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Série “Décarbonation des transports”, épisode 1 : les transports ferroviaires

Avec 31 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) en 2019, le secteur des transports est le premier émetteur en France. Il est aussi le 2ème secteur le plus consommateur d’énergie, représentant 32 % des consommations nationales[1]. La décarbonation du secteur des transports est donc un passage obligé pour atteindre la neutralité carbone en 2050, mais aussi un défi important pour notre système énergétique.

À l’échelle du secteur, cette décarbonation implique des reports modaux vers les modes de transports les moins émetteurs au passager et au kilomètre. Elle nécessite aussi, au niveau de chaque mode de transport motorisé – maritime, routier, ferroviaire, aérien – des changements profonds : conversion à des carburants alternatifs et électrification, adaptation des composants et des modèles, gestion intelligente des infrastructures et efficacité énergétique. Ces changements mobiliseront de multiples acteurs de la chaîne du transport, des industriels concepteurs de matériel aux transporteurs de passagers ou de marchandises en passant par les fournisseurs de services et les gestionnaires d’infrastructures.

Les défis sont nombreux et c’est pourquoi le Comité de prospective de la CRE a souhaité se pencher sur la décarbonation du secteur des transports. Premier épisode, aujourd’hui, d’une série de 4 articles sur la décarbonation des transports, avec un zoom sur le secteur ferroviaire.

Épisode 1 – la décarbonation de la mobilité ferroviaire : une transition qui va bon train ?

Rottenbach, Allemagne, février 2019 – train Coradia “iLint” d’Alstom

Quels sont les enjeux ?

Mis à l’honneur par l’Union européenne en 2021, « année européenne du rail »[2], le secteur ferroviaire est souvent désigné comme le mode de transport en commun environnementalement vertueux par excellence. Malgré une part modale de 10 % du secteur des transports en France, il n’émet que 0,3 % des émissions de GES.

En tant que secteur peu émetteur de GES, le ferroviaire est fortement intégré aux politiques nationales et européennes de lutte contre le changement climatique, qui misent sur son développement pour atteindre une partie de leurs objectifs. En France, la loi dite « climat et résilience » du 22 août 2021, reprenant les objectifs de la Stratégie nationale bas-carbone (SNBC), fixe l’obligation pour l’Etat d’accompagner le développement du transport ferroviaire de voyageurs de manière à atteindre une part modale de 17 % en 2030 et 42 % en 2050. L’objectif est ainsi d’aboutir, par effet de report, à une réduction de la place des transports routiers[3] – qui représentent aujourd’hui 94% des émissions de GES du secteur.

Ce développement est porteur de défis pour la décarbonation du ferroviaire : au-delà de la décarbonation de l’existant, comment développer une offre élargie, répondant à l’augmentation pressentie des usages, qui soit décarbonée et compétitive, de manière à créer des reports modaux ?

Pour atteindre l’objectif de décarbonation totale du secteur des transports à horizon 2050 fixé par la SNBC, le secteur ferroviaire devra d’abord décarboner ses usages qui ne le sont pas encore. Si plus de 80 % du trafic ferroviaire est réalisé en France par des matériels roulants à traction électrique (60 % en Europe), les 20 % restants correspondent à des trains thermiques. Ces derniers sont principalement actifs dans les zones peu denses (seulement un quart est en zone urbaine), sur le réseau régional : 40 % des TER fonctionnent ainsi au diesel et la consommation de ce carburant est responsable de 77 % des émissions de CO2[4]des TER.

Enfin, le transport ferroviaire, gros consommateur d’énergie[5], devra nécessairement améliorer son efficacité énergétique, notamment en matière de consommation électrique, qui devrait suivre une tendance haussière dans les prochaines années du fait du développement des usages. Avec 11,8 TWh en 2018 dont 5,6 TWh pour le transport interurbain de passagers[6], le ferroviaire représente aujourd’hui 94% de la consommation électrique des transports.

Quelles sont les solutions ?

Les solutions de décarbonation actuellement développées dans le secteur ferroviaire sont variées et le choix de l’une plutôt que de l’autre résultera d’un arbitrage entre les besoins d’exploitation, les coûts et les contraintes techniques liés aux infrastructures ainsi que le matériel roulant disponible.

L’énergie de traction représente environ 85% de l’énergie totale consommée par un train en circulation[7]. Les enjeux de décarbonation des sources d’énergie de traction se posent donc particulièrement dans les zones non-électrifiées – surtout des zones peu denses voire isolées –, représentant 50 % du réseau ferroviaire français. L’électrification de nouvelles lignes y pose toutefois question en raison de son coût, de l’ordre de  1 M€ le kilomètre[8], décuplé en présence de reliefs ou d’infrastructures préexistantes comme des ponts ou des tunnels.

