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© RFF/CAPA/Christel Sasso (TOMA)

Travaux de voies sur une ligne à grande vitesse.

Il était une fois dans La Vie du Rail – 44) 360 km/h. Vitesse limite

7 décembre 2018
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Par : Philippe Hérissé

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 44) Il y a 7 ans. 360 km/h. Vitesse limite

Le 26 février 1981, le TGV établissait un record mondial, à 380 km/h. Depuis, il a fait la course en tête… jusqu’à ces dernières années, où de nouveaux modèles de grande vitesse apparaissent. Mieux à même peut-être d’affronter les 360 km/h en vitesse commerciale. Nous examinons cette semaine cinq questions techniques que pose le 360.  (lire la Partie 1)

Trois records du monde, éclatants, établis par les Français, le 26 février 1981 (380 km/h), le 18 mai 1990 (515,3 km/h) et le 3 avril 2007 (574,8 km/h), scandent l’histoire de la grande vitesse. À trois reprises, ils ont montré que la France faisait la course en tête. Certes, le Japon l’avait devancée dans la création d’un réseau à grande vitesse. Une rencontre à la maison de la Culture du Japon, à Paris, le 9 février, a été l’occasion de le rappeler : dans le traumatisme de l’après-guerre, les Japonais décidaient de ne plus s’en tenir à leur savoir-faire ferroviaire issu des technologies britanniques, et de s’ouvrir à d’autres expériences, comme celle de l’utilisation du courant industriel pratiquée par les Français. L’ère de la grande vitesse s’ouvrait.

2011 est l’année des 30 ans du TGV. Une bonne façon d’en commencer la célébration, c’est de prendre comme point de départ l’anniversaire du premier de ces trois records du monde établis par une rame à grande vitesse. Trente ans après, l’heure est plus grave. Et pourtant, la course à la vitesse a été validée. Mieux, même : les Français sont les seuls à avoir l’expérience, depuis tant d’années, d’une exploitation de trains à 300 km/h et, avec le TGV Est, à 320 km/h. Mais les Chinois pratiquent maintenant le 350 km/h en service commercial, viennent de commander des rames aptes à 380 km/h, et on évoque couramment, en Extrême-Orient, quasiment pour demain, les 380 ou 400 km/h. En Europe même, l’Espagne se targue d’avoir dépassé la France : c’est vrai en kilométrage de LGV, même si les Espagnols ne pratiquent toujours pas le 350 km/h annoncé. Les Allemands, longtemps, ont donné l’impression de se limiter au rôle de seconds en Europe, et n’avoir eu l’ambition que de desservir au mieux leurs chapelets de villes. Mais le rôle dé terminant qu’ont les rames Velaro dans la grande vitesse chinoise a montré que leur savoir-faire s’exporte et qu’il se prête à de très hautes vitesses en exploitation. Quant aux Japonais, qui n’étaient guère sortis de leurs frontières, sinon dans cette autre Chine qu’est l’île de Taïwan (et sans omettre l’Angleterre, avec les Class 395 Hitachi), ils ont réussi, à l’égal des Allemands, à vendre leurs rames et leur technologie à l’empire du Milieu.

Le symbole de l’incroyable montée en puissance chinoise fut la tenue à Pékin, en décembre dernier, du congrès mondial de la grande vitesse, High Speed. Pour l’ouvrir dignement, les chemins de fer chinois établissaient, le 3 décembre, un record de vitesse mondial par une rame non modifiée, à 486,1 km/h. Aussi se trouve-t-on face à un paradoxe. Les vitesses égales ou supérieures à 350 km/h sont demandées par le marché mondial, notamment asiatique. Seule la France a une expérience massive et ancienne dans la pratique au quotidien des très hautes vitesses ferroviaires.

