Système d'électrification ferroviaire

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Un train Metro-Cammell non rénové sur la section britannique du chemin de fer Kowloon-Canton à Hong Kong en 1993. La section britannique du chemin de fer Kowloon-Canton est le plus ancien chemin de fer de Hong Kong . Il a commencé à fonctionner en 1910 et se connecte au chemin de fer Guangzhou-Shenzhen .
Zone de transition de l'approvisionnement du troisième rail au câble aérien sur la ligne jaune de Chicago (la «Skokie Swift»), montrée peu de temps avant la conversion en troisième opération ferroviaire en septembre 2004.
Une première sous-station d'électrification ferroviaire à Dartford

Un système d' électrification ferroviaire fournit de l'énergie électrique aux trains et aux tramways sans moteur principal embarqué ni alimentation locale en carburant. Les chemins de fer électriques utilisent soit des locomotives électriques (transportant des passagers ou du fret dans des wagons séparés), des unités multiples électriques ( voitures de voyageurs avec leurs propres moteurs) ou les deux. L'électricité est généralement produite dans de grandes centrales relativement efficaces , transmise au réseau ferroviaire et distribuée aux trains. Certains chemins de fer électriques ont leurs propres centrales et lignes de transmission dédiées, mais la plupart achètent de l'électricité auprès d'un service public d' électricité . Le chemin de fer fournit généralement ses propres lignes de distribution, aiguillages et transformateurs .

L'énergie est fournie aux trains en mouvement avec un conducteur (presque) continu le long de la voie qui prend généralement l'une des deux formes suivantes : une ligne aérienne , suspendue à des poteaux ou des tours le long de la voie ou à des plafonds de structure ou de tunnel, ou un troisième rail monté à au niveau de la piste et contacté par un " sabot de ramassage " coulissant . Les systèmes de câbles aériens et de troisième rail utilisent généralement les rails de roulement comme conducteur de retour, mais certains systèmes utilisent un quatrième rail séparé à cette fin.

Par rapport à la principale alternative, le moteur diesel , les chemins de fer électriques offrent une efficacité énergétique nettement meilleure, des émissions réduites et des coûts d'exploitation inférieurs. Les locomotives électriques sont également généralement plus silencieuses, plus puissantes, plus réactives et plus fiables que les diesels. Ils n'ont aucune émission locale, un avantage important dans les tunnels et les zones urbaines. Certains systèmes de traction électrique fournissent un freinage régénératif qui transforme l' énergie cinétique du train en électricité et la renvoie au système d'alimentation pour être utilisée par d'autres trains ou le réseau électrique général. Alors que les locomotives diesel brûlent des produits pétroliers, l'électricité peut être produite à partir de diverses sources, y compris les énergies renouvelables. [1]Historiquement, les préoccupations d'indépendance des ressources ont joué un rôle dans la décision d'électrifier les lignes de chemin de fer. La confédération suisse enclavée qui manque presque complètement de gisements de pétrole ou de charbon mais qui dispose d'une abondance d' hydroélectricité a électrifié son réseau en partie en réaction aux problèmes d'approvisionnement pendant les deux guerres mondiales. [2] [3]

Les inconvénients de la traction électrique comprennent: des coûts d'investissement élevés qui peuvent être non rentables sur les itinéraires à faible trafic, un manque relatif de flexibilité (puisque les trains électriques ont besoin de troisièmes rails ou de câbles aériens) et une vulnérabilité aux interruptions de courant. [1] Les locomotives électro-diesel et les unités multiples électro-diesel atténuent quelque peu ces problèmes car elles sont capables de fonctionner au diesel pendant une panne ou sur des itinéraires non électrifiés.

Différentes régions peuvent utiliser différentes tensions et fréquences d'alimentation, ce qui complique le service et nécessite une plus grande complexité de la puissance de la locomotive. Il y avait une préoccupation historique pour le transport ferroviaire à double pile concernant les dégagements avec les lignes aériennes [1] , mais ce n'est plus universellement vrai à partir de 2022 , avec Indian Railways [4] et China Railway [5] [6] [7 ] exploitant régulièrement des trains de marchandises électriques à double pile sous des caténaires.

L'électrification ferroviaire n'a cessé d'augmenter au cours des dernières décennies et, en 2012, les voies électrifiées représentaient près d'un tiers du nombre total de voies dans le monde. [8]

Classement

Systèmes d'électrification en Europe :
  Non électrifié
  750  V CC
  1,5  kV CC
  3  kV CC
Les lignes à grande vitesse en France, en Espagne, en Italie, au Royaume-Uni, aux Pays-Bas, en Belgique et en Turquie fonctionnent sous 25  kV, tout comme les lignes à haute tension dans l'ex-Union soviétique également.

