Un renouveau pour le rail
Une proposition dans le cadre!:
•Du plan de relance écologique
•Dans le domaine du fret ferroviaire
Il s’agit d’une étude de faisabilité!proposée dès l’année 2000 et affinée
jusqu’à 2020
Utopie pour le transport ferré!(version
2001 révisé en 2017, 2021 et 2023)
Innovations!obligatoires pour sauver
le fret ferroviaire.
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Sommaire
Voir aussi!:
o!:!des navettes SNCF autonomes
o!: le transport public autonome, sur pneus
SOMMAIRE ................................................................................................................2
CONTEXTE ................................................................................................................4
LE WAGON AUTOMOTEUR, UNE UTOPIE ? .....................................................10
GESTION RÉGULÉE DE L’ÉNERGIE ..............................................................................................11
ATTELAGES IMMATÉRIELS ............................................................................................................11
DIVERGENCE / CONVERGENCE .....................................................................................................12
MOTEUR-ROUES ...............................................................................................................................13
COHABITATIONS ...............................................................................................................................13
DERNIER KILOMÈTRE ......................................................................................................................14
CONTENEURISATION .......................................................................................................................16
ATTELAGE IMMATÉRIEL .................................................................................................................20
DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE .........................................................................................................22
RÉCUPÉRATION AU FREINAGE ......................................................................................................24
WAGONS À STRUCTURE LÉGÈRE .................................................................................................25
MOTEUR-ROUES / FREINAGE .........................................................................................................26
BATTERIES .........................................................................................................................................28
WAGON-PILOTE AUTONOME LÉGER. ...........................................................................................28
CINÉMATIQUE D’ATTELAGE ..........................................................................................................31
DÉGROUPAGE ....................................................................................................................................31
TRANSMISSIONS FILAIRES ............................................................................................................32
TRANSMISSIONS SATELLITAIRES ................................................................................................32
AIGUILLAGE .......................................................................................................................................33
COMPATIBILITÉ AVEC L’EXISTANT ...............................................................................................33
OPÉRATIONS PORTUAIRES ............................................................................................................33
HYPERVISEUR ...................................................................................................................................34
ÉQUIPEMENT DES ITINÉRAIRES DE TRANSIT ...........................................................................35
ÉQUIPEMENT DES DESSERTES ET VOIES D’ATTENTE ............................................................35
PLATEFORMES D’ÉCHANGE ...........................................................................................................36
PANNES ................................................................................................................................................37
CONCLUSION .....................................................................................................................................39
TRANSPORT DE VOYAGEURS ............................................................................40
WAGON AUTONOME ISOLÉ, À PANTOGRAPHE ............................................41
ENVIRONNEMENT .................................................................................................42
ACCEPTABILITÉ SOCIALE ..............................................................................................................42
PLANNING ...........................................................................................................................................43
NOTION DE COÛTS ...........................................................................................................................45
RAIL%VERSUS%ROUTE% %...............................................................................................................................................46
SIMULATIONS VIDÉO .......................................................................................................................49
ELÉMENTS D’ANALYSE DE LA VALEUR .......................................................................................55
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Les wagons peuvent aussi être autonomes
Un projet pour remettre le fret sur les bons rails.
Les poids lourds sont des wagons de fret automoteurs mis sur la
route. Ils ont l’avantage de la souplesse dans la gestion de leurs
itinéraires et d’être rapide en évitant les gares de triage. Les
camions consomment beaucoup, polluent, usent les chaussées et ne
pratiquent guère la conteneurisation. Les conditions de travail des
conducteurs sont difficiles, mais bientôt les camions sans chauffeur
éluderont le problème . 1
Le fret ferroviaire peut offrir les mêmes avantages si chaque wagon
est autonome, automatique et dédié aux conteneurs normalisés,
permettant ainsi la constitution dynamique des trains au départ des
ports ou des plateformes d’échange et permettant l’aiguillage
individuel à chaque divergence ou convergence selon la destination.
L’enjeu de la survie du fret ferroviaire vaut de se poser la question
de la faisabilité d’un tel système et de sa compatibilité avec
l’existant.
Ce projet est à coupler avec des aménagements innovants pour le
"dernier kilomètre". L’enjeu des économies d’énergie et de la
sauvegarde des lignes non rentables vaut de se poser la question de
la faisabilité d’un tel système et des exigences de sa compatibilité
avec l’existant!: un défi européen!!
