Les locomotives bi-modes, solution hybride pour une transition écologique

Le secteur ferroviaire, bien que souvent perçu comme un mode de transport plus vert que d'autres, fait face à une pression croissante pour réduire son empreinte environnementale, avec une cible de réduction des émissions de 55% d'ici 2030. L'électrification complète du réseau, bien que souhaitable pour atteindre les objectifs de neutralité carbone, représente un défi de taille en raison des coûts et des délais considérables qu'elle implique. Les préoccupations environnementales incitent à explorer des solutions innovantes pour minimiser les rejets de gaz à effet de serre, notamment le CO2, mais aussi les oxydes d'azote. C'est dans ce contexte que les locomotives bi-modes, une solution de transport ferroviaire innovante, émergent comme une alternative prometteuse, capable de concilier performance économique et respect de l'environnement. Ces engins offrent une flexibilité sans précédent dans le domaine du transport ferroviaire, permettant une transition progressive vers une mobilité ferroviaire plus durable et une logistique plus verte.

Qu'est-ce qu'une locomotive bi-mode ? démystification du concept

Une locomotive bi-mode, ou locomotive hybride, est par définition, un engin ferroviaire polyvalent capable de fonctionner grâce à deux sources d'énergie distinctes, combinant ainsi les avantages de la traction électrique et thermique. Cette polyvalence lui permet de s'adapter à différents types d'infrastructures ferroviaires, aussi bien électrifiées que non électrifiées, offrant une plus grande souplesse dans le déploiement des services de transport ferroviaire. Le concept repose sur la combinaison de deux systèmes de propulsion, offrant ainsi une grande flexibilité opérationnelle pour les entreprises de transport et de logistique. En fonction de la configuration, elle pourra utiliser l'électricité captée par pantographe ou un moteur thermique, lui permettant de circuler sur l'ensemble du réseau ferré.

Différentes configurations

Il existe plusieurs configurations de locomotives bi-modes, chacune présentant des avantages et des inconvénients spécifiques en termes de performance, d'émissions et de coûts d'exploitation. La plus courante est la configuration Diesel-électrique, où un moteur Diesel à faible émission alimente une génératrice qui produit l'électricité nécessaire à la traction. Une autre configuration possible est l'électrique-batterie, où la locomotive utilise l'électricité captée par pantographe sur les lignes électrifiées et des batteries pour les sections non électrifiées, offrant une solution zéro émission sur certaines portions du trajet. On trouve également des modèles électriques-hybrides, combinant un moteur électrique avec une source d'énergie secondaire, souvent un moteur thermique de plus petite taille, pour une plus grande autonomie et une réduction des émissions. L'investissement global dans les locomotives bi-modes est estimé à 1.5 milliards d'euros ces dernières années.

• Diesel-électrique : Moteur Diesel alimentant une génératrice pour la traction, solution éprouvée et polyvalente.
• Électrique-batterie : Électricité captée ou batteries pour la traction, idéal pour les zones urbaines et les lignes courtes.
• Électrique-hybride : Combinaison moteur électrique et source d'énergie secondaire, offrant une autonomie étendue et une flexibilité accrue.

Fonctionnement technique : les deux cœurs qui battent dans une locomotive

Le fonctionnement d'une locomotive bi-mode est complexe, nécessitant une gestion précise et coordonnée des deux systèmes de propulsion pour garantir une performance optimale et une efficacité énergétique maximale. L'objectif est d'optimiser l'utilisation de chaque source d'énergie en fonction des conditions de fonctionnement, de la disponibilité de l'infrastructure (caténaire) et des exigences de performance du service ferroviaire.

Mode électrique

En mode électrique, la locomotive utilise un pantographe, un dispositif articulé, pour capter le courant provenant de la caténaire, le fil électrique aérien alimentant le réseau ferroviaire électrifié. Ce courant est ensuite transformé par un convertisseur, un dispositif électronique de puissance, pour alimenter les moteurs électriques de traction, qui entraînent les roues de la locomotive. Le système de captation et de conversion du courant est conçu pour assurer une alimentation stable et fiable, même à grande vitesse, jusqu'à 200 km/h. La puissance des moteurs électriques, souvent de type asynchrone, permet d'atteindre des performances élevées en termes d'accélération et de vitesse de pointe, améliorant ainsi l'efficacité du transport ferroviaire. Le voltage du courant peut atteindre 25000 Volts en courant alternatif.