Les systèmes d'électrification sont classés selon trois paramètres principaux :

La sélection d'un système d'électrification est basée sur l'économie de l'approvisionnement en énergie, de l'entretien et du coût en capital par rapport aux revenus obtenus pour le trafic de marchandises et de passagers. Différents systèmes sont utilisés pour les zones urbaines et interurbaines ; certaines locomotives électriques peuvent passer à différentes tensions d'alimentation pour permettre une flexibilité de fonctionnement.

Tensions normalisées

Six des tensions les plus couramment utilisées ont été sélectionnées pour la normalisation européenne et internationale. Certains d'entre eux sont indépendants du système de contact utilisé, de sorte que, par exemple, 750  V  DC peut être utilisé avec un troisième rail ou des lignes aériennes.

Il existe de nombreux autres systèmes de tension utilisés pour les systèmes d'électrification ferroviaire dans le monde, et la liste des systèmes d'électrification ferroviaire couvre à la fois les systèmes de tension standard et non standard.

La plage de tensions autorisée autorisée pour les tensions normalisées est celle indiquée dans les normes BS  EN  50163 [9] et CEI  60850. [10] Celles-ci tiennent compte du nombre de trains tirant du courant et de leur distance par rapport à la sous-station.

Système d'électrification Tension
Min. Non permanent Min. permanent Nominal Max. permanent Max. Non permanent
600  V CC 400V  _ 400V  _ 600V  _ 720V  _ 800V  _
750  V CC 500V  _ 500V  _ 750V  _ 900V  _ 1 000  V
1 500  V CC 1 000  V 1 000  V 1 500  V 1 800  V 1 950  V
3  kV CC  2kV _  2kV _ 3  kV 3,6  kV 3,9  kV
15  kV CA, 16,7  Hz 11  kV 12  kV 15  kV 17,25  kV 18  kV
25  kV CA, 50  Hz (EN 50163)
et 60  Hz (CEI 60850)
17,5  kV 19  kV 25  kV 27,5  kV 29  kV

Courant continu

Systèmes aériens

Nottingham Express Transit au Royaume-Uni utilise une surcharge de 750  V  CC, comme la plupart des systèmes de tramway modernes.

1 500  V CC est utilisé au Japon, en Indonésie, à Hong Kong (pièces), en Irlande, en Australie (pièces), en France (utilisant également 25 kV 50 Hz CA ) , en Nouvelle-Zélande ( Wellington ), à Singapour (sur la ligne MRT du Nord-Est ), aux États-Unis ( région de Chicago sur le district de Metra Electric et la ligne interurbaine South Shore Line et le tramway Link à Seattle , Washington). En Slovaquie, il existe deux lignes à voie étroite dans les Hautes Tatras (dont une à crémaillère ). Aux Pays-Bas, il est utilisé sur le réseau principal, aux côtés de 25 kV sur la HSL-Zuid et Betuwelijn , et 3 000  V au sud de Maastricht . Au Portugal, il est utilisé sur la ligne Cascais et au Danemark sur le réseau S-train de banlieue (1650  V DC).

Au Royaume-Uni, 1 500  V  CC a été utilisé en 1954 pour la route trans-Pennine Woodhead (maintenant fermée); le système utilisait le freinage régénératif , permettant le transfert d'énergie entre les trains montant et descendant sur les approches abruptes du tunnel. Le système a également été utilisé pour l'électrification des banlieues de l'est de Londres et de Manchester , désormais converti en 25  kV  AC. Il n'est désormais utilisé que pour le métro Tyne and Wear . En Inde, le 1 500  V DC a été le premier système d'électrification lancé en 1925 dans la région de Mumbai. Entre 2012 et 2016, l'électrification a été convertie en 25  kV 50  Hz, qui est le système national.

Le 3  kV DC est utilisé en Belgique, en Italie, en Espagne, en Pologne, en Slovaquie, en Slovénie, en Afrique du Sud, au Chili, dans la partie nord de la République tchèque, dans les anciennes républiques de l' Union soviétique et aux Pays-Bas sur quelques kilomètres entre Maastricht et Belgique. Il était autrefois utilisé par la Milwaukee Road de Harlowton, Montana , à Seattle, à travers le Continental Divide et y compris de vastes embranchements et lignes de boucle dans le Montana, et par le Delaware, Lackawanna et Western Railroad (maintenant New Jersey Transit , converti en 25  kV  AC ) aux États-Unis, et le chemin de fer de banlieue de Kolkata (Bardhaman Main Line) en Inde, avant sa conversion en 25  kV 50 Hz.