Des poids lourds en convoi sur des rails, cela s’appelle un train,
dont chaque wagon saurait être «!parfois!» autonome... Les
technologies d’aujourd’hui font reconsidérer l’utopie au point d’en
montrer la!faisabilité.
A noter que les poids lourds ont des restrictions de circulation les WE et jours fériés.
1
Ils roulent peu la nuit et peuvent être arrêtés par les intempéries et ralentis dans les
bouchons. A noter aussi que le fret routier est devenu économiquement incontournable,
qui peut faire grève ou au contraire assurer un lobby anti-ferroviaire puissant.
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Contexte
Bientôt, le transport routier transportera 10 fois plus de fret que le transport
ferroviaire. Le réseau ferré supporte 80 millions de train-kilomètres sur
30!000 km de voies, dont le tiers supporte moins de 10 trains par jour.
Les petites gares sont en déshérence. Une voie de chemin de fer assure en
moyenne le transport équivalent à 20 camions à l’heure, alors qu’une voie
d’autoroute supporte en moyenne 150 camions à l’heure.
Un train transporte en moyenne environ 500 tonnes sur une
distance moyenne de 350km, soit l’équivalent du fret de 50 camions.
Le réseau ferré est sous-utilisé, en particulier les lignes secondaires et les
dessertes ferrées industrielles. La demande est en constante diminution, les
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opérations de constitution des trains sont longues, le système ferré offre peu
de souplesse et les délais d’acheminement d’expéditeur à destinataire sont
peu compatibles avec les exigences des clients.
Expéditeurs et destinataires sont à plusieurs kilomètres des gares. Les
ruptures modales sont autant de surcoûts.
Le réseau ferré, hors quelques grandes lignes et quelques tronçons
régionaux, devrait disparaître faute de compétitivité.
Pour le fret routier, Google, Tesla et
autres grands constructeurs ont
engagé d’énormes investissements
pour le véhicule routier
automatique. Dans peu de temps,
sur les autoroutes, rouleront des
trains de camions automatiques sans
conducteur. Déjà le camion porte-
conteneur autonome (Donfeng) est
opérationnel dans les ports chinois.
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L'usure des chaussées est exponentielle avec les charges à l'essieu. Un seul PL en forte 2
surcharge peut détruire une chaussée, voire un pont comme le celui de Mirepoix
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assembler en trains et de l’autre des trains à qui l’on voudrait la souplesse
d’un ensemble de camions.!
Diminuer, ou tout au moins contenir le trafic lourd sur les routes et
autoroutes, c'est le souhait d’une majorité de citoyens.
L’acceptabilité sociale des Poids lourds devient problématique. Leur
nombre croissant et le poids à l’essieu autorisé trop élevé réduisent
la durée de vie des chaussées, dont la rénovation est
particulièrement coûteuse. Les accidents impliquant les camions ont
de forts retentissements dans les media. Les conditions de travail des
chauffeurs sont en décalage avec le progrès social. Les poids lourds
sont difficiles à gérer dans les situations de crise telles qu’un épisode
neigeux ou une fermeture d’axe. Les grèves du transport routier
peuvent conduire à une faillite économique…
Mettre le fret sur les rails, c'est conserver un équilibre concurrentiel
voire complémentaire, faire des économies sur l’entretien des
infrastructures routières, voire sur certains investissements lourds.
C’est aussi éviter des conditions de travail pénibles aux chauffeurs
routiers qui ont certainement un rôle à jouer dans les trajets locaux
expéditeur-gare et gare-destinataire, C’est encore réduire la
consommation énergétique et les pollutions ainsi que la gravité des
accidents.
C'est aussi une occasion de vivifier les plate-formes de triage qui
peuvent être transformées en centres de distribution, réduisant ainsi
l'artificialisation des sols provoquées par la multiplication des
plate-formes de distribution routières.
On peut certes essayer d'automatiser des pelotons de poids lourds
sur les autoroutes, mais il faudra pour cela trouver une solution aux
véhicules légers qui veulent sortir de l’autoroute alors qu’un train
continu de camions en voie lente les en empêche. La solution du
problème existe, c'est le train sur chemin de fer, mais on lui
reproche en particulier sa rigidité, dans le temps et dans l’espace.
Une première amélioration est le ferroutage qui permet aux
camions de prendre le train. N'est-ce pas un peu bizarre de mettre
des roues sur des roues ? On peut aller plus loin sans révolutionner
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d'un coup le système ferroviaire actuel en donnant aux wagons une
certaine autonomie et en généralisant les conteneurs.