Mode thermique

En mode thermique, la locomotive s'appuie sur un moteur Diesel, souvent un moteur Diesel à injection directe à haute pression (common rail), qui entraîne une génératrice. Cette génératrice produit l'électricité nécessaire pour alimenter les moteurs électriques de traction, assurant ainsi la propulsion de la locomotive en l'absence de caténaire. Le moteur Diesel doit être capable de fournir une puissance suffisante, typiquement entre 2000 et 3000 kW, pour assurer les mêmes performances qu'en mode électrique. La gestion du moteur Diesel est optimisée grâce à un système de contrôle électronique sophistiqué pour réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes, notamment les oxydes d'azote (NOx) et les particules fines. Le moteur Diesel peut atteindre les 4500 chevaux vapeur, permettant une puissance de traction importante.

Gestion de l'énergie

Le passage d'un mode de propulsion à l'autre, du mode électrique au mode thermique et vice-versa, est géré par un système de contrôle sophistiqué, intégrant des capteurs, des calculateurs et des actionneurs. Ce système surveille en permanence les conditions de fonctionnement de la locomotive, telles que la tension de la caténaire, la vitesse, la charge et la position géographique, et sélectionne le mode de propulsion le plus adapté. Il prend en compte des facteurs tels que la présence ou l'absence de caténaire, le type de carburant disponible, les exigences de performance et les objectifs de réduction des émissions. La transition entre les modes est conçue pour être transparente pour le conducteur et les passagers, sans interruption de service ni perte de performance. Le temps de transition entre les deux modes est inférieur à 2 minutes.

Avantages des locomotives bi-modes : un compromis pragmatique

Les locomotives bi-modes présentent de nombreux avantages, faisant d'elles une solution attractive et rentable pour moderniser les réseaux ferroviaires existants et répondre aux défis de la transition écologique. Leur flexibilité opérationnelle, leur impact environnemental réduit, leur potentiel de développement et leur contribution à une logistique durable en font un atout majeur pour le secteur ferroviaire.

Flexibilité opérationnelle

Le principal avantage des locomotives bi-modes réside dans leur capacité à circuler sur des lignes électrifiées et non électrifiées sans nécessiter de changement de locomotive, ce qui simplifie considérablement les opérations ferroviaires. Cela permet d'éviter les ruptures de charge, qui sont coûteuses et chronophages, et d'optimiser l'utilisation du réseau ferré. Cette flexibilité simplifie l'exploitation ferroviaire et permet d'optimiser les itinéraires, en réduisant les temps de parcours et en améliorant la fiabilité des services. Des gains de temps considérables, jusqu'à 15%, sont observés sur certains trajets grâce à cette polyvalence, améliorant ainsi la compétitivité du transport ferroviaire.

Réduction des coûts d'infrastructure

L'acquisition de locomotives bi-modes peut s'avérer plus économique, à court et moyen terme, que l'électrification complète d'une ligne ferroviaire, qui représente un investissement important. L'électrification nécessite des investissements massifs en infrastructures (caténaires, sous-stations électriques, systèmes de signalisation, etc.), qui peuvent être difficiles à justifier sur des lignes à faible trafic. Les locomotives bi-modes permettent de différer ou d'éviter ces investissements coûteux, tout en améliorant la performance environnementale du réseau. Le coût de l'électrification d'une ligne est estimé à 2 millions d'euros par kilomètre, tandis qu'une locomotive bi-mode peut couvrir plusieurs centaines de kilomètres de lignes non électrifiées.

Diminution des émissions polluantes

En utilisant le mode électrique sur les lignes électrifiées, les locomotives bi-modes réduisent considérablement leurs émissions de gaz à effet de serre, tels que le CO2, et de polluants atmosphériques, tels que les oxydes d'azote (NOx) et les particules fines (PM10). Même en mode thermique, elles peuvent utiliser des carburants alternatifs plus propres et durables, tels que le biodiesel, le HVO (huile végétale hydrotraitée) ou le gaz naturel liquéfié (GNL), réduisant ainsi leur impact environnemental. La diminution des émissions est particulièrement significative en milieu urbain, où la qualité de l'air est un enjeu majeur de santé publique. L'utilisation de biocarburants peut réduire les émissions de CO2 jusqu'à 80% par rapport au Diesel conventionnel.

