuse. A la clé, des perspectives de circuits courts de production, et la préservation des terres arables qui ne seraient pas spécifiquement destinées à la production de carburants.

Electrifier classiquement mais moins cher

L'électrification n'a pas dit son dernier mot, ne serait-ce que parce que l'organisation de la recharge des batteries nécessite des installations fixes : l'interface complètement maîtrisé qu'est le couple pantographe - caténaire s'impose avec évidence... tout comme la cohérence entre l'infrastructure et le plan de transport, pour que les points de recharge coïncident avec les terminus de la desserte, y compris les terminus intermédiaires.

Il devient donc naturel de faire évoluer la caténaire pour réduire le coût d'investissement et les coûts de maintenance. Pour les lignes de desserte fine du territoire, compte tenu des vitesses pratiquées, les solutions en fil trolley, sont déjà déjà connues sur le réseau national, par exemple sur Bellegarde - Evian, Plaisir - Epône-Mézières ou Marly le Roi - Saint Nom la Bretèche, en version 25 kV. Pour des hypothèses en courant continu, on pourra s'inspirer des réseaux urbains sur lesquels des vitesses peuvent atteindre 100 km/h (cas de Rhônexpress).

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Mareil sur Mauldre - 2 juin 2012 - Exemple de caténaire légère : du 25 kV et un simple fil trolley régularisé, sous laquelle circulent pourtant des Transilien consistants (7 VB2N avec une BB27300), quelques TGV et un peu fret. Une piste à revisiter pour de nouvelles électrifications économiques ? © transportrail

Parmi les pistes d'optimisation de coût, le raccordement au réseau électrique pourrait rechercher des solutions sur des installations de moyenne puissance pour traiter les besoins ponctuels avec la question de la capacité de rechargement sur des durées courtes (1 à 2 minutes) dans les zones de gare et de 7 à 10 minutes pour les terminus, le tout avec montée-descente automatique du pantographe avec des balises (ou avec une géolocalisation liée à un nouveau système d'exploitation si besoin).

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 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. Faire une caténaire 30% moins cher qu'aujourd'hui : chiche ?

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 du réseau. C'est l'objet de la suite de ce dossier.

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.

Le train avec pile à hydrogène peut être intéressant, quand il faut renouveler du matériel roulant ou pour des besoins de développement assez consistants. Mais 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 partiel ou total 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.

L'hypothèse d'un mixage consistant à remplacer un moteur thermique par des batteries et à migrer le moteur restant pour fonctionner au biocarburant est à creuser. Les performances (donc l'horaire, donc la capacité et l'attractivité du service) seront-elles maintenues avec cette nouvelle motorisation hybride assez nettement inspirée du monde routier (automobile et autobus) ? Quel domaine de pertinence pour de nouvelles électrifications (on y revient ici) et, par défaut, quelles solutions simples de changement de carburant sur le matériel existant, quand la version à batteries présenterait trop de contraintes vis à vis des performances attendues ?

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.

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...