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Que ce soit lors du salon InnoTrans, du 18 au 21 septembre dernier, ou au cours des semaines ayant suivi cet événement mondial, les annonces et présentations liées au « verdissement » du mode ferroviaire se sont multipliées. Qu’il s’agisse des trains régionaux et de leur traction, des locomotives hybrides, de l’exploitation plus efficace des trains de fret ou de la maintenance des emprises ferroviaires, InnoTrans n’a pas été avare en matériels roulants ou en conférences. Si côté trains régionaux, seul le prototype du Desiro à batteries de Siemens était présent in situ à Berlin, Alstom a célébré la mise en service de son « train à hydrogène » iLint la veille de l’ouverture du salon et Bombardier a organisé des visites de son site voisin, à Hennigsdorf, pour présenter son Talent 3 à batteries. Stadler, qui avait déjà beaucoup à montrer à Innotrans, a quant à lui attendu un mois pour présenter son prototype à batteries. En quelques semaines, ces dernières ont fait leur grand retour dans le monde ferroviaire, après avoir conquis les autobus.

 

Alstom lance ses premiers trains à hydrogène en Allemagne…
Première mondiale pour Alstom qui a lancé mi-septembre, la veille de l’ouverture du Salon Inno­Trans, l’exploitation commerciale de son train à hydrogène, le Coradia iLint sur le réseau Elbe-­Weser en Basse-Saxe (nord de l’Allemagne). Deux trains à hy­drogène circulent désormais sur la ligne Cuxhaven – Bremerhaven – Bremervörde – Buxtehude, soit un parcours d’un peu plus de 100 km également desservi par des trains diesel. Ces trains, qui assurent deux allers-retours chacun, peuvent être rechargés en 15 minutes grâce à une station mobile et temporaire située dans la gare de Bremervörde (mais il faut 50 minutes pour une charge maximale).
L’hydrogène est stocké dans les toits du train, tandis que les piles à combustible transforment l’oxygène et l’hydrogène en électricité. Des batteries lithium-ion permettent en outre de stocker l’énergie récupérée pendant le freinage, laquelle est réutilisée dans les phases d’accélération.
Selon des responsables d’Alstom, l’autonomie du train à hydrogène est de 1 000 km. D’ici à décembre 2021, 14 trains doivent entrer en service en Basse-Saxe dans le cadre d’un contrat de fourniture et de maintenance prévu pour durer 30 ans.
Alstom assure qu’à ce moment-là, l’hydrogène fourni sera « 100 % vert », permettant la suppression totale des émissions de CO₂ alors qu’actuellement l’hydrogène « gris » autorise une réduction des émissions de 45 %. En effet, ces trains « à zéro émission » sont peu bruyants et émettent uniquement de la vapeur d’eau et de l’eau condensée, explique le constructeur français. Mais, à terme, ils impliquent un véritable réseau de distribution de l’hydrogène.
Si le train est plus cher à l’achat, reconnaît Stephan Schrank, le responsable du projet chez Alstom, l’exploitation est moins coûteuse et l’investissement est rentabilisé en dix ans, estime-t-il.
Alstom, qui a signé des lettres d’intention avec quatre autres Länder allemands (Westphalie, Bade-Wurtemberg, Rhénanie, Hesse), estime que le potentiel du train à hydrogène est important outre-Rhin, où 40 % du réseau n’est pas électrifié. Le groupe affirme que d’autres pays ont montré leur intérêt, comme le Royaume-Uni, les Pays-Bas, le Danemark, la Norvège, l’Italie, le Canada et… la France.

… et veut convertir des TER en hybride
Le lendemain de la mise en service du train à hydrogène, le constructeur annonçait le 18 septembre, un accord avec la SNCF et trois régions françaises (Grand Est, Nouvelle-Aquitaine et Occitanie) afin de « concevoir le premier TER hybride ». Selon Jean-Baptiste Eyméoud, le président d’Alstom France, il s’agit de « modifier un train pour qu’il commence à rouler en 2020, peut-être en Occitanie. La moitié des moteurs diesel sera remplacée par des batteries lithium de grande capacité ». Une expérimentation va être menée pendant un an et demi avec une première rame Régiolis Alstom. Le TER hybride pourra combiner différentes sources d’énergie en fonction des situations : alimentation électrique par caténaire, moteurs thermiques et énergie stockée dans les batteries, afin de limiter le diesel au maximum et de réduire de 20 % la consommation énergétique. Ses promoteurs attendent aussi de sérieuses économies en coûts d’entretien. « Les régions apportent trois millions d’euros chacune tandis que la SNCF et Alstom vont investir près de quatre millions chacun », précise Jean-Baptiste Eymeoud. D’autres régions pour­raient prochainement se montrer intéressées par cette expérimentation, à commencer par Centre-Val de Loire. Le déploiement en série est envisagé à partir de 2022. Des centaines de trains circulant déjà en France pourraient ainsi être transformés, souligne Alstom. Cette nouvelle génération du train Régiolis sera conçue et produite par le site de Reichshoffen, tandis que Tarbes travaillera sur la chaîne de traction et Villeurbanne sur l’informatique embarquée.
M.-H. P.