À ce titre, dans les zones concernées, un train fonctionnant sur batterie ou pile à combustible présente l’avantage d’éviter une coûteuse, et parfois techniquement complexe, électrification des infrastructures. Pour l’heure, le principal défi de cette première solution réside dans l’autonomie de la batterie, qui ne permet pas d’assurer des trajets supérieurs à 80 ou 100 kilomètres. La recharge de trains pose quant à elle des questions techniques difficiles : même en envisageant de courts trajets, une recharge en gare sans installation spécifique de recharge rapide limiterait le débit actuel des trains, induisant une réorganisation importante de l’offre commerciale et de la gestion des infrastructures.

Afin de pallier l’autonomie limitée des trains à batterie, il est intéressant de coupler cette innovation avec une électrification dite « frugale », c’est-à-dire alimenter le train par caténaire sur certains tronçons, là où l’électrification des infrastructures est la moins coûteuse, et de faire appel à la batterie pour d’autres portions de trajet. Sur le réseau régional TER, 5 rames vont ainsi être rétrofitées pour remplacer leurs moteurs thermiques diesel par des batteries au lithium en 2022, pour une mise en service par SNCF en 2024. Les batteries permettront d’assurer seules la traction sur des tronçons non-électrifiés – maximum 80 kilomètres – et se rechargeront sous caténaire ou en gare électrifiée. Cette solution, qui permet d’obtenir un train 100 % électrique sur un réseau ferroviaire qui ne l’est pas, a également l’avantage de réduire l’exposition aux risques de pénuries d’énergie : le mode batterie serait activé dans les zones les plus sensibles, comme à l’entrée en gare ou de manière générale, dans les centres urbains. Le futur TGV est par exemple doté d’une capacité électrique embarquée lui permettant d’acheminer les voyageurs jusqu’à la prochaine gare en cas de rupture d’alimentation électrique par caténaire.

Sur le réseau régional, d’autres solutions de transition du diesel vers l’électrique sont actuellement développées. Les premiers essais de rames REGIOLIS hybrides ont ainsi débuté en 2021, pour une mise en service en 2023 : dans cette configuration, 2 des 4 moteurs thermiques diesel du train sont remplacés par des batteries électriques avec moteurs électriques. La nouvelle rame hybridée devrait permettre de réduire de 20 % les émissions de GES. Autre solution de transition, la conversion des trains aux carburants alternatifs au diesel (biocarburants), notamment par des agrocarburants de génération 1 (comme l’huile de colza), a l’avantage de ne nécessiter aucune modification de la motorisation des trains roulants au gazole. Si cette conversion aux biocarburants permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre de l’ordre de 60 %, elle renchérit toutefois les coûts d’exploitation du train.

Le train hydrogène représente enfin la promesse d’un train sans émission directe de GES pouvant assurer de plus grandes distances qu’un train batterie (jusqu’à 600 km) sur lignes non-électrifiées. Il serait donc une alternative au TER diesel en desserte fine du territoire. En 2018, le constructeur français Alstom a annoncé la mise en service commercial en Allemagne des premiers trains fonctionnant à l’hydrogène[9]. En février 2022, plusieurs régions françaises ont commandé 12 rames bi-mode (traction électrique/caténaire et hydrogène/piles à combustible), avec une mise en circulation prévue pour 2025[10]. La conception de ces rames implique de remplacer les classiques moteurs diesel par des moteurs électriques et des piles à combustible placées dans la toiture du train, assorties de batteries. Toutefois, le développement du train hydrogène est aujourd’hui tributaire de la compétitivité de l’hydrogène bas-carbone, dont la production est encore coûteuse.

Aux solutions de décarbonation des sources d’énergies de la traction s’ajoutent des efforts d’efficacité énergétique et de gestion intelligente des consommations. Aujourd’hui estimées à 58 Wh/passager.kilomètre, les consommations électriques unitaires de la traction ferroviaire devraient s’inscrire dans une trajectoire de baisse dans les prochaines années : RTE estime, en effet, que des gains d’efficacité énergétique de 10 à 13 % pourraient être obtenus d’ici 2035 grâce aux évolutions du matériel roulant (aérodynamisme, allègement), à la récupération de l’énergie lors du freinage des trains, la généralisation de compteurs embarqués, le développement de l’écoconduite ferroviaire ou encore grâce à la meilleure gestion des trains à l’arrêt[11].

