ANALYSE MULTICRITERES DES SYSTEMES D ALIMENTATION TRAMWAY

Transcription

1 ANALYSE MULTICRITERES DES SYSTEMES D ALIMENTATION TRAMWAY Indice Date Description Rédacteur Vérificateur Approbateur A 30/11/2011 Première émission F.CAMUS V. BAUMONT A. GENDREAU Phase Emetteur Discipline Type Séquence Planche N Chrono Indice EP GTA QUA NTE XX XXX A1 Groupement pour le Tramway d Avignon

2 SOMMAIRE 1. INTRODUCTION Objet du document Le projet Les sections à forts enjeux pour l intégration des émergences LES SYSTEMES D ALIMENTATION La ligne aérienne de contact Principe La LAC, les tramways courts et Avignon Avantages & inconvénients Alimentation par le sol par contact Principe L APS, les tramways courts et Avignon Avantages & inconvénients Alimentation par le sol sans contact (PRIMOVE) Principe PRIMOVE, les tramways courts et Avignon Avantages & inconvénients Stockage de courant par batterie Principe Les batteries, les tramways court et Avignon Avantages & inconvénients Stockage de courant par super capacités Principe Les Super-capacités, les tramways court et Avignon Avantages & inconvénients SYNTHESE Groupement pour le Tramway d Avignon 2 / 17

3 1. INTRODUCTION 1.1. OBJET DU DOCUMENT Cette analyse multicritères a pour objet de présenter et de comparer les différents types de systèmes d alimentation des tramways. Cette comparaison vise en particulier à en évaluer les intérêts comparés au regard des insertions contraintes dans les sections du projet ou l intégration des émergences est un enjeu majeur du point de vue architectural et paysager. L étude prend uniquement en compte les systèmes en exploitation ou ayant fait l objet de tests en configuration réelle et apportant le retour d expérience suffisant pour une application fiable sur le tramway d Avignon (homologation, maîtrise du coût et des délais de mise en œuvre, fiabilité, ) Nous avons considérés que le système de référence restait la ligne aérienne de contact et que par conséquent les autres systèmes lui seraient comparés:: Alimentation par le sol par contact (type APS ALSTOM) Alimentation par le sol sans contact (type PRIMOVE BOMBARDIER) Stockage de courant embarqué par batteries Stockage de courant embarqué par super-capacités 1.2. LE PROJET Le projet du tramway d Avignon est constitué des deux lignes suivantes : une ligne A de 9.6 km environ pour 12 stations décomposée en deux tronçons : o un tronçon prioritaire Gare du Pontet Porte de l Oulle de 7.5 km environ et 11 stations, o un tronçon complémentaire Porte de l Oulle Villeneuve lez Avignon de 2.1 km environ et 1 station, Une ligne B de 5.1 km environ pour 10 stations du centre historique d Avignon au quartier Saint-Chamand, Un centre d Exploitation et de Maintenance (CDEM) aussi appelé atelier-dépôt situé à l extrémité Nord de la ligne A, sur le site de La Gare du Pontet ou site alternatif, Des pôles d échanges et des parcs relais LES SECTIONS A FORTS ENJEUX POUR L INTEGRATION DES EMERGENCES Même si la totalité du tour des remparts est un site sensible, la portion se situant sur les berges du Rhône entre la station Saint Dominique et l ile Piot, nécessite une attention toute particulière. La zone entre les stations Saint Dominique et Porte de l Oulle se situe dans une zone protégée et classée. La zone entre la station Porte de l Oulle et l Ile Piot, incluant le pont Edouard Daladier se situe dans l axe de la perspective allant du pont de l Europe vers la citée des Papes et le pont d Avignon. Groupement pour le Tramway d Avignon 3 / 17

4 Figure 1 : Sections à forts enjeux pour l intégration des émergences Groupement pour le Tramway d Avignon 4 / 17

5 2. LES SYSTEMES D ALIMENTATION 2.1. LA LIGNE AERIENNE DE CONTACT PRINCIPE La Ligne Aérienne de Contact (LAC) reste le mode transmission d énergie électrique traditionnelle au matériel roulant. La LAC est constituée d un ou deux fils de contact suspendus au dessus du matériel roulant à l aide d armements fixés sur des poteaux ou des ancrages en façade. Figure 2 : Principe de la LAC La LAC est le mode de transmission d énergie le plus compétitif (coût de construction d environ 0.7m /km), mais aussi celui qui nécessite le plus d émergences. L insertion et donc le design des poteaux LAC doivent être traités de manière très précise et dans le cadre d une proposition spécifique d insertion qui soit en accord avec l esprit des lieux et la stratégie urbaine, paysagère et architecturale du projet et du site qui l accueille. Ce travail a été effectué récemment sur le projet du puy de Dôme, site classé, pour lequel les poteaux de support de LAC ont fait l objet d une étude design spécifique, approuvée par tous (ABF, commissions des sites en particulier). Groupement pour le Tramway d Avignon 5 / 17

