1 – A 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 milieu 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 œuvre sur le PSE, l’augmentation de la consommation d’électricité (tout comme celle du coût d’entretien du matériel 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. A l’origine, les parcours annuels des rames TGV PSE s’établissaient à 350 000 km. Aujourd’hui, ceux des Duplex oscillent 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 dix prochaines années, de nouvelles entreprises ferroviaires, la tentation pourrait être de chercher 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’ensemble 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 serait alors de pouvoir rechercher quelle incidence chacune des différentes solutions techniques proposées par l’industrie ferroviaire exerce réellement 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 courbures), d’où, selon RFF, une majoration des coûts de construction pour les prochaines 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, celui-ci transporterait davantage de voyageurs, qui paieraient peut-être aussi plus cher leurs billets (corollaire de la réduction offerte 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 roulement 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 plateforme, 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, contrairement à ce que d’aucuns croient, un train à sustentation magnétique n’est nullement moins bruyant qu’un train conventionnel avec roue 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 » seize TGV à l’heure au lieu des douze en TVM 300 (ou des quinze en TVM 430). Cela dit, même au rythme de seize 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 partant 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 devient 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 dix-neuf 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. A 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 admettre 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 autrement ! Casse-cou ? En tout cas, ce challenge reste encore à gagner car même si, à la réflexion, 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 totale, 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…
6 – La limite des 17 t pour la charge à l’essieu doit-elle être revue à la baisse ?
Une augmentation des vitesses se traduira, bien évidemment, par un accroissement des charges dynamiques. Les efforts exercés sur la voie lors du franchissement d’une courbe sont proportionnels à la masse, au carré de la vitesse, et inversement proportionnels au rayon de courbure. Les STI (spécifications techniques d’interopérabilité) fixent à 17 t la charge maximale à l’essieu des trains à grande vitesse. Ce sont les Français qui ont été à l’origine du choix de cette valeur. Au départ, les Allemands préconisaient, au contraire, des charges plus élevées, de l’ordre de 19 t. Les 20 t sont d’ailleurs pratiquement atteintes sur les essieux des motrices des générations ICE 1 et ICE 2. En parallèle, de substantiels progrès accomplis sur l’infrastructure ont permis de compenser l’augmentation des charges dynamiques. S’il est vrai qu’ont autrefois roulé à 200 km/h en service commercial des locomotives BB 22200 (dont la charge à l’essieu est égale à 22,5 t !) avec des bogies et suspensions bien moins élaborés que ceux des motrices TGV et, a fortiori, ceux de leurs remorques, le consensus s’est logiquement établi sur le chiffre des 17 t pour les trains à très grande vitesse. Faudrait-il aujourd’hui remettre en question cette norme européenne ? « Qu’on nous apporte donc la preuve que le 17 t à l’essieu est mauvais pour la voie, car alors il ne faut plus que les STI l’autorisent ! », commente François Lacôte. « Mais si la charge à l’essieu était un réel problème, pourquoi en trente ans d’exploitation de la grande vitesse en France personne ne l’a vu ? Pourquoi n’a-t-on pas constaté non plus de dégradation particulière sur la section du TGV Méditerranée autorisée à 320 km/h ? » D’ailleurs, sait-on vraiment ce qui fatigue le plus la voie : beaucoup d’essieux faiblement chargés ou peu d’essieux davantage chargés ? Vaut-il mieux seize bogies aux essieux chargés à 15 et 16 t (comme sur le Velaro) ou bien douze bogies à 17 t (comme sur l’AGV) ? A longueur et capacité équivalentes, l’AGV (à onze voitures) rempli de voyageurs se trouve être plus léger que le Velaro à vide. La charge à l’essieu est-elle alors le critère le plus dimensionnant ? De toute évidence, les études correspondantes restent à mener…
7 – Le Duplex fatigue-t-il davantage l’infrastructure qu’un TGV à un seul niveau ?
