S’il est un domaine vital pour les constructeurs de matériel roulant ferroviaire, c’est bien le transport urbain. Un domaine dont l’environnement est plus que jamais en évolution, entre progrès techniques, économies d’énergie, remises en cause d’investissements pour raisons budgétaires et concurrence accrue. De plus en plus souvent, Alstom, Bombardier et Siemens se retrouvent face à des acteurs européens de taille moyenne comme Caf, Stadler, Vossloh ou Pesa et risquent demain de faire face de plus en plus souvent à la concurrence asiatique, surtout avec la reprise d’AnsaldoBreda par Hitachi ou la fusion CSR-CNR…

Etre concurrentiel, ce n’est pas seulement présenter le meilleur prix d’acquisition, mais livrer dans les délais, améliorer la qualité de service et optimiser le coût de cycle de vie du matériel. Par exemple en permettant de réduire la consommation d’énergie.

 

Alstom mise sur l’innovation technique et les économies d’énergie

L’innovation est « au cœur de la stratégie » d’Alstom Transport, proclame Benoit Carniel, vice-président R&D et Innovation au siège de l’entreprise, qui mise sur la différenciation et l’attractivité. Cette démarche a fait ses preuves au cours de la dernière décennie, même si elle n’est pas exempte de risques. Dix ans après le laborieux démarrage de l’APS à Bordeaux, cette solution d’alimentation des tramways par le sol proposée par Alstom équipe maintenant cinq réseaux en France et s’exporte vers les nouveaux réseaux riverains du golfe Persique.

Depuis quatre ans, une autre innovation Alstom, moins visible, est testée sur le tram T à Bobigny : la sous-station Hesop, qui permet, sur les réseaux électrifiés en courant continu, de récupérer l’énergie électrique produite par le freinage lorsque celle-ci n’est pas consommée, en la renvoyant sur le réseau national de transport d’énergie via des convertisseurs à transistors IGBT. Cette solution, qui permet soit de réduire le nombre de sous-stations de 10 à 20 %, soit de supporter un trafic plus important avec le même nombre de sous-stations, permet également de se passer des rhéostats embarqués… et donc de produire moins de chaleur en tunnel. Un avantage qui intéresse le Tube de Londres (essais sous 630 V sur la Victoria Line) et doit mener à « un premier équipement sous 1 500 V dans le métro de Milan », indique Christine Darragon, directrice Innovation & Compétitivité pour la plateforme Infrastructure d’Alstom Transport. Outre la réduction de la consommation énergétique qui en découle, Hesop offre bien d’autres avantages : adaptation de la tension au trafic, changement de la tension en ligne (passage prévu à 750 V à Londres), stabilité de la tension en ligne, mais aussi dégivrage de nuit sur la ligne de contact…

Maintenant mûr à son tour (103 sous-stations ont été vendues à ce jour à Londres, Milan, Riyad et Sydney), Hesop montre à quel point les progrès de l’électronique de puissance permettent d’optimiser et d’améliorer la gestion de l’énergie, composante importante du coût de possession. « Hesop devient la solution de base dans nos projets clés en mains », précise Benoit Carniel, soulignant que si cette solution est « 10 à 20 % plus chère à l’achat », elle permet ensuite bien des économies.

Outre l’interface entre réseau ferré et réseau de transport d’énergie, il est possible de réduire la consommation en jouant sur des solutions à bord des trains, comme la masse du véhicule ou l’aide à la conduite (le mode automatique s’avère plus économique que la conduite manuelle) mais aussi la consommation des différents systèmes, comme le montrent les exemples suivants, testés ces deux dernières années.

 

Le carbure de silicium, semi-conducteur de la prochaine génération

L’évolution des semi-conducteurs utilisés pour la conversion de l’énergie à bord des trains permet également d’en réduire la consommation, comme l’avait montré, il y a une vingtaine d’années, le passage du thyristor GTO au transistor IGBT. Alstom a franchi une nouvelle étape en développant un convertisseur auxiliaire à transistors Mosfet mettant en œuvre le carbure de silicium (SiC) comme semi-conducteur. Réputé pour sa dureté, le SiC permet de réaliser des transistors qui commutent à plus haute fréquence (découpage 15-25 kHz) et à température de jonction plus élevée. La réduction des pertes ainsi permise (de 60 % à moins de 30 %) permet de se passer d’une ventilation pour le refroidissement des convertisseurs.

