Transition énergétique du transport ferroviaire à l'échelle internationale d'ici 2050: Évaluation technico-économique et analyse des alternatives décarbonées

Energy transition of rail transport worldwide by 2050: Techno-economic assessment and analysis of decarbonized alternatives

• Auteur / Autrice : Antoine Belleguie
• Direction : François Combes, Martin Koning
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ville, Transports et Territoires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Systèmes Productifs, Logistique, Organisation des Transports, et Travail

Mots clés

Mots clés libres

Transition énergétique

Ferroviaire

Décarbonation

Hydrogène

Batterie

Coût total de possession (TCO)

Energy transition

Railway

Decarbonisation

Hydrogen

Battery

Total Cost of Ownership (TCO)

Résumé

Cette thèse se concentre sur la transition énergétique du transport ferroviaire à l'échelle internationale d'ici 2050. Nous sommes à l'aube d'une nouvelle ère, marquée par des défis environnementaux sans précédent. D'une part, les émissions de gaz à effet de serre (GES), responsable du réchauffement climatique, ont atteint 37,4 milliards de tonnes en 2023 (AIE, 2024), dont près de 23% sont imputables au secteur des transports (GIEC, 2023). D'autre part, la pollution atmosphérique est responsable de près de 9 millions de décès prématurés chaque année (Lelieveld et al., 2023). Le transport ferroviaire joue un rôle central dans la stratégie de décarbonation des transports, présentant des avantages indéniables (ERFA, 2024), cependant il reste responsable de l'émission de près de 100 millions de tonnes de CO₂ par an (AIE, 2022), principalement en raison de la prévalence du diesel, représentant encore 54 % de l'énergie consommée par le secteur (AIE, 2022). Le marché du ferroviaire décarboné se distingue par une grande diversité d'alternatives, qu'elles soient partiellement ou totalement décarbonées (électriques, à hydrogène, avec des batteries ou au biofuel), ainsi que par diverses configurations (mono-mode, bi-mode, tri-mode ou hybrides), nécessitant parfois l'ajout de matériel roulant supplémentaire (tender/powercar) ou la modification de l'infrastructure (caténaires) (Belleguie, 2023). Cette diversité d'options complexifie l'analyse, et la véritable question demeure : Quelle alternative décarbonée est la plus pertinente et efficiente, au regard des contraintes économiques, techniques et environnementales, pour chaque cas d'usage étudié ? Ce travail de recherche vise à répondre à cette question en analysant la compétitivité des alternatives décarbonées à travers plusieurs cas d'usage dans deux zones géographiques clés : l'Europe (France, Allemagne) et l'Amérique du Nord (États-Unis, Canada). Nous adoptons une méthodologie en trois volets : 1. Faisabilité technique : Évaluer l'efficacité énergétique et de la consommation des technologies, mesurant leur performance dans des contextes variés. 2. Impact environnemental : Estimer les émissions de GES et des polluants sur le cycle de vie des solutions, quantifiant les bénéfices environnementaux. 3. Évaluation économique : Analyser le Coût Social Total (TSC), qui inclut le Coût Total de Possession (TCO) et le Coût Externe Total (TEC). Le TCO couvre les coûts privés de l'opérateur (investissements, énergie, maintenance, sillon ferroviaire, main-d'oeuvre), tandis que le TEC englobe les externalités (pollution atmosphérique et sonore, émissions de GES, accidents). Nous intégrons à notre analyse des scénarios prospectifs, incluant notamment les variations des coûts de l'énergie. Enfin, nous évaluons les coûts d'abattement privés et socio-économiques afin de mesurer l'efficacité des alternatives décarbonées à moyen et long terme. Cette thèse contribue à l'économie des transports en explorant le sous-domaine du ferroviaire décarboné. Elle offre une analyse approfondie des dimensions environnementales et économiques des alternatives décarbonées, permettant ainsi d'éclairer les décisions des acteurs du marché et décideurs politiques en matière de choix technologiques. Cette thèse souligne l'importance stratégique du soutien des politiques publiques dans l'émergence et l'adoption de ces alternatives. Le choix des solutions décarbonées est intimement lié à l'architecture du marché et à la structure des réseaux, entraînant des variations significatives d'une zone géographique à l'autre. Par ailleurs, l'analyse à moyen et long terme, fondée sur des scénarios prospectifs, met en évidence non seulement les avantages environnementaux, mais également dans certains cas, un potentiel bénéfice économique. Un coût d'abattement négatif peut être envisagé lorsque les coûts externes surpassent le TCO, engendrant ainsi un double dividende tant sur le plan environnemental qu'économique.

This thesis focuses on the energy transition of rail transport on an international scale by 2050. We stand on the brink of a new era marked by unprecedented environmental challenges. On one hand, greenhouse gas (GHG) emissions, responsible for global warming, reached 37.4 billion tons in 2023 (IEA, 2024), with nearly 23% attributable to the transport sector (IPCC, 2023). On the other hand, air pollution accounts for approximately 9 million premature deaths annually (Lelieveld et al., 2023). Rail transport plays a central role in the decarbonization strategy for transportation, offering undeniable advantages (ERFA, 2024); however, it remains responsible for emitting nearly 100 million tons of CO₂ per year (IEA, 2022), primarily due to the prevalence of diesel, which still accounts for 54% of the energy consumed by the sector (IEA, 2022). The decarbonized rail market is characterized by a wide diversity of alternatives, whether partially or fully decarbonized (electric, hydrogen, battery, or biofuel), as well as various configurations (single-mode, bi-mode, tri-mode, or hybrid), sometimes requiring the addition of supplementary rolling stock (tender/powercar) or modifications to infrastructure (overhead lines) (Belleguie, 2023). This diversity of options complicates the analysis, and the crucial question remains: Which decarbonized alternative is the most relevant and efficient, considering the economic, technical, and environmental constraints for each specific use case? This research aims to address this question by analyzing the competitiveness of decarbonized alternatives across several use cases in two key geographic areas: Europe (France, Germany) and North America (United States, Canada). We adopt a three-pronged methodology: 1. Technical Feasibility: Assessing the energy efficiency and consumption of various technologies, measuring their performance in diverse contexts. 2. Environmental Impact: Estimating GHG and pollutant emissions throughout the lifecycle of the solutions, quantifying environmental benefits. 3. Economic Evaluation: Analyzing the Total Social Cost (TSC), which includes the Total Cost of Ownership (TCO) and the Total External Cost (TEC). The TCO encompasses the operator's private costs (investments, energy, maintenance, track access, labor), while the TEC includes externalities (air and noise pollution, GHG emissions, accidents). We incorporate prospective scenarios into our analysis, particularly considering variations in energy costs. Finally, we evaluate both private and socio-economic abatement costs to measure the effectiveness of decarbonized alternatives in the medium and long term. This thesis contributes to the field of transport economics by exploring the under-researched area of decarbonized rail transport. It provides a comprehensive analysis of the environmental and economic dimensions of decarbonized alternatives, thereby informing the decisions of market actors and policymakers regarding technological choices. This thesis emphasizes the strategic importance of public policy support in the emergence and adoption of these alternatives. The choice of decarbonized solutions is closely linked to market architecture and network structure, resulting in significant variations across geographic areas. Furthermore, the medium- and long-term analysis, based on prospective scenarios, highlights not only environmental advantages but also potential economic benefits in certain cases. A negative abatement cost may be considered when external costs exceed the TCO, thereby generating a double dividend in both environmental and economic terms.