À l’heure actuelle, les trains équipés de batteries et développés en France, à l’instar de l’hybride REGIOLIS, récupèrent l’énergie de freinage au lieu de la perdre sous forme de chaleur et l’utilisent soit pour la traction, soit pour la consommation des auxiliaires (chauffage, éclairage, signalisation, etc.), ce qui permet une gestion plus intelligente des pics de consommation. À moyen terme, l’assistance par ordinateur à la conduite puis le train autonome réduiraient les besoins en énergie du freinage.

Côté matériel roulant, le TGV « M », dont la mise en circulation des rames est attendue en 2024, prévoit une réduction des consommations d’énergie de l’ordre de 20 % grâce au renvoi d’énergie de freinage vers la caténaire, à l’écoconduite ou encore grâce à une forme aérodynamique du « nez » du train.

L’éco-stationnement des trains est également une piste de gestion intelligente de la consommation d’énergie :  la « montée en chauffe du train » implique en effet un allumage plusieurs heures avant le début du service. Un dispositif de pilotage automatique du pré-conditionnement des trains permettrait donc d’optimiser leurs consommations.

Si l’énergie de traction représente 85 % de la consommation finale d’énergie des trains, les systèmes auxiliaires à bord (de chauffage, de climatisation, d’éclairage) ou en dehors des trains en représentent tout de même une part non-négligeable. L’utilisation de réfrigérants plus efficaces et une gestion intelligente des systèmes de chauffage et de climatisation peuvent donc contribuer à réduire la consommation des trains.

Quelles conséquences sur le système énergétique ?

Compte tenu de la consommation d’un train et de ses distances de déplacement, l’électrification du réseau ferroviaire implique des coûts de distribution (électrification des lignes et renforcement des réseaux de transport ou de distribution d’électricité) significatifs. Côté efficacité énergétique, l’introduction de systèmes récupérateurs d’énergie, permettant aussi de la stocker, pourrait réduire la consommation d’énergie d’un train et aboutir, lorsque – cas fréquent – 100 à 150 trains circulent simultanément sur le réseau, à une forte diminution de la demande énergétique appelée en pointe. Ces nouveaux potentiels de gestion intelligente de la consommation pourraient donc permettre d’optimiser le dimensionnement électrique.

Les sources d’énergie et innovations mobilisées par les solutions de décarbonation du ferroviaire pourraient aussi souligner l’intérêt d’une approche territoriale, en faveur du développement d’écosystèmes énergétiques. Le développement du train à l’hydrogène, dont la production serait assurée dans quelques hubs proches de besoins industriels, pourrait ainsi plaider pour la création de synergies fortes entre le secteur ferroviaire et d’autres industriels actifs sur le territoire, poussant la mutation des gares en hubs énergétiques servant à d’autres mobilités que le ferroviaire. Le développement du train à batterie induit cette même logique : l’optimisation des coûts liés aux installations de recharge de batteries pourrait par exemple conduire à des approches mutualisées entre le ferroviaire et d’autres activités industrielles ou de transport routier à proximité, avec une optimisation des réseaux d’énergie à la clé.

Le développement d’unités de production renouvelables décentralisées servirait également cette approche des écosystèmes énergétiques territoriaux, d’autant plus que le réseau ferroviaire présente un large potentiel de valorisation du foncier : à la fois le long des voies ferrées, avec par exemple le photovoltaïque vertical linéaire (dont un démonstrateur a été mis en service fin 2021 par CNR), mais aussi sur le toit des gares.


[1] Source : Futurs énergétiques 2050, RTE, février 2022, Chapitre 3 « La Consommation », p. 22

[2] Source :Actualités du Parlement européen

[3] Baisse qui pourrait atteindre « une dizaine de pourcent » selon le Président de la SNCF, article Le Monde, 28 janvier 2022

[4] Source : SNCF, « Trains hydrogène : première commande lancée », mis à jour en février 2022

[5] À titre d’exemple, la consommation d’énergie de la SNCF est de l’ordre de 17 TWh annuels, dont 60 % d’électricité pour la traction ferroviaire, 30 % pour le gazole et 10 % pour le chauffage et les centres techniques.

[6] Source : Groupe de travail : Consommation d’électricité, Les transports, RTE.

[7] Source : CER & UIC, 2015, p.15.

[8] Entre 0,5 M et entre 0,35 et 1,5 M€ par kilomètre de voie simple, et de 0,7 à 3 M€ pour une ligne à double voie, Rapport sur le verdissement de la flotte ferroviaire, 2018.

[9] Alstom Coradia iLint

[10] Pour un financement à égalité entre Alstom et SNCF (8 M€ chacun), 215 M€ par les régions et 47 M€ par un versement de l’Etat aux régions.

[11] Source : Groupe de travail : Consommation d’électricité, Les transports, RTE