La petite histoire de l'électrification

du réseau ferré français

La petite histoire de l'électrification du réseau ferré français

Transcription :

Le saviez-vous ? Un peu plus de la moitié du réseau ferré national français est électrifié, ce qui veut dire que sur le reste, essentiellement des lignes secondaires parcourues par des TER ou des trains de fret, ce sont des engins diesels qui sont amenés à circuler. Ce n'est bien évidement pas une solution idéale pour l'environnement et pour lutter contre le réchauffement climatique, mais l'électrification de ces nombreux km de lignes coûterait cher, très cher même, on évalue le coût des travaux à réaliser à environ un million d'euros le km, celui-ci pouvant varier selon les obstacles rencontrés, les ponts et les tunnels compliquant sérieusement la pose des équipements nécessaires. Ce qui ne simplifie pas les choses, c'est que la France est littéralement coupée en deux, étant dotée de deux systèmes d'alimentation électriques, parfaitement incompatibles le 1 500 volts courant continu d'un côté et le 25 000 volts courant alternatif de l'autre.

Mais alors, comment en est on arrivé là ? Quelles sont les solutions à envisager ? Après les voitures va-t-on vers des trains de nouvelle génération ? À batterie ? À hydrogène ? Hybride ? On voit tout ça dans cette petite histoire de l'électrification du réseau ferroviaire français. Bonjour et bienvenue dans Aiguillages !

Sur les 28 000 km de lignes ferroviaires encore exploitées en France, pas loin de 16 000 sont électrifiées, la plupart, près de 10 000 km le sont en 25 000 volts courant alternatif, le reste un peu moins de 6 000 en 1 500 volts courant continu. On trouve même du 850 ou du 800 volts courant continu sur les lignes du Train Jaune en région Occitanie et du Mont-Blanc Express en Auvergne-Rhône-Alpes, mais ces lignes de montagne à voie métrique restent une exception, étant alimentée en courant électrique par un 3e rail. La plupart des lignes électrifiées sont celles ayant pour point de départ l'une des grandes gares parisiennes à l'exception notable de la relation Paris-Grandville ou de la ligne Paris-Mulhouse qui ne le sont que partiellement. Quelques grandes transversales sont également électrifiées, c'est le cas des axes Lille-Thionville, Luxembourg-Dijon, Strasbourg-Dijon, Bordeaux-Montpellier ou Le-Havre-Amiens et partiellement Nantes-Lyon. Les 2 800 km de lignes à grande vitesse en service en France le sont également et ont conduit parfois à l'électrification de nouvelles portions de lignes pour permettre aux TGV de poursuivre plus loin leur chemin.

Pour comprendre la querelle entre courant alternatif et courant continu, il faut se rendre aux Etats-unis à la fin du XIXe siècle.

Si l'électricité est un phénomène connu depuis l'antiquité grecque, c'est en effet de l'autre côté de l'Atlantique qu'une industrie commence à se développer autour d'elle, avec la création de deux entreprises concurrentes : Thomas Edison fonde General Electric autour de solutions exploitant le courant continu, tandis que George Westinghouse crée une entreprise portant son nom pour industrialiser les brevets de Nikola Tesla dont les travaux portaient sur l'exploitation du courant alternatif. Pour se lancer les entreprises industrielles électriques françaises exploiteront des licences vendues par les deux pionniers nord-américains. Thomson-Houston optera pour celles de Général Electric dont elle est à l'origine une filiale. Elle développera par conséquent des solutions autour du courant continu et donnera par la suite en fusionnant avec l'Alsacienne de Construction Mécanique naissance à Alsthom, tandis que Schneider optera pour l'approche de Westinghouse autour du courant alternatif.

Les entreprises ferroviaires qui de tout temps ont cherché à faire baisser leurs coûts de fonctionnement, se sont très tôt intéressées à ce que la traction électrique pouvait leur apporter dans ce domaine. En fonction du type de lignes qu'elles exploitaient, elles ont favorisé le courant continu ou le courant alternatif.