Dans le cadre du programme européen Osiris, deux équipements prototypes à transistors SiC ont été réalisés à Charleroi et mis en circulation en novembre dernier sur la ligne 3 du métro de Milan (ATM) pendant deux mois. « On a beaucoup appris », reconnaît Flavien Gradisnik, vice-président Plateforme Traction, en particulier autour de 15 kHz, qui se trouvait être la fréquence du pilotage automatique de ce métro ! A part ces perturbations électromagnétiques, les avantages sont patents : équipement deux fois moins lourd que le précédent, pour un tiers de volume en moins, plus de 5 % d’économies d’énergie et un fonctionnement silencieux.

Pour l’instant, les transistors SiC n’équipent que des convertisseurs auxiliaires, mais son application aux convertisseurs de traction est déjà envisagée.

 

Un refroidissement économique, silencieux et propre des convertisseurs

En traction électrique, le refroidissement des convertisseurs de la chaîne de traction est un élément clé dans le dimensionnement. Consommatrices d’énergie et nécessitant de la maintenance, les solutions classiques de dissipation de la chaleur présentent aussi quelques inconvénients (bruit pour les ventilateurs, pompes et moteurs pour le refroidissement par eau…). Des progrès restaient donc possibles. Or l’entreprise Calyos avait développé pour l’industrie spatiale un dispositif performant d’évacuation des calories basé sur des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire, alias CPL (Capillarity pump loop). Ce dispositif diphasique (le méthanol, qui se vaporise à 65 °C, passe d’un évaporateur, côté chaîne de traction, à un condenseur, côté arrivée d’air) et en boucle (avec réservoir), a été adapté sur le site Alstom de Tarbes aux chaînes de traction de matériel roulant ferroviaire et développé pour application sur une rame MP05 de la ligne 1 de la RATP, de février 2013 à février 2015. Résultat : l’ensemble était resté très propre, malgré l’absence de maintenance ! L’étape suivante sera d’étendre la CPL à tout le parc du métro, aux trains de banlieue, voire aux automotrices régionales ou à grande vitesse…

 

Deux autres innovations Alstom à l’UITP

A l’occasion de l’UITP 2015, Alstom a annoncé fin avril le lancement de « deux innovations majeures dans le domaine des transports urbains : une solution de tramway intégrée ainsi qu’une extension de son offre d’alimentation électrique sans caténaire appliquée également à d’autres modes de transport. » Nous y reviendrons.

 

 

Bombardier mise sur la rénovation en s’associant aux spécialistes

Quoi de neuf chez Bombardier depuis le précédent salon de l’UITP ?  Développé pour les tramways, le système Primove d’alimentation par induction semble commencer à trouver sa voie… mais pour recharger les bus ! Ceci alors qu’en France, le constructeur se mue partiellement en rénovateur, à l’heure où les plus anciens des tramways mis en service depuis 1985 atteignent ou dépassent leur mi-vie, alors que l’on invoque des économies budgétaires.

C’est ainsi que deux réseaux ont confié à des groupements menés par Bombardier le soin de donner une deuxième jeunesse à leurs trams conçus il y a un bon quart de siècle : Transpole (agglomération lilloise) et SMTC (agglomération grenobloise). Reste que « la rénovation est une idée assez neuve en France », répond Pierre Michard, directeur Pièces et CRO – Europe de l’ouest à Bombardier Transport. Désormais, les clients ne se contentent plus de rénovations purement mécaniques : « il y a eu un grand saut technologique dans les matériels neufs, que l’on retrouve dans la rénovation » précise-t-il, dans des domaines comme l’électronique, la vidéosurveillance, l’information ou la climatisation. Du fait de cette évolution, « le client veut avoir en face de lui un concepteur de trains », souligne le responsable de Bombardier, qui assure ainsi la gestion des projets de rénovation, l’ingénierie, les achats et l’industrialisation. Mais étant essentiellement basé dans le Nord, dans son usine de Crespin, Bombardier travaille toujours avec des partenaires lorsqu’il s’agit d’intervenir en France. « On regarde projet par projet », avec le réparateur Hovart pour les 24 rames Mongy de Transpole et avec les ateliers ferroviaires ACC pour 38 trams TFS de Grenoble.