Seule une révolution technologique de même ampleur que le TGV peut
justifier le maintien du réseau ferré pour le fret. Les ingénieurs de la SNCF
planchent actuellement sur la conduite automatique des trains, mais cette
évolution ne changera pas les conditions de concurrence avec le transport
routier.
Puisque des entreprises privées vont mettre sur les autoroutes des trains de
camions, pourquoi un partenariat public-privé ne réussirait-il pas à mettre
sur les rails des wagons “intelligents” automoteurs sans conducteur.
Il ne s'agit pas de changer le réseau actuel et son exploitation. Il s'agit
d'ajouter un service concurrentiel du fret routier : souplesse et rapidité et
d'utiliser les petites lignes comme un atout pour la renaissance du
transport ferroviaire.
Le concept de wagon autonome en convoi existe depuis au moins 20
ans. C’est le camion électrique des suédois, mais sur rails. Utopie!?
Par ailleurs, la généralisation du conteneur est une opportunité de
développement. Le conteneur convient à la quasi totalité des
marchandises. Le wagon devient une simple plate-forme. Utopie!?
Une première contrainte porte sur le débit (le nombre de wagons à
l’heure) qui est contraint par la faible friction entre la roue en acier
et le rail en acier. Le freinage d'un wagon de 30!t lancé à 140 km/h
sur voie horizontale est d'environ 1000!m. Chaque wagon devrait
alors être astreint aux règles de cantonnement. Avec des cantons de
2!km, les wagons ne pourraient se suivre qu'à plus de 1 minute,
limitant le débit à 60 wagons à l’heure. La solution est le convoi.
Un autre contrainte est qu'un wagon autonome sur batterie, non
intégré à un train, ne peut avoir l'autonomie suffisante pour
traverser le pays sans se recharger. De plus un pantographe par
wagon serait une solution compliquée. Il lui faudrait aussi une
carrosserie aérodynamique. La solution est le wagon autonome.
Il faut aussi penser que les lignes secondaires sont rarement
électrifiées, La solution est qu’une partie de l’énergie soit dans les
batteries des wagons et que l’autre soit fournie via les caténaires ou
par un générateur électrique embarqué dans la «!motrice!».
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L’énergie est distribuée à tous les wagons pour recharger les
batteries. Le générateur d’énergie n’aura pas besoin d’un grande
puissance si les batteries aident aux démarrages et dans les rampes.
Une troisième contrainte est l’attelage automatique compatible avec
le système à crochet, ce qui représente un défi mécanique et
informatique coûteux.
Enfin, il faut penser à la cohabitation d’un nouveau système avec
les trains classiques. La solution est de garder les trains classiques et
de développer des trains avec attelages immatériels.
Quand aux contraintes de coûts et de mise en oeuvre, la solution est
de ne fabriquer qu’un seul type de wagon standard!: une plate-
forme pour conteneurs, avec limitation de tonnage (le fort tonnage
reste aux trains classiques ou au fret routier).
Ces contraintes conduisent à la solution d’un convoi,… très différent des
trains d’aujourd’hui, qui ne remettent pas en cause les trains classiques, mais
qui introduit sur le réseaux un service supplémentaire de convois de
plateformes autonomes porte-conteneur.
Le développement du wagon automoteur en convoi est une révolution
technologique propre à maintenir le réseau ferré face à la route sur les
grands axes comme sur les lignes secondaires et dans les dessertes ferrées
industrielles, dans le cadre de la transition écologique et solidaire.
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Le wagon automoteur, une utopie!?
L’objectif est clair. Cependant, aucun projet technologique ne s’intéresse à la
solution des wagons automoteurs, qui pourrait résoudre la rigidité ferroviaire.
Technologiquement, à considérer la compatibilité avec les convois classiques,
on comprend que les ingénieurs n’osent pas se lancer dans cette solution.
Utopie!! A voir!? Le présent document ose proposer une solution générale
répondant à toutes les réticences des ingénieurs du domaine ferroviaire.
Donnons-nous le temps d’imaginer. Équipons chaque wagon d’un
moteur d’appoint, d’une autonomie électrique de quelques
kilomètres et d’un système d’attelage "immatériel" (voir plus loin)
en dynamique. En régime de croisière, les wagons forment un train
normal. A l’approche d’une dérivation, le train ralentit, le ou les
wagons ayant à quitter l’axe principal se désaccouplent en laissant
avec le wagon précédent un intervalle compatible avec un
mouvement d’aiguillage. Après passage de la zone d’aiguillage, les
wagons restant sur l’axe principal rattrapent la tête du convoi et
s’y accouplent à nouveau. Les wagons dérivés utilisent leur
autonomie pour continuer à faible allure sur leur voie de desserte.