• Circulation sur lignes électrifiées en mode électrique, réduisant les émissions directes.
• Possibilité d'utiliser des carburants alternatifs plus propres et durables, diminuant l'empreinte carbone.
• Réduction significative des émissions en milieu urbain, améliorant la qualité de l'air.
• Réduction de la pollution sonore en mode électrique, améliorant le confort des riverains.

Inconvénients et défis : limitations et perspectives d'amélioration

Malgré leurs nombreux avantages, les locomotives bi-modes présentent également des inconvénients et des défis qu'il convient de prendre en compte pour optimiser leur utilisation et maximiser leur contribution à la transition écologique. Leur coût d'acquisition plus élevé, leur complexité technique, leur dépendance aux énergies fossiles et leur poids constituent des freins à leur développement. Toutefois, des perspectives d'amélioration existent, ouvrant la voie à des locomotives bi-modes plus performantes, plus respectueuses de l'environnement et plus compétitives.

Coût d'acquisition

Le coût d'acquisition d'une locomotive bi-mode est généralement plus élevé, environ 20 à 30%, que celui d'une locomotive Diesel conventionnelle, en raison de la complexité des systèmes bi-modes et de la nécessité d'intégrer deux sources d'énergie différentes. Cette différence de prix peut représenter un obstacle pour les opérateurs ferroviaires disposant de budgets limités, notamment les petites et moyennes entreprises de transport et de logistique. Une locomotive bi-mode coûte environ 5 millions d'euros, contre 3.5 millions d'euros pour une locomotive Diesel conventionnelle.

Complexité technique

La maintenance des locomotives bi-modes est plus complexe et exigeante que celle des locomotives monomodes, en raison de la présence de deux systèmes de propulsion distincts et de la nécessité de maîtriser les technologies électriques et thermiques. Les systèmes bi-modes nécessitent des compétences spécifiques, un outillage adapté et une formation continue du personnel de maintenance. La complexité technique peut entraîner des coûts de maintenance plus élevés et des temps d'immobilisation plus longs, réduisant ainsi la disponibilité des locomotives. Une maintenance préventive rigoureuse est essentielle pour garantir la fiabilité et la sécurité des locomotives bi-modes.

Poids et encombrement

Les locomotives bi-modes peuvent être plus lourdes et plus encombrantes que les locomotives monomodes, en raison de la présence des deux systèmes de propulsion et des équipements associés (moteurs, génératrices, batteries, convertisseurs, etc.). Ce poids supplémentaire, pouvant atteindre 120 tonnes, peut limiter leur performance sur certaines lignes, en particulier celles présentant des pentes importantes ou des courbes serrées. L'encombrement peut également poser des problèmes de compatibilité avec certaines infrastructures existantes, telles que les tunnels et les ponts. Des efforts sont en cours pour réduire le poids et l'encombrement des locomotives bi-modes, notamment grâce à l'utilisation de matériaux plus légers et de technologies plus compactes.

Dépendance aux énergies fossiles

Même si elles peuvent utiliser des carburants alternatifs plus propres et durables, les locomotives bi-modes restent dépendantes des énergies fossiles, en particulier lorsqu'elles fonctionnent en mode thermique. Cette dépendance constitue un inconvénient majeur dans le contexte de la transition écologique et de la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre. L'objectif est de réduire progressivement cette dépendance en favorisant l'utilisation de carburants décarbonés, tels que l'hydrogène, le biométhane et les carburants de synthèse. Le passage à des carburants 100% renouvelables est un défi majeur pour le secteur ferroviaire.

• Coût d'acquisition initial plus élevé, limitant l'accès à certains opérateurs.
• Complexité accrue des opérations de maintenance, nécessitant une expertise spécifique.
• Dépendance résiduelle aux énergies fossiles, malgré l'utilisation de carburants alternatifs.
• Poids et encombrement plus importants, réduisant la performance sur certaines lignes.