Pour les tramways, métros et autres dessertes à vocation urbaines ou sub-urbaines et notamment celles de la banlieue parisienne, le courant continu basse tension aura les faveurs des exploitants. C'est le cas du Paris-Orléans qui ouvre en 1900 un prolongement de sa ligne principale entre les gares d'Austerlitz et du Quai d'Orsay, un trajet de 4 km réalisé essentiellement en sous-sol. Les locomotives électriques y sont alimentées par un 3e rail en 600 volts continu. La compagnie optera pour le même mode de traction pour les relations omnibus établies entre la gare d'Austerlitz et Juvisy. Sur cette relation, entre la capitale et Bretigny point de bifurcation établi sur sa grande ligne conduisant à Orléans ou Tours par Vendôme, les trains de banlieue roulaient sur 4 voies, les deux du centre étant réservées aux express toujours assurés par des locomotives à vapeur, les deux voies extérieures étant électrifiées et dédiées aux omnibus qui tiraient profit de la capacité des moteurs électriques de permettre des démarrages très rapides, les temps de parcours étant divisés par 4 par rapport à ceux réalisés par des locomotives à vapeur. Une usine génératrice était installée dans la gare de marchandises d'Ivry. Là, se trouvaient 3 machines à vapeur actionnant directement un alternateur Thomson-Houston produisant un courant triphasé de 5 500 volts qui était transporté par des câbles sous-terrain jusqu'aux gares d'Austerlitz et d'Ablon située à mi-parcours. Dans ces sous-stations, le courant triphasé était converti en courant continu de 600 volts pour alimenter le 3e rail. Les rames étaient constituées de 7 caisses dont deux automotrices placées à chacune des extrémités pour éviter les manœuvres de retournement en gare.


L'exploitation de lignes de montagne étant une expérience très éloignée de celles de lignes de banlieue, la Compagnie du Midi opta en revanche pour le courant alternatif.

Elle le fit dès 1908 pour son réseau pyrénéen qu'elle décida d'électrifier en grande partie en courant de 12 000 volts monophasé, à la fréquence de 16,66 périodes, après avoir mené une première expérimentation d'alimenter en courant continu basse tension les trains de la ligne de la Cerdagne. Le choix de cette solution fut consécutif au besoin de construire dans le massif pyrénéen les barrages et les centrales qui permettront de fournir l'électricité nécessaire à l'exploitation, avec la contrainte de la transporter sur de longues distances. Les dirigeants de la compagnie s'inspireront largement des choix faits en Suisse et en Allemagne où c'est la tension de 12 000 volts en 12 hertz 2/3 qui est adoptée. Les premiers essais seront faits sur la ligne Perpignan-Villefranche de Conflent dans les Pyrénées-Orientales, car elle partage son tracé entre plaine et montagne. Après en avoir testé plusieurs, l'entreprise optera pour le système très simple de caténaires développé par Westinghouse.

Mais la Première Guerre mondiale va avoir pour conséquence de remettre profondément en question ce choix.

Avec elle survient une pénurie de charbon qui va fortement pénaliser les chemins de fer français. Les grandes compagnies sont placées en 1917 sous la tutelle du ministère des transports publics qui les incite à se lancer dans un vaste programme d'électrification de leurs réseaux. Mais alimentation en courant alternatif ou en courant continu ? Là est la question. Un comité d'étude est mis en place pour la trancher. Il se rendra en Italie, en Suisse et aux États-Unis, et si dans un premier temps, le courant alternatif semble devoir l'emporter, on finira par lui reprocher les perturbations qu'il engendre dans les lignes téléphoniques longeant les voies. Il semblerait surtout que l'avis de l'armée qui n'était pas très favorable à l'électrification des lignes de l'Est de la France et encore moins si celles-ci devaient se faire selon les mêmes standards que ceux en vigueur chez le voisin Allemand qui aurait ainsi pu être tenté d'envahir l'hexagone en empruntant ses voies ferrées, ait été décisif.
Une décision ministérielle en date du 29 août 1920 imposera d'unifier le système d'électrification des chemins de fer français autour du courant continu à la tension 1500 volts. L'une des premières lignes à être électrifiées selon ces principes sera celle du Paris-Orléans reliant la capitale à Vierzon.