Des tensions continues comprises entre 600  V et 800  V sont utilisées par la plupart des réseaux de tramways (tramways), trolleybus et souterrains (métro) car les moteurs de traction acceptent cette tension sans le poids d'un transformateur embarqué.

tension

L'augmentation de la disponibilité des semi-conducteurs haute tension peut permettre l'utilisation de tensions continues plus élevées et plus efficaces qui jusqu'à présent n'étaient pratiques qu'avec le courant alternatif. [11]

L'utilisation de l'électrification CC moyenne tension (MVDC) résoudrait certains des problèmes associés aux systèmes d'électrification CA à fréquence standard, en particulier un éventuel déséquilibre de charge du réseau d'alimentation et la séparation de phase entre les sections électrifiées alimentées à partir de différentes phases, alors que la haute tension rendrait la transmission plus efficace. [12] : 6–7  L' UIC a mené une étude de cas pour la conversion de la ligne ferroviaire Bordeaux-Hendaye (France), actuellement électrifiée à 1,5  kV DC, en 9  kV DC et a constaté que la conversion permettrait d'utiliser des câbles aériens moins encombrants (économie de 20 millions d'euros pour 100  km de route) et réduire les pertes (économie de 2  GWh par an pour 100 km). itinéraire-km ; équivalant à environ 150 000 € par an). La ligne choisie fait partie des lignes, totalisant 6000  km, qui ont besoin d'être renouvelées. [13]

Dans les années 1960, les Soviétiques ont expérimenté l'augmentation de la tension aérienne de 3 à 6  kV. Le matériel roulant à courant continu était équipé de convertisseurs à base d' ignitrons pour abaisser la tension d'alimentation à 3  kV. Les convertisseurs se sont avérés peu fiables et l'expérience a été interrompue. En 1970, des travaux expérimentaux sur un système 12 kV DC ont prouvé entre autres que les niveaux de perte équivalents pour un système 25 kV AC pouvaient être atteints avec une tension continue comprise entre 11 et 16  kV. Dans les années 1980 et 1990, un système expérimental de 12 kV CC a été testé sur le chemin de fer d'octobre près de Leningrad (aujourd'hui Pétersbourg ). Les expériences ont pris fin en 1995 en raison de la fin du financement. [14]

Troisième rail

Un troisième rail à contact inférieur sur le métro d'Amsterdam , Pays-Bas
Avec le troisième (et le quatrième) rail à contact supérieur, un sabot lourd fixé à la face inférieure d'une poutre en bois qui à son tour est fixée au bogie, recueille la puissance en glissant sur la surface supérieure du rail conducteur.

La plupart des systèmes d'électrification utilisent des câbles aériens, mais le troisième rail est une option jusqu'à 1 500  V. Les systèmes à troisième rail utilisent presque exclusivement la distribution CC. L'utilisation du courant alternatif n'est généralement pas réalisable car les dimensions d'un troisième rail sont physiquement très grandes par rapport à la profondeur de peau que le courant alternatif pénètre à 0,3 millimètre ou 0,012 pouce dans un rail en acier. Cet effet rend la résistance par unité de longueur trop élevée par rapport à l'utilisation du courant continu. [15] Le troisième rail est plus compact que les câbles aériens et peut être utilisé dans des tunnels de plus petit diamètre, un facteur important pour les systèmes de métro.

Quatrième rail

Voie du métro de Londres à Ealing Common sur la ligne District , montrant les troisième et quatrième rails à côté et entre les rails de roulement
Un train sur la ligne 1 du métro de Milan montrant le sabot de contact du quatrième rail.

Le métro de Londres en Angleterre est l'un des rares réseaux qui utilise un système à quatre rails. Le rail additionnel porte le retour électrique qui, sur les réseaux de troisième rail et aériens, est assuré par les rails de roulement. Dans le métro de Londres, un troisième rail de contact supérieur se trouve à côté de la voie, sous tension à+420 V CC , et un quatrième rail de contact supérieur est situé au centre entre les rails de roulement à−210 V DC , qui se combinent pour fournir une tension de traction de630 V CC . Le même système a été utilisé pourla première ligne de métro de Milan , la ligne 1 du métro de Milan , dont les lignes les plus récentes utilisent une caténaire aérienne ou un troisième rail.

Le principal avantage du système à quatre rails est qu'aucun rail de roulement ne transporte de courant. Ce schéma a été introduit en raison des problèmes de courants de retour, destinés à être transportés par le rail de roulement mis à la terre (mis à la terre) , traversant à la place les revêtements en fer du tunnel. Cela peut provoquer des dommages électrolytiques et même des arcs électriques si les segments de tunnel ne sont pas reliés électriquementensemble. Le problème était exacerbé car le courant de retour avait également tendance à circuler dans les conduites en fer à proximité formant les conduites d'eau et de gaz. Certains d'entre eux, en particulier les conduites principales victoriennes qui ont précédé les chemins de fer souterrains de Londres, n'étaient pas construits pour transporter des courants et n'avaient pas de liaison électrique adéquate entre les segments de tuyaux. Le système à quatre rails résout le problème. Bien que l'alimentation ait un point de terre créé artificiellement, cette connexion est dérivée en utilisant des résistances qui garantissent que les courants de terre vagabonds sont maintenus à des niveaux gérables. Les rails uniquement électriques peuvent être montés sur des chaises en céramique fortement isolantes pour minimiser les fuites de courant, mais cela n'est pas possible pour les rails de roulement qui doivent être assis sur des chaises métalliques plus solides pour supporter le poids des trains. Cependant,