Bombardier équipe de batteries sa troisième génération de Talent…
Sur les voies d’InnoTrans 2018, un seul matériel roulant Bombardier : la nouvelle automotrice Talent 3 exposée par les chemins de fer autrichiens ÖBB. Mais à l’occasion du salon ferroviaire mondial, une autre rame Talent 3, dite « électro-hybride » ou Bemu (Battery electrical multiple unit, « automotrice électrique à batteries »), était présentée par son constructeur sur les voies d’essais de son usine de Hennigsdorf, non loin de Berlin.
Chose promise, chose due. Il y a deux ans, lors de la précédente édition d’InnoTrans, Bombardier avait simultanément annoncé le lancement du Talent 3 et la « possibilité de recharge rapide » de ce dernier avec des batteries lithium-ion.
Car si Bombardier indique vouloir sortir du diesel, le constructeur ne se désintéresse pas pour autant des lignes non électrifiées, sur tout ou partie de leur tracé. D’où le recours aux batteries sur les parcours sans caténaires, dans le cadre d’un programme d’innovation de quatre millions d’euros financé par le gouvernement fédéral allemand. Outre Bombardier, ce projet a pour partenaires DB ZugBusRegionalverkehr Alb-Bodensee (filiale de DB Regio pour la région du lac de Constance), la Nahverkehrsgesellschaft Baden-Württemberg (transports du Land de Bade-Wurtemberg), la Nationale Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (Organisation nationale allemande pour l’hydrogène et les piles à combustible) et l’Université technique de Berlin.
Les équipes travaillant sur le projet de Talent 3 électro-hybride indiquent que ce développement n’a « rien à voir » avec le projet Ipemu (Independently powered electrical multiple unit, soit « automotrice électrique à alimentation autonome »), mené en 2015 par Bombardier en Grande-Bretagne.
Pourtant, le projet allemand a indirectement tiré profit de l’expérimentation britannique, menée avec des batteries lithium-fer-magnésium dont la durée de vie n’a pas été aussi élevée que prévu.
Et à la différence de l’automotrice Electrostar Ipemu, exploitée quelques semaines seulement sur une petite ligne anglaise (par ailleurs électrifiée), le Talent 3 électro-hybride sera mis en service dans le cadre d’un projet pilote de 12 mois, avec voyageurs, sur des lignes non électrifiées environnant le lac de Constance. Ainsi, pour Bombardier, ce train sera « le premier du genre à entrer en service passagers en Europe depuis plus de 60 ans ». Une allusion à deux séries d’automotrices allemandes, BR 177 (de 1907-1914) et BR 515 (1953-1965), dotées d’une vingtaine de tonnes (!) de batteries au plomb, qui leur conféraient des autonomies élevées (340 km et 540 km respectivement). Produites à 84 unités pour la BR 177 et 232 unités pour la BR 515 (sans compter les remorques), ces grandes séries n’étaient pas des prototypes et ont eu des durées de vie au moins aussi élevées que des matériels sans batteries (réforme intervenue en 1964 et 1995 respectivement).
En comparaison avec ses deux prédécesseurs allemands, le Talent 3 électro-hybride vise un rayon d’action plus limité. Equipé de quatre batteries Bombardier Mitrac, le prototype devrait avoir une autonomie de 40 km environ (à 140 km/h maximum), qui devrait passer à 100 km avec la prochaine génération de batteries. Les quatre qui équipent le Talent 3 représentent une masse supplémentaire de 7 tonnes et devraient avoir une durée de vie de cinq à huit ans.
De sept à dix minutes sont nécessaires pour recharger les batteries à la caténaire (15 kV 16,7 Hz en Allemagne), en mouvement (jusqu’à 160 km/h) ou à l’arrêt en gare. De plus, une recharge par récupération est également effectuée lors des phases de freinage.
Actuellement en phases d’essais et d’homologation, le Talent 3 électro-hybride devrait recevoir son autorisation de mise en service commercial au premier trimestre 2019, avant 12 mois d’exploitation avec voyageurs.
Patrick LAVAL