Exemples concrets et applications actuelles : sur les rails du monde entier

Les locomotives bi-modes sont déjà en service dans plusieurs pays, où elles démontrent leur potentiel, leur polyvalence et leur efficacité dans diverses applications ferroviaires. La France, l'Allemagne, le Royaume-Uni, la Suisse et les États-Unis sont parmi les pays qui ont adopté cette technologie pour moderniser leurs réseaux ferroviaires et répondre aux défis de la transition écologique. Elles sont utilisées pour le transport de voyageurs, le transport de marchandises et les manœuvres en gare, offrant une solution flexible et durable pour différents types de services ferroviaires.

France

La France utilise notamment les locomotives Alstom Prima BB 76000, qui sont des locomotives bi-modes Diesel-électriques, développées pour répondre aux besoins du transport ferroviaire régional. Ces locomotives sont utilisées pour le transport de marchandises et de voyageurs sur des lignes électrifiées et non électrifiées, notamment en région Centre-Val de Loire et en Normandie. Elles permettent d'assurer la continuité du service sans nécessiter de changement de locomotive, améliorant ainsi la fiabilité et la compétitivité du transport ferroviaire. Plus de 60 locomotives de ce type sont en service sur le réseau ferré français, parcourant plus de 10 millions de kilomètres par an.

Allemagne

L'Allemagne utilise les locomotives Siemens Vectron Dual Mode, qui sont également des locomotives bi-modes Diesel-électriques, conçues pour répondre aux besoins du transport ferroviaire de marchandises et de voyageurs à longue distance. Ces locomotives sont utilisées pour le transport de marchandises et de voyageurs, notamment sur les lignes reliant les ports de la mer du Nord à l'arrière-pays, facilitant ainsi le commerce international. Elles offrent une grande flexibilité opérationnelle et permettent de réduire les émissions polluantes dans les zones urbaines, contribuant ainsi à améliorer la qualité de l'air. La vitesse maximale autorisée est de 160km/h, permettant un transport rapide et efficace. La Deutsche Bahn (DB) exploite une flotte importante de locomotives bi-modes.

Royaume-uni

Le Royaume-Uni a également investi dans les locomotives bi-modes, notamment pour le transport de voyageurs à grande vitesse, afin d'améliorer la connectivité entre les différentes régions du pays. Ces locomotives permettent de desservir des destinations situées sur des lignes non électrifiées, tout en bénéficiant des avantages de l'électrification sur les portions électrifiées du trajet, optimisant ainsi l'utilisation du réseau ferroviaire. Elles contribuent à améliorer la qualité du service, à réduire l'empreinte environnementale du transport ferroviaire et à améliorer le confort des passagers. Le réseau ferré britannique compte plus de 30000km de voies, dont une part importante est non électrifiée.

• Alstom Prima BB 76000 (France) : Transport régional de voyageurs et de marchandises.
• Siemens Vectron Dual Mode (Allemagne) : Transport de marchandises à longue distance et transport de voyageurs.
• Locomotives bi-modes britanniques : Transport de voyageurs à grande vitesse.

Impact environnemental : un pas vers un futur plus vert

L'impact environnemental des locomotives bi-modes est un élément clé à prendre en compte lors de l'évaluation de leur intérêt et de leur contribution à la transition écologique du secteur ferroviaire. En permettant une utilisation plus importante du mode électrique, elles contribuent à réduire les émissions de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques. L'utilisation de carburants alternatifs, l'amélioration de l'efficacité énergétique et la réduction de la pollution sonore permettent de renforcer encore cet impact positif et de créer un futur plus vert pour le transport ferroviaire.

Analyse comparative

Une locomotive bi-mode émet environ 20% de gaz à effet de serre de moins, notamment le CO2, qu'une locomotive Diesel conventionnelle, en raison de l'utilisation du mode électrique sur les lignes électrifiées et de l'utilisation de carburants plus propres en mode thermique. Cette réduction peut atteindre 40% avec l'utilisation de biocarburants de deuxième génération. En mode électrique, les émissions de polluants atmosphériques (particules fines, oxydes d'azote) sont quasiment nulles, contribuant ainsi à améliorer la qualité de l'air. L'impact environnemental dépend également de la source d'électricité utilisée, favorisant les sources renouvelables (éolien, solaire, hydraulique). Le secteur ferroviaire vise à réduire ses émissions de 50% d'ici 2030.

