L’industrie ferroviaire française, modèle de transition énergétique pour le futur?

Par Rémi Baccilieri, étudiant ESTA Belfort, 05/2020

Mots-clés: #Ferroviaire #Emissions GES #Energies #Train Hydrogène

Certains articles de la Revue d’histoire des chemins de fer constatent que les trois principales énergies utilisées de manière durable dans l’histoire du ferroviaire sont le charbon, les hydrocarbures tels que le diesel et enfin l’énergie électrique. Remarquons, par exemple, que jusqu’à ce jour, aucune énergie autre que l’électricité n’a été durablement utilisée pour le fonctionnement des véhicules ferroviaires urbains. Dès son origine, le Métropolitain (véhicule souterrain ferroviaire urbain), inauguré à l’occasion de l’exposition universelle de Paris en 1900, a utilisé l’électricité qui était et qui est encore aujourd’hui, « la seule énergie qui offre toutes les qualités pour l’exploitation d’un réseau de transport urbain souterrain performant » d’après la publication de W.Seiler et J.Leduc dans leur article sur l’alimentation des véhicules ferroviaire urbains,2011.

L’objectif de cet article est de réaliser une synthèse de la place du ferroviaire en Europe et en France ainsi que de comparer les émissions de CO2 moyennes d’un train de voyageurs (hors fret) et de ces trois énergies au cours de l’histoire. Pour ce faire, nous évaluerons les émissions de la locomotive à vapeur 141 R « locomotive de légende largement utilisée en France entre 1945 et 1974 » C.Lamming, L’épopée du train à vapeur : les cheminots et l’âge d’or des trains à vapeur,2010 et de deux autres locomotives actuelles : la TER 200 diesel connu sous le nom commercial de train express régionaux ainsi que la locomotive électrique d’un TGV duplex. Pour conclure, nous montrerons pourquoi un mythe industriel français, l’aérotrain, peut être à la base du futur ferroviaire en France.

I-La place du ferroviaire en Europe et en France :

Au niveau mondial, le réseau ferroviaire est parmi les meilleurs du classement (11^ème rang). Au niveau européen, il se classe à la 6ème position, avec une note de 5,1/7 en 2018 selon le portail allemand Statista, plateforme en ligne allemande offrant des statistiques issues de données d’instituts ou d’études de marché.

La France est, donc, munie d’un reseau de transport de qualité tout comme un grand nombre de nos voisins européens comme les Pays-bas, l’Allemagne et l’Espagne qui ont, eux aussi, des infrastructures renommées qualité.

Abordons, à present, la thématique environnementale en nous attardant si le ferroviaire est un moyen de transport de voyageurs efficace d’un point de vue écologique, et principalement en ce qui concerne les emissions de Gaz à effet de serre dont le CO2 est le principale acteur. En l’espèce, la plateforme de l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie nous permet d’utiliser un outil de comparaison.

En effet, nous pouvons remarquer que dans le comparatif si dessous pour un trajet quotidien domicile travail de 2 Km, l’ensemble des véhicules ferroviaires comme le TER, le RER, le transilien, le tramway ou encore le métro ont un bilan entre 2,66 et 25,11 kg de CO2 émis. Ces chiffres sont moins élevés que les autres modes de transports pertinents comme le bus, 111,8 Kg de CO2 émis, ou la voiture, 221,45 kg de CO2 émis.

Nous savons, à présent, quels sont les pays présentant un réseau ferroviaire de qualité et nous confirmons que les transports ferroviaires sont parmi les moins polluants pour des trajets cours.

En réalisant également un comparatif via la même plateforme pour des trajets plus longs, nous obtenons un résultat mettant de nouveau en exergue le ferroviaire. En effet, pour un trajet de 500Km, le bilan CO2 pour le TGV et le train de grandes lignes sont respectivement de 3,2 et 11,8 KG de CO2 émis contre un bilan carbone compris entre 144 et 241 Kg de CO2 émis pour la voiture et les différents types d’avions.  

Ces résultats sur le transport ferroviaire, peu polluant en comparaison aux autres types de transports, se retrouvent logiquement dans le bilan total des émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) issues des transports que ce soit en Europe et en France.

Dans ces trois graphiques, ci-dessus et ci-après, issus du rapport Chiffre clés du climat France, Europe et Monde datant de 2019 du commissariat général au développement durable, nous remarquons plusieurs éléments.

Tout d’abord, les émissions de GES sont majoritairement issues du transport routier. Cela se constate en Europe avec environ 900 MT CO2 équivalent émis en 2016, mais aussi en France avec 125 MT de CO2 émis en 2016 pour un total de 94,9 % des émissions de gaz à effet de serre liées aux transports.

