Traction électrique

Le courant est capté par différents types de systèmes :

Aérien

• Par un pantographe sur une ligne de contact, le plus souvent à suspension caténaire, dans le cas des engins ferroviaires.
• Par des perches, pour les trolleybus ou les anciens tramways.

Au sol

• Par la voie (rails).
• Par une bande de frottement.
• Par un rail spécifique sans charge d'appuis.
• Par des combinaisons de ces différents modes .

Le type de courant est variable. À l'origine, le courant continu dominait ; il est encore beaucoup utilisé, souvent en 1,5 kV, jusqu'à 5 kV. Le monophasé est plus répandu pour des puissances plus élevées dans des tensions jusqu'à 50 kV. On utilise plusieurs types de fréquence, mais le triphasé a été testé et abandonné car il compliquait beaucoup le captage, même s'il diminuait le courant et améliorerait le rendement.

En complément d'une alimentation électrique permanente (caténaire, 3^e rail, etc.), le moteur du matériel roulant peut emmagasiner de l'énergie sous diverses formes (cinétique, chimique, etc.) afin de réalimenter la chaîne de traction et les services auxiliaires (éclairage, Chauffage, etc.). Cette source est réversible : un freinage électrique permet de recharger le réservoir. Ce système embarqué peut soit compléter, soit remplacer temporairement le système de captage de la source d'énergie externe.

La faible autonomie embarquée limite actuellement cette application aux systèmes légers type tramway, bus, trolleybus.

Batteries d'accumulateurs : Depuis les origines, des batteries ont été également utilisées, permettant durant de courts instants de s'affranchir de la liaison électrique avec le réseau (manœuvres lentes de gare). En revanche, il est inutile d'imaginer de grands trajets autonomes tant le volume et le poids des batteries deviennent démesurés. En effet, le rendement énergétique chute très vite avec la surcharge du stockage électrique (surpoids, autonomie, puissance limitée, surtout en crête). On trouve notamment des tramways avec batteries embarquées sur la ligne 1 du tramway de Nice.

Super-capacités : des racks de super-capacités, souvent associés à des batteries, permettent des échanges électriques importants compatibles avec la traction électrique. L'inconvénient est, comme pour les batteries, le risque chimique présenté par ces composants, notamment en tunnel, et sa sensibilité à la température. De plus en plus de réseaux de tramway recourent à cette technologie afin de s'affranchir de la ligne aérienne de contact en centre-ville historique par exemple. Des rames de tramway de Saragosse, Séville, Luxembourg, Nice (lignes 2 et 3), Birmingham... sont ou seront équipées d'un système à super-capacité/batteries, avec recharge à chaque station (biberonnage).

Volant d'inertie (gyrobus) : un volant massif tournant à grande vitesse permet de stocker de l'énergie cinétique et de la réutiliser sous forme électrique. L'inconvénient de ce système est sa grande masse, le risque mécanique, les effets gyroscopiques sur le mouvement du véhicule, les appareillages périphériques complexes, la maintenance. D'autres systèmes ont été utilisés : énergie pneumatique (air comprimé) et mécanique (ressorts) sur des tramways, avec une autonomie relativement faible.

À noter que ces systèmes peuvent également être installés au sol, pour renforcer ou recycler l'alimentation électrique localement (exemple : en bout de ligne, ou quand il n'y a pas de sous-station).

Trolleybus double-articulé « LighTram3 », à Zurich

Lignes aériennes de contact de trolleybus

Par analogie, on parlera également de traction électrique dans le cas des trolleybus, par opposition aux autobus diesels. Le trolleybus, étant muni de pneumatiques et roulant sur la chaussée et non sur des rails, disposition naturellement isolante, réclame une ligne de contact double pour le retour au sol du courant. Les trolleybus existent depuis le début du XX^e siècle. Ils ont connu leur apogée en France à l'occasion de la disparition des réseaux de tramways (1930-1960). Certaines lignes interurbaines avaient même été électrifiées (Aix-Marseille), ou seulement projetées (Lyon-St-Étienne). L'Ukraine possède en Crimée la plus longue ligne de trolleybus du monde, mise en service en 1961, le trolleybus de Crimée qui relie Simferopol à Yalta (86 kilomètres).

En France, ces trolleys, qui avaient failli disparaître dans les années 1970, subsistent dans certaines villes, en particulier à Lyon, capitale française du trolleybus (350 trolleybus en circulation en 1957), qui est aujourd'hui en train d'électrifier deux nouvelles lignes fortes, les C1 et C2 (mise en service en 2011), pour y faire rouler les nouveaux Cristalis articulés (de conception lyonnaise). En revanche, d'autres pays, en particulier la Suisse, n'ont jamais cessé d'en utiliser en grand nombre, et dans presque toutes les villes, sans pour autant avoir abandonné les tramways.

Le transport de marchandises par des sortes de tram serait-il envisageable? L'interopérabilité entre moyens de transports avec des triages décentralisés multimodaux serait-il pertinent? Les moyennes et petites contenances (et charges utiles) auraient alors besoin de normalisations et d'études préalables. Il faudrait partir des modèles des conteneurs maritime, caisse mobile routière, ou par exemple de ceux aériens LD3 pour extrapoler et avoir des compatibilités de moyens.