… et souhaite faire de même sur les AGC diesel ou bimodes
Après avoir révolutionné le paysage ferroviaire français de la décennie passée en faisant du bimode une réalité, l’AGC est-il appelé à changer une deuxième fois la donne, en généralisant cette fois l’usage des batteries dans les trains régionaux ? Bombardier, qui y réfléchit sérieusement, répond par l’affirmative.
Le 16 octobre, en marge de la présentation de la première rame Omneo Premium pour les relations Paris – Normandie, la direction de Bombardier Transport France est en effet revenue sur ses « solutions pour le verdissement du parc ferroviaire ». Avec comme but de supprimer le moteur diesel pour les éléments automoteurs, y compris du parc existant. Un objectif à la fois ambitieux – de l’ordre de 500 moteurs diesels sont produits par an pour le marché neuf des automoteurs en Europe – et relativement raisonnable – le marché est 100 fois plus important pour les bus et 1 000 fois plus pour les camions ! Enfin, le ferroviaire ne représente que 0,3 % de la consommation de diesel en Europe…
Poursuivant le parallèle entre les modes ferroviaire et routier, Jacques Blain, directeur commercial de Bombardier Transport France, indique que « les bus passent aux batteries, de même que les camions utilisés en ville », tels ceux pour le ramassage des poubelles ou les livraisons. « Mais très peu passent à la pile à combustible », qui équipe « moins de 200 bus dans le monde et un camion en Suisse », souligne le dirigeant de Bombardier (une allusion implicite aux choix du « train à hydrogène » fait par Alstom).
« Aujourd’hui, nous proposons la batterie », proclame Jacques Blain, rappelant que si cette solution « n’a rien de très nouveau », « les batteries progressent énormément ». Et d’évoquer l’évolution que représentent les batteries lithium-ion par rapport aux nickel-hydrure métallique (NiMH) d’il y a une vingtaine d’années. Pour Bombardier, il s’agit d’aller jusqu’au « zéro émission », « pas comme une Prius hybride, pas pour réduire un peu », si l’on s’en tient aux comparaisons automobiles. Pour les trains, une telle hybridation est toutefois envisagée par Alstom et trois régions françaises, avec la SNCF , ainsi que par le loueur Alpha Trains (voir ci-dessous). « Les moteurs diesel sont chers à maintenir », répond Jacques Blain, qui souligne les avantages des batteries par rapport au thermique : « Les pertes sont de 10 % seulement, c’est moins bruyant et un train à batteries est bimode par essence. » Car un train à batteries est électrique… mais peut se passer de caténaire : « l’électrification peut se limiter aux terminus pour le biberonnage ou sur des sections choisies, par exemple sans ouvrage d’art ».
C’est ainsi qu’après avoir réalisé deux prototypes, l’Electrostar Ipemu en Angleterre et le Talent 3 électro-hybride pour le Bade-Wurtemberg (voir page précédente), Bombardier s’intéresse au devenir du parc diesel français, « récent et même surnuméraire », en se limitant aux cas pertinents. Sont ainsi laissés de côté les 183 Régiolis bimodes (très récents et conformes aux normes d’émissions), ainsi que les X 72500 ou X 73500 (à transmission hydraulique, donc pas vraiment transformables pour un prix acceptable).
Restent alors 326 AGC bimodes et 162 diesel-électriques. En théorie, rien d’insurmontable : les AGC sont déjà équipés d’une chaîne de traction électrique, mais aussi de convertisseurs continu-continu ad hoc pour la charge et la décharge des batteries. Cerise sur le gâteau, les AGC Bi et BiBi sont déjà dotés d’un pantographe ! « Ce parc d’âge moyen, de sept à 13 ans, est pertinent au verdissement à l’occasion de sa rénovation mi-vie », estime Jacques Blain, qui ajoute que « sur les AGC diesel-électriques à mi-vie, il faudra de toute façon changer les moteurs diesels ». Et en enlevant ces derniers, ainsi que leurs réservoirs, « on pourrait mettre jusqu’à 18 tonnes de batteries, donnant une autonomie d’une centaine de kilomètres ». Cette solution n’est donc pas appelée à être généralisée : « on fera des études au cas par cas ». Par exemple, « ce sera difficile d’aller à Briançon ! »
Laurent Bouyer, président de Bombardier Transport France, croit à ce marché potentiel et indique que des discussions sont en cours avec la SNCF. « Ça pourrait générer des activités industrielles pour Bombardier Transport, mais pas forcément à Crespin », précise le dirigeant.
P. L.