6 Figure 3 : Etude architecturale des poteaux LAC (MBD) LA LAC, LES TRAMWAYS COURTS ET AVIGNON La LAC est compatible avec toutes les longueurs de tramway. L insertion de la LAC dans une zone architecturale à enjeux est soumise à la validation des services décisionnaires compétents. La mise en place d une LAC en zone inondable est réalisable sans détérioration du système et de ses performances. Une procédure de maintenance devra être mise en œuvre pour vérifier l intégrité du système après chaque crue et avant toute nouvelle mise sous tension AVANTAGES & INCONVENIENTS Avantages + Coût + Performance + Fiabilité + Maintenance Inconvénients - Impact visuel Groupement pour le Tramway d Avignon 6 / 17

7 2.2. ALIMENTATION PAR LE SOL PAR CONTACT PRINCIPE L alimentation par le sol ou APS est une méthode d'alimentation électrique pour tramways développée par ALSTOM. Cette méthode consiste en l'implantation d'un troisième rail au milieu des deux autres de roulement et à l'utilisation de «frotteurs» conducteurs sous le tramway. Le rail d'alimentation est segmenté en tronçons qui sont alimentés uniquement lorsqu'ils sont entièrement recouverts par le tram, évitant ainsi tout risque d'électrocution pour les autres usagers (piétons, cycles, motocyles). Le principe homologué est constitué de segments alimentés d une longueur de 11m (8m de conducteur et 3m d isolation). La longueur minimale du tramway est de 30 m. Les segments sont mis sous tension par un sectionneur APS enterré et placé tout les 22 m. Le boitier du sectionneur n est pas immergeable (IP68) rendant impossible l utilisation en zone inondable. Figure 4 : Principe de fonctionnement de l'aps Cette solution est en exploitation sur les tramways de Bordeaux (13,6km), Reims (2km) et Angers (1,5km) et bientôt sur le tramway d Orléans (2 km). Le système APS est totalement intégré dans la plate forme sans aucune émergence. Groupement pour le Tramway d Avignon 7 / 17

8 Figure 5 : zone APS sur le tramway d'orléans Cette solution est plus coûteuse que la LAC avec un budget de 2.7 M /km pour l infrastructure et 35 k par rame de tramway pour le système de captation soit un investissement total de 6,2 M, sur la base de 24 rames et de 2 km d APS L APS, LES TRAMWAYS COURTS ET AVIGNON L APS a été développée et homologuée pour des tramways de plus de 30m. Le choix de l APS pour alimenter un tramway court engendrerait la modification du design actuel et la réalisation de nouveaux tests d homologation. Par ailleurs, le degré d étanchéité actuel des boitiers APS n est pas compatible avec une inondation rendant impossible son utilisation sur les berges du Rhône. Un développement spécifique sur l étanchéité des boîtiers est donc à prévoir. En outre le nettoyage de l APS après la crue est une contrainte forte pour la maintenance et l exploitation de la ligne AVANTAGES & INCONVENIENTS Avantages + Pas d impact visuel + Insertion urbaine Inconvénients - Coût - Développements à prévoir pour s adapter aux tramways courts - A homologuer pour les tramways courts - Boitier APS non compatible avec zone inondable. - Solution propriétaire (Obligation de renouveler le matériel roulant avec le même constructeur) Groupement pour le Tramway d Avignon 8 / 17

9 2.3. ALIMENTATION PAR LE SOL SANS CONTACT (PRIMOVE) PRINCIPE L alimentation par le sol sans contact est une solution d'alimentation électrique pour tramways développée par la société Bombardier. Cette méthode consiste en l'implantation de câbles enterrés au milieu des deux rails de roulement créant un champ magnétique. Ce champ magnétique est collecté par une bobine de réception montée sous le véhicule et transforme le champ magnétique créé par les câbles en un courant électrique qui alimente le système de traction du tramway. Les câbles sont segmentés en tronçons qui sont alimentés uniquement lorsqu'ils sont entièrement recouverts par le tram, évitant ainsi tout risque d'électrocution pour les autres usagers (piétons, cycles, motocyles). Figure 6 : Principe de fonctionnement de PRIMOVE Le système PRIMOVE a fait l objet de tests en situation réelle sur une section longue de 0,8 km de la ligne 3 du tramway d Augsburg en Allemagne pendant l année Ce système n a pas encore été mis en œuvre sur un projet dédié. A ce jour cette solution n a pas été commercialisée les coûts d investissements précis ne sont pas connus. Néanmoins, les enveloppes budgétaires annoncées par Bombardier sont équivalentes au système APS PRIMOVE, LES TRAMWAYS COURTS ET AVIGNON Bien que ce système PRIMOVE ait fait l objet de tests concluants en 2010, il n est pas encore mis en service commercial sur un réseau de tramway. PRIMOVE ne possède donc pas du retour d expérience nécessaire pour statuer sur une application éventuelle à Avignon. Groupement pour le Tramway d Avignon 9 / 17