Pourtant, d’autres systèmes prennent la tête, tandis même qu’une bonne partie des Français se demandent si la course est bien légitime, et si nous sommes bien placés pour la remporter. Que se passe-t-il ? Le dernier record du monde, établi par une machine mutante, était censé s’inscrire dans un programme d’excellence ferroviaire française. Le programme de recherche qui devait suivre a tout l’air d’être resté sur le bord de la voie. Quelle est la pertinence économique d’une vitesse très élevée ? Comment la voie se comporte-t-elle ? À quel moment faut-il passer du ballast à la voie sur dalle ? « Nous n’avons malheureusement pas de programme de recherche en continu », reconnaît un proche du dossier. Et l’on voit les trois partenaires du record (SNCF, RFF, Alstom) tirer à hue et à dia. Alstom maîtrise de longue date la rame articulée, mais sous la pression des marchés internationaux re vient à une architecture plus classique : on complète la gamme, dit le constructeur, pour présenter tant bien que mal ce revirement stratégique. Le président de la SNCF, qu’on a connu circonspect sur la question des très grandes vitesses, tient aujourd’hui un discours volontariste, correspondant bien à une SNCF qu’il veut « champion industriel » : les 350360 km/h, a-t-il redit le 9 février devant un auditoire franco-japonais, « ressemblent à une norme ». Cependant, la solution française pour y parvenir (rame articulée et ballast) n’emporte pas l’adhésion de tous, même en France. Plus largement, à RFF, on pense d’ailleurs qu’il pourrait être intéressant, plutôt que d’adapter artificiellement les caractéristiques du réseau aux besoins d’un marché mondial lui-même diversifié, d’exporter le savoir-faire que nous aurons toutes les chances de développer longtemps. Encore faudrait-il disposer d’une doctrine de la grande vitesse qui fasse l’unanimité. On a plutôt l’impression qu’elle oscille aujourd’hui, par exemple, entre l’effet réseau grâce aux lignes classiques et la desserte de point à point sur les tronçons les plus rentables. l’État n’aide pas à clarifier la situation. Son avant-projet de schéma national des infrastructures propose des milliers de kilomètres de LGV que ni l’opérateur historique ni le gestionnaire d’infrastructure ne demandent, et dont à peu près tout le monde doute de la réalisation.

Le colloque franco-japonais qui s’est tenu en février fut l’occasion d’une célébration réciproque, sous le signe de deux figures tutélaires : Louis Armand, qui eut l’idée de l’utilisation du courant industriel, et Shuichiro Yamanouchi, l’ancien président d’East-japan Railway. On n’a pas mis en avant une divergence d’approches entre Japonais et Européens que nous avait exposée Shuichiro Yamanouchi au début des années 1990, alors que la Commission européenne commençait à mettre en oeuvre la séparation de l’infra structure et de l’exploitation ; réforme qui, nous disait le dirigeant japonais, nous conduisait droit à la catastrophe. Pour sa part Thierry Mignauw, l’un des anciens dirigeants de la SNCF, ne cache pas sa certitude que, si l’infrastructure et l’exploitation avaient à l’époque été divisées, l’aventure de la grande vitesse n’au rait pu être menée à bien. Trente ans après les débuts du TGV, alors que la France est allée loin dans la séparation institutionnelle des deux fonctions du ferroviaire, on voit bien, devant le seuil des 350360 km/h, que l’heure est venue de repenser le système. Seule une remise en question peut aujourd’hui donner un sens fort à la célébration.

F. D.


 

5 questions que posent les 360 km/h

1. À 360 km/h, consommera-t-on beaucoup plus d’électricité ?

Entre l’apparition, en 1978, de la première rame de présérie du TGV Sud-Est dite alors PSE (qui s’appuyait sur des technologies élaborées au mi lieu des années 70) et celle du prototype AGV développé par Alstom, un quart de siècle s’est écoulé ! Le TGV PSE, d’une capacité d’environ 370 places, avait été originellement dimensionné pour circuler à la vitesse maximale de 260 km/h en service commercial, même s’il roule désormais tous les jours à 300 km/h sans difficulté aucune. De même longueur que le TGV PSE mais plus léger, l’AGV, lui, emportera 450 voyageurs à 360 km/h. C’est dire si, en quelque 25 ans, les ingénieurs ont su faire considérablement évoluer le niveau des connaissances dans cette science nouvelle des grandes vitesses ferroviaires. S’il s’était agi de proposer un train capable de rouler à 360 km/h en service commercial mais construit à partir des technologies mises en oeuvre sur le PSE, l’augmentation de la consommation d’électricité (tout comme celle du coût d’entretien du maté riel roulant rapporté à la place offerte) aurait été bien réelle. Toutefois, grâce à la créativité déployée par l’industrie ferroviaire, l’exploitation de trains à 360 km/h n’engendrera pas de surcoûts sur l’énergie nécessaire à leur circulation. « Le 3 avril 2007, la facture d’électricité correspondant au record mondial de vitesse sur rail à 574,8 km/h s’est élevée, ce jour-là, à juste un euro par voyageur transporté ! Pour l’avion, le coût de l’énergie est un réel problème, mais pour le train à très grande vitesse, ce n’est pas un sujet », commente François Lacôte, directeur technique d’Alstom Transport.

2. Le coût de la maintenance du matériel roulant va-t-il augmenter ?

Dans le coût de la maintenance du matériel roulant, il y a toujours une part liée au kilométrage et une part liée au temps. À l’origine, les parcours annuels des rames TGV PSE s’établissaient à 350 000 km. Aujourd’hui, ceux des Duplex os cillent autour de 500 000 km. Par la simple augmentation des parcours annuels, le coût de maintenance au kilomètre a déjà été sensiblement réduit. Ensuite, des progrès considérables ont été accomplis, qui réduisent significativement les phénomènes d’usure, qu’il s’agisse des moteurs de traction, des roulements, ou encore des disques et garnitures de frein. « Ces progrès ont su effacer les coûts liés à l’augmentation des vitesses », assure aujourd’hui François Lacôte.