Alpha Trains et Rolls-Royce travaillent sur la conversion des autorails diesel en hybride
A l’heure où l’on évoque différentes pistes pour l’exploitation future des lignes non électrifiées, tel l’emploi de batteries ou de piles à hydrogène sur de nouveaux automoteurs, voici une décision qui pourrait bien changer la donne, car elle permet de donner un second souffle aux parcs existants. Le 20 septembre à InnoTrans, Alpha Trains et Rolls-Royce ont rendu public leur projet de conversion d’automoteurs diesels en hybrides, qui a donné lieu à la signature d’une lettre d’intention. Selon le loueur de trains et le motoriste, l’hybridation permet une baisse de la consommation et des émissions de CO2 pouvant atteindre 25 % selon les matériels, les parcours et les horaires concernés, ainsi qu’une diminution des nuisances sonores en gare d’environ 75 % et une réduction sensible des coûts d’exploitation.
Alpha Trains prévoit à terme la reconversion de ses 140 à 150 automoteurs diesels mis en location en Allemagne pour l’exploitation des dessertes régionales. Les types d’autorails concernés, Bombardier Talent (VT 643), Siemens Desiro (VT 642) et Alstom Coradia Lint (VT 648), qui approchent de leur mi-vie. Ces matériels sont actuellement motorisés par deux PowerPack MTU, associant un moteur diesel et une transmission hydraulique ou mécanique, qui seront remplacés par des Hybrid PowerPack MTU. Ceux-ci associent un moteur diesel MTU et un groupe électrique (lequel peut être utilisé aussi bien comme moteur que comme générateur) au système de batteries MTU EnergyPack, qui stocke l’énergie récupérée au freinage.
Ce point permet notamment de fonctionner localement en mode électrique sur batterie, sans émissions.
P. L.

Un train Siemens à batteries en Autriche
Encore un train qui se met au vert, et ce, jusque dans sa livrée extérieure, enrichie de quelques feuilles qui la distinguent des autres rames automotrices, rouge et blanc, des Chemins de fer fédéraux autrichiens (ÖBB). Une livrée qui mettait ce train en évidence lors de l’édition 2018 du salon InnoTrans, à Berlin, parmi les autres matériels roulants ferroviaires exposés par Siemens, son constructeur.
Tout comme le Talent 3 « électro-hybride » de Bombardier, alimenté par caténaire et par batteries, en vue d’être utilisé sur des parcours comprenant des tronçons non électrifiés dans le sud de l’Allemagne, l’automotrice Desiro ML ÖBB cityjet eco de Siemens est un prototype équipé de batteries afin d’offrir une « alternative pour les tronçons non électrifiés, pour l’essentiel exploités en mode diesel aujourd’hui ». Et de même que le Talent 3 électro-hybride, le prototype « eco » de Siemens recharge ses batteries lorsqu’il circule sous caténaire, pantographe levé (de dix minutes à l’arrêt à 30 minutes en mouvement).
Pour réaliser ce prototype, une automotrice de série Desiro ML tricaisse a été prélevée dans la commande en cours de livraison, dans le cadre du projet pilote que les ÖBB mènent avec Siemens en vue d’aboutir à une production en série de rames à batteries pour les tronçons non électrifiés.
Pour les batteries, le choix s’est porté sur la technologie LTO (lithium-titanate) qui, par rapport à la solution lithium-ion désormais classique, « autorise des courants bien plus élevés en charge rapide ». Pouvant stocker une énergie de 528 kWh (autant que trois autobus de 12 m ou que deux bus articulés de 18 m) les trois batteries sont installées en toiture de la voiture en milieu de rame, dans un coffrage compact prévu à cet effet, avec climatisation innovante (pour que les performances des batteries et leur durée de vie ne soient pas impactées par les conditions météorologiques), deux convertisseurs continu-continu et l’électronique de commande de cet ensemble. Siemens rappelle que la construction modulaire du Desiro ML a facilité l’ajout du coffrage en toiture (dont la forme est inspirée par le gabarit du réseau ferré autrichien), ramenant ainsi le délai du développement de ce prototype à un an et demi environ, « contre le double habituellement ». La durée de vie escomptée pour les batteries est de 15 ans, ce qui n’impliquerait qu’un seul changement pendant la durée de vie du train.
Le montage en toiture de ce coffrage contenant les batteries et les équipements liés alourdit de 14 t (contre 7 t pour le Talent 3 de Bombardier) la caisse centrale de la rame Desiro ML. Sur la fiche technique du prototype, Siemens ajoute que malgré ce surpoids, la charge par essieu ne dépasse 17 t (contrairement au Talent 3, les rames Desiro ML ne sont pas articulées, ce qui permet de répartir le surpoids sur quatre essieux).
Comme on peut s’y attendre, les performances du Desiro ML ÖBB cityjet eco sont quelque peu inférieures en mode batteries que lorsque le courant est capté à la caténaire 15 kV : la vitesse maximum ne dépasse pas 120 km/h (contre 140 km/h pantographe levé), alors que l’accélération est limitée à 0,7 m/s2 (contre 1 m/s2). Ceci dit, si l’on compare les performances du Desiro ML ÖBB cityjet eco à celles d’un autorail Desiro actuellement en service sur les lignes ÖBB non électrifiées, les deux affichent la même vitesse maximale, mais le Desiro ML est moins « nerveux » question accélération (la version diesel atteint 1 m/s2).
Les premières circulations du prototype Desiro ML ÖBB cityjet eco en service régulier avec voyageurs sont prévues pour le deuxième semestre 2019.
P. L.