Systèmes sur pneus

Le bogie d'un MP 05 , montrant la roue en acier à boudin à l'intérieur de celle sur pneus , ainsi que le sabot de contact vertical au-dessus du rail en acier
Bogie d'un véhicule MP 89 Métro de Paris . Le patin de contact latéral est situé entre les pneus en caoutchouc

Quelques lignes du métro de Paris en France fonctionnent sur un système électrique à quatre rails. Les trains se déplacent sur des pneus en caoutchouc qui roulent sur une paire de voies de roulement étroites en acier et, à certains endroits, en béton . Étant donné que les pneus ne conduisent pas le courant de retour, les deux barres de guidage prévues à l'extérieur des « chemins de roulement » de roulement deviennent, en quelque sorte, un troisième et un quatrième rail qui fournissent chacun 750 V DC , donc au moins électriquement, il s'agit d'un quadri-rail système. Chaque train de roues d'un bogie moteur porte un moteur de traction . Une chaussure de contact à glissement latéral (course latérale)capte le courant de la face verticale de chaque barre de guidage. Le retour de chaque moteur de traction, ainsi que de chaque wagon , s'effectue par un patin de contact chacun qui glisse sur chacun des rails de roulement . Ceci et tous les autres métros sur pneus qui ont un diamètre de 1 435 mm ( 4 pi  8+12  po)voie à écartement standard entre leschemins de roulementfonctionnent de la même manière. [16] [17]

Courant alternatif

Image d'un panneau indiquant la haute tension au-dessus d'un système d'électrification ferroviaire

Les chemins de fer et les services publics d'électricité utilisent le courant alternatif pour la même raison : utiliser des transformateurs , qui nécessitent du courant alternatif, pour produire des tensions plus élevées. Plus la tension est élevée, plus le courant est faible pour une même puissance, ce qui réduit les pertes en ligne, permettant ainsi de délivrer une puissance plus élevée.

Parce que le courant alternatif est utilisé avec des tensions élevées, cette méthode d'électrification n'est utilisée que sur les lignes aériennes , jamais sur les troisièmes rails. À l'intérieur de la locomotive, un transformateur abaisse la tension pour une utilisation par les moteurs de traction et les charges auxiliaires.

Un des premiers avantages du courant alternatif est que les résistances de perte de puissance utilisées dans les locomotives à courant continu pour le contrôle de la vitesse n'étaient pas nécessaires dans une locomotive à courant alternatif : plusieurs prises sur le transformateur peuvent fournir une gamme de tensions. Des enroulements de transformateur basse tension séparés alimentent l'éclairage et les moteurs entraînant les machines auxiliaires. Plus récemment, le développement des semi-conducteurs de très haute puissance a entraîné le remplacement en grande partie du moteur à courant continu classique par le moteur à induction triphasé alimenté par un variateur de fréquence , un onduleur spécialqui fait varier à la fois la fréquence et la tension pour contrôler la vitesse du moteur. Ces entraînements peuvent fonctionner aussi bien en courant continu qu'en courant alternatif de n'importe quelle fréquence, et de nombreuses locomotives électriques modernes sont conçues pour gérer différentes tensions et fréquences d'alimentation afin de simplifier les opérations transfrontalières.

alternatif

Système AC 15  kV 16,7  Hz utilisé en Suisse

Cinq pays européens – l'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède – ont normalisé le 15  kV 16+23  Hz (la fréquence secteur 50 Hz divisée par trois) AC monophasé. Le 16 octobre 1995, l'Allemagne, l'Autriche et la Suisse sont passées du 16+23  Hz à 16,7 Hz qui n'est plus exactement le tiers de la fréquence du réseau. Cela a résolu les problèmes de surchauffe avec les convertisseurs rotatifs utilisés pour générer une partie de cette puissance à partir de l'alimentation du réseau. [18]

Aux États-Unis , le New York, New Haven et Hartford Railroad , le Pennsylvania Railroad et le Philadelphia and Reading Railway ont adopté le courant alternatif monophasé de 11  kV 25  Hz. Certaines parties du réseau électrifié d'origine fonctionnent toujours à 25  Hz, avec une tension portée à 12  kV, tandis que d'autres ont été converties à 12,5 ou 25  kV 60  Hz.