Si Bombardier Transport affiche comme objectif que les services (ventes de pièces de rechange, assistance à la gestion des parcs et rénovation de matériel roulant) représentent 25 % de ses activités, reste à voir si le Mongy et le tram de Grenoble sont les précurseurs d’une tendance lourde pour les prochaines années. Car si les matériels commandés pour les réseaux de tram ouverts par vagues après l’an 2000 approchent maintenant de leur mi-vie, « aucun appel d’offres n’est sorti pour plus de rénovations à ce jour », tempère Pierre Michard. En fait, les différents réseaux devront faire des arbitrages entre matériel neuf ou rénové. A Rouen, on a par exemple préféré remplacer des TFS à peine vieux de vingt ans par du neuf…

 

Alliance nordiste pour le Mongy

Trois ans déjà qu’a été lancée la rénovation des 24 trams Breda en service depuis plus de vingt ans sur le réseau à voie métrique du Mongy, qui relie Lille à Roubaix et Tourcoing. Ce projet, le premier pour Bombardier en matière de rénovation de tram en France, devrait se dérouler sur un an de plus que prévu initialement. En effet, le périmètre de rénovation de ce matériel de 32 m à plancher bas a entre-temps été accru : il s’est avéré que les châssis de bogies étant à refaire…

Pour donner un coup de jeune à ce parc, une équipe locale de Bombardier s’est associée avec Hovart (qui a mis à disposition ses nouveaux locaux à Villeneuve-d’Ascq), Sogema et Euro Engineering. C’est ainsi que toutes les rames du Mongy bénéficieront à terme d’un réaménagement des cabines de conduite (meilleure ergonomie du siège), d’une livrée extérieure rajeunie et d’un aménagement intérieur lumineux et haut en couleurs – inspiré du Transilien – qui pourra accueillir 15 % de voyageurs en plus. Après une première rame rajeunie en un an et présentée fin août 2013, la rénovation de série a pu débuter. A un rythme modéré, le réseau Transpole ne libérant qu’une seule rame à la fois, pour ne pas affecter le niveau de disponibilité du parc et ne pas perturber l’exploitation du Mongy.

Le TFS en cure dans le Puy-de-Dôme

Pourquoi donner une deuxième vie a des rames introduites en 1987 ? Pour Yann Mongaburu, président du SMTC, il s’agit d’un « choix économique et écologique » qui permet d’avoir « la qualité de service demandée par les usagers aujourd’hui » sans passer à un nouveau matériel. En outre, ce projet représente un « enjeu industriel pour préparer les filières de rénovation des tramways en France » selon le responsable du SMTC.

Signé en mai 2013, le contrat de rénovation portant sur 38 trams TFS 2 construits par Alsthom entre 1986 et 1992 permettra à ce matériel à plancher bas partiel de circuler 15 années de plus, largement modernisé. En effet, bien plus qu’un rajeunissement cosmétique de l’aspect extérieur et intérieur de ces véhicules qui commençaient à avoir un aspect daté, l’opération a donné l’occasion de contrôler leurs chaudrons, de réviser les systèmes mécaniques (portes, essieux) et de remplacer les câbles et systèmes électriques. Côté nouveautés, la plus lourde a sans doute été d’élargir la communication entre la partie à plancher bas et les deux extrémités de la rame. L’aménagement intérieur a été totalement repensé en conformité avec les exigences PMR, y compris l’installation d’un interphone d’urgence. Les revêtements de sièges et l’éclairage ont été remplacés et, plus généralement, les éléments de confort apparus ces vingt dernières années ont été incorporés : système d’information des voyageurs (avec écrans intérieurs et affichage dynamique extérieur), vidéosurveillance, comptage aux portes et climatisation.

Sur le projet de Grenoble, dans lequel Ingérop avait réalisé pour le SMTC une étude analyse projet (entre autres climatisation des espaces voyageurs), la conception, l’ingénierie et les achats de systèmes ont été assurés par Bombardier, les ACC, dans leurs ateliers de Clermont-Ferrand, étaient responsables des opérations de main-d’œuvre (chaudronnerie, électricité, peinture…).

La rénovation se déroule au rythme de deux rames par mois et début août, les 14 TFS de la tranche ferme devraient avoir été livrés. La rénovation de la première des trois tranches optionnelles, soit huit rames, pourra alors débuter. Et si les deux dernières tranches optionnelles sont levées, l’opération devrait durer trois ans au total.