Quant à la Compagnie du Midi elle se verra contrainte à remettre en question les choix techniques novateurs qu'elle avait opéré pour se mettre au diapason.

En moins de 2 ans, son réseau fera sa conversion vers le nouveau standard français, et l'électrification de nouvelles sections de lignes se feront toutes en 1500 volts continu, donnant au passage naissance à la série de locomotives électriques baptisées les BB Midi et à un type de caténaire particulier appelée « caténaires Midi ». La compagnie n'étant guère argentée, elle a toujours cherché à développer des solutions simples et peu coûteuses. Parmi d'autres innovations, pour la caténaire Midi, elle cherchera à économiser sur la section du câble, le nombre de pylônes nécessaires en les éloignant les uns des autres d'au moins 90 mètres contre 50 habituellement, et en inclinant le support et le fil de contact. Mais ces différences avec la caténaire 1500 volts classiques ne seront pas sans conséquences, sur la vitesse maximum qui peut être pratiquée, sur l'intensité qui peut être appelée, et sur le type de locomotives qui peuvent y circuler. Celles-ci doivent nécessairement être équipées de pantographes à archet large. D'où le fait que cette caténaire est progressivement en cours de modernisation.

Mais revenons au premier janvier 1938, jour de la création de la SNCF.

À cette date, la France compte 3 300 km de voies ferrées électrifiées en 1500 volts continu, soient 8 % de la longueur de son réseau. Convaincu, que la modernisation de celui-ci passera par la poursuite de ce chantier, la SNCF décide de la mise en œuvre de l'électrification de sa ligne la plus fréquentée : Paris-Lyon. La survenue de la Seconde Guerre mondiale repoussera néanmoins ce projet qui ne sera mené à terme que dans le courant des années 50. Néanmoins dans le même temps, les ingénieurs de la grande maison, à commencer par Louis-Armand recruté à l'époque du PLM et qui deviendra directeur de la SNCF quelques années, plus tard, s'intéressent de très près aux avantages notamment économiques du courant monophasé à fréquence industrielle. Le principe étant de pouvoir puiser directement l'énergie nécessaire sur les réseaux des grands fournisseurs d'électricité sans avoir à transformer le courant, en faisant par conséquent de grosses économies en termes d'équipements, divisant par exemple par 10 le nombre de sous-stations nécessaires et simplifiant considérablement la caténaire à déployer. Une installation d'essai est réalisée en Savoie sur la ligne reliant Aix-les-Bains à La Roche sur Foron et des locomotives prototypes sont commandés à différents constructeurs à des fins de tests. Les résultats s'avérant concluants, la décision sera prise d'électrifier sous ce voltage, la ligne Valencienne-Thionville reliant le bassin houiller du Nord à celui sidérurgique de l'Est. Dès lors à l'exception de Lyon-Marseille qui sera électrifiée en 1 500 volts continu, les nouvelles électrifications de ligne se feront en 25 000 volts courant alternatif 50 hertz. En bénéficieront les lignes Marseille-Vintimille, Dôle-Vallorbe, celles de Bretagne jusqu'à Brest et Quimper, mais aussi celles du RER parisien. Mais depuis, en dehors de la construction de près de 3 000 km de lignes à grande vitesse, l'électrification du réseau ferré français n'a guère avancé. Et elle ne progressera plus beaucoup à l'avenir, car compte tenu du coût que représente l'électrification d'un km de ligne, c'est vers d'autres solutions que la SNCF se tourne désormais.


Trois technologies sont en lice. Par ordre d'apparition prévue sur les rails français ce sont : les trains hybrides, les trains à hydrogène, et les trains à batteries.