10 Bombardier annonce néanmoins une homologation imminente du TÜV. Cette solution mettant en œuvre des dispositifs électriques enterrés, son utilisation en zone inondable est délicate. On dispose de peu de données sur la compatibilité du système avec un tramway court. En revanche, la mise en œuvre de ce système en France devra faire l objet d une procédure d homologation complète au près des services nationaux (STRMTG) AVANTAGES & INCONVENIENTS Avantages + Impact visuel + Insertion urbaine + Système sans contact Inconvénients - Coût - Pas de retour d expérience - Système à homologuer en France - Difficultés en zone inondable - Solution propriétaire (Obligation de renouveler le matériel roulant avec le même constructeur) Groupement pour le Tramway d Avignon 10 / 17

11 2.4. STOCKAGE DE COURANT PAR BATTERIE PRINCIPE Le principe de ce système est d emmagasiner l énergie nécessaire au fonctionnement sans LAC dans un système de batterie placé sur la toiture de la rame. Les batteries sont rechargées dans les portions sous ligne aérienne de contact. Plusieurs «chimies» de batteries existent. Le principe d une batterie repose sur le fait d avoir deux électrodes de matériaux différents. Ces matériaux doivent aussi présenter une électronégativité différente. Un électrolyte entre les deux électrodes permet l échange d ions et donc, le transfert d énergie chimique. S il existe diverses chimies, les principales utilisées dans le domaine des transports sont : Ni-MH (Nickel-hydrure métallique) se retrouve sur la plupart des voitures hybrides actuelles ou dans le tramway de Nice. Ce type de batterie est passablement sensible au froid, Li-ion ou Li-polymère (Lithium) se retrouve dans la plupart des voitures électriques actuelles et à venir comme la Tesla Roadster et la Chevrolet Volt ou dans les ordinateurs portables. Figure 7 : Principe de fonctionnement d'une batterie Les batteries sont sensibles à la température et leurs durées de vie est proportionnelle au nombre de cycle de charge et décharge ainsi qu a la profondeur de la décharge. A titre d exemple, même si une batterie présente une capacité nominale de cycles à 30 C avec une profondeur de décharge de 10%, celle-ci tombe à cycles pour 20% de décharges et 1000 cycles à 100%. Figure 8 : Durée de vie des batteries Groupement pour le Tramway d Avignon 11 / 17

12 Par conséquent, la capacité du système de batterie est surdimensionnée pour étendre sa durée de vie. Par exemple, le tramway de Nice embarque 13.6kWh de batterie pour 2kWh nécessaire et une durée de vie de 5 ans. Figure 9 : Système de batterie ALSTOM Le tramway de Nice franchit la place Masséna (440m) et Garibaldi (470m) sur batterie dont les caractéristiques principales sont : Capacité énergétique pour les rames de 30 mètres : 34 Ah Pack constitué de 68 modules de 12V nominale (soit 816 volts) Energie embarquée (théorique) : 28,9 kwh Energie disponible : 13,6 kwh (consommation pour le passage des places en mode nominal 2 kwh) Puissance disponible : 200 kw maximum Poids : 1300 kg Le coût du système de batterie est de l ordre de 120 k par matériel roulant. Les batteries sont à remplacer tout les 5 ans, pour environ 90 k. Le coût total est de 2.9 M d investissement et 8.6 M de remplacement pour 24 rames sur 30ans LES BATTERIES, LES TRAMWAYS COURT ET AVIGNON L alimentation du matériel roulant par batterie sur un tramway court est réalisable et demande moins d énergie que la solution mise en œuvre à Nice. Cette solution permet de préserver l environnement urbain des émergences liées à une électrification. La capacité des batteries utilisées à Nice permet de parcourir 1km. L utilisation du système sur un tramway court est contrainte par l emprise disponible en toiture pour l implantation du système. En effet, pour les tramways à plancher bas intégral, la chaine de traction est positionnée en toiture ainsi que la climatisation laissant peu de place libre, phénomène accentué pour les tramways courts.

