Abandonner ou réinventer l'alimentation par courant continu ?

Quand la France tourne le dos au courant alternatif avant de s'y convertir

Le courant continu à 1500 V a été défini comme tension d’alimentation de référence par un décret gouvernemental de 1920. Pourtant, celui-ci ne présentait pas le meilleur bilan coût – efficacité : sous-stations plus nombreuses, section de cuivre du fil d’alimentation augmentée, moindres performances par rapport au courant alternatif, qui avait été notamment adopté par le Midi (12000 V - 16 2/3 Hz), et donc un coût plus élevé. Les compagnies de chemin de fer étaient sur une position toute autre. Hormis le Midi qui était très en avance sur son temps (comme quoi, avoir peu de ressources amène parfois à devenir innovant), la position majoritaire misait plutôt sur une tension de référence de 3000 V, qui sera adopté par plusieurs réseaux voisins (Italie, Belgique, Espagne). Aussi, les nouvelles électrifications sur le réseau français ne pouvaient concerner que quelques lignes à fort trafic.

Ile sur Tet - 27 juin 2010 - La ligne de Perpignan à Villefranche de Conflent, quoique réélectrifiée en 1971, a conservé certains de ses supports caténaire d'origine Midi. © X. Vuillermoz

Si les lignes du Midi furent rapidement ré-électrifiées en 1500 V (seule Perpignan – Villefranche devra attendre 1971), les électrifications par 3^ème rail en 750 V continu de l’Ouest Etat subsistèrent des décennies, puisque la conversion fut opérée entre 1965 et 1979. En revanche, la section Paris – Orly fut convertie par le PO dans le cadre de l’opération Paris – Vierzon.

Artix - 13 mars 1987 - La caténaire Midi 1500 V présente la particularité de l'espacement des supports plus long qu'une caténaire unifiée, et de l'inclinaison dans les courbes de la suspension du fil de contact. © J.P. Vergez-Larrouy

Les avantages du courant alternatif allaient réapparaître d'une façon pour le moins particulière dans contexte qui ne l'était pas moins. Le 7 juin 1944, l’essai d’une tension de 25000 V à la fréquence de 50 Hz fut adopté sur la section Aix les Bains – La Roche sur Foron. Ingénieur en chef de la SNCF (et cofondateur du groupe Résistance Fer), Louis Armand avait pu, dès 1943, suivre les essais menés en Allemagne sur la ligne du Höllental en 20000 V - 50 Hz. Cependant, les engins moteurs devaient conserver des moteurs à courant continu, équipés de redresseurs à ignitrons. Par conséquent, il fallait inéluctablement recourir à des locomotives bicourants. La Haute Savoie servit de terrain d’apprentissage avant de lancer la grande opération de l’artère Nord-Est pour les besoins miniers et sidérurgiques, ouvrant ensuite la voie au développement massif du courant alternatif.

En 2013, 10000 des 16000 km de lignes électrifiées du réseau français étaient sous caténaire 25000 V. La question de la conversion des lignes sous 1500 V continu peut alors se poser : en 2005, l’audit du professeur Rivier sur l’état des infrastructures ferroviaires françaises avait mis le sujet dans la balance.

25000 V - 50 Hz : le nouveau standard français ?

Pour une électrification nouvelle, le 25000 V est aujourd’hui retenu presque systématiquement. Les dernières progressions du 1500 V ont concerné Vierzon – Bourges en 1997, par ramification à l’axe Paris – Toulouse et pour utiliser les matériels monocourants (BB9200, BB7200, Z5300, Z7300/7500) alors appelés à y circuler et Saint Etienne – Firminy en 2005, du fait de la courte distance en prolongation de la ligne Givors – Saint Etienne électrifiée en 1958. Enfin, en 2012, le tram-train de l’Ouest Lyonnais adopta lui aussi le 1500 V, mais pour d’autres raisons : présence d’installations prééexistantes datant de 1958 de Lyon Saint Paul à Charbonnières, mais optimisation par rapport à une tension de base de 750 V, interopérabilité – potentielle – avec l’urbain oblige.