A son tour, Stadler présente son train à batteries
Un mois après Siemens dans le cadre d’InnoTrans et Bombardier en marge du salon ferroviaire berlinois, Stadler a présenté à son tour son automotrice à batteries, en l’occurrence une rame Flirt dite « Akku ». Au cours de la présentation, qui s’est déroulée le 25 octobre, l’élément tricaisse a transporté des journalistes entre le site Stadler de Berlin-Pankow et Schildow, plus au nord dans le Brandebourg, parcourant ainsi 6 km sans s’alimenter sur une petite ligne non électrifiée, actuellement sans trafic voyageurs.
Si la motorisation et les principaux composants mécaniques du Flirt Akku sont ceux des Flirt déjà en service, la chaîne de traction a été entièrement revue en amont pour être adaptée à l’alimentation par batteries. Effectué par Stadler, ce développement a été financé par le ministère fédéral allemand de l’Economie et de l’Energie à hauteur de deux millions d’euros.
Conçu pour les lignes partiellement électrifiées ou non électrifiées, le prototype Flirt Akku présente une autonomie de 80 km à une vitesse maximale de 140 km/h en mode batteries, « ce qui permet d’assurer 80 % des liaisons non électrifiées en Allemagne », précise Stadler. La recharge des batteries peut aussi bien être assurée sous caténaire que lors d’arrêts aux terminus sur les lignes non électrifiées, mais aussi par récupération de l’énergie générée pendant le freinage.
Offrant 154 places assises, le prototype Flirt Akku a reçu une autorisation de mise en service commercial et sera exploité « sur une sélection de lignes », à partir de 2019. Stadler considère qu’il existe un marché pour son Flirt Akku en Allemagne, en Autriche, en Grande-Bretagne, aux Pays-Bas, en Italie « et dans d’autres pays avec une part importante de lignes non électrifiées ».
P. L.

Ce n’est pas d’hier qu’on cherche le mode de transport révolutionnaire qui va supplanter le chemin de fer ! Comme s’il semblait acquis que les limites physico-économiques du contact roue-rail étaient atteintes, et que le TGV avait son avenir derrière lui… Après l’Aérotrain français, le Transrapid allemand et le Maglev japonais, l’Hyperloop de l’américain Elon Musk semble déchaîner aujourd’hui les rêves les plus fous chez les inconditionnels de l’innovation pour l’innovation. Pour François Lacôte, personnalité mondiale de la grande vitesse ferroviaire, ce projet n’est qu’« une formidable escroquerie technico-intellectuelle ». Il confie à nos lecteurs sa démonstration.

 

 

Comme d’autres projets de transport terrestre guidés réputés « innovants » (Aérotrain, Transrapid allemand ou Maglev japonais, tous datant du début des années 70), le projet Hyperloop se fonde sur la ­pétition de principe que le ­système roue-rail connaît plusieurs limites :

Une limite technique de vitesse autour de 200/250 km/h : postulat faux, puisque le record de vitesse du 3 avril 2007, établi à 575 km/h lors d’une campagne d’essais étalée sur trois mois d’hiver (janvier à début avril 2007), au cours de laquelle 28 marches d’essai ont été effectuées à plus de 500 km/h avec un train composé de véhicules de « quasi-série », sur une infrastructure strictement « de série », sans autre opération de maintenance du train ou de l’infrastructure qu’une simple « inspection » (donc sans changement ni réfection d’un quelconque élément du train, de la voie ou de la caténaire), a montré que le système ferroviaire avait un potentiel technique de vitesse d’au moins 500 km/h ;