La seconde remarque que nous pouvons faire est que les plus gros émetteurs de gaz à effet de serre sont les transports utilisant le pétrole et ses dérivés comme énergie. À eux seuls, le routier et l’aérien représentent environ 98% de ces émissions.

Si nous revenons sur le sujet du ferroviaire qui représente 0,3% des émissions en France, il est notable que de ces émissions ont diminué entre 1990 et 2016. Cette différence est principalement liée à l’amélioration des locomotives et de leurs technologies au fil du temps, comme nous pourrons le voir par la suite de cet article. Cependant, les émissions ferroviaires restent sensiblement identiques depuis environs 10 ans. Afin de multiplier les sources et de croiser les informations, nous pouvons étudier le graphique ci-dessous qui représente la consommation d’énergie électrique pour la traction des trains en France de 2009 à 2018. Ce diagramme en bâtons est lui, aussi, extrait, de la plateforme Statista en 2020.

Grâce à ce graphique, nous constatons que la consommation, en France, d’électricité pour la traction des trains reste stable à environ 7,6 milliards de kilo watts-heure depuis 2009. Avec une consommation électrique stable et une émission de GES stable, également pour cette même période, nous pouvons, donc, légitimement supposer que la part d’émissions de CO2 par des locomotives diesel est elle aussi stable sur cette période. Cette réflexion est d’autant plus crédible que les innovations dans le domaine de la locomotive électrique ou du réseau électrique ferroviaire en France ne sont pas majeures.

De surcroît, nous pouvons aussi extrapoler ce qui n’apparaît pas sur ce diagramme en bâtons. En effet, avec un réseau de qualité et faiblement polluant, nous aurions pu penser que le gouvernement français aurait pu mettre en avant le développement du transport ferroviaire. Mais, l’absence d’une augmentation de la consommation d’énergie pour la traction des trains met en évidence le peu de nouvelles lignes et le peu d’augmentation du nombre de trains sur les lignes déjà existantes.

II- Comparatif des trois énergies de traction de l’histoire du ferroviaire.

Comme nous avons pu le lire dans le graphique montrant l’évolution des émissions des GES entre 1990 et 2016, il y a une légère tendance à la réduction du bilan carbone en ce qui concerne le ferroviaire. A travers le comparatif qui va suivre, le but est de souligner la part de l’innovation et du changement d’énergie dans ce résultat.

Pour cela, nous allons comparer les émissions de trois modèles de locomotive :

• La locomotive à vapeur 141R,
• La locomotive diesel TER 200,
• Le TGV duplex fonctionnant à l’électricité.

Afin de réaliser cette étude, il est nécessaire de préciser en quel unité nous allons comparer ces locomotives. En effet, ces trois modèles ne font, par exemple, pas le même poids, ne vont pas à la même vitesse ou n’ont pas la même capacité de tractions de voyageurs.

 Dans le cadre cette étude nous évaluerons, donc, les émissions en gCO2eq/ voyageur.km, c’est à dire en quantité de CO2 équivalente émisse pour chaque voyageur par km parcouru.  

La locomotive à vapeur 141R

La locomotive à vapeur 141 R est une locomotive américaine exploitée en France dès la libération, durant une période de 30 ans. Fonctionnant au charbon, le principe est celui d’un moteur à vapeur classique. Le charbon est brulé afin de procéder à une évaporation de l’eau dans la chaudière puis la machine à vapeur transforme la vapeur en force motrice. A noter qu’il faut, donc, la présence d’un wagon contenant le charbon et de l’eau nécessaire au fonctionnement de la locomotive.

Dans l’œuvre de B.Collarday et de A.Rasserie (2004) intitulé : Les 141 R : Ces braves américaines, la vie de rail, publiée à l’originale en 1982 puis rééditée par la suite, nous obtenons plusieurs éléments utiles à la détermination des émissions de celle-ci. En effet, nous apprenons que la locomotive 141R « consomme entre 15 et 20 Kilogramme de charbon » pour une « distance de 1 Kilomètre suivant le relief du parcours » et « de la charge tractée ».  De plus, nous pouvons obtenir la capacité de voyageurs via l’extrait suivant : « transportant généralement quatre à cinq wagons […] avec une capacité d’accueil comprise entre 36 à 45 voyageurs »   

Enfin, la dernière information nécessaire pour notre calcul étant la teneur en carbone dans le charbon, nous pouvons utiliser les données issues du site internet « connaissancedesenergies » qui indique dans sa fiche pédagogique sur le charbon : « les bitumineux sont composés de 70% à 90% de carbone. Ils peuvent être utilisés comme « charbon-vapeur », c’est-à-dire comme combustible pour produire de la vapeur » 

Pour le calcul qui va suivre, nous allons donc prendre les données suivantes :

• Consommation : 2 Kg/Km
• Capacité de voyageurs : 36 x 5= 180 voyageurs
• Teneur en carbone : 80%

Calcul des émissions : Em= (((2*0,8) x 1000000) /(100 x 180))= 89 gCO2eq/ voyageur.km

Ce résultat comporte des limites via l’intervalle de précision de certaines données mais nous permet d’obtenir un résultat utilisable dans notre comparatif.