3. Quelles seront les incidences sur la construction et l’entretien des lignes à grande vitesse ?

« Le gestionnaire des infrastructures se soucie des conséquences de la circulation du matériel sur ses lignes », prévient d’emblée Alain Sauvant. Le directeur de la stratégie à RFF chiffre à 2 euros du train kilomètre l’endommagement de la voie par une unité simple (200 m) de train à grande vitesse. En prenant comme hypothèses réalistes un parcours moyen annuel de 400 000 km et une durée de vie de 35 ans, chaque rame, au cours de son existence, aura donc endommagé la voie pour quelque 30 millions d’euros, soit un coût équivalent à son prix d’achat ! « Pouvoir disposer d’un matériel roulant qui abîme le moins possible les infrastructures est donc un enjeu fort, et si l’on peut seulement gagner 10 % sur ce coût d’endommagement, cela vaut la peine ! », clame Alain Sauvant. « Avec la séparation des infrastructures et de l’exploitation puis l’émergence, dans les 10 prochaines années, de nouvelles entreprises ferroviaires, la tentation pourrait être de cher cher à minimiser les coûts à nos dépens, aussi nous nous sentons légitimes à vérifier que l’on prend bien en compte l’intérêt de l’en semble du système et l’optimisation de son cycle de vie. »

Si RFF se défend de vouloir adopter une démarche normative, il croit en revanche au dialogue et pourrait aussi, dans un second temps, développer des incitations tarifaires en direction des opérateurs utilisant des matériels reconnus moins agressifs. Toute la question se rait alors de pouvoir rechercher quelle incidence chacune des différentes solutions techniques proposées par l’industrie ferroviaire exerce réelle ment sur le rythme d’usure de la voie. Aussi, face à la perspective de rouler un jour en France à 360 km/h, RFF s’interroge d’emblée sur les conséquences économiques d’une telle opération. Rouler plus vite suppose des rayons de courbure supérieurs (10 % d’augmentation de la vitesse requiert un accroissement de 20 % des rayons de cour bures), d’où, selon RFF, une majoration des coûts de construction pour les pro chaines lignes nouvelles que leur intensité d’utilisation prévue ne justifie pas.

Ensuite, il y a bien sûr le surcoût inhérent à un entretien courant à considérer forcément comme plus important, mais le consensus scientifique n’existe pas encore quant à la loi de variation avec la vitesse du coût de maintenance global de la voie. Sans doute ne dispose-t-on toujours pas du recul nécessaire en ce domaine…

Pour l’opérateur, l’équation économique serait, semble-t-il, assez différente : en faisant rouler plus vite ses rames, il transporterait davantage de voyageurs, qui paieraient peut-être aussi plus cher leurs billets (corollaire de la réduction des temps de parcours), tout en pouvant redimensionner son parc à la baisse…

4. Quel sera l’impact sonore de trains circulant à 360 km/h sur l’environnement ?

Le bruit émis à l’extérieur par la circulation d’un train provient pour partie de son roulement et pour partie d’effets aérodynamiques. Entre les générations TGV PSE et AGV, il a déjà été possible de gagner 10 dBA sur le bruit de roule ment à une vitesse de 300 km/h. En revanche, le bruit aérodynamique représente un problème autrement plus ardu. Les Japonais, dont les Shinkansen roulent souvent en zone très urbanisée, déploient depuis de nombreuses années des trésors d’imagination pour tenter de limiter toujours davantage ce type de bruit, d’où les fameux carénages en forme de baignoire sur la toiture des rames autour des pantographes, ou encore les multiples formes de nez jusqu’ici essayées pour améliorer le coefficient aérodynamique mais aussi réduire les effets en entrée de tunnel ou au croisement d’autres trains. Au sol, la seule parade vis-à-vis des riverains est le mur édifié le long de la plate forme, inesthétique et bien sûr très coûteux… En effet, si le bruit de roulement augmente comme le cube de la vitesse, le bruit aérodynamique, lui, varie avec la puissance 6 ou 7 ! Autrement dit, c’est alors ce dernier bruit qui, de très loin, devient prépondérant. Les courbes représentatives de ces deux bruits en fonction de la vitesse se croisent d’ailleurs dans une plage comprise entre 250 km/h et 300 km/h. Voilà pourquoi un train à sustentation magnétique n’est nullement moins bruyant qu’un train conventionnel avec roues d’acier roulant sur rail d’acier…