Le train hybride a été créé sur la base d'une rame Régiolis bi-mode électrique/diesel modifiée. La moitié des moteurs diesels situés sur le toit de ces trains est supprimée au profit de batteries qui récupèrent l'énergie du freinage, et la stocke. Lorsque le train circule sur des portions de voies non électrifiées, il avance grâce à l'énergie fournie par ces batteries et par les moteurs diesels restant. Lorsqu'ils circulent sous caténaire 1500 volts et que la tension est faible, les batteries apportent le complément nécéssaire au maintien de la vitesse. De telles rames doivent être mises en service commercial dès le mois de décembre 2023, dans les régions Grand-Est, Nouvelle-Aquitaine, Occitanie et Centre-Val de Loire.

Deuxième famille, les trains à hydrogène

Plusieurs pays testent dores et déjà ce type de propulsion parmi lesquelles l'Allemagne, l'Espagne, l'Italie, et le Quebec. En France, une première expérimentation a eu lieu dans la région Centre-Val de Loire et la SNCF annonce que 4 régions ont commandé 12 rames de ce type, il s'agit d'Auvergne-Rhône-Alpes, de Bourgogne-Franche-Comté, du Grand Est et de l' Occitanie. L'approche consiste à supprimer tout ou partie des moteurs diesels pour les remplacer par des piles à combustible, des réservoirs d'hydrogène et des batteries. Sur le toit des rames ainsi équipées, l'hydrogène est mélangé à l'oxygène dans la pile à combustible, la réaction chimique produisant de l'électricité. Une version bi-mode électricité/hydrogène d'une série de Régiolis baptisé H2 doit être mise en service commercial en 2025.

Troisième famille enfin, les TER à batterie.

En Allemagne le constructeur Suisse Stadler a commencé à livrer une 50 aine de rames qui y seront progressivement mises en service régulier à titre expérimental, tandis qu'en France, la SNCF se lance dans le rétrofit c'est à dire la modification de rames bi-mode diesel-électrique de type AGC ayant atteint l'âge de passer en révision mi-vie. A cette occasion, leurs moteurs diesels situés dans le châssis des rames vont être retirés et remplacés par des batteries. Ces trains seront dès lors capables de rouler sous caténaires 1 500 ou 25 000 volts sur les lignes qui en sont équipées, et de basculer sur batteries pour parcourir des sections non électrifiées. Cette solution permettra de mettre en œuvre ce que la SNCF appelle l'électrification frugale de certaines de ses lignes, une approche qui consiste à équiper en caténaires uniquement les sections ou c'est le plus simple et le moins coûteux de le faire, renonçant par exemple à équiper les traversées de ponts ou de tunnels. Entre deux sections électrifiées sous caténaires où ils pourraient se recharger, les trains à batterie devraient disposer d'une autonomie de 80 km. Les essais de ces AGC transformés devrait commencer en décembre 2024 dans les 5 régions partenaires du projet : Auvergne-Rhône-Alpes, Hauts-de-France, Nouvelle-Aquitaine, Occitanie et Provence-Alpes-Côte-d'Azur. Si elle se révèle à la hauteur, ce sont à terme 700 AGC bi-modes qui pourraient ainsi être transformés en Ter à batterie.

Et vous, que pensez-vous de ces évolutions ? Attendez-vous avec impatience de voir circuler sur les rails ces nouveaux matériels ? Je vous laisse me dire tout ça en commentaire ! Et si vous voulez vous immerger dans l'une des lignes qui pourraient très prochainement bénéficier de ces innovations, je vous conseille ce reportage réalisé en cabine sur la ligne Marseille-Briançon dont la section comprise entre la capitale phocéenne et Aix-en-Provence pourrait bien bénéficier d'une électrification frugale, c'est en tous les cas un projet dont on entend parler depuis pas mal de temps déjà.