Contrairement à ce qui a pu être dit, le Duplex ne fatigue pas davantage la voie qu’un TGV à un seul niveau. Grâce à une véritable « chasse aux kilos » entreprise pour alléger ce matériel au stade même de son développement (avec le recours à des solutions innovantes comme les planchers « nid-d’abeilles » en aluminium, les caisses construites dans le même métal, les armatures de sièges en magnésium, les essieux forés, ou encore les isolations à base de matériaux composites…), aucun de ses essieux ne dépasse les 17 t, ceux des deux bogies porteurs en extrémité de tronçon étant d’ailleurs, comme à l’accoutumée, encore moins chargés. Le Duplex ne saurait donc s’avérer plus agressif pour la voie qu’un TGV à un seul niveau. Qui plus est, en charge moyenne à l’essieu, il se révèle même meilleur ! Par ailleurs, un essai entrepris avec un Duplex dont les essieux du tronçon avaient été chargés à 18 t à l’aide de gueuses a montré que les charges dynamiques mesurées sur ces essieux porteurs étaient moindres que celles exercées par les essieux à 17 t des motrices… Si, pour le Duplex, la motorisation concentrée restera indubitablement le meilleur choix, il semble qu’elle conserve aussi un certain avenir pour les rames à un seul niveau. En Europe, où la longueur des quais est généralement limitée à 400 m, l’optimisation de la capacité milite pour la motorisation répartie, même si celle-ci est plus délicate en maintenance. Mais si cette contrainte sur la longueur de rame s’efface, la motorisation concentrée peut alors présenter des avantages. C’est le cas, en particulier, des environnements avec présence de sable, où il est bien sûr plus facile de protéger les appareillages en les regroupant sur des motrices stricto sensu que l’on peut équiper de centrales de filtration…
8 – L’architecture articulée des rames françaises est-elle plus agressive pour la voie ?
La rame articulée a beaucoup de vertus. Elle minore la résistance à l’avancement provenant du roulement et celle liée à l’aérodynamisme, ce qui diminue déjà la dépense énergétique alors que la puissance à installer à bord du train varie comme le cube de la vitesse. Elle offre aussi une meilleure sécurité en cas de déraillement. Mais un autre avantage non négligeable de la rame articulée est son « grand » bogie. Avec un empattement de 3 m, celui-ci va moins abîmer la voie, à grande vitesse, qu’un bogie d’empattement 2,50 m comme celui des ICE, qui est justement tenu par quatre amortisseurs antilacets parce qu’il tend plus facilement à manifester de l’instabilité. En outre, le bogie à empattement court subit certainement davantage de contraintes mécaniques, ce qui n’est bon ni pour la voie ni surtout pour les essieux. La rame articulée qui, de surcroît, compte moins de bogies qu’une rame conventionnelle d’égale longueur, devrait donc à l’évidence moins fatiguer la voie…
9 – A 360 km/h, la voie ballastée sera-t-elle encore acceptable ?
A 350 km/h, on s’approche très probablement des limites de la voie ballastée. D’après l’expérience de RFF sur la ligne à grande vitesse Est-européenne, des difficultés apparaîtraient dès 320 km/h. La vitesse peut-être assurément l’un des facteurs intervenant dans la dégradation plus rapide des voies de cette ligne nouvelle, mais est-ce le seul ? Rien n’est moins sûr… Très économique à poser (à partir du moment où existent des carrières adéquates pas trop éloignées), la voie ballastée se règle facilement, mais elle a tendance aussi à générer des « envols de ballast » avec certains types de matériels roulants. De plus, en période de neige, on ne sait pas rouler à grande vitesse sur une voie ballastée : les blocs de glace détachés des bas de caisses sous le souffle de trains croiseurs chutent entre les rails en entraînant des projections de ballast, ce qui nécessite alors l’instauration systématique de limitations temporaires de vitesse hautement préjudiciables à la régularité. La voie sur dalle, elle, coûte certes nettement plus chère à la pose, mais elle ne « bouge » pas dans le temps et son comportement dynamique reste impeccable. Sa maintenance est également beaucoup moins onéreuse. En revanche, elle nécessite une très bonne exécution de la plateforme, faute de quoi la dalle peut se fissurer ultérieurement en cas de tassements différentiels des terrains, et il ne reste plus alors qu’à tout casser…
10 – La France a-t-elle vraiment besoin de rouler à 360 km/h ?
Côté RFF, l’heure n’est pas à la promotion des 360 km/h, et la Chine ne doit en aucun cas être prise comme un exemple à transposer tel quel chez nous. « Nous nous posons la question de la pertinence d’une vitesse aussi élevée pour les faibles densités d’habitants que nous connaissons en France, en dehors de Paris, explique Alain Sauvant. Ne sommes-nous pas en train d’atteindre tout simplement la limite économico-environnementale ? » Pour Alstom et François Lacôte, il en va tout autrement : « C’est un crime contre l’environnement de continuer à prendre l’avion sur des distances de mille kilomètres. Les Chinois l’ont bien compris qui, après avoir essayé la sustentation magnétique, ont choisi de miser à fond sur le rail. Et ils risquent maintenant de nous passer devant… », note le directeur technique du grand constructeur. « On va bientôt rouler à 350 km/h sur Pékin – Shanghaï et sur Moscou – Saint-Pétersbourg. Nous, nous avons déjà la technologie qui le permettrait. Cette technologie se trouve d’ailleurs pour partie dans les mains de nos grands équipementiers, et elle peut donc se trouver disponible pour les Chinois… » Les 360 km/h à l’intérieur de nos frontières seraient-ils aussi le prix à payer pour préserver à l’exportation l’excellence ferroviaire de la « Maison France » ?
