🚉 Se déplacer
Un moteur, quel qu'il soit, ne fait qu'une seule chose : transformer une énergie en rotation, puis pousser sur le sol ou sur le rail. Ce qui change d'un véhicule à l'autre, c'est d'où vient cette énergie, combien de transformations elle subit avant d'arriver à la roue, et ce qu'on récupère au freinage.
Le train électrique
Le train ne transporte pas son énergie : il la prend au fur et à mesure dans un fil tendu au-dessus de lui. C'est ce qui lui permet d'être à la fois très puissant et très léger par rapport à ce qu'il déplace.
- 1La caténaire apporte le courant
Sur les lignes modernes et les LGV, c'est du 25 000 V alternatif à 50 Hz, directement dérivé du réseau. Sur le réseau historique du sud de la France, c'est du 1 500 V continu, plus ancien et qui demande beaucoup plus de courant pour la même puissance.
- 2Le pantographe frotte sur le fil
Une bande en carbone, poussée vers le haut par un ressort ou un vérin, glisse sous le fil de contact. Le carbone s'use volontairement, pour préserver le cuivre du fil, bien plus coûteux à remplacer. Le courant revient par les rails.
- 3Le transformateur et l'électronique adaptent
Un transformateur abaisse les 25 000 V, un redresseur les transforme en continu, puis un onduleur fabrique un courant alternatif à fréquence variable. C'est cette fréquence qui commande la vitesse des moteurs.
- 4Les moteurs sont dans les bogies
Des moteurs asynchrones triphasés entraînent les essieux à travers un réducteur. Sur un TGV, ils sont concentrés dans les motrices ; sur une rame automotrice type Régiolis ou TER, ils sont répartis sous les voitures.
- 5Le freinage renvoie l'énergie
En freinant, les moteurs deviennent des générateurs et renvoient le courant dans la caténaire, où il sert à un autre train en train d'accélérer. Si personne n'en veut, l'énergie est brûlée dans des résistances sur le toit.
de résistance au roulement pour de l'acier sur de l'acier que pour un pneu sur du bitume
la puissance d'une rame TGV sous 25 000 V, soit environ 12 000 chevaux
de CO₂ par voyageur-kilomètre en France, contre 100 à 200 pour une voiture thermique
La voiture thermique
Quatre temps, dont un seul produit de l'énergie. Un moteur à essence ou diesel passe l'essentiel de son temps à se préparer à travailler, et l'essentiel de son énergie à chauffer l'air ambiant.
- 1Admission
Le piston descend et aspire de l'air, mélangé à du carburant pulvérisé par les injecteurs.
- 2Compression
Le piston remonte et comprime ce mélange : dix fois environ en essence, seize à vingt fois en diesel. Comprimer un gaz le chauffe fortement, ce qui est justement le principe du diesel.
- 3Combustion et détente
En essence, la bougie déclenche l'étincelle au bon moment. En diesel, il n'y a pas de bougie d'allumage : le gazole injecté s'enflamme spontanément dans l'air devenu brûlant par la compression. Dans les deux cas, la pression pousse le piston vers le bas. C'est le seul temps qui produit du travail.
- 4Échappement
Le piston remonte et chasse les gaz brûlés vers le catalyseur et le filtre à particules.
- 5Bielle, vilebrequin, boîte de vitesses
Le va-et-vient devient rotation. Comme un moteur thermique ne donne du couple que dans une plage étroite de régime, entre 1 500 et 5 000 tours par minute environ, et qu'il cale à l'arrêt, il lui faut un embrayage et une boîte de vitesses pour s'adapter à la vitesse de la voiture.
de l'énergie du carburant qui arrive réellement aux roues, le reste part en chaleur et en frottements
produit de l'énergie, les trois autres en consomment
de CO₂ émis par litre d'essence brûlé, et 2,7 kg par litre de gazole
La voiture électrique
La même fonction avec trois fois moins de pièces : plus d'embrayage, plus de boîte de vitesses, plus d'échappement, plus de circuit de refroidissement de combustion. Un moteur électrique donne son couple maximal dès zéro tour par minute.
- 1La batterie fournit du continu
Des centaines de cellules assemblées en série et en parallèle donnent une tension de 350 à 800 volts. Plus la tension est haute, moins il faut de courant pour la même puissance, et plus la charge rapide est facile.
- 2L'onduleur est le vrai cerveau
Il découpe le courant continu des milliers de fois par seconde pour fabriquer un courant triphasé dont il règle à la fois la fréquence et l'amplitude. C'est lui qui traduit la pédale d'accélérateur en couple.
