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Les systèmes d'électrification

Apparue dès la fin du XIXe siècle, la traction électrique ne pouvait pas se contenter de simples batteries, vu les puissances mises en jeu. Progressivement, plusieurs systèmes sont apparus, chacun voulant résoudre les inconvénients de ses prédécesseurs.

Distribuer l'énergie électrique

Le troisième rail

Robuste, le troisième rail ne nécessite pas de modifier le gabarit des ouvrages d'art et ne demande que des frais de maintenance réduits. Les problèmes de rupture ou de chute de caténaire sont ainsi évités, c'est pourquoi ce système très fiable a été adopté lors des premières électrifications à la fin du XIXe siècle et reste encore utilisé par la majorité des réseaux de métros dans le monde. Cependant, il pose des problèmes de sécurité vis à vis des personnes, empêche l'utilisation d'engins mécanisés pour l'entretien de la voie et ne peut être utilisé à des vitesse élevées (dépassant les 140 km/h). Les zones d'aiguillages, les passages à niveaux entraînent des discontinuités dans l'alimentation électrique des engins, très gênants à basse vitesse. Enfin, les pertes par effet Joule sont importantes, vu la section du rail conducteur : on ne peut pas y distribuer des tensions supérieures à 1500 V.

En France, le réseau de l'Etat (banlieue St Lazare en 750 V continu)et du PLM (ligne de la Maurienne en 1500 V continu) avaient électrifié dans les années 20 et 30 certaines lignes avec ce système, qui a disparu pendant les années 70 et 80. Il subsiste encore aujourd'hui sur les lignes à voie métrique (Cerdagne, Chamonix - St Gervais, exposées aux intempéries) et certains métros (en raison de sa fiabilité).

Pour des raisons esthétiques, le troisième rail connaît actuellement un renouveau sur les réseaux de tramways : un troisième rail est placé au milieu de la voie, découpé en sections moins longues que les rames et doublé par un câble enterré l'alimentant. Chaque section est reliée au câble enterré par le biais d'un boitier, qui ne laisse passer le courant que lorsque la rame se trouve au dessus. Ainsi, avant et après que le tramway soit passé, la section se retrouve hors tension, ce qui permet à la fois de limiter les pertes et d'éviter tout danger aux personnes, le rail sous tension n'étant jamais accessible.

Ce système appelé (APS) a été inventé par Alstom, et d'abord mis en place sur le réseau du tramway de Bordeaux en 2004, avant d'être étendu à d'autres agglomérations ne voulant pas utiliser de caténaires risquant de défigurer les lieux.

La caténaire

Solution la plus couteuse à mettre en place (pylônes, mise au gabarit), fragile et nécessitant de l'entretien, la caténaire est néanmoins la meilleure solution pour transporter de l'énergie électrique actuellement : permettant une alimentation sans interruption au niveau des passages à niveaux ou des aiguillages, conduisant des tensions très élevées, tout en étant bien moins dangereuse pour les personnes, elle a subi de nombreux perfectionnements permettant son utilisation même à des vitesses très élevées (record du monde à 580 km/h). Placé sur la toiture de l'engin, le pantographe frotte sur la caténaire afin de capter le courant qui y circule ; il est parfois nécessaire d'utiliser un second pantographe lorsque les intensités demandées sont encore plus importantes (démarrage de trains lourds sous courant continu).Régulièrement, des incidents rappellent la fragilité de ce système restant malgré tout indispensable.

Les accumulateurs

Utilisés en Allemagne sur des automotrices construites entre les années 20 et 60, la solution de stocker l'énergie électrique dans des accumulateurs est très rare (elle a disparu du réseau allemand pendant les années 90) : les batteries sont très chères et lourdes, sujettes à l'usure, nécessitent des prises de chargement et ne permettent que de faibles performances. Malgré une désaffection à l'heure actuelle, il est probable que cette solution revienne sur le devant de la scène dans les années à venir, avec le développement de nouveaux accumulateurs plus performants (super capacités) stockant l'énergie dissipée lors des freinages. Ce système est actuellement en cours d'expérimentation sur des tramways, permettant leur circulation sur des tronçons non électrifiés.

Le groupe électrogène

La solution la plus simple pour disposer des performances d'une locomotive électrique sans avoir à déployer des infrastructures est bien l'utilisation de locomotives Diesel électriques. Cette solution, la plus répandue dans le monde, consiste à installer un groupe électrogène (moteur Diesel + alternateur) dans une locomotive électrique. les performances (traction, adhérence...) sont identiques à celles d'un engin électrique, mais le rapport poids puissance est plus mauvais (en général, à masse équivalente, une machine électrique pure est deux fois plus puissante qu'une Diesel électrique). De nombreux pays (comme les Etats Unis) ont choisi cette solution, utilisant si besoin plusieurs machines simultanément.

Dissipant une énergie fossile, la traction Diesel reste condamnée à moyen terme. D'ores et déjà, les constructeurs développent des locomotives électriques alimentées par une pile à combustible (projet PLATHEE de la SNCF sur une BB 63400). On peut donc s'attendre à voir apparaitre dans les prochaines années des locomotives à transmission électriques, équipées d'un groupe électrogène formé à partir d'une pile à combustible.

Quels types de courants ?

Plusieurs systèmes d'électrification, privilégiant soit la distribution du courant soit les performances ont vu le jour grâce aux avancées dans le domaine de l'électrotechnique :

Courant continu

Utilisé dès la fin du XIX siècle, lors des premières électrifications, ce système a progressivement augmenté en tension (passant de moins 600 V à 3000 V au milieu des années 20) mais s'est montré obsolète dès le milieu des années 60. Il reste encore largement utilisé, permettant d'utiliser du matériel ancien, notamment sur les réseaux de tramways.

Le courant monophasé

Apparu au début du vingtième siècle, les électrifications en courant haute tension monophasé ont pendant longtemps été effectuées en utilisant des fréquences spéciales, ne dépassant pas 25 Hz, afin de conserver des performances acceptables. Encore aujourd'hui, la plupart des lignes germaniques et scandinaves sont équipées en 15000 V 16,7 Hz, ce qui impose un réseau de distribution spécifique.

Malgré quelques essais en Allemagne en 1936, le courant haute tension à fréquence "industrielle" 50 Hz n'a été utilisé avec succès qu'à partir de 1950, grâce à la persévérance des ingénieurs de la SNCF (essais des premiers engins à redresseurs sur les lignes de Savoie). Le développement de ce système économique et performant a ensuite été très rapide, étant choisi par la plupart des pays (dont l'URSS, la Chine et l'Inde) ; il est aujourd'hui le standard mondial.

Le courant triphasé

Très complexe à mettre en œuvre, l'électrification par courant triphasé nécessite une caténaire double (chaque fil transportant une phase), tandis que le retour de la troisième phase s'effectue par les rails. Les chemins de fer Italiens ont pourtant utilisé ce système, avec du 3600 V 16.7 Hz, pour les électrifications effectuées entre 1905 et 1928 ; ce système a disparu vers 1975. Aujourd'hui, avec la généralisation de l'électronique de puissance, la plupart des engins utilisent des moteurs à courant triphasé.