Au Royaume-Uni, le London, Brighton and South Coast Railway a été le pionnier de l'électrification aérienne de ses lignes de banlieue à Londres, le pont de Londres à Victoria étant ouvert à la circulation le 1er  décembre 1909. Victoria à Crystal Palace via Balham et West Norwood a ouvert en mai 1911. Peckham Rye to West Norwood a ouvert ses portes en juin 1912. D'autres extensions n'ont pas été faites en raison de la Première Guerre mondiale. Deux lignes ont ouvert en 1925 sous le Southern Railway desservant Coulsdon North et la gare de Sutton . [19] [20] Les lignes étaient électrifiées à 6,7  kV 25 Hz. Il a été annoncé en 1926 que toutes les lignes devaient être converties en troisième rail CC et le dernier service électrique aérien a fonctionné en septembre 1929.

de fréquence

25 kV AC est utilisé à 60  Hz sur certaines lignes américaines, dans l'ouest du Japon, en Corée du Sud et à Taïwan ; et à 50  Hz dans un certain nombre de pays européens, l'Inde, l'est du Japon, les pays qui faisaient autrefois partie de l'Union soviétique, sur les lignes à grande vitesse dans une grande partie de l'Europe occidentale (y compris les pays qui exploitent encore des chemins de fer conventionnels sous DC mais pas dans les pays utilisant 16,7  Hz, voir ci-dessus). Sur les LGV « système français », la ligne aérienne et une ligne d'amenée « dormante » véhiculent chacune 25  kV par rapport aux rails, mais en opposition de phase donc à 50  kV l'une de l'autre ; des autotransformateurs égalisent la tension à intervalles réguliers.

Comparaisons

AC contre DC pour

La majorité des systèmes d'électrification modernes prennent l'énergie CA d'un réseau électrique qui est livré à une locomotive, et à l'intérieur de la locomotive, transformé et rectifiéà une tension continue inférieure en vue de son utilisation par les moteurs de traction. Ces moteurs peuvent être soit des moteurs à courant continu qui utilisent directement le courant continu, soit des moteurs à courant alternatif triphasé qui nécessitent une conversion supplémentaire du courant continu en courant alternatif triphasé à fréquence variable (en utilisant l'électronique de puissance). Ainsi, les deux systèmes sont confrontés à la même tâche : convertir et transporter le courant alternatif haute tension du réseau électrique en courant continu basse tension dans la locomotive. La différence entre les systèmes d'électrification CA et CC réside dans l'endroit où le CA est converti en CC : à la sous-station ou dans le train. L'efficacité énergétique et les coûts d'infrastructure déterminent lequel de ces éléments est utilisé sur un réseau, bien que cela soit souvent fixe en raison des systèmes d'électrification préexistants.

La transmission et la conversion de l'énergie électrique impliquent des pertes : pertes ohmiques dans les câbles et l'électronique de puissance, pertes de champ magnétique dans les transformateurs et les réacteurs de lissage (inducteurs). [21] La conversion de puissance pour un système à courant continu a lieu principalement dans une sous-station ferroviaire où du matériel volumineux, lourd et plus efficace peut être utilisé par rapport à un système à courant alternatif où la conversion a lieu à bord de la locomotive où l'espace est limité et les pertes sont nettement plus élevées . [22]Cependant, les tensions plus élevées utilisées dans de nombreux systèmes d'électrification en courant alternatif réduisent les pertes de transmission sur de plus longues distances, ce qui permet d'utiliser moins de sous-stations ou des locomotives plus puissantes. De plus, l'énergie utilisée pour souffler de l'air pour refroidir les transformateurs, l'électronique de puissance (y compris les redresseurs) et tout autre matériel de conversion doit être prise en compte.

Les systèmes d'électrification à courant alternatif standard utilisent des tensions beaucoup plus élevées que les systèmes à courant continu standard. L'un des avantages de l'augmentation de la tension est que, pour transmettre un certain niveau de puissance, un courant plus faible est nécessaire ( P = V × I ). L'abaissement du courant réduit les pertes ohmiques et permet des équipements de ligne aérienne moins encombrants et plus légers et plus d'espacement entre les sous-stations de traction, tout en maintenant la capacité de puissance du système. D'autre part, la tension plus élevée nécessite des écarts d'isolement plus importants, nécessitant que certains éléments de l'infrastructure soient plus grands. Le système CA à fréquence standard peut introduire un déséquilibre dans le réseau d'alimentation, nécessitant une planification et une conception minutieuses (car à chaque sous-station, l'alimentation est tirée de deux phases sur trois). Le système CA basse fréquence peut être alimenté parun réseau de production et de distribution séparé ou un réseau de postes de conversion, ce qui s'ajoute à la dépense, ainsi que les transformateurs basse fréquence, utilisés à la fois aux postes et sur le matériel roulant, sont particulièrement encombrants et lourds. Le système à courant continu, en plus d'être limité quant à la puissance maximale pouvant être transmise, peut également être responsable de la corrosion électrochimique due aux courants continus vagabonds. [12] : 3 

Électrique contre diesel

Lots Road Power Station dans une affiche de 1910. Cette centrale électrique privée, utilisée par le métro de Londres , offrait aux trains et tramways londoniens une alimentation électrique indépendante du réseau électrique principal.

