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L’utilisation rationnelle de l’énergie dans le domaine des transports

Ir. F. Oudendal, “Openbaar vervoer”.

mercredi 23 avril 2014, par rixke

Les déplacements de personnes ou de marchandises nécessitent de l’énergie, laquelle vainc les forces d’inertie et de résistance. La mise en mouvement d’une masse, un moyen de transport terrestre par exemple, exige une installation technique compliquée, approvisionnée en énergie, sous une forme ou sous une autre. Ensuite il faut disposer d’un autre système pour la décélération ou le freinage du véhicule, qu’il soit terrestre, aérien ou maritime. Dans le cas de véhicules terrestres, et dans une moindre mesure, pour les avions, cette décélération est obtenue au moyen d’un frein à friction ; il s’agit d’un matériau de friction qui, par pression hydraulique ou pneumatique, est appuyé contre un tambour, un disque ou une roue.

L’énergie cynétique, l’énergie de mouvement est également appelée, à tort d’ailleurs, « force vive ». Il ne s’agit pas en effet d’une force mais bien d’un travail qui, au freinage, est transformé en chaleur de frottement avec usure des parties frottantes du système de freinage. La chaleur ainsi dégagée est dissipée par conduction et rayonnement.

L’énergie provenant du mouvement n’est pas détruite puisqu’indestructible, mais est transformée en une forme de chaleur plus basse.

L’idée d’utiliser l’énergie libérée au freinage d’un véhicule n’est pas nouvelle : les chemins de fer, les trams et métros l’exploitent déjà par un système dit de freinage de récupération.

Il s’agit, sur les véhicules mus à l’électricité, d’utiliser les moteurs de traction comme générateurs ou dynamos ; l’énergie électrique ainsi produite est alors renvoyée au réseau des lignes aériennes.

Si le réseau est suffisamment sollicité par d’autres véhicules, le courant renvoyé peut être utilisé. S’il n’y a pas ou pas assez de véhicules sur le réseau, le courant ainsi recyclé peut provoquer une tension trop élevée et, par la suite, créer des situations difficiles. Pour y remédier, les véhicules sont munis d’équipements de réglage de la tension nouvelle, équipements d’ailleurs onéreux et compliqués. Ce problème ne se pose pratiquement pas dans le cas des tramways et du métro. Pour les chemins de fer, par contre, dont le réseau est moins fréquemment parcouru, le problème est épineux : la distance entre les véhicules est plus grande, en raison de la vitesse (moyenne) plus élevée. En outre, la perte en caténaire est plus importante que celle enregistrée par les tramways et métros, étant donné les distances d’acheminement de l’énergie renvoyée ; il s’ensuit que les avantages de cette récupération sont moindres pour le chemin de fer. Ceci plaide donc en faveur de la recherche d’autres solutions pour la réutilisation de l’énergie de freinage.

 La réutilisation de l'énergie de freinage

Mise à part la réalimentation de la caténaire en traction électrique : tram, trolleybus, tram rapide, métro et train, la réutilisation de l’énergie électrique n’est possible que si l’on peut la stocker et s’en servir au départ du stock ainsi constitué. Cela vaut également, mais sous une autre forme, pour les véhicules mus par un moteur à combustion : autobus ou rame diesel, à transmission mécanique ou hydro-mécanique. En ce qui concerne le problème du stockage de l’énergie, il ne s’agit pas seulement d’une question de capacité mais également de puissance : travail (énergie) par unité de temps. Les véhicules ferroviaires et routiers avec leur chargement de voyageurs ou non sont d’importantes masses. La quantité d’énergie cynétique est importante à vitesse élevée tant en raison de la masse qu’en raison de la vitesse .

Le temps de freinage est relativement court, de sorte que la puissance qui doit être accumulée et restituée est grande. Cette puissance, de l’ordre de 500 à 1 000 kw par unité de stockage doit en outre pouvoir être contrôlée et maîtrisée et le rester. Pour les besoins courants, nous stockons l’énergie électrique dans des piles sèches destinées à l’alimentation de divers appareils petits ou grands ou des accumulateurs à électrolyte liquide, les batteries d’automobile p. ex. L’accumulateur pourrait être un moyen de stocker l’énergie électrique de freinage, n’étaient les nombreux inconvénients que recèle le procédé. Les accumulateurs nécessaires pour les quantités d’énergie mises en œuvre en traction et se prêtant par ailleurs à des alternances de charge/décharge rapides sont volumineux, pesants, coûteux et exigent enfin beaucoup d’attention. Les études et les recherches en cours depuis des dizaines d’années, pour obtenir des accumulateurs plus petits, plus légers et meilleur marché n’ont permis à ce jour que très peu de progrès. La technique du volant est une autre forme de stockage de l’énergie, appliquée d’ailleurs au gyroscope : il s’agit d’une toupie tournant à grande vitesse.