Les véhicules équipés de batteries, que ce soit des camions-poubelle, des bus ou d'autres véhicules encore, ont été développés tout au long du XX^e siècle, et existent toujours, sans avoir rencontré le niveau de diffusion et de fiabilité des réseaux de trolleybus. Cependant, il apparaît ces dernières années des segments de déplacements pertinents (trajets très court, etc). Contraints par les problématiques environnementales les constructeurs ont mené des efforts de recherche dans l'amélioration de l'efficacité des véhicules électriques pour proposer des véhicules de toutes tailles utilisant la traction électrique combinée à un stockage de l'énergie électrique dans des batteries qui lui aussi tend à s'améliorer[1]. Demande et offre sont encore à un niveau peu élevé mais le marché suit la voie d'une progression.

Aucune automobile électrique raccordée (VeeR) n'existe actuellement (les auto-tamponneuses dans les foires ne sont pas vraiment des véhicules). Les voitures électriques actuelles transportent une batterie.

L'alimentation d'une voiture à la manière d'un tramway ou d'un trolleybus pour certains tronçons, faciles à équiper, se justifierait-elle[2] ?

Masse des batteries embarquées

Elle reste importante (VeeA) et le poids est le premier frein au rendement global du véhicule. La densité d'énergie des carburants courants est environ 80 fois supérieure à celle des accumulateurs lithium-ion. Cette masse de batterie limite doublement l'autonomie. Les VeeA nécessitent des véhicules très solides pour résister au crash-test. Le rapport de masse (PV+poids-moyen-des-passagers)/PTAC) se rapproche beaucoup de 1 (PTAC=poids-total-autorisé-en-charge; PV=poids-à-vide). Il y a donc peu de marge pour ajouter de la charge pour les déplacements longs. Il y a peu d'études qui comparent l'énergie utile à la charge utile avec l'énergie primaire consommée par le véhicule dont on pourrait tirer un rendement global de transport. R_gtu = E_cut/E_prim. Cette comparaison donnerait une très mauvaise note au véhicule à batterie. La problématique ressemble à celle de l'aviation où la masse transportée doit être estimée avec précision. C'est la raison principale du faible nombre de VeeA utilisés pour les transports de marchandises et de passagers. Leur usage pertinent reste limité : trajets courts, à faible vitesse, à fréquence faible, non pollution de l'air impérative avec la technologie actuelle.

Puissance à transmettre au véhicule

vu la puissance courante des véhicules milieu de gamme d'aujourd'hui on peut dire qu'elle est démesurée par rapport aux puissances compatibles avec une traction électrique. La puissance moyenne d'une berline-break actuelle est d'environ 95 CV (soit 70 kW). Cette puissance nécessaire pourrait être divisée par environ cinq ou six pour la même charge utile vu l'allègement du véhicule. En diminuant les accélérations possibles par deux, on peut faire chuter grandement la puissance nécessaire. Une grande partie de la puissance de nos véhicules est liée aux manœuvre de doublement qui nécessitent une violente mobilisation d'énergie. Cette problématique dessine donc une vision du déplacement bien différente de celle d'aujourd'hui : des véhicules à vitesses toutes identiques, régulières, sans doublements. Les conducteurs aux commandes pour les parties raccordées ne sont alors plus nécessaires.

Apport de l'électricité au mobile

L'élément technique à adapter à la voiture est celui permettant l'apport de l'électricité au mobile. Plusieurs familles de technologies sont utilisées : rail porteur et d'alimentation, ou rail enterré non porteur (alimentation par le sol) (APS), bandes de frottement aériennes ou latérale.

Rendement global bien meilleur par comparaison au VeeA

En effet l'addition des pertes, dans le système VeeA est important (charge, décharge, énergie spécifique perdue lors du déplacement des masses (batteries + châssis plus lourd)). (on peut aussi tenir compte de l'immobilisation nécessaire du système pendant la charge). L'énergie perdue peut-être multipliée par un facteur 5.

Production de l'énergie nécessaire

Par comparaison, elle est très réduite pour la traction-électrique-raccordée (VeeR), la production en grande quantité de celle-ci ne pose pas les mêmes problèmes. Ceux rencontrés par ailleurs dans la prévision du développement (VeeA) sont très complexes (rechargement qui pourraient être décalées pendant les heures creuses, la nuit ou via la généralisation des smart grids).

Pollutions associées

Celles du VeeA sont une très lourde charge globale (déconstruction, beaucoup de matériaux chers et rares).

En résumé, des tronçons de routes équipés, plus ou moins denses, limiteraient l'épuisement des réserves d'énergie. Le véhicule dispose donc d'un petit moyen autonome de déplacement pour les tronçons-trajets de jonctions. Si cette solution VeeR nécessite des investissements énormes et une normalisation très poussée, ce mode de traction a des avantages importants.

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