5. La diminution du débit de la ligne avec l’accroissement des vitesses est-elle inéluctable ?

La distance d’arrêt d’un train augmente comme le carré de la vitesse. En conséquence, toutes choses égales par ailleurs, il est clair qu’à 360 km/h il faudrait a priori davantage d’espace pour séparer deux trains consécutifs. On en déduit très intuitivement que le débit de la ligne va forcément diminuer. En réalité, ce débit varie pratiquement comme l’inverse de la vitesse. Mais sa diminution n’est en rien une fatalité. Ainsi, le concept ERTMS, mis au point à l’origine pour régler le seul problème de l’interopérabilité, peut aussi avoir, sur le débit des infrastructures, de très heureuses retombées. Ainsi, le simple rééquipement de la ligne à grande vitesse Sud-Est avec le « niveau 2 » permettrait déjà de « passer » 16 TGV à l’heure au lieu des 12 en TVM 300 (ou des 15 en TVM 430). Cela dit, même au rythme de 16 TGV à l’heure, on n’a pas épuisé, pour autant, toutes les ressources d’ERTMS en matière de gestion de l’espacement, loin s’en faut ! En effet, la séquence d’arrêt reste toujours dimensionnée en par tant du principe que le train qui la provoque à l’intention d’un train suiveur se trouve lui-même arrêté. Ce qui, presque toujours, n’est pas le cas. Or, avec ERTMS, il de vient justement possible de connaître, avec précision et surtout « en sécurité » (dans toute l’acception ferroviaire du terme), la vitesse réelle de chaque train. En prenant l’hypothèse réaliste qu’un TGV lancé à 300 km/h ne saurait s’arrêter instantanément, l’intervalle entre deux circulations successives pourrait être alors resserré bien davantage encore pour permettre, cette fois, le passage de 19 TGV par heure ! Et si d’aventure ce TGV s’était arrêté « sur place », en subissant une décélération infiniment supérieure à celle attendue, c’est qu’il aurait alors fatalement déraillé, avec pour conséquence l’engagement extrêmement probable du gabarit de la voie contiguë. À ce moment-là, le vrai risque concerne à l’évidence le premier train croiseur, et non le train suiveur. Or, si ce risque ne peut être géré par les systèmes existants, il le serait sans difficulté aucune à partir d’un ERTMS ainsi « boosté ». Le train déraillé enverrait alors automatiquement, toujours « en sécurité », un message au premier train croiseur comme au train suiveur, provoquant immédiatement leur freinage d’urgence. En analyse « Gamé » (globalement au moins équivalent), la démonstration devrait pouvoir être faite que l’ERTMS « boosté » ne dégrade nullement le niveau de sécurité, puisqu’il l’améliore déjà très sensiblement pour ce qui concerne les croisements de trains. Performante alternative à de coûteux travaux d’infrastructure en vue d’endiguer la saturation des axes existants, ce système sera d’autant plus intéressant que les vitesses maximales en service commercial seront élevées. Il doit, en tout cas, permettre le même débit à 360 km/h qu’à 300. Il faudrait juste faire ad mettre à tous qu’il n’est plus nécessaire (moyennant, bien sûr, quelques précautions) de considérer un obstacle mobile comme fixe, ce que l’on faisait jusqu’ici non pour de prétendues raisons de sécurité, mais bien parce qu’on ne savait pas techniquement faire autre ment ! Casse-cou ? En tout cas, ce challenge reste encore à gagner car même si, à la ré flexion, le raisonnement n’est pas si fou, il faudrait là, pour le moins, faire tomber un sacré tabou… Le constructeur Alstom, qui est à l’origine de ce nouveau concept, aurait apparemment davantage convaincu RFF que la SNCF, plus encline à réclamer, au contraire, de nouvelles lignes. Mais il ne faut pas s’en étonner : il y a déjà plus d’une décennie, un haut responsable des CFF (Chemins de fer fédéraux suisses) nous alertait déjà de difficultés à venir, consécutives à la séparation to tale, en France, entre exploitation et gestion des infrastructures. Et c’est exactement ce qui se passe aujourd’hui. Chacun campe logiquement dans son rôle bien légitime de défendre les intérêts qui lui sont propres. Pour éviter de devoir créer des sous-parcs toujours préjudiciables à la souplesse de l’exploitation, la SNCF aurait à équiper de l’ERTMS, si le concept était adopté, quelque 560 rames TGV Un coût énorme qu’elle devrait alors seule supporter, alors qu’une infrastructure nouvelle sera à la charge de RFF…

Cet article est tiré du numéro 3301 de La Vie du Rail paru le 9 mars 2011 dont voici la couverture :

couv

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