Les locomotives actuelles :

Afin de représenter les trois types d’énergies dominantes dans le ferroviaire, le comparatif comporte une locomotive diesel modèle TER 200. Cette locomotive est par exemple en service dans le réseau TER de la région Grand Est en assurant les lignes entre Strasbourg et Mulhouse. C’est l’entreprise française Alstom qui est à l’origine de ce modèle de voiture pilote.

Le second moyen de tractions ferroviaire actuel que comporte notre article n’est autre que le TGV duplex Lyria. Fonctionnant à l’énergie électrique, composé de 8 voitures et pouvant transporter plus de 500 personnes, ce TGV assure les lignes entre la France et la Suisse comme Paris-Lausanne qui passe par Belfort.

Pour ces deux locomotives, étant donné que nous avons vu que la situation en termes d’émissions est stable depuis plus de 10 ans, nous avons repris les chiffres de 2009 fournis par la SNCF concernant la locomotive TER 200.

 Pour le TGV lyria, la valeur des émissions a pu être relevée dans l’étude : Etude Lyria – Bilan Carbone    Nous trouvons une valeur pour la TER 200 de 59,9 gCO2eq/ voyageur.km et de 22,3 gCO2eq/ voyageur.km pour le TGV Lyria.

A titre de comparaison avec nos voisin Européens, nous pouvons récupérer les données de l’étude de l’Union Internationale des Chemins de fer (UIC) sur les effets externes, communément appelée « étude INFRAS-IWW » datant de la même période.

Space-train un enjeu pour le futur :

Space-Train est une entreprise française ayant pour projet de créer un nouveau moyen de traction ferroviaire, basé sur un mythe industriel français, l’aérotrain, crée par l’ingénieur Français J.Bertin. L’aérotrain est expliqué par T.Bernin, Responsable communication de Space-train, lors de l’évènement du Tedx de Belfort en novembre 2019 par la phrase suivante : « une navette crée dans les années 1970, fonctionnant sur un monorail en béton grâce à une sustentation par cousin d’air pouvant atteindre la vitesse de 400km.h ». Le projet Space-train s’inspire, donc, de cette technologie de cousin d’air mais inclus aussi de nouvelles technologies qui sont citées, ci-dessous et sur leur plaquette de présentation.

• Les coussins d’air : « Les coussins d’air disposés à la base permettent la sustentation de l’ensemble de la navette à 2 millimètres du monorail et favorise les vitesses élevées. »
• La pile à hydrogène : « Éléments essentiels du système de gestion de l’énergie, les piles à combustible transforment l’hydrogène et l’oxygène en énergie électrique. »
• Un moteur linéaire à induction : « Au contact avec les plaques ferrométalliques disposées sur le monorail, les moteurs linéaires génèrent un champ magnétique responsable de la propulsion. »
• Un réservoir d’hydrogène qui permet à « Space-train de perfectionner sa solution de stockage d’hydrogène pour assurer au véhicule une autonomie en fonctionnement toujours plus grande. »
• Et des batteries embarquées qui « sont utilisées comme tampons durant les phases d’accélération et de freinage par récupération de l’énergie cinétique. »

A la lecture de ces éléments, ce projet est, donc, basé sur une propulsion via l’énergie hydrogène. Ce document de présentation précise aussi le type d’hydrogène utilisé :

« Très tôt, nous nous sommes tournés vers la pile à combustible à hydrogène, pilier du système énergétique multi-sources ayant l’avantage de garantir une empreinte carbone neutre, à condition de respecter son processus de fabrication par électrolyse (hydrogène vert). »

Afin de mieux comprendre la signification de l’hydrogène vert, observons la définition donnée par Jean-Pierre Moneger, Directeur Général d’ENGIE Cofely, donnée sur le site de engie : « L’hydrogène vert est fabriqué à partir d’eau et d’électricité issue d’énergies renouvelables, permettant d’obtenir une empreinte carbone nulle. Le procédé d’électrolyse permet de produire de l’hydrogène mais également de l’oxygène et de la chaleur. Un électrolyseur permet ainsi de transformer un surplus d’électricité renouvelable en « hydrogène vert » pouvant être comprimé et stocké. »

Ainsi, l’hydrogène vert semble être une option sans empreinte carbone que nous pourrions retrouver dans un futur plus ou moins proche, dans le secteur du ferroviaire.