Inversement, les wagons prêts à partir d’une voie de desserte
attendent le passage du prochain convoi pour s’y accrocher avant
qu’il ne reprenne sa vitesse de croisière. Le réseau ferré est ainsi
parcouru en permanence par des «!motrices!» derrière lesquelles le
convoi se transforme au gré des besoins de chacun de ses wagons.!
Le fret ferroviaire présente alors une souplesse et une rapidité équivalente au
fret routier. Les wagons n’ont plus de passage obligé par ces gares de triage
qui allongent et compliquent leur parcours. Les gares de triage deviennent
de simples commutateurs avec une voie d’attente par direction. De
nombreuses voies de garage et aiguillages peuvent être supprimés. Les
petites gares peuvent devenir des substituts aux énormes plateformes
logistiques routières qui défigurent le pays. Le nombre de wagons dormeurs
est réduit, la rotation du parc est optimale. Les «!motrices!» n’ont pas à
s’arrêter ou à démarrer à pleine charge, ce qui réduit la puissance globale
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nécessaire et supprime la fonction de traction assurée par une locomotive
pesante et surpuissante.!
Gestion régulée de l’énergie
En contrepartie, le système demande l’introduction de l’intelligence et de
l’énergie dans chaque wagon.
Pour bouger un wagon de fret à faible vitesse en palier, quelques watts
suffisent, pour vaincre les frottement roue/rail et la résistance de l’air. A la
vitesse de croisière (30m/s), les frottements roue/rail sont faibles et diminuent
avec la vitesse. La traînée aérodynamique sera d’autant plus faible que les
wagons sont rapprochés. L’interdistance entre wagons classique est de 1,30m
contre environ 10 à 15cm pour un attelage immatériel, limitant ainsi les
tourbillons d’air entre les wagons.
Les contraintes de puissance sont aux démarrages et dans les rampes, en
distinguant les rampes courtes et les rampes longues.
Solution!: tous les wagons participent à la propulsion du convoi. Les
batteries «!lissent!» la consommation de l’énergie sur tout le trajet. Elles se
rechargent en croisière en palier ou en descente. Les batteries des wagons
soulagent la motrice dans les courtes rampes ou lors des montées en vitesse.
Elles se rechargent pendant la croisière, en descente et en décélération .
3
Quelques dizaines de litres de batteries modernes devraient suffire à chaque
4
wagon.
Attelages immatériels
5
Les attelages mécaniques automatiques (compatibles avec les
attelages manuels) sont complexes (tampon amortisseur, dételage
Le freinage d’urgence, très rare, n’est pas à prendre en compte.
3
A la différence des voitures, le poids des batteries n’est pas un critère important. Il vaut
4
mieux parler en termes de densité d’énergie volumique plutôt que massique.
Selon l’étude allemande de 2009 "L’attelage automatique à tampon central, de
5
Bernhard Sünderhauf (Altaplan Leasing Gmbh)", l’attelage automatique seul pourrait
accroître la productivité du chemin de fer de 30%
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sous tension, conduite de vapeur, connexion électrique,...) et
nécessitent leur harmonisation. Solution!: l’attelage immatériel
Le système d’attelage immatériel en dynamique ne devrait pas non plus être
trop complexe si l’on prend soin d’équiper les moteurs des wagons d’une
commande précise. Le suivi en temps réel de tous les wagons est fait par
GPS, avec redondance par odomètre, particulièrement en tunnel. La pré-
approche finale se fait au radar (redondance) puis au Lidar, qui servira aussi à
maintenir le wagon à quelques centimètres du précédent.
L'attelage immatériel implique que les wagons puissent s'approcher à
quelques centimètres les uns des autres, que le freinage soit électrique et non
à vapeur, et que la continuité électrique soit assurée d'un wagon à l'autre. Les
nouveaux wagons autonomes pourraient être équipés d’un couplage inductif
pour passer l’énergie électrique d’un wagon à l’autre. Ce couplage se fait sans
contacteur et sans câble à l’air libre . L’ordinateur du wagon gère la
6
puissance sur les roues pour que le wagon suive le précédent au centimètre
près. Il n’y a plus besoin d’attelage mécanique (ni tampons, ni crochets) et les
wagons peuvent se suivre de très près, améliorant d’autant l’aérodynamisme
du train. C’est sans doute là la plus grande révolution technologique ! Pour le
roulage en section courante, il s’agit essentiellement d’accélérer et de freiner
en même temps que la motrice.!Ce n’est plus véritablement une motrice car
elle ne tire plus physiquement les wagons. La puissance de traction est
répartie sur tous les wagons.
