Objectif 15 % d’économies ou plus

Comment rendre plus économe encore un moyen de transport qui par nature – du fait de la faible résistance à l’avancement procurée par le roulement sur rail métallique – est déjà le moins consommateur d’énergie ? C’est une des missions auxquelles se sont attelés les constructeurs de matériel roulant et leurs fournisseurs, parfois avec la complicité des entreprises ferroviaires qui sont appelées à acheter un jour ce matériel. De fait, il existe actuellement un catalogue de solutions ayant fait l’objet de recherches ces dernières années, tant en traction diesel qu’électrique, pour les « grandes » comme pour les plus petites vitesses. Une partie de ces solutions applicables aux engins diesel-électriques (où l’énergie est produite par un moteur diesel, mais transformée en énergie électrique pour faire tourner les roues) est d’ailleurs mise en œuvre par le démonstrateur Plathée (plateforme pour trains hybrides économes en énergie et respectueux de l’environnement), lancé par la recherche SNCF en partenariat avec l’Ademe et huit industriels dans le cadre du Predit. Pile à combustible, moteur diesel « propre », supercondensateurs et batteries se retrouvent ainsi dans cette « locomotive écomobile de demain », plutôt destinée à des petits parcours ou à des manœuvres, qui « devrait permettre d’économiser jusqu’à 60 % de gazole et diminuer les émissions de polluants de 70 % », selon la SNCF.

Hybrider pour moins consommer

Expérimentée par plusieurs réseaux de bus urbains européens dans le cadre du projet Cute, la pile à combustible est également présente sur les rails japonais, où circule un élément prototype bicaisse dont l’énergie électrique provient de la réaction chimique entre l’hydrogène embarqué et l’oxygène ambiant – le produit dégagé étant de la vapeur d’eau ! Si elles ont montré qu’en tenant compte de la production préalable d’hydrogène l’opération consommerait en rendement global moins d’énergie que le diesel, ces expérimentations ont également montré qu’à cause de facteurs d’échelle au niveau de la maintenance, et surtout du stockage du combustible, l’exploitation de la pile à combustible n’est rentable qu’avec de grands parcs. Aiguillonnés par les normes d’émissions en Amérique et en Europe, les motoristes spécialistes du diesel proposent des moteurs sans cesse plus « propres », avec des consommations revues à la baisse d’une dizaine de % à chaque génération. Et les progrès réalisés sur les diesel de camions (produits en grande série) comme sur ceux de marine (petites séries) se retrouvent sur la motorisation ferroviaire (petites séries). Idée ancienne, mise en œuvre depuis une douzaine d’années par les camions de ramassage d’ordures et maintenant par des automobiles de série, l’hybridation revient à fournir l’énergie électrique pour les moteurs de traction par des batteries ou des supercondensateurs rechargés en quasi-permanence par un petit diesel embarqué (qui peut être coupé lorsque la pollution est directement nuisible, en milieu clos par exemple), voire par récupération de l’énergie de freinage. Testée avec succès au Japon sur un autorail et aux Etats-Unis par RailPower Technologies sur la locomotive-prototype de triage Green Goat, l’hybridation est arrivée en Europe il y a quatre ans sur des prototypes. Toujours pour le marché européen, mais pour les voyageurs à des vitesses de l’ordre de 200 km/h, Hitachi a prévu une version hybride de sa famille A-train.

Energie de freinage : la stocker…

Au vu des progrès encore réalisables, c’est du côté de la récupération de l’énergie lors du freinage et du stockage de cette énergie que se situe une grande partie de l’enjeu actuel. Plus d’un siècle après les très imparfaites batteries d’accumulateurs utilisées par les tramways et les locotracteurs, les progrès des supercondensateurs ouvrent d’intéressantes perspectives mais – il ne faut pas rêver – sans aller jusqu’à réaliser le mouvement perpétuel ! Dans la mesure où la capacité de stockage augmente à masse égale – car les supercondensateurs pèseront toujours dans le bilan des masses des véhicules concernés – l’économie d’énergie escomptée serait de l’ordre de 30 % maximum. La transformation réversible de l’énergie de traction en énergie de freinage est plus facile à obtenir, en mettant en jeu le moins de transformations possibles, ces dernières étant toujours des sources de pertes. Pour autant, même en traction (ou transmission) électrique, toutes les solutions de stockage d’énergie ne sont pas purement électriques. Il y a la solution mécanique offerte par le volant d’inertie (né avec les gyrobus Oerlikon en 1940), qui a récemment trouvé de nouvelles applications expérimentales en traction ferroviaire sur le prototype de la rame automotrice Lirex d’Alstom en Allemagne ou sur le véhicule ferroviaire léger Parry People Mover, électrique mais autonome, en Grande-Bretagne. Et Alstom a testé le volant d’inertie sur tramway à Rotterdam. Et pour les autorails et automoteurs diesel à transmission hydraulique, le groupe de propulsion « diesel-hybride » EcoPack de Voith Turbo permet des économies de carburant de 15 % grâce à une transmission hydrostatique réversible qui stocke l’énergie de freinage, le diesel étant alors au ralenti ou arrêté, et la restitue pour remettre le véhicule en mouvement. Selon Voith, les économies de carburant ainsi réalisées au bout de trois ans (à raison de 150 000 km/an) compensent le surcoût lié à l’installation d’un EcoPack.