Trois technologies sont en lice. Par ordre d'apparition prévue sur les rails français ce sont : les trains hybrides, les trains à hydrogène, et les trains à batteries.

Le train hybride a été créé sur la base d'une rame Régiolis bi-mode électrique/diesel modifiée. La moitié des moteurs diesel situés sur le toit de ces trains est supprimée au profit de batteries qui récupèrent l'énergie du freinage, et la stocke. Lorsque le train circule sur des portions de voies non électrifiées, il avance grâce à l'énergie fournie par ces batteries et par les moteurs diesel restants. Lorsqu'ils circulent sous caténaire 1500 volts et que la tension est faible, les batteries apportent le complément nécessaire au maintien de la vitesse. De telles rames doivent être mises en service commercial dès le mois de décembre 2023, dans les régions Grand-Est, Nouvelle-Aquitaine, Occitanie et Centre-Val de Loire.

Deuxième famille, les trains à hydrogène

Plusieurs pays testent d'ores et déjà ce type de propulsion parmi lesquelles l'Allemagne, l'Espagne, l'Italie, et le Québec. En France, une première expérimentation a eu lieu dans la région Centre-Val de Loire et la SNCF annonce que 4 régions ont commandé 12 rames de ce type, il s'agit d'Auvergne-Rhône-Alpes, de Bourgogne-Franche-Comté, du Grand Est et de l'Occitanie. L'approche consiste à supprimer tout ou partie des moteurs diesel pour les remplacer par des piles à combustible, des réservoirs d'hydrogène et des batteries. Sur le toit des rames ainsi équipées, l'hydrogène est mélangé à l'oxygène dans la pile à combustible, la réaction chimique produisant de l'électricité. Une version bi-mode électricité/hydrogène d'une série de Régiolis baptisé H2 doit être mise en service commercial en 2025.

Troisième famille enfin, les TER à batterie.

En Allemagne, le constructeur Suisse Stadler a commencé à livrer une 50 aine de rames qui y seront progressivement mises en service régulier à titre expérimental, tandis qu'en France, la SNCF se lance dans le rétro fit, c'est-à-dire la modification de rames bi-mode diesel-électrique de type AGC ayant atteint l'âge de passer en révision mi-vie. À cette occasion, leurs moteurs diesel, situés dans le châssis des rames, vont être retirés et remplacés par des batteries. Ces trains seront dès lors capables de rouler sous caténaires 1 500 ou 25 000 volts sur les lignes qui en sont équipées, et de basculer sur batteries pour parcourir des sections non électrifiées. Cette solution permettra de mettre en œuvre ce que la SNCF appelle l'électrification frugale de certaines de ses lignes, une approche qui consiste à équiper en caténaires uniquement les sections ou c'est le plus simple et le moins coûteux de le faire, renonçant par exemple à équiper les traversées de ponts ou de tunnels. Entre deux sections électrifiées sous caténaires où ils pourraient se recharger, les trains à batterie devraient disposer d'une autonomie de 80 km. Les essais de ces AGC transformés devraient commencer en décembre 2024 dans les 5 régions partenaires du projet : Auvergne-Rhône-Alpes, Hauts-de-France, Nouvelle-Aquitaine, Occitanie et Provence-Alpes-Côte-d'Azur. Si elle se révèle à la hauteur, ce sont à terme 700 AGC bi-modes qui pourraient ainsi être transformés en Ter à batterie.

Et vous, que pensez-vous de ces évolutions ? Attendez-vous avec impatience de voir circuler sur les rails ces nouveaux matériels ? Je vous laisse me dire tout ça en commentaire ! Et si vous voulez vous immerger dans l'une des lignes qui pourraient très prochainement bénéficier de ces innovations, je vous conseille ce reportage réalisé en cabine sur la ligne Marseille-Briançon dont la section comprise entre la capitale phocéenne et Aix-en-Provence pourrait bien bénéficier d'une électrification frugale, c'est en tous les cas un projet dont on entend parler depuis pas mal de temps déjà.