Divergence / Convergence
La motrice pour sa part doit savoir si elle approche d’une dérivation utile à
l’un des wagons de son convoi, afin de ralentir. Elle doit savoir aussi l’état de
couplage de tous les wagons, y compris celui des nouveaux venus en queue
de convoi (ou intégrés judicieusement pour grouper les wagons par
destinations).
En amont de chaque divergence, chaque wagon vérifie sa route et, le cas
échéant, selon la destination du wagon précédent, ralentit pour laisser à
l’aiguillage le temps de se positionner. Les techniques informatiques savent
Cette solution plus sécurisée semble préférable à une solution de couplage par contact, 6
sous réserve que le rendement du couplage soit proche de 1.
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réguler des moteurs électriques à la milliseconde près. La mise en œuvre
d’un réseau informatique local reliant tous les wagons d’un même convoi,
accouplés ou non, par courant porteur et redondance par le rail ou par
transmission cryptée sans fil devrait répondre aux exigences de sécurité.!
Moteur-roues
La première idée est que la propulsion du wagon se fasse par un
unique moteur sur un des essieux. Considérant les problèmes de
patinage, de freinage, de différentiel, de puissance, une autre idée
est proposée : des moteur-roues.
Mettre un moteur dans toutes les roues présente l’avantage de diviser la
puissance de traction et de freinage par le nombre de roues.
Dans un train tiré par une seule motrice, c’est le frottement de ses
seules roues motrices qui permet le démarrage et la montée en
rampe sans patiner.
Avec un moteur dans chaque roue, le seuil de patinage est plus haut,
permettant une meilleure accélération et une meilleure tenue dans les
rampes. Cette solution supprime les essieux et permet un différentiel
numérique dans les courbes .
7
Pour un wagon classique portant un conteneur de 6m, il suffit de monter 4
moteur-roues identiques, de moindre puissance, sur leurs ressorts
amortisseurs. Le moteur-roue, tournant dans les deux sens, assure la marche
avant comme la marche arrière. Le wagon est symétrique. L’avantage pour les
accélérations vaut aussi pour les décélérations.
Cohabitations
Les trains de marchandises classiques sont aussi concernés par cette
"révolution technologique" avec une problématique différente. Les
applications non compatibles avec la conteneurisation peuvent être traitées
avec des convois classiques. Le trafic maritime a imposé les conteneurs. Le
vrac et les citernes peuvent aussi se conditionner aux dimensions des
ce qui pourrait remettre en cause la nécessité de bogies pour les wagons supportant 7
les conteneurs de 12m! (voir plus loin)
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conteneurs. La compatibilité avec les wagons traditionnels n’est pas
obligatoire. Les convois de wagons autonomes ont une «!motrice!» qui se
régule comme les trains classiques pour respecter les limites de vitesse et
autres signaux et les distances de sécurité.
Les trains classiques continuent à circuler et les trains de wagons autonomes
sont prêts à accueillir de nouveaux clients.!!
Dernier kilomètre
Le système n’assure pas la desserte du client final, sauf si celui-ci est équipé
de voies privatives. Pour la plus grande partie du fret, le camion reste le bon
moyen d’acheminement entre la gare et le client. Avec un conteneur de 6m,
le camion taxi peut entrer en ville, à la différence du semi-remorque
supportant un conteneur de 12m. Il y a complémentarité entre les modes. Le
fret en conteneur peut être
traité par des portiques de
transbordement sur des
camions-taxis, appelés à la
demande. Le wagon
automoteur comme le
camion-taxi ont tous les deux
l’avantage de pouvoir se
positionner précisément, et à
leur tour, au niveau du
transbordeur. Le
transbordement avec un
bateau porte-conteneurs
devrait être tout aussi simple et rapide.
En France, il circule chaque jour 1300 trains de marchandise, soit environ
30!000 wagons, avec en moyenne 5 gares de desserte par département, soit
environ 1000 aiguillages. L’enjeu est faible à comparer avec l’automatisation
des camions sur les autoroutes. Pourquoi ne pas envisager un projet
européen sur le sujet, je serais le premier à investir des actions dans un
wagon automoteur!?
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