Voici, donc, un tableau récapitulatif de l’ensemble de nos comparaisons :

Ce projet Space-train comporte, certes, plusieurs avantages non négligeables par rapport aux autres de ces concurrents, principalement américains, le principale étant le fait de ne pas avoir à remplacer le réseau ferroviaire par d’énormes tubes sous vides mais simplement par une surface ferrométalique. Il reste, cependant, un point crucial qui prouve que ce projet comporte des limites importantes. En effet, nous avons vu que la consommation d’électricité actuelle, en France, pour la traction ferroviaire est d’environ 7,6 milliards de kilo watts-heure alors que la production en France d’hydrogène vert est, « seulement de quelques MW répartis sur tout le territoire », selon l’article du journal l’usine nouvelle : L’hydrogène vert pas (encore) assez mûr pour l’industrie,2019. Cette vision de l’hydrogène vert, en tant qu’énergie dominante dans le ferroviaire est, donc, pour le moment assez futuriste.

Conclusion

Nous venons d’établir une cartographie au regard de la place des transports dans les émissions de Gaz à Effet de Serre, en Europe et en France. Elle démontre la prédominance des hydrocarbures pétrolier, comme raisons principales de cet enjeux environnemental. Malgré cette situation d’acteur mineur dans la pollution carbone, liée au transport, car utilisant principalement l’électricité plutôt que le charbon ou le diesel, nous avons pu observer que le secteur ferroviaire, en France, cherche à réduire son impact écologique. Notamment via l’innovation du système de traction qui a entrainé une diminution des gaz à effet de serre liée au ferroviaire. L’histoire du ferroviaire a ferrouté au travers du charbon, du diesel et de l’électricité de nombreux passagers tout en impactant de moins en moins l’environnement.  Space-train semble être un potentiel dans l’industrie et depuis 2017, ce projet a pris une dimension régionale, nationale puis internationale en se confrontant à la concurrence notamment américaine du transport propre. Cependant, l’innovation sans business model n’a pas de valeur intrinsèque. Il est donc important de se demander comment conjuguer modèle économique et futur propre. Ce sont les enjeux de demain.

Références

Charbon, Académies des technologies (National Academy of Technologies of France) https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/charbon

Chiffre clés du climat France, Europe et Monde,2019, commissariat général au développement durable

Classement mondial des pays selon l’indice de qualité de leur réseau ferroviaire en 2018, Statista 2020. https://fr.statista.com/statistiques/483996/qualite-reseau-train-pays-monde/

Comparatif de l’impact environnemental d’un déplacement quotidien de 2 Km. www.ademe.fr/eco-déplacements

Consommation d’énergie électrique pour la traction des trains en France de 2009 à 2018, Statista 2020. https://fr.statista.com/statistiques/525707/consommation-energie-electrique-trains-france/

Construire sur un mythe | Thomas Bernin | TEDxBelfort, https://www.youtube.com/watch?v=6ZFku9kgmwI

Définition du l’hydrogène vert de Jean-Pierre Moneger, https://pro.engie.fr/economies-energie/energie-mag/l-energie-et-vous/l-hydrogene-vert-une-nouvelle-opportunite-pour-la-transition-energetique

Facteurs d’émission par voyageur.km pour les déplacements en train à l’étranger (UIC – INFRAS – IWW) http://www.side.developpement-durable.gouv.fr/Default/doc/OAI_2/sdx-localhost-8080-temis-notices-Temis-0049907

L’alimentation des véhicules ferroviaire urbains,2011, W.Seiler et J.Leduc https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/ingenierie-des-transports-th14/energies-et-composants-electriques-ferroviaires-42630210/alimentation-des-vehicules-ferroviaires-urbains-d5548/

L’épopée du train à vapeur : les cheminots et l’âge d’or des trains à vapeur,2010,éditions atlas, C.Lamming

Les 141 R : Ces braves américaines,2004, la vie du rail, B.Collarday et de A.Rasserie

L’hydrogène vert pas (encore) assez mûr pour l’industrie,2019, l’usine nouvelle, https://www.usinenouvelle.com/article/l-hydrogene-vert-pas-encore-assez-mur-pour-l-industrie.N861290

Plaquette de présentation Space-Train le bourget, https://space-train.fr/wp-content/uploads/2019/06/Plaquette-institutionnelle-Bourget.pdf