Une limite énergétique : s’il est exact que la résistance à l’avancement (donc l’énergie dépensée), dans l’air, croît rapidement avec la vitesse, l’essentiel de cette résistance vient de la résistance aérodynamique (croissant comme le carré de la vitesse), la résistance au roulement du contact roue-rail (déjà très faible) ne représentant plus que quelques pour-cent du total au-delà de 300 km/h (une énergie déjà inférieure à l’énergie de la seule sustentation des autres systèmes) : ainsi tous les systèmes de transport terrestre obéissent à la même loi de la résistance aérodynamique à l’air libre, les systèmes ne faisant plus appel au contact « roue-rail » ne bénéficiant d’aucun avantage spécifique ; le contexte est évidemment différent dans un environnement à pression réduite (avion en haute altitude ou véhicule terrestre dans tube « vide atmosphérique »). Au demeurant, la dépense énergétique reste d’un niveau tout à fait acceptable : la part de l’énergie dans le coût d’exploitation d’un TGV à 300 km/h est de l’ordre de 5 % seulement, et ainsi resterait encore faible (14 %) à 500 km/h.

Une autre illustration de cette très faible dépense énergétique du TGV : lors de la marche du record du 3 avril 2007, nous avons parcouru (départ arrêté, donc dépense énergétique intégrant celle nécessaire à la montée en vitesse) 100 km en un quart d’heure, avec environ 200 personnes à bord du train d’essai : le coût de la dépense en énergie électrique (facture payée au fournisseur d’électricité), ne fut que d’un euro par voyageur transporté.

Le coût de l’infrastructure n’est que très faiblement lié à la technologie ferroviaire (quoi de meilleur marché que des cailloux – le ballast – et de la ferraille – le rail), mais il est essentiellement lié au tracé qui doit être de plus en plus « rectiligne » au fur et à mesure que l’on augmente la vitesse, et donc exige un nombre croissant d’ouvrages coûteux (viaducs et tunnels) pour inscrire ce tracé dans le relief traversé.

Un peu d’histoire : rien de neuf !

Hyperloop n’est que la reprise d’un très vieux projet. Rappelons déjà qu’à la fin des années 60 et au début des années 70 de nombreux projets de nouveaux systèmes de transport terrestre furent imaginés, et pour certains développés à grands frais, s’appuyant sur ce même faux postulat que le système ferroviaire était limité en pertinence technique et économique du fait de l’existence du contact entre mobile et infrastructure, le contact « roue-rail ».

En France, c’est l’ingénieur Jean Bertin qui inventa, avec l’aide financière des pouvoirs publics français, l’Aérotrain, train à sustentation et guidage par coussins d’air, et propulsion par hélice ou réacteur d’avion.

En Allemagne, ce sont les sociétés Thyssen et Siemens qui développent, avec le soutien financier du gouvernement allemand, le Transrapid, train à sustentation et guidage par attraction magnétique, propulsion par moteur linéaire synchrone (stator long).

Au Japon, la compagnie Japan Rail développe le Maglev, train à sustentation et guidage magnétique par répulsion, propulsion par moteur linéaire.

Ces trois développements ont donné lieu à la construction de lignes expérimentales : 18 km dans le Loiret pour l’Aérotrain

(1968), 40 km environ dans l’Emsland pour le Transrapid (1984), 50 km environ dans la région de Yamanashi (pratiquement sous le mont Fuji) pour le Maglev japonais (1990). Seule la Yamanashi line est encore opérationnelle à ce jour, et une seule réalisation est en service commercial, la ligne de Transrapid reliant Pudong aéroport à Shanghai (35 km) ; les autres projets de liaison Transrapid, envisagés à l’origine, en particulier en Allemagne, ont été abandonnés. Ainsi, 50 ans après les premières études de systèmes de transport terrestre alternatifs au système roue-rail, une seule ligne expérimentale est encore en fonctionnement, et une seule ligne de 35 km en service commercial.

Les raisons de ces échecs sont multiples, mais ce n’est pas l’objet ici de les décrire : il s’agissait simplement de rappeler que le concept de l’Hyperloop d’Elon Musk, pour la partie véhicule et sustentation/guidage, a déjà 50 ans d’existence.