… ou la consommer

Mais si l’on ne veut pas s’encombrer d’un stockage d’énergie à bord, la solution la plus simple est de recourir à la récupération de l’énergie produite par freinage, dans la mesure où il y a statistiquement des véhicules demandeurs de cette énergie à proximité. Comme ce n’est pas toujours le cas, l’économie réelle est plutôt de l’ordre de 15 %, à moins que l’énergie produite par le freinage ne soit réinjectée sur le réseau électrique national. Là encore, moins il y a de transformations, meilleur sera le rendement. Toutefois, réinjecter dans le réseau électrique national, qui est à très haute tension et fournit du courant alternatif 50 Hz, l’énergie récupérée lors des freinages des tramways, des métros ou des trains lorsqu’elle se présente sous forme d’un courant continu dont la tension est de l’ordre de 750 V n’est pas impossible si l’on met en œuvre des sous-stations réversibles à onduleurs, ce qui est le cas à Copenhague (Ansaldo STS) ainsi que dans le projet Hesop proposé par Alstom pour les tramways (pour les trains, il a également existé une sous-station réversible à Saint-Michel-de-Maurienne, sous 1 500 V continu).

L’électricité : oui, mais…

La question des sous-stations montre que chiffrer les économies d’énergie est une question de point de vue : les mesure-t-on au niveau le plus global possible, au niveau national, au niveau du fournisseur d’énergie, du réseau ferré ou du véhicule ? Les réponses peuvent différer et les économies locales peuvent parfois se traduire comme des pertes à des niveaux plus globaux : un exemple français est le maintien d’un équipement de traction électrique vieux de 70 ans sur la ligne des Causses, qui génère globalement plus de pertes que d’économies d’énergies par rapport à la traction diesel, alors que si l’on se place au niveau des rares trains de cette ligne, la traction électrique semble préférable, à condition d’être améliorée côté alimentation. En revanche, sur les lignes de fort trafic, la traction électrique offre toujours un meilleur rendement global que le diesel, malgré les progrès remarquables de ce dernier. Ce que confirme la mise en service des AGC bimode sur les relations partiellement électrifiées, où la surconsommation due au transport d’un diesel et de son carburant lorsqu’ils ne servent pas est compensée par l’économie procurée par la traction électrique (pour ce qui est des émissions de CO2, le résultat est encore plus flagrant, mais ceci est dû au fait que l’électricité française est à 77 % nucléaire). Une économie que vient de chiffrer le ministère britannique des Transports, qui vient de se lancer dans une campagne d’environ 1,3 milliard d’euros pour l’électrification de plusieurs grandes lignes, justifiée par les avantages financiers – « 20 % moins cher à l’achat et 35 % moins cher à exploiter que les trains diesel » – et environnementaux – « 35 % de CO2 en moins » – de la traction électrique.

L’importance d’une bonne conduite

Mais que ce soit avec cette dernière – ou a fortiori en diesel –, rien se sert d’avoir des engins ou des équipements performants si la conduite se traduit par de trop nombreux ralentissements ou accélérations, gages de pertes (même lorsqu’il y a récupération). Bref, une conduite adaptée est une condition nécessaire aux économies. Ainsi, sur les 51 automoteurs diesel Class 185 livrés par Siemens TS à First TransPennine Express (nord-ouest de l’Angleterre), la conduite économique a permis une baisse de 7 % de la consommation de carburant. Ceci grâce à l’arrêt automatique des moteurs fonctionnant au ralenti lors de stationnements prolongés, à l’utilisation de deux moteurs sur trois sur les lignes de profil facile et à l’analyse des techniques de conduite en coopération avec le personnel concerné. En combinant l’emploi d’un logiciel commandant l’arrêt des moteurs dont le fonctionnement n’est pas nécessaire, l’affichage sur le pupitre de la consommation et des économies réalisées et les circulations en haut-le-pied avec un seul moteur, cette économie de carburant devrait passer à 9,7 %. En traction électrique, avec sa solution EBI Drive 50, Bombardier annonce « jusqu’à 15 % d’énergie de traction économisés en fournissant des informations sur la vitesse et l’effort de traction au conducteur ». Une solution également mise en œuvre sur le prototype dit « train vert », qui a battu l’an passé le record de vitesse en Suède avec 303 km/h.

A grande vitesse aussi

Car les économies d’énergie valent également pour la grande vitesse, qui n’est pas nécessairement plus énergivore que les trains classiques Par rapport aux trains moins rapides, les trains à grande vitesse présentent une traînée aérodynamique moins importante (qui entraîne une diminution de 25 % de la consommation), ils sont le plus souvent conçus pour offrir davantage de places à longueur ou masse totale égales et ont des équipements électriques plus performants (rendement accru de quelques %), permettant un emploi accru du freinage dynamique si la motorisation est répartie (la récupération dépassant alors les 10 %). Enfin, un train plus rapide roule moins longtemps… Cette évidence a au moins deux conséquences : une moindre consommation des auxiliaires (l’éclairage, le chauffage ou la climatisation fonctionnent sur des durées plus courtes) et, le train étant devenu plus attractif que ses concurrents plus énergivores, il présente finalement un meilleur taux de remplissage, donc (à confort égal) une plus faible consommation énergétique par voyageur !
 

Patrick LAVAL