 

Siemens mise sur l’automatisation, la digitalisation et les services

Il y a quatre ans, le projet phare de Siemens en matière de transports urbains était l’automatisation de la ligne 1 de la RATP. Un pari risqué : d’habitude, ce genre d’innovation est essayé à petite échelle sur une petite ligne avant d’être transplanté sur une ligne plus importante. Dans le métro parisien, c’est exactement le contraire qui a été fait, en commençant par la ligne la plus ancienne, la plus symbolique… et la plus fréquentée. Pari gagné, dans les délais impartis. Le secret de Siemens ? Une R&D importante avec, au rez-de-chaussée de son immeuble de Châtillon, dans la proche banlieue de Paris, des bancs statiques où les équipements sol et bord des différents métros automatiques sont testés et où, en particulier, une plateforme dédiée reproduisait la ligne 1.

Outre l’automatisation, la démarche suivie pour la ligne de la RATP et pour d’autres projets de CBTC depuis, illustre la priorité affichée par Siemens en matière de transports publics : un degré élevé de disponibilité du parc dès sa mise en service. Pour y parvenir, le constructeur mise sur la « digitalisation » de la maintenance : après analyse des données enregistrées à bord d’un train et transmises au sol, le diagnostic informatisé permet de prendre en atelier les décisions qui s’imposent, avant même le retour de ce train. Par la suite, les données récoltées sont centralisées, enrichissant une base pour l’analyse des défaillances.

La réalité augmentée est une autre facette de la digitalisation, permettant aux techniciens de maintenance de visionner (en 3D avec lunettes ou en 2D sur tablette ou smartphone) les organes et éléments constitutifs des matériels roulants.

En fait, la digitalisation est partout, de la régulation des trains au contrôle de leur marche par CBTC, dans les services offerts aux voyageurs (information intermodale, systèmes d’information embarqués, wi-fi), voire dans le contrôle, en entrée et sortie de véhicule, des billets électroniques (par RFID, Bluetooth ou wi-fi).

Question services, Siemens dispose enfin d’un atout indéniable, dont il fait également profiter la concurrence : le centre d’essais de Wilderath (PCW), situé à l’extrême ouest de l’Allemagne, à deux pas des Pays-Bas et à peine plus loin de la Belgique. Le PCW, « c’est toute l’Europe sur 30 km de voies : nous avons tous les systèmes d’électrification et des voies à deux écartements [normal et métrique, ndlr] », proclame un responsable. Avantage supplémentaire : « les équipements d’essais et les ateliers sont au même endroit ». On y teste aussi bien des tramways (dont celui destinés à la cité universitaire du Qatar, (voir page 47), pour lequel des stations de chargement ont été montées) que les rames Desiro City pour Thameslink. Un train qui à lui seul regroupe la plupart des aspects de la digitalisation et des services tels que Siemens les définit !

 

Desiro City : le premier train « digital » pour Thameslink

Symbole de la « nouvelle ère des transports publics », selon Siemens, le train régional de la gamme Desiro City en cours de livraison au réseau nord – sud Thameslink du bassin londonien – alias Class 700 dans la nomenclature britannique – est à lui seul un résumé de l’innovation que l’industriel veut insuffler à sa division Mobility.

Dans l’usine de Krefeld-Uerdingen, où Siemens assemble les quelque 1 140 voitures qui formeront 115 rames de 8 à 12 caisses, la réalité augmentée 3D permet déjà de visionner sur écran les organes de la nouvelle rame, quasiment à l’échelle 1. Dès sa conception, le nouveau train a été allégé de 25 % (par rapport à la génération précédente), d’où des économies d’énergie, et son aménagement a été optimisé pour les voyageurs comme pour le personnel (y compris pour le nettoyage). Optimisation encore : les temps d’échange en gare devraient être diminués de 68 %, alors que le nombre de voyageurs montant ou descendant est de l’ordre du millier à chaque arrêt sur le tronçon central, toutes les deux minutes et demie ! Globalement, Siemens estime à 47 % l’économie permise par son train sur le coût de cycle de vie.

Pendant ce temps, outre-Manche, deux dépôts « géants » ont été construits pour les nouvelles rames, à Three Bridges et Hornsey, où Siemens effectuera la maintenance.

En cabine, il y aura toujours un conducteur à bord, même si la conduite est automatique sur le tronc commun (24 trains par heure, voire 25 avec optimisation de la consuite).

Actuellement en essais au PCW de Wildenrath, sous les deux tensions que ce train sera appelé à rencontrer (25 kV 50 Hz au nord de Londres, 750 V continu par troisième rail au sud), le Desiro City doit arriver en Angleterre en août, pour être mis en service sur Thameslink au début de l’année prochaine… si tout se passe comme prévu ! Après l’heure de vérité, la livraison des rames doit se poursuivre et prendre fin l’été 2018.

Dossier écrit par Patrick LAVAL