Le « tunnel sous vide d’air » : le « Swissmetro »

Quid maintenant de l’idée de faire circuler un train dans un tunnel sous vide d’air, ou plutôt sous très basse pression d’air ? Le concept, fondé sur l’idée d’une résistance à l’avancement réduite, date des années 70, et c’est il y a 26 ans (janvier 1992) que la société anonyme Swissmetro a été créée afin de développer un projet de train à sustentation magnétique circulant à très grande vitesse (500 km/h) dans un tunnel à pression d’air très réduite (1/10 de la pression atmosphérique) ; ce projet qui a fait l’objet d’études approfondies et d’un financement apporté pour moitié par la confédération suisse, fut abandonné il y a environ 10 ans, l’entreprise ayant considéré, au terme de ces études, que la réalisation de ce projet n’était pas envisageable…

Ainsi l’ensemble des éléments qui constituent le concept « Hyperloop » se retrouve dans des développements très longs et très anciens, pour beaucoup techniquement très avancés… et qui n’ont pas abouti, pour des raisons à la fois économiques et techniques.

Hyperloop : les incohérences

La résistance aérodynamique : tout ça pour ça ! Il semble bien que le concept du système Hyperloop repose sur un objectif primordial : réduire la résistance à l’avancement, essentiellement aérodynamique (mais pas unique­ment) à la vitesse envisagée. On peut à ce stade faire les deux constatations suivantes :

– à 320 km/h de vitesse commerciale, la part de l’énergie dans le coût d’exploitation du TGV n’est que de 5 %, comme déjà mentionné ; il est donc tout à fait possible d’envisager une vitesse d’exploitation sensiblement supérieure (par exemple 400 km/h), soit un facteur 1,6 d’augmentation du coût de l’énergie (donc maintenant 6,5 % du coût d’exploitation), sans faire « exploser » le bilan économique du TGV en termes d’énergie consommée ;

– le gain de temps apporté par une augmentation de vitesse décroît avec la vitesse (c’est bien triste, mais c’est comme cela) : ainsi, pour un trajet de 600 km, une augmentation de vitesse commerciale de 100 km/h fait gagner 1 heure en passant de 200 à 300 km/h (trajet alors effectué en 2 heures seulement), fait gagner encore 1/2 heure en passant de 300 à 400 km/h (trajet en 1 heure 30), seulement 18 minutes de 400 à 500, 12 minutes de 500 à 600… et seulement 6 minutes en passant de 800 à 900 km/h (vitesse envisagée pour Hyperloop), alors qu’un certain nombre de paramètres dimensionnant le système croissent comme le carré, le cube, voire plus, de la vitesse.

Le débit de la ligne Hyperloop est catastrophique : à décélération identique (par exemple celle du TGV en freinage d’urgence), la distance d’arrêt croît comme le carré de la vitesse ; l’espacement de sécurité entre trains doit évidemment prendre en compte cette distance de freinage en urgence : pour un TGV à 300 km/h il faut un minimum de 3,3 km ; avec une décélération identique (on n’ose imaginer des voyageurs contraints à l’immobilisme, sanglés sur leurs sièges, pendant toute la durée du voyage), cette distance de sécurité devient 10 km pour un véhicule circulant à 900 km/h. On peut imaginer (ce qui ne s’est pourtant encore jamais fait en ferroviaire) réduire cet espacement en tenant compte de la vitesse du véhicule qui vous précède et ainsi de sa distance de freinage, mais à une valeur qui devrait rester de l’ordre de 7 km pour des raisons de sécurité assez évidentes. Ainsi, là où les systèmes ferroviaires à grande vitesse actuels permettent un espacement à 3 minutes, soit un débit théorique de 20 trains à l’heure, on ne devrait pouvoir faire mieux (même avec l’hypothèse ci-dessus de « chaînage » des circulations) qu’un espacement à 6 minutes en Hyperloop, soit un débit théorique de 10 navettes à l’heure.

Facteur très largement aggravant, la capacité unitaire des véhicules est très différente : pour une rame TGV Duplex en unité multiple, ce sont plus de 1 000 voyageurs par circulation, alors que pour de multiples raisons, chaque navette Hyperloop se limite à moins de 100 voyageurs dans les projets actuels, ce qui représente ainsi, au mieux, 10 fois moins de capacité par circulation pour Hyperloop.

Ainsi, au total, le débit théorique du système Hyperloop (1 000 passagers par heure) est 20 fois inférieur au débit théorique du système TGV (20 000 passagers par heure) ! Un bilan économique complètement impossible, même avec un coût d’infrastructure proche de celui du système TGV, alors qu’il lui est très largement supérieur !