 Réalisation d'une installation à volant

On a songé, pour le matériel omnibus et pour un gyrobus - trolleybus sans ligne aérienne - à faire usage d’un groupe de stockage se composant d’un volant (masse) et d’une machine électrique. Au freinage, celui-ci fonctionne comme moteur électrique alimenté par le(s) moteur(s) de traction connecté(s) comme dynamo pour amener le volant à sa vitesse de rotation et ainsi de le charger. Cette même machine fonctionne ensuite comme génératrice, entraînée par le volant pour fournir le courant de démarrage au(x) moteur(s) de traction du bus ou du train omnibus.

Etant donné que les machines tournantes des deux types, celle du groupe à volant et celle(s) du moteur de traction ont au freinage et aussi au démarrage des vitesses de rotation très différentes à la croissance et vice-versa, on trouve toujours entre ces machines un appareillage de régulation (électromécanique) très compliqué et très fouillé. (Figure 1).

A l’issue d’une longue période d’étude, l’industrie néerlandaise, notamment, a collaboré au développement d’un projet d’installation jusqu’à un stade tel que l’on devrait pouvoir envisager de réaliser une installation d’essai pour le matériel omnibus, désignée par SGM-III. (Figure 2).

Grâce à l’appui des autorités, dans le cadre tant du programme pour l’utilisation rationnelle de l’énergie dans le domaine des transports que du programme des économies d’énergie de la Communauté européenne, les coûts élevés de cette technique n’entraveront pas sa réalisation. D’un point de vue technique, on a opté pour un projet de groupe à volant d’une capacité de stockage de 11 à 12 Mega Joules [1], dont deux suffisent pour la moitié d’une installation de traction d’une rame SGM-III. Ce choix se justifie par le désir de limiter les frais. Car dans un premier stade, il s’agissait de réunir une certaine somme d’expériences au sujet de ce procédé d’accumulation de l’énergie pour les rames automotrices électriques mais surtout de voir si on avait fait le bon choix pour le matériel roulant de l’avenir. Il y a peu de choses à dire dans le cadre de ce bref exposé à propos de la construction du groupe proprement dit et il est malheureusement impossible de rendre compte des débats qui ont décidé de ce choix, en éliminant d’autres solutions.

Nous essayerons toutefois d’en donner une description. On est parti de l’idée d’appliquer le plus de techniques existantes possibles étant donné que l’on pénètre dans un domaine qui n’a eu que peu ou pas de contact avec le chemin de fer. En premier lieu, la vitesse de rotation élevée de la machine, soit 9 000 tours par minute. En second lieu la protection contre les conséquences des pannes mécaniques.

Le groupe est monté avec son arbre placé verticalement, la machine électrique est une « inside-out machine » c’est-à-dire un moteur à disposition inversée, l’élément rotatif, le rotor tourne autour d’un élément intérieur, le stator. Le rotor tourne autour de l’axe sur des roulements à rouleaux mais le poids du rotor est principalement porté par un palier magnétique axial. Le moteur électrique est du type asynchrone à commande électronique ; la masse du volant est répartie sur quelques anneaux serrés autour du rotor. Le groupe pèse environ 1 300 kg. Le rotor tourne dans une chambre à vide et on a prévu un système de refroidissement par pulvérisation d’huile pour évacuer les pertes électriques sous forme de chaleur. (Figure 3).

On s’attend à réaliser selon les prestations, des économies de 15 à 20 % sur la quantité d’énergie électrique nécessaire à la propulsion d’une rame automotrice équipée d’une installation complète. Le produit de l’investissement consenti dans semblable installation est directement lié au prix du kwh et au kilométrage annuel d’une rame en service omnibus. Etant donné que le groupe est assez pondéreux, plus de 100 kg par tranche de MJ de capacité et qu’il convient de tenir compte de cet aspect pour le projet de gyrobus où la question de poids est plus importante encore, on cherche une autre solution ayant recours à des techniques plus avancées tant pour le moteur électrique que pour la masse du volant. Il serait prématuré de vouloir donner de plus amples indications mais il n’est pas impossible que le poids spécifique puisse être réduit de moitié, c’est-à-dire 50 kg par tranche de MJ capacité.