Efficacité énergétique

Les trains électriques n'ont pas besoin de supporter le poids des moteurs principaux , de la transmission et du carburant. Ceci est en partie compensé par le poids des équipements électriques. Le freinage régénératif renvoie l'énergie au système d'électrification afin qu'elle puisse être utilisée ailleurs, par d'autres trains sur le même système ou renvoyée au réseau électrique général. Ceci est particulièrement utile dans les zones montagneuses où les trains lourdement chargés doivent descendre de longues pentes.

L'électricité de la station centrale peut souvent être produite avec un rendement plus élevé qu'un moteur/générateur mobile. Alors que l'efficacité de la génération de la centrale électrique et de la génération de la locomotive diesel est à peu près la même en régime nominal, [23] les moteurs diesel diminuent en efficacité dans les régimes non nominaux à faible puissance [24] tandis que si une centrale électrique a besoin de produire moins d'énergie il éteindra ses générateurs les moins efficaces, augmentant ainsi l'efficacité. Le train électrique peut économiser de l'énergie (par rapport au diesel) grâce au freinage régénératif et en n'ayant pas besoin de consommer de l'énergie en tournant au ralenti comme le font les locomotives diesel à l'arrêt ou en roue libre. Cependant, le matériel roulant électrique peut faire fonctionner des ventilateurs de refroidissement à l'arrêt ou en roue libre, consommant ainsi de l'énergie.

Les grandes centrales électriques à combustibles fossiles fonctionnent à haut rendement et peuvent être utilisées pour le chauffage urbain ou pour produire un refroidissement urbain , ce qui conduit à un rendement total plus élevé. [25] [26] L'électricité pour les systèmes ferroviaires électriques peut également provenir d' énergies renouvelables , de l'énergie nucléaire ou d'autres sources à faible émission de carbone, qui n'émettent ni pollution ni émissions.

Puissance de sortie

Les locomotives électriques peuvent facilement être construites avec une puissance de sortie supérieure à la plupart des locomotives diesel. Pour l'exploitation des passagers, il est possible de fournir suffisamment de puissance avec des moteurs diesel (voir par exemple ' ICE TD ') mais, à des vitesses plus élevées, cela s'avère coûteux et peu pratique. Par conséquent, presque tous les trains à grande vitesse sont électriques. La puissance élevée des locomotives électriques leur donne également la capacité de tirer du fret à plus grande vitesse sur des pentes ; dans des conditions de trafic mixte, cela augmente la capacité lorsque le temps entre les trains peut être réduit. La puissance plus élevée des locomotives électriques et une électrification peuvent également constituer une alternative moins chère à une nouvelle voie ferrée moins raide si le poids des trains doit être augmenté sur un système.

D'autre part, l'électrification peut ne pas convenir aux lignes à faible fréquence de trafic, car le coût de fonctionnement inférieur des trains peut être compensé par le coût élevé de l'infrastructure d'électrification. Par conséquent, la plupart des lignes longue distance dans les pays en développement ou peu peuplés ne sont pas électrifiées en raison de la fréquence relativement faible des trains.

Effet réseau

Les effets de réseau sont un facteur important avec l'électrification. [ citation nécessaire ] Lors de la conversion de lignes en électricité, les connexions avec d'autres lignes doivent être prises en compte. Certaines électrifications ont par la suite été supprimées en raison du trafic de transit vers des lignes non électrifiées. [ citation nécessaire ] Si le trafic de transit doit avoir un quelconque avantage, des changements de moteur chronophages doivent se produire pour établir de telles connexions ou des moteurs bimodes coûteuxdoit être utilisé. Il s'agit principalement d'un problème pour les trajets longue distance, mais de nombreuses lignes sont dominées par le trafic de transit des trains de marchandises long-courriers (généralement transportant du charbon, du minerai ou des conteneurs vers ou depuis les ports). En théorie, ces trains pourraient réaliser des économies considérables grâce à l'électrification, mais il peut être trop coûteux d'étendre l'électrification à des zones isolées, et à moins qu'un réseau entier ne soit électrifié, les entreprises constatent souvent qu'elles doivent continuer à utiliser des trains diesel même si des sections sont électrifiées. . La demande croissante de trafic de conteneurs, qui est plus efficace lors de l'utilisation de la voiture à double pile, présente également des problèmes d'effet de réseau avec les électrifications existantes en raison d'un dégagement insuffisant des lignes électriques aériennes pour ces trains, mais l'électrification peut être construite ou modifiée pour avoir un dégagement suffisant, moyennant des frais supplémentaires.