Les impasses techniques :
La sécurité du système

– comment est réalisée la sécurité du freinage ? Bien évidemment, le freinage « de service » est électromagnétique, mais un tel freinage n’est pas considéré comme suffisamment sûr dans tous les systèmes de transport terrestre (dont le transport ferroviaire) : ainsi les systèmes japonais et allemand de sustentation magnétique prévoient un « atterrissage » du train sur la voie et le frottement « train/voie » pour la phase finale du freinage : quelle solution non électrique pour un véhicule Hyperloop lancé à 900 km/h ???

– quelle disposition technique envisageable pour le secours des voyageurs dans un tunnel de plusieurs centaines de kilomètres « vide d’air », en cas d’incident comme une panne d’alimentation électrique, de signalisation, de « motorisation », ou tout autre événement conduisant à l’immobilisation prolongée d’une navette ? Faut-il imaginer un réseau d’air comprimé avec une multitude de portes étanches régulièrement réparties tout au long du tunnel pour permettre une réalimentation en air d’une section incidentée et occupée par une navette ?

– plus généralement, quiconque se souvient des exigences de la CIG (Commission intergouvernementale de sécurité) pour la réalisation et l’exploitation du tunnel sous la Manche ne peut que frémir à l’évocation de l’ensemble des dispositions qu’exigerait une autorité publique de sécurité pour une exploitation commerciale avec voyageurs !

Transition mobile/station

Comment passera-t-on d’un environnement « vide d’air » à une station à la pression atmosphérique ? Il paraît évident qu’un « sas » sera nécessaire, avec des portes mobiles venant occulter le tunnel, créer un espace clos que l’on viendra ensuite progressivement réalimenter en air pour l’amener à l’équilibre de la pression atmosphérique : quel dispositif technique, et combien de temps perdu dans cette opération, si l’on se rappelle par exemple, dans le calcul précédemment développé, que le passage de 800 km/h à 900 km/h, sur un trajet de 600 km, ne fait gagner que 6 minutes ?

Géométrie de la voie

La très grande vitesse envisagée (900 km/h) implique un tracé quasi rectiligne de la voie, aussi bien en tracé en plan qu’en profil en long ; ainsi, par exemple, le discours expliquant que la capacité du mobile à grimper des pentes importantes (ce qui est exact) permet de mieux s’inscrire dans le relief traversé est une véritable imposture : en effet, outre la rectitude du tracé en plan (rayons de 50 km pour obtenir le même niveau de confort qu’en TGV et ses courbes de 6 km), il faut insister sur l’importance des rayons de courbure du profil en long (en creux comme en bosse) : de l’ordre de 25 km en TGV pour 300 km/h ils devront être de l’ordre de 200 km pour 900 km/h ! Tout cela montre bien que le tracé aboutira nécessairement à une succession de viaducs et tunnels dans tout relief même à peine tourmenté (sauf le Grand Lac Salé des Etats-Unis…) : l’aptitude en rampe n’a ici aucune utilité…

Pression d’air dans le tunnel

Refroidissement des organes et résistance à l’avancement, un compromis impossible !

Indépendamment des problèmes techniques déjà considérables pour réaliser une enceinte continue étanche de plusieurs centaines de kilomètres sous pression d’air réduite, soumise aux fluctuations thermiques et souvent sismiques (au moins pour la partie « aérienne » du tube), il convient de trouver un compromis pratiquement impossible entre deux objectifs contradictoires :

– réduire au maximum la pression d’air dans le tunnel pour diminuer la résistance aérodynamique et les effets d’ondes de pression (pistonnement) en tunnel de manière à garder un diamètre « raisonnable » du tunnel par rapport au diamètre des navettes ;

– conserver un minimum de pression d’air pour le refroidissement des organes de traction, d’énergie auxiliaire, assurer le renouvellement d’air de la climatisation pour les voyageurs, et rester dans un scénario « raisonnable » pour la réalimentation en air du tunnel (ou du moins de la section concernée après fermeture des cloisons étanches) en cas d’incident conduisant à une immobilisation de navette.

Dans leurs études du projet Swissmetro, les ingénieurs de l’Ecole Polytechnique de Lausanne avaient ainsi préconisé de maintenir une pression d’air déjà très basse, de l’ordre du dixième de la pression atmosphérique, ce qui conduisait pourtant, avec un rapport de blocage de 0,46 (rapport des sections entre navette et tunnel, soit un tunnel de section plus de deux fois plus grande que celle du véhicule), à une résistance à l’avancement encore équivalente à celle obtenue à l’air libre en l’absence de tunnel, et ce, pour une vitesse de l’ordre de 400 km/h « seulement »…

Pourquoi faire compliqué quand on peut faire si simple ?

François LACÔTE

Article paru sur le site de l’association « Pangloss » (association des Lauréats de la Fondation Entreprise et Performance).