Il sera également possible de réaliser une économie appréciable sur le prix d’achat du groupe. Etant donné que le pas à franchir pour arriver à ce groupe avancé techniquement est très grand et qu’il subsiste encore pas mal d’incertitudes, il est tout indiqué de choisir des techniques existantes pour cette nouvelle application.

 Quelle est la philosophie qui se dégage de cette recherche ?

Le véhicule ferroviaire consomme avec parcimonie. Dans les conditions qui sont les nôtres, nos habitudes de vitesse et de taux moyen d’occupation de nos véhicules, le rail est deux fois plus économique que la route par voyageurs/km. Une résistance au roulement beaucoup plus faible, une résistance à l’avancement spécifiquement plus faible en raison notamment de la forme du train, la résistance à la poussée et la turbulence en queue ne se répétant pas comme s’il s’agissait à chaque fois d’un véhicule isolé, un site propre et une allure propre que l’on peut programmer, sont autant de facteurs qui plaident en faveur d’un progrès énergétique.

Utiliser rationnellement l’énergie présente non seulement un intérêt immédiat, mais surtout un intérêt à long terme.

L’automobile, le bateau et l’avion sont totalement tributaires de l’approvisionnement en combustibles minéraux, liquides ou gazeux. S’il y a stagnation de l’approvisionnement, le trafic routier, la navigation intérieure, la navigation maritime et la navigation aérienne sont également touchés. Les tramways, les trolleybus, les trains rapides, le métro et les trains fonctionnant à l’électricité peuvent encore recevoir leur énergie de centrales qui ne fonctionnent pas au mazout. Dans ces conditions, une installation aussi économique que possible est indispensable. Il ne s’agit pas d’opposer les techniques de transport par rail et par route. Ce ne serait pas raisonnable et pas toujours possible ! Les deux techniques ont des fonctions distinctes : le véhicule routier du particulier, celle du transport individuel ; le véhicule ferroviaire ou l’autobus, celle du transport de masse assurant des courants de transport concentrés. Le véhicule routier, dans un trafic réglé par un code et des prescriptions de circulation, notamment par des feux de signalisation, le véhicule ferroviaire, dans un trafic organisé, notamment suivant un horaire, par une société, sur une infrastructure qui lui appartient et lui est réservé. Ils ne peuvent être comparés dans leurs aspects positifs et négatifs mais se complètent. Souvent en concurrence, le véhicule n’est pas toujours utilisé dans la chaîne des transports à la place qui lui convient le mieux. Une politique des transports cohérente des autorités nationales et supra-nationales qui stimulerait cette forme de « Balanced transportation » (politique de transport équilibrée) fait cruellement défaut à maints égards.

 Absence de politique des transports cohérente

Disposant d’une politique de transport cohérente, on pourrait non seulement mieux utiliser les infrastructures existantes, consommer plus judicieusement l’énergie, avec, comme conséquence, moins de pollution et de bruit mais encore éviter la construction d’autoroutes dispendieuses et inopportunes. Considérant la manière dont sont utilisés aujourd’hui les transports, non seulement dans notre pays mais également dans tout le monde occidental, on oublie trop souvent, sciemment ou non, que l’usage effréné des moyens de transport individuels coûte cher à maints égards, et à la société et à l’individu. Il y a une dizaine d’années, on observait déjà avec pertinence que « L’accroissement anarchique du recours aux moyens de transport routier revient en fait à échanger une part de notre joie de vivre contre une mobilité qui ne se justifie pas à tous les points de vue ».

Voilà qui est dit crûment mais n’en est pas moins la stricte vérité.

Fonctionnement d’un groupe à volant

1. point de départ : le volant



2. ajouter une chambre à vide



3. raccorder une commande électrique moteur



4. ce qui se passe au cours du freinage



5. ce qui se passe au moment de l’effort de traction



Extrait du catalogue de Garrett Corporation Torrance, Cal. USA

Source : Le Rail, novembre 1985


[11MJ = 1/3,6 kwh = 0,278 kwh