13 2.4.3 AVANTAGES & INCONVENIENTS Avantages + Impact visuel + Insertion urbaine Inconvénients - Coût - Rechargement lent - Autonomie des batteries - Sensible à la température - Encombrement en toiture 2.5. STOCKAGE DE COURANT PAR SUPER CAPACITES PRINCIPE Le principe de ce système est d emmagasiner l énergie nécessaire au fonctionnement sans LAC dans un système de super-capacité (super-condensateurs) placé sur la toiture de la rame. Les super-capacités sont rechargées dans les portions sous ligne aérienne de contact ou lors du freinage du tramway. Figure 10 : Principe de fonctionnement du biberonnage avec super-capacités Un condensateur est constitué de deux «plaques» conductrices séparées par un élément non conducteur, appelé diélectrique. Cet élément est polarisable, la charge se trouve donc en surface d un côté du diélectrique Figure 11 : Principe de fonctionnement d'un super-condensateur Groupement pour le Tramway d Avignon 13 / 17

14 Ainsi, l accumulation d énergie peut aussi se faire sur des condensateurs. Similairement à une batterie, ils servent à emmagasiner l énergie électrique; ils fonctionnent toutefois complètement différemment. Si une batterie emmagasine l énergie grâce à des réactions chimiques produisant des électrons, un condensateur fonctionne plus simplement, il emmagasine directement les électrons. Comme aucune réaction chimique n a lieu, un condensateur peut relâcher son énergie de façon presqu instantanée et est donc beaucoup plus puissant qu une batterie. De plus, il peut se charger presqu instantanément, il est donc tout indiqué pour un freinage régénératif puissant. Toutefois, la faiblesse d un condensateur réside dans la faible énergie qu il peut emmagasiner. Ainsi, si des condensateurs sont employés dans la plupart des éléments électroniques, les applications de transport demandent énormément d énergie. Des condensateurs pouvant emmagasinés davantage d énergie furent donc développés; on appelle ces derniers des super-condensateurs. Ces super-condensateurs se distinguent des condensateurs habituels par le fait qu ils utilisent un électrolyte et des électrodes spécifiques. Ils peuvent se charger en très peu de temps et ils ont un nombre de cycle charge-décharge presqu infini, comparativement à une batterie qui a une limite à se niveau et s use avec le temps. La puissance, c'est-à-dire la capacité à restituer rapidement de l énergie, d un super-condensateur est beaucoup plus faible que celle d un condensateur conventionnel, mais reste largement supérieur à n importe quelle batterie. Une batterie de puissance moderne peut exhiber jusqu à 750W/kg, alors que le super-condensateur possède 4000W/kg. Par contre, au niveau de la densité d énergie, le rapport de force est inversé; 130Wh/kg dans le cas d une batterie de pointe mais seulement 30Wh/kg pour le super-condensateur. Ces chiffres mettent en lumière la caractéristique transitoire de cet accumulateur. Il est tout indiqué pour un système régénératif ou par biberonnage. Par ailleurs, les systèmes embarqués de stockage de l énergie (super-condensateurs) permettent de moins solliciter le réseau de sous-stations électriques et ainsi de réaliser des économies d infrastructures : les sous-stations électriques étant moins sollicitées, elles peuvent être moins nombreuses et de taille plus réduite. Le coût d investissement du système est de l ordre de 300 k par rame soit 7.2 M pour 24 rames. En revanche, ce système permet de diminuer la consommation électrique de 20 à 30% permettant une économie de 30 k par rame soit un retour sur investissement sur environ 10 ans. La durée de vie du système est d environ 15 ans ( cycles sur 15 ans), nécessitant le remplacement des cellules pour un montant de 150 k. L utilisation d un tel système permettrait une économie potentielle de 10,1 M sur 30ans. Les systèmes de stockage par super-condensateurs disponibles sur le marché sont les suivants: ALSTOM, STEEM BOMBARDIER, MITRAC Supercaps CAF, ACR Groupement pour le Tramway d Avignon 14 / 17

15 A) ALSTOM, STEEM Le module STEEM (Système de Tramway à Efficacité Energétique Maximisée) est constitué de 48 modules de 15 kilos installés dans un coffre situé sur le toit du tramway. Ces modules, fournis par la société Batscap du Groupe Bolloré, ont une puissance 320 kw pour capacité utile de 1.63 kw/h. Cette solution a été expérimentée sur l une des 21 rames Citadis pendant plus d un an, de mai 2009 à septembre 2010 sur la ligne T3 du tramway parisien cumulant 35000km et 250 jours de fonctionnement (Pont du Garigliano-Porte