Impact sur la qualité de l'air

L'utilisation du mode électrique par les locomotives bi-modes a un impact positif significatif sur la qualité de l'air, en particulier dans les zones urbaines, où la pollution atmosphérique est un problème majeur. En réduisant les émissions de polluants atmosphériques, tels que les particules fines et les oxydes d'azote, elles contribuent à améliorer la santé publique et à réduire les coûts liés aux maladies respiratoires. Les locomotives bi-modes peuvent également être équipées de filtres à particules pour réduire les émissions en mode thermique, améliorant ainsi la qualité de l'air. La concentration de particules fines est souvent supérieure à 40 μg/m3 dans les grandes villes, soulignant l'importance de réduire les émissions du transport ferroviaire.

Utilisation de carburants alternatifs

Les locomotives bi-modes peuvent utiliser une variété de carburants alternatifs plus propres et durables, tels que le biodiesel, le HVO (huile végétale hydrotraitée) et l'hydrogène, réduisant ainsi leur dépendance aux énergies fossiles et diminuant leur empreinte carbone. Ces carburants permettent de réduire significativement les émissions de gaz à effet de serre et de diminuer la dépendance aux énergies fossiles. L'utilisation de l'hydrogène, en particulier, représente une solution prometteuse pour décarboner complètement le transport ferroviaire, en éliminant les émissions de CO2. Le potentiel de réduction des émissions de CO2 avec l'hydrogène est estimé à 90%, ouvrant la voie à un transport ferroviaire zéro émission.

Le rôle des locomotives bi-modes dans la transition écologique ferroviaire : un pont vers le tout électrique et l'hydrogène ?

Les locomotives bi-modes jouent un rôle essentiel et stratégique dans la transition écologique du secteur ferroviaire, en offrant une solution pragmatique, flexible et durable pour réduire l'impact environnemental du transport ferroviaire. Elles représentent un "pont" vers un futur ferroviaire plus durable, basé sur l'électrification complète du réseau, l'utilisation de carburants alternatifs et l'innovation technologique. Elles facilitent la transition vers un transport ferroviaire plus vert, en s'adaptant aux contraintes économiques, techniques et environnementales.

Positionnement

Les locomotives bi-modes ne sont pas une solution miracle, mais plutôt une étape intermédiaire et une solution complémentaire dans le processus de transition vers un système ferroviaire plus vert et plus durable. Elles permettent de tirer parti des infrastructures existantes, tout en réduisant progressivement l'impact environnemental du transport ferroviaire, en attendant le déploiement de solutions plus performantes et plus propres. Elles peuvent coexister avec les locomotives électriques et les nouvelles technologies, telles que les trains à hydrogène et les trains à batterie, en s'adaptant aux contraintes économiques et techniques. L'objectif est de réduire les émissions du transport de marchandises de 30% d'ici 2030 et d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050.

Complémentarité

Les locomotives bi-modes sont complémentaires des locomotives électriques, en permettant de desservir les lignes non électrifiées, qui représentent une part importante du réseau ferroviaire européen. Elles peuvent également être utilisées sur des lignes partiellement électrifiées, en basculant entre les modes de propulsion en fonction de la disponibilité de l'infrastructure, optimisant ainsi l'utilisation du réseau ferroviaire. Cette complémentarité permet d'optimiser l'utilisation du réseau ferroviaire, de réduire les coûts d'exploitation et d'améliorer la connectivité entre les différentes régions. Le nombre de lignes partiellement électrifiées est en constante augmentation, soulignant l'importance des locomotives bi-modes.

Flexibilité

La flexibilité des locomotives bi-modes leur permet de s'adapter aux évolutions technologiques et aux contraintes économiques, garantissant ainsi leur pérennité et leur pertinence dans le contexte de la transition écologique. Elles peuvent être équipées de nouvelles batteries plus performantes, de moteurs thermiques plus efficaces, de systèmes de propulsion à hydrogène et de systèmes de récupération d'énergie au freinage. Cette capacité d'adaptation garantit leur pérennité et leur pertinence dans le contexte de la transition écologique, en leur permettant d'intégrer les dernières innovations technologiques. De nouvelles technologies de batteries sont en cours de développement, promettant une autonomie accrue et une réduction des coûts.

• Elles servent de pont vers un futur ferroviaire plus durable.
• Elles complètent les locomotives électriques sur les lignes non électrifiées.
• Elles s'adaptent aux évolutions technologiques.