Un problème spécifiquement lié aux lignes électrifiées sont les lacunes dans l'électrification. Les véhicules électriques, en particulier les locomotives, perdent de la puissance lorsqu'ils traversent des lacunes dans l'alimentation, telles que des lacunes de changement de phase dans les systèmes aériens et des lacunes sur des points dans des systèmes de troisième rail. Ceux-ci deviennent gênants si la locomotive s'arrête avec son collecteur sur un espace mort, auquel cas il n'y a pas de courant pour redémarrer. Les écarts de puissance peuvent être surmontés par des batteries embarquées ou des systèmes moteur-volant-générateur. [ citation nécessaire ] En 2014, des progrès sont réalisés dans l'utilisation de gros condensateurs pour alimenter les véhicules électriques entre les stations, et ainsi éviter le besoin de câbles aériens entre ces stations. [27]

Coûts d'entretien

Les coûts d'entretien des lignes peuvent être augmentés par l'électrification, mais de nombreux systèmes revendiquent des coûts inférieurs en raison de l'usure réduite sur la voie grâce à un matériel roulant plus léger. [28] Il y a des coûts d'entretien supplémentaires associés aux équipements électriques autour de la voie, tels que les sous-stations électriques et le câble caténaire lui-même, mais, s'il y a un trafic suffisant, la voie réduite et surtout les coûts d'entretien et de fonctionnement du moteur inférieurs dépasser considérablement les coûts de cet entretien.

Effet d'étincelles

Les lignes nouvellement électrifiées présentent souvent un "effet d'étincelles", dans lequel l'électrification des systèmes ferroviaires voyageurs entraîne des augmentations significatives de la fréquentation / des revenus. [29] Les raisons peuvent inclure que les trains électriques sont considérés comme plus modernes et plus attrayants, [30] [31] un service plus rapide, plus silencieux et plus fluide, [29] et le fait que l'électrification va souvent de pair avec une infrastructure générale et la révision/le remplacement du matériel roulant, ce qui conduit à une meilleure qualité de service (d'une manière qui, en théorie, pourrait également être obtenue en effectuant des mises à niveau similaires mais sans électrification). Quelles que soient les causes de l'effet d'étincelles, il est bien établi pour de nombreux itinéraires qui se sont électrifiés au fil des décennies. [29] [30]

ferroviaire à

En raison de la restriction de hauteur imposée par les câbles aériens, les trains de conteneurs à double empilement ont toujours été difficiles et rares à exploiter sous des lignes électrifiées. Cependant, cette limitation est surmontée par les chemins de fer en Inde, en Chine et dans les pays africains en posant de nouvelles voies avec une hauteur de caténaire accrue.

De telles installations se trouvent dans le Western Dedicated Freight Corridor en Inde, où la hauteur du câble est de 7,45 mètres pour accueillir des trains de conteneurs à double pile sans avoir besoin de wagons à puits .

Avantages

  • Pas d'exposition des passagers aux gaz d'échappement de la locomotive
  • Réduction des coûts de construction, de fonctionnement et d'entretien des locomotives et des unités multiples
  • Rapport puissance/poids plus élevé (pas de réservoirs de carburant à bord), ce qui entraîne
    • Moins de locomotives
    • Accélération plus rapide
    • Limite pratique de puissance supérieure
    • Limite supérieure de vitesse
  • Moins de nuisances sonores (fonctionnement plus silencieux)
  • Une accélération plus rapide dégage les lignes plus rapidement pour faire circuler plus de trains sur la voie dans les utilisations ferroviaires urbaines
  • Perte de puissance réduite à des altitudes plus élevées (pour la perte de puissance, voir Moteur diesel )
  • Indépendance des coûts de fonctionnement vis-à-vis des fluctuations des prix du carburant
  • Service aux stations de métro où les trains diesel ne peuvent pas circuler pour des raisons de sécurité
  • Réduction de la pollution de l'environnement, en particulier dans les zones urbaines très peuplées, même si l'électricité est produite à partir de combustibles fossiles
  • S'adapte facilement à la récupération d'énergie cinétique au freinage à l'aide de supercondensateurs
  • Conduite plus confortable sur plusieurs unités car les trains n'ont pas de moteurs diesel sous le plancher
  • Efficacité énergétique un peu plus élevée [32] en partie grâce au freinage régénératif et à une perte de puissance moindre lors du « ralenti »
  • Source d'énergie primaire plus flexible : peut utiliser le charbon, le gaz naturel, le nucléaire ou les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolienne) comme source d'énergie primaire au lieu du carburant diesel
  • Si l'ensemble du réseau est électrifié, les infrastructures diesel telles que les stations-service, les chantiers d'entretien et même le parc de locomotives diesel peuvent être retirées ou affectées à d'autres utilisations - c'est souvent l'argument commercial en faveur de l'électrification des dernières lignes d'un réseau où autrement les coûts seraient trop élevés. Le fait de n'avoir qu'un seul type de force motrice permet également une plus grande homogénéité de la flotte, ce qui peut également réduire les coûts.

