Article

1 - CHAÎNE DE TRACTION : LES FONDAMENTAUX

2 - « BRIQUES TECHNOLOGIQUES »

3 - CONCEPTION DE LA CHAÎNE DE TRACTION BIMODE OU HYBRIDE

4 - RÉALISATIONS EN EMBARQUÉ

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D5538 v1

Traction ferroviaire bimode et hybride - Impact des nouvelles technologies

Auteur(s) : Alain JEUNESSE, Marc DEBRUYNE, Gérard COQUERY

Date de publication : 10 mai 2013

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RÉSUMÉ

L'évolution des dispositifs de stockage de l'énergie permet de concevoir et d'exploiter des motorisations hybrides, faisant intervenir plusieurs sources d'énergie. Cet article définit les concepts «bimode» et «hybride» appliqués à la traction ferroviaire, et donne un aperçu technologique des dispositifs de stockage de l'énergie disponibles: batterie, supercondensateur, volant d'inertie. Il décrit certains matériels roulants bimodes et hybrides tels que tramways, locomotives de forte puissance, locomotives de manoeuvre et automoteurs destinés aux services régionaux.

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ABSTRACT

Hybrid and dual mode railway traction - Impact of new technologies

The evolution of storage energy devices allows for the design and operation of hybrid trains and involves several energy sources. This article defines the "dual mode" and "hybrid " concepts applied to railway traction and provides a technological overview of the available energy-storage devices such as battery, supercapacitor and flywheel. It describes certain dual-mode and hybrid rolling stocks

Auteur(s)

  • Alain JEUNESSE : Ancien responsable de traction électrique au Centre d'ingénierie du matériel (SNCF)

  • Marc DEBRUYNE : Master expert en système de traction (Alstom Transport)

  • Gérard COQUERY : Directeur du laboratoire des technologies nouvelles (LTN) (IFSTTAR)

INTRODUCTION

L'utilisation de l'électricité comme énergie de traction pour les systèmes ferroviaires offre de nombreux avantages : énergie propre, peu génératrice de CO2  , grande efficacité énergétique avec possibilité de récupérer l'énergie de freinage, pratique de vitesses élevées facilitant ainsi les déplacements, charge importante des trains de fret réduisant du même coup le nombre de poids lourds sur les routes. Mais elle demande des installations fixes coûteuses : sous-stations, caténaires, qui restent réservées aux lignes à fort trafic. Cependant, la demande de desserte du territoire sans rupture de charge, par des trains régionaux TER, la desserte de proximité des ports et des embranchements de particulier, où il est techniquement impossible pour des raisons de sécurité, d'installer des caténaires, impose d'intégrer à bord des engins moteurs des sources d'énergie capables d'offrir une autonomie suffisante pour assurer la mission.

Les communautés urbaines souhaitent aussi préserver leur environnement en construisant de nouvelles lignes de tramway, tout en limitant l'installation des lignes aériennes de contact dans le centre des villes et en réduisant l'impact visuel au voisinage des lieux historiques.

Plusieurs architectures peuvent être imaginées en fonction de l'objectif visé : autonomie totale ou partielle, baisse significative des émissions polluantes dans le cas de la traction thermique, réduction et lissage de la consommation d'énergie en général. Ce sont des architectures bimodes et hybrides faisant appel à plusieurs sources d'énergie. L'amélioration continue des performances et la maturité de certaines technologies de production, de conversion et de stockage de l'énergie ainsi que l'émergence de nouvelles technologies ont rendu possible ces nouvelles architectures. C'est cette opportunité que les industriels et les opérateurs ferroviaires saisissent pour la conception et l'exploitation de matériel roulant.

Après avoir évoqué quelques principes de base définissant les motorisations bimodes et hybrides dans le domaine ferroviaire, nous tenterons d'évaluer au travers de leurs caractéristiques intrinsèques l'aptitude de ces nouvelles « briques technologiques » exposées aux contraintes ferroviaires pour assurer les objectifs fixés, et notamment leur intégration sur un matériel roulant.

Les sections suivantes porteront sur la conception de ces chaînes de traction et, à travers quelques exemples, nous en ferons la description.

Les expérimentations récentes et l'exploitation de ces matériels montrent l'intérêt de ces nouvelles architectures de chaîne de traction. Les matériels bimodes sont devenus courants, citons par exemple le tramway de Nice, les automoteurs AGC, les trains Régiolis. Il est également intéressant de noter le souhait des opérateurs ferroviaires de disposer d'une locomotive « du dernier kilomètre », apte à réaliser des grands parcours en mode électrique et terminer leur mission en mode autonome sur les embranchements portuaires par exemple. La traction des trains sur de longues distances à une vitesse commerciale voisine de 100 km/h demande une puissance de l'ordre de 4 à 6 MW. L'acheminement de ce même train à faible vitesse, de l'ordre de 10 à 20 km/h, vers un entrepôt, ne demande que 200 à 500 kW. Cette simple constatation permet d'imaginer cette machine bimode du « dernier kilomètre ».

Les perspectives d'hybridation d'un matériel ferroviaire sont nombreuses : rappelons par exemple les expérimentations lancées par les industriels, sur des véhicules légers comme les tramways permettant de bénéficier, durant le démarrage, de l'énergie stockée lors d'un freinage, économisant ainsi une partie de l'énergie prise à la caténaire. Pour améliorer les performances d'un autorail au démarrage et dans les rampes, citons le « booster électrique » offrant un effort électrique complémentaire à celui du moteur thermique. Citons également la machine de manœuvre multiservices opérant en zone urbaine. Son hybridation permet en plus de réduire la consommation de carburant, de diminuer considérablement ses émissions de gaz à effet de serre et de particules, de réduire la pollution sonore aux voisinages des habitations. Elle peut également être utilisée pour les trains de travaux opérant dans des tunnels.

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KEYWORDS

Battery   |   supercapacitor   |   flywheel   |   railway traction   |   rolling stock

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d5538


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - COQUERY (G.) -   Urban railway traction energy saving technologies, supercapacitors for traction-breaking.  -  INRETS (2007).

  • (2) - MILLET (P.), GUYMONT (M.), GRIGORIEV (S.) -   Les piles à combustibles : historique et principes généraux.  -  Revue 3EI, no 55 (2008).

  • (3) - DONET (S.), BILLY (E.), FUGIER (P.), MORIN (A.) -   Piles à combustible type PEMFC bas coût.  -  Revue 3EI, no 56 (2009).

  • (4) - LAFFLY (E.), PERA (M.-C.), HISSEL (D.), LAPICQUE (F.) -   Modélisation d'une pile à combustible de type PEMFC intégrant les phénomènes de vieillissement.  -  Revue 3EI, no 56 (2009).

  • (5) -   *  -  Densité énergétique de divers carburants.

  • (6) - CATERPILLAR -   Guide de performance des moteurs industriels.  -  (2012).

  • ...

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