- 3Le moteur tourne sans contact
Le plus souvent un moteur synchrone à aimants permanents, parfois à rotor bobiné comme chez Renault, ce qui évite les terres rares. Il n'y a ni frottement de combustion, ni ralenti : à l'arrêt, il ne consomme rien.
- 4Un réducteur à rapport unique suffit
Le moteur tourne utilement de 0 à 15 000 tr/min : une seule démultiplication couvre toute la plage de vitesse de la voiture. D'où la disparition de la boîte de vitesses.
- 5Le freinage recharge la batterie
En levant le pied, le moteur devient générateur et renvoie du courant dans la batterie. En ville, cela récupère une part importante de l'énergie de freinage, ce qui explique le paradoxe : une voiture électrique consomme moins en ville que sur autoroute.
de l'énergie de la batterie qui arrive aux roues, contre 20 à 35 % pour un moteur thermique
consommés aux 100 km, contre l'équivalent de 62 kWh d'essence pour la même distance
le régime auquel le couple maximal est déjà disponible
Le tramway
Techniquement, c'est un train qui roule dans la rue. Toute son ingénierie consiste à concilier le rail, qui ne pardonne rien, avec la voirie urbaine, ses piétons et ses carrefours.
- 1Des sous-stations tous les kilomètres
Le réseau public arrive en haute tension dans des sous-stations réparties le long de la ligne, qui abaissent et redressent le courant en 750 V continu, la tension standard du tramway.
- 2Une caténaire légère et discrète
Bien plus fine que celle d'un train, parce que la vitesse est faible et la puissance modeste. Le rail noyé dans la chaussée assure le retour du courant.
- 3Plancher bas intégral
Moteurs, onduleurs et climatisation sont montés sur le toit, ce qui libère complètement l'intérieur et permet d'entrer de plain-pied depuis le quai. C'est la vraie rupture des tramways modernes par rapport à ceux d'avant-guerre.
- 4Trois freinages superposés
Le freinage électrique d'abord, qui renvoie l'énergie aux autres rames ou la dissipe dans des résistances de toiture. Le freinage mécanique ensuite. Et en urgence, des patins magnétiques qui viennent se coller directement sur le rail, indépendamment de l'adhérence des roues.
- 5Les variantes sans fil
Pour préserver certains centres historiques, il existe l'alimentation par le sol, inaugurée à Bordeaux, où seul le tronçon de rail situé sous la rame est mis sous tension, et le biberonnage par supercondensateurs, rechargés à chaque station.
la tension continue standard d'un réseau de tramway
voyageurs dans une rame de 40 mètres, soit une file de plus de 200 voitures en heure de pointe
voyageurs par heure et par sens qu'une ligne peut écouler, un ordre de grandeur inatteignable en voiture
Le métro
Sous terre, plus de place pour une caténaire : le courant arrive par un troisième rail posé le long de la voie. Et comme les stations sont proches, tout est optimisé pour accélérer et freiner sans arrêt.
- 1Le troisième rail remplace la caténaire
Un rail latéral sous tension, en 750 V continu, sur lequel glisse un frotteur monté sur le bogie. C'est plus compact dans un tunnel, mais cela impose que la voie soit totalement inaccessible au public.
- 2Fer ou pneu, selon les lignes
À Paris coexistent des lignes classiques sur rail et des lignes sur pneumatiques, comme les lignes 1, 4, 6, 11 et 14. Les pneus montent des rampes plus fortes et accélèrent plus vite, mais ils consomment davantage, s'usent et chauffent beaucoup plus.
- 3L'automatisme rapproche les rames
Sur les lignes automatiques, chaque rame connaît sa position au mètre près et dialogue en continu avec le système, ce qui permet de réduire l'intervalle bien en deçà de ce qu'un conducteur peut tenir. C'est le pilotage automatique de type CBTC.
- 4Des portes palières pour tenir la cadence
Elles ne servent pas qu'à la sécurité : elles empêchent les objets de tomber sur la voie, cause classique d'interruption, et elles permettent de garantir des temps d'arrêt en station très courts.
- 5Le freinage réchauffe les tunnels
Une partie de l'énergie de freinage repart vers les rames qui démarrent au même moment, le reste finit en chaleur dans les résistances et les freins. Multipliée par des centaines de milliers de freinages par jour, c'est l'une des raisons pour lesquelles les tunnels du métro parisien se réchauffent d'année en année.
l'intervalle entre deux rames sur la ligne 14 en heure de pointe
la tension du troisième rail
entièrement automatiques à Paris : les lignes 1, 4 et 14