Inconvénients

Le Royal Border Bridge en Angleterre , un monument protégé . L'ajout d'une caténaire électrique à des structures plus anciennes peut représenter un coût élevé pour les projets d'électrification
La plupart des électrifications aériennes ne permettent pas un dégagement suffisant pour une voiture à double pile . Chaque conteneur peut mesurer 9 pi 6 po (2,90 m) de haut et le fond du puits est à 1 pi 2 po (0,36 m) au-dessus du rail , ce qui fait que la hauteur totale est de 20 pi 2 po (6,15 m), y compris le wagon de puits. [33]
  • Coût d'électrification : l'électrification nécessite la construction d'une infrastructure entièrement nouvelle autour des voies existantes à un coût important. Les coûts sont particulièrement élevés lorsque les tunnels, ponts et autres obstacles doivent être modifiés pour le dégagement . Un autre aspect qui peut augmenter le coût de l'électrification sont les modifications ou les mises à niveau de la signalisation ferroviaire nécessaires pour les nouvelles caractéristiques du trafic, et pour protéger les circuits de signalisation et les circuits de voie contre les interférences par le courant de traction. L'électrification peut nécessiter des fermetures de lignes pendant l'installation des nouveaux équipements.
  • Aspect : les structures et le câblage de la caténaire peuvent avoir un impact paysager important par rapport à une ligne non électrifiée ou électrifiée du troisième rail qui ne dispose que d'équipements de signalisation occasionnels au-dessus du sol.
  • Fragilité et vulnérabilité : les systèmes d'électrification aériens peuvent subir de graves perturbations dues à des défauts mécaniques mineurs ou aux effets de vents violents provoquant l' enchevêtrement du pantographe d'un train en mouvement avec la caténaire , arrachant les fils de leurs supports. Les dommages ne se limitent souvent pas à l'alimentation d'une voie, mais s'étendent également à celles des voies adjacentes, provoquant le blocage de l'ensemble de l'itinéraire pendant un temps considérable. Les systèmes à troisième rail peuvent subir des perturbations par temps froid en raison de la formation de glace sur le rail conducteur. [34]
  • Vol : la forte valeur de rebut du cuivre et les installations éloignées non surveillées font des câbles aériens une cible attrayante pour les voleurs de ferraille. [35] Les tentatives de vol de  câbles sous tension de 25 kV peuvent entraîner la mort du voleur par électrocution. [36] Au Royaume-Uni, le vol de câble est considéré comme l'une des plus grandes sources de retard et de perturbation des services ferroviaires - bien que cela concerne normalement le câble de signalisation, qui est tout aussi problématique pour les lignes diesel. [37]
  • Incompatibilité : Les trains diesel peuvent circuler sur n'importe quelle voie sans électricité ou avec n'importe quel type d'électricité ( troisième rail ou ligne aérienne , CC ou CA, et à n'importe quelle tension ou fréquence). Ce n'est pas le cas des trains électriques, qui ne peuvent jamais circuler sur des lignes non électrifiées, et qui, même sur des lignes électrifiées, ne peuvent rouler que sur le ou les seuls systèmes électriques pour lesquels ils sont équipés. Même sur des réseaux entièrement électrifiés, il est généralement judicieux de conserver quelques locomotives diesel pour l'entretien et la réparation des trains, par exemple pour réparer des lignes aériennes cassées ou volées, ou pour poser de nouvelles voies. Cependant, en raison de problèmes de ventilation, les trains diesel peuvent devoir être interdits de certains tunnels et gares souterraines, ce qui atténue quelque peu l'avantage des trains diesel.
  • Les oiseaux peuvent se percher sur des pièces avec des charges différentes, et les animaux peuvent également toucher le système d'électrification. Les animaux morts attirent les renards ou d'autres charognards [38] , entraînant un risque de collision avec les trains.
  • Dans la plupart des réseaux ferroviaires du monde, la hauteur libre des lignes électriques aériennes n'est pas suffisante pour un wagon porte-conteneurs à double pile ou d'autres charges inhabituellement hautes. Il est extrêmement coûteux de mettre à niveau les lignes électrifiées aux dégagements corrects (21 pieds 8 pouces ou 6,60 m) pour prendre des trains de conteneurs à double empilement. [ citation nécessaire ]

Électrification mondiale

En 2012, les voies électrifiées représentaient près d'un tiers du nombre total de voies dans le monde. [8]

En 2018, il y avait 72110 km (44810 mi) de voies ferrées électrifiées à 25  kV, soit 50 ou 60  Hz; 68 890 km (42 810 mi) électrifiés à 3 kV DC ; 32 940 km (20 470 mi) électrifiés à 15  kV 16,7 ou 16+23  Hz et 20 440 km (12 700 mi) électrifiés à 1,5 kV DC . [12] : 2 

Le réseau ferroviaire suisse est le plus grand réseau entièrement électrifié au monde et l'un des deux seuls à y parvenir, l'autre étant l'Arménie . La Chine possède la plus grande longueur de chemin de fer électrifié avec un peu plus de 70 % du réseau. [39] Un certain nombre de pays ont une longueur d'électrification nulle.

Plusieurs pays ont annoncé leur intention d'électrifier la totalité ou la majeure partie de leur réseau ferroviaire, tels que les chemins de fer indiens et les chemins de fer israéliens .

Voir aussi

Références

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Source

Anglais

Russe

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Liens externes