Le long d'un quai, la plupart des trains devant vous sont entraînés par des moteurs électriques, qu'il y ait ou non une caténaire. Ce qui diffère, c'est la source de l'électricité. Un train diesel la produit à bord à partir de carburant. Un train électrique la prélève sur l'infrastructure ferroviaire elle-même. Ce seul choix conditionne l'accélération, le coût d'exploitation et les lignes qui valent la peine d'être électrifiées.
Diesel : trois façons d'atteindre les roues
Un moteur diesel fonctionne au mieux à une vitesse assez stable, mais un train doit démarrer à l'arrêt avec une charge énorme. Il faut quelque chose entre le moteur et les roues pour combler cet écart.
- Diesel-électrique. Le moteur entraîne une génératrice, et l'électricité produite alimente des moteurs de traction qui font tourner les essieux. Il n'y a aucune liaison mécanique entre le moteur et les roues, donc le moteur peut tourner à son régime optimal tandis que les moteurs fournissent une forte traction à l'arrêt. C'est l'architecture habituelle des locomotives de ligne et de nombreuses automotrices.
- Diesel-hydraulique. Un coupleur hydraulique ou un convertisseur de couple transmet la puissance, un peu comme dans une voiture automatique. Il a été utilisé sur des locomotives et automotrices plus légères, notamment en Allemagne.
- Diesel-mécanique. Un embrayage et une boîte de vitesses, comme dans un camion. C'est simple et convient aux petites automotrices et aux locotracteurs, mais cela devient compliqué à mesure que la puissance augmente.
Le moteur lui-même convertit environ 35 à 45% de l'énergie du carburant en puissance sur l'arbre, et la génératrice et les moteurs en perdent encore un peu. Un train diesel-électrique est donc une petite centrale avec des roues. Son ancêtre à vapeur accomplissait la même tâche avec une chaudière et des cylindres, comme décrit dans comment fonctionne une locomotive à vapeur.
Électrique : l'énergie venue de l'extérieur
Un train électrique capte le courant d'une caténaire par un pantographe, ou sur un rail conducteur le long de la voie par un sabot de contact. Un transformateur et des convertisseurs à bord l'adaptent aux moteurs. Les moteurs électriques et leur équipement ont typiquement un rendement de plus de 85% de l'alimentation jusqu'aux roues, environ, bien que le rendement global dépende aussi de la façon dont l'électricité a été produite.
Les systèmes varient selon les pays et résultent souvent de l'époque de l'électrification de chaque ligne :
- 25 kV, 50 Hz alternatif caténaire : Royaume-Uni, une grande partie de l'Europe et la plupart des nouvelles lignes à grande vitesse.
- 15 kV, 16.7 Hz alternatif caténaire : Allemagne, Suisse, Autriche, Suède et Norvège.
- 3 kV continu caténaire : par exemple Italie, Belgique et Pologne.
- 1.5 kV continu caténaire : par exemple Pays-Bas et certaines parties de la France.
- troisième rail 750 V continu : une grande partie du sud de l'Angleterre.
Pourquoi la tension compte
La puissance est égale à la tension multipliée par le courant ; à puissance égale, une tension plus élevée demande donc moins de courant. Un train de 5 MW a besoin d'environ 200 A sous 25 kV, mais d'environ 6,700 A sous 750 V. Un fil plus fin et moins de points d'alimentation suffisent à haute tension. C'est pourquoi la caténaire 25 kV convient aux lignes longues et rapides, tandis qu'un troisième rail de 750 V convient aux réseaux denses sur de courtes distances, avec des sous-stations rapprochées. Le rail est proche du sol, donc une haute tension y serait dangereuse.
Pourquoi les trains électriques accélèrent plus fort
Un train diesel emporte sa source d'énergie, donc la taille et le poids du moteur limitent sa puissance. Une locomotive diesel de ligne typique délivre de l'ordre de 2 à 3 MW. Une locomotive électrique ne transporte pas sa centrale et peut prélever 5 MW ou plus sur la caténaire, parfois beaucoup plus. Plus de puissance pour la même masse signifie une accélération plus forte et une vitesse maximale plus élevée, ce qui convient aux dessertes avec arrêts fréquents et aux lignes à grande vitesse.
Les roues doivent toujours adhérer. Comme l'acier sur l'acier a une adhérence limitée, la puissance supplémentaire n'aide que jusqu'au point où les roues patinent.
Freinage régénératif
Un moteur électrique peut fonctionner à l'envers, en génératrice. Quand le conducteur freine, les moteurs de traction transforment le mouvement du train en électricité et la renvoient sur la ligne, où un autre train peut l'utiliser, ou dans des résistances sur le toit si rien ne peut l'accepter. L'économie est la plus importante sur les lignes à arrêts fréquents. Les trains diesel-électriques peuvent utiliser la même astuce, mais ils n'ont nulle part d'utile où envoyer cette énergie, elle est donc généralement dissipée en chaleur dans des résistances.
Coût de l'électrification et trafic
Les pylônes, les fils, les sous-stations et les dégagements sous les ponts ou dans les tunnels coûtent cher à chaque kilomètre, et la facture est la même que dix ou cent trains empruntent la ligne. Les trains électriques coûtent moins cher à exploiter et à entretenir, donc l'électrification se rentabilise là où le trafic est dense. Sur une ligne secondaire peu fréquentée, elle peut ne jamais se rentabiliser. De nombreux réseaux gardent le diesel pour les lignes peu fréquentées et électrifient les grandes lignes.
La bi-mode comble l'écart. Il embarque des moteurs diesel et un pantographe, roule en électrique sous la caténaire et passe au diesel là où la caténaire s'arrête. La famille Class 800 de Grande-Bretagne en est un exemple. Le compromis est un poids supplémentaire, car il transporte des moteurs qu'il n'utilise qu'en partie du temps.
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Presque tous les trains modernes sont à entraînement électrique. La question est de savoir si l'électricité est produite à bord ou captée sur un fil ou un rail.
Ce qu'il faut en retenir
- Diesel-électrique : moteur, génératrice, moteurs de traction. Le diesel-hydraulique et le diesel-mécanique utilisent à la place un fluide ou des engrenages.
- L'alimentation va d'un troisième rail de 750 V continu à une caténaire de 25 kV 50 Hz alternatif ; à 25 kV, la même puissance demande environ un trentième du courant qu'à 750 V.
- Les trains électriques captent leur énergie à l'extérieur, ils peuvent donc en disposer davantage, et ils peuvent restituer de l'énergie au freinage.
- L'électrification représente un coût fixe par kilomètre, elle convient donc aux lignes chargées, les bi-mode assurant le reste.
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