Du charbon à la centrale : le fret expliqué

Les passagers peuvent choisir leur propre chemin jusqu'à une gare. Le charbon, non. Il se trouve là où une veine s'est formée, et il doit atteindre un foyer qui peut se trouver à cent miles de là. Entre les deux, il y a une chaîne de fret : une suite de maillons dans laquelle la sortie de chacun est l'entrée du suivant, et dans laquelle le chemin de fer est la partie qui maintient le flux régulier.

Commencer par la centrale

La taille d'une chaîne se fixe à l'autre bout, par ce que consomme le dernier client. Prenons une centrale au charbon d'une puissance électrique de 1 gigawatt (1 GW). Trois chiffres suffisent pour calculer son charbon :

• Énergie fournie par jour : 1 GW représente 10⁹ joules par seconde. Un jour compte 86,400 secondes, donc la centrale fournit 86.4 × 10¹² J, soit 86.4 térajoules.
• Rendement : une centrale à vapeur transforme environ 35% à 40% de la chaleur du combustible en électricité. Le reste s'échappe sous forme d'eau tiède et de gaz de combustion.
• Énergie contenue dans un kilogramme de charbon : environ 24 mégajoules (24 × 10⁶ J) pour un charbon vapeur courant. Le lignite en contient bien moins, donc il s'agit d'une valeur indicative et non universelle.

À un rendement de 40%, le combustible doit fournir 86.4 ÷ 0.40 = 216 TJ par jour. En divisant par 24 MJ par kilogramme, on obtient 9.0 millions de kilogrammes : 9,000 tonnes par jour. At 35% the heat needed is 246.9 TJ, which is about 10,290 tonnes par jour. Midway, at 37.5%, it is 9,600 tonnes.

Comparons maintenant avec un train. Un train unitaire est une rame de wagons identiques qui circule en un seul bloc entre un point de chargement unique et un point de déchargement unique, sans jamais être coupée ni triée en route. Prenons 100 wagons transportant chacun environ 100 tonnes de charbon (chiffres ronds indicatifs ; les tailles de wagons varient selon les pays). Cela fait 100 × 100 = 10,000 tonnes, ce qui se situe dans la fourchette de 9,000 à 10,290 tonnes indiquée plus haut. Un train unitaire par jour alimente à peu près une centrale de 1 GW.

C'est la vérification utile de toute l'idée. Si la centrale recevait son charbon par camion, à 25 ou 30 tonnes par chargement, il lui faudrait environ 330 à 400 livraisons par jour, soit un camion toutes les quatre minutes, jour et nuit.

Pourquoi le rail l'emporte à cette échelle

La raison tient à la résistance au roulement. Une roue en acier sur un rail en acier ne touche la voie que sur une surface de la taille d'une pièce de monnaie, et ni l'une ni l'autre ne se déforme beaucoup, si bien que peu d'énergie est perdue en flexion. Un pneu de caoutchouc sur la route se déforme en permanence. Coefficients typiques de résistance au roulement (indicatifs, et ils varient selon la charge, la vitesse et l'état) :

• roue en acier sur rail : environ 0.0015, soit une traction de 0.15% du poids ;
• pneu de poids lourd sur bonne route : environ 0.007, soit 0.7% du poids.

Une tonne pèse environ 9,810 newtons. La tirer demande environ 15 N sur rail et 69 N sur route, et comme un newton-mètre est un joule, une tonne transportée sur un kilomètre coûte environ 15 kJ contre 69 kJ rien que par pertes de roulement. Ce rapport, entre quatre et cinq pour un, explique pourquoi le rail est bon marché pour les lourdes charges qui circulent en flux régulier.

L'avantage dépend de la charge. Une voie ferrée doit être construite, signalisée et entretenue quelle que soit sa charge, elle ne se rentabilise donc que lorsque beaucoup de tonnes l'empruntent. Les camions l'emportent pour les petites charges dispersées. Le rail l'emporte quand une mine, une ligne et un client déplacent des milliers de tonnes par jour. Pour le raisonnement qui explique où passent ces lignes, voir pourquoi les chemins de fer suivent les rivières.

Les chaînes comptent plusieurs maillons

Du charbon à l'électricité, c'est la chaîne la plus simple : deux extrémités et une seule voie ferrée. La plupart de l'industrie est plus enchevêtrée, car beaucoup de produits nécessitent plusieurs matières premières qui partent de lieux différents.

1. Du charbon à l'électricité. Mine, voie ferrée, centrale. La voie ferrée est un flux unique, qui va dans un seul sens, les wagons vides revenant en sens inverse.
2. Minerai de fer et charbon vers l'acier. Un haut fourneau reçoit du minerai de fer et un combustible carboné issu du charbon, et les intrants pèsent ensemble plus d'une tonne pour chaque tonne d'acier (environ deux tonnes ou plus, selon le procédé). Deux mines peuvent alimenter une même aciérie : l'aciérie est alors un point de rencontre, et la voie qui y mène doit transporter les deux flux.
3. De l'acier vers les produits finis. L'acier part ensuite vers les usines qui le transforment en produits finis, lesquels rejoignent les villes. Le tonnage baisse à chaque étape, tandis que la valeur de chaque tonne augmente.

Deux conséquences en découlent. D'abord, le poids d'une chaîne est le plus grand à son origine : les flux lourds se trouvent donc près des mines, et les plus légers près des villes. Ensuite, un arrêt quelque part se ressent sur toute la chaîne : si le train de minerai n'arrive pas, le haut fourneau refroidit et aucun acier n'atteint l'usine. Un stock de charbon à la centrale amortit le choc, mais seulement pendant quelques jours.

Les trains unitaires lourds ont aussi besoin de longues distances d'arrêt, donc comment la signalisation ferroviaire sépare les trains détermine combien une seule voie peut en écouler.

La partie vérifiable

Vous pouvez refaire ce calcul pour n'importe quelle centrale. Multipliez sa puissance en gigawatts par 86.4 TJ pour obtenir l'énergie électrique journalière, divisez par son rendement, puis divisez par l'énergie du combustible par kilogramme. Pour une centrale de 2 GW à 40% et 24 MJ par kilogramme, le résultat est de 18,000 tonnes par jour, soit deux trains unitaires.