Dès lors, la question de la migration des lignes sous 1500 V en 25000 V peut être posée, d’autant que les lignes Midi parviennent à un stade d’obsolescence avancé, et alors même que les matériels monocourants 1500 V sont en voie de régression : les Z7300/7500 et BB7200, formant le gros des troupes, devrait disparaître dans la décennie à venir. L’effectif des B81500, les AGC « petits bimodes » Diesel – 1500 V pourrait être considéré comme un obstacle, mais contournable par le jeu d’échanges avec des Régions disposant d’installations sous 1500 V plus récentes.

La Roche sur Foron - 17 février 1980 - La CC 20001, alias la Grand'Mère, fut la première machine bicourant pour la Haute Savoie où se situait le premier point de contact avec le 1500 V. © J.P. Lescat

Si une caténaire 25000 V coûte 4 à 6 fois moins cher qu’une caténaire 1500 V, certains impératifs peuvent renchérir l’opération de conversion : le gabarit électrique est plus généreux donc plus contraignant pour les tunnels ; la compatibilité électromagnétique, avec les postes d’aiguillages ou encore les circuits de voie pour la signalisation ; l’amélioration de la connexion au réseau électrique de RTE, si possible au moins en 90 kV afin de bénéficier d’une puissance compatible avec une meilleure exploitation ferroviaire (performance des sillons, gains de temps) : autant d’éléments qui peuvent renchérir le coût complet de la réélectrification.

Par conséquent, une telle décision ne peut avoir d’effets que dans la durée, avec une transition longue non seulement pour gérer les investissements, mais aussi préserver la cohésion de l’exploitation du réseau, notamment au travers de la généralisation des engins bicourants sur les secteurs à migrer.

Cette migration peut être anticipée dans le cadre de la maintenance du réseau, en prédisposant les caténaires 1500 V pour une évolution en monophasé. Le contournement de Tours est électrifié en 1500 V avec une caténaire prévue pour du 25000 V, dont le basculement est prévu dans le cadre de la LGV SEA. Le pas d’implantation des supports caténaires sous 1500 V « unifié » est le même qu’en 25000 V, soit 63 m, ce qui n’est pas le cas des caténaires Midi avec un pas d’implantation de 90 m. En outre, les zones les plus complexes à migrer sont évidemment les zones de gares. Seule expérience française à ce jour, la gare de Dole, conçue initialement comme « commutable », les voies pouvant être alternativement alimentées en 1500 V ou en 25000 V aux origines de l’électrification, basculée en 25000 V exclusif en 1992.

Dole - 20 août 2015 - Pont qui a longtemps servi de repère aux mécaniciens pour l'entrée dans la gare commutable de Dole, qui a été réélectrifiée en 25000 V avec la généralisation des matériels bicourants. © transportrail

Bellegarde - Genève : une opération pionnière ?

En 2014, la conversion de la section Bellegarde – Genève en 25000 V, a été réalisée. Cette opération reste pour l'instant unique car elle était la réponse  à multiples objectifs d'intérêt purement local :

• être compatible avec le projet de RER genevois – CEVA – en évitant un matériel tricourant 1500 V – 15000 V 16 2/3 Hz – 25000 V 50 Hz ;
• éliminer un isolat de caténaire 1500 V en territoire suisse ;
• éliminer des transitions 1500 V – 25000 V complexes dans le secteur de Bellegarde : la section de séparation de Longeray, en direction d’Annemasse, se situe en rampe de 18 pour mille, tandis qu’une courte section commutable a été installée en sortie de la gare de Bellegarde pour les TGV transitant par la ligne du Haut Bugey.

transportrail vous propose un dossier spécifique sur cette opération.

25000 V : une évolution inéluctable ?

Au-delà, les réflexions réapparaissent sporadiquement au sud de Bordeaux, dans une logique cherchant des alternatives à la ligne nouvelle Bordeaux - Dax par une modernisation de la ligne existante dont la vitesse serait relevée à 220 km/h. La caténaire d'origine Midi serait remplacée par de nouvelles installations en 25 kV. Cependant, le seul volet électrique ne serait certainement pas suffisant, la question capacitaire, notamment entre Bordeaux et Facture étant évidemment indépendante du niveau de tension dans la caténaire.

Talence - 29 novembre 2013 - Les ogives Midi, caractéristiques des électrifications de cette compagnie, qui 80 ans plus tard, s'avèrent à bout de souffle : la question du renouvellement finira par se poser et mettra peut-être dans la balance une réélectrification... © transportrail

En revanche, sur un autre axe d'origine Midi, la nouvelle caténaire déployée sur la transversale pyrénéenne reste alimentée en 1500 V mais avec des isolateurs compatibles avec une migration ultérieure en 25000 V. Elle semble constituer une voie intermédiaire à coût relativement maîtrisé, écartant assez durablement l'hypothèse de réélectrifications massives.

Néanmoins, des changements d'alimentation peuvent ponctuellement s'avérer intéressants. On prenra pour exemple la zone de Marseille dans la perspective du projet LNPCA. Dans le scénario actuel, subsisterait une courte section en 1500 V entre la sortie de la LGV Méditerranée et l'entrée du tunnel donnant accès à la gare souterraine de Marseille.  La conversion au 25000 V de l'entrée nord de Marseille embarquerait certes l'ensemble de la gare Saint Charles, mais aussi des électrifications, au moins partielles, de Marseille - Aix en Provence ou de la Côte Bleue.

La redécouverte du courant continu ?

Le passage du 1500 V continu au 25000 V alternatif apparaît donc comme un processus complexe et finalement assez onéreux. Plusieurs études ont été lancées en Europe pour combiner les avantages du courant continu et du courant alternatif. ProRail, le gestionnaire d'infrastructures hollandais, a évalué l'intérêt de passer son réseau au 3000 V continu : il serait possible de récupérer la totalité de l'énergie dissipée au freinage, contre la moitié aujourd'hui en 1500 V. La légère consommation instantanée serait compensée par une réduction globale de 20% de la consommation globale et des gains de performance de 7 à 14 secondes par arrêt, et bien évidemment de moindres pertes en ligne.

En France, SNCF Réseau se penche sur le principe de la très haute tension à courant continu, en 9000 V, avec une connexion au réseau triphasé. La migration pourrait être effectuée progressivement par l'installation de groupes 9000 V, espacés de 40 à 100 km comme une caténaire 25 kV, délivrant d'abord du 1500 V par le biais de 6 groupes transformateurs-redresseurs à la place des sous-stations existantes. La migration en 9000 V, après adaptation du matériel roulant, serait alors engagée, par modification de la configuration de ces groupes. D'après International Rail Journal, une étude sur la ligne des Landes, entre la bifurcation de Lamothe et Saint Paul les Dax (100 km) aboutit à une réduction potentielle de 6 à 2 du nombre de sous-stations, une réduction de la section du fil de contact de 850 à 266 mm², ce seul point générant une économie de 20 M€ et une réduction de la production d'énergie de 5 MWh par jour. Combinée à l'usage de câbles supracondensateurs plus efficaces même à basse température, le 9000 V continu présenterait donc d'intéressants avantages économiques avec un meilleur ratio entre l'énergie produite et la performance de l'exploitation. On ajoutera aussi l'élimination du problème des sections de séparation sur les lignes alimentées en 25 kV 50 Hz, qui peuvent s'avérer pénalisantes sur les dessertes omnibus (surtout quand elles sont situées en aval immédiat des gares).

Bref, le courant continu n'a peut-être pas dit son dernier mot, d'autant que d'autres atouts pourraient émerger, notamment en lien avec des trains à rechargement en ligne et dotés de batteries : le 9000 V continu pourrait contribuer à réduire le temps de rechargement et simplifier la conception de ce type de matériel roulant, car sous 1500 V, l'ampérage limité allonge ce délai, sauf à envisager des équipements plus coûteurs comme le profilé rigide.

Le courant continu à haute tension pourrait aussi être combiné à des dispositifs de stockage d'énergie au sol pour lisser la production du réseau d'alimentation et injecter un complément d'alimentation par le biais d'un système de détection de l'approche des trains. Un essai est en cours sur la ligne Saint Gervais - Vallorcine, sur le troisième rail alimenté en 850 V avec un équipement léger de 1 kWh.

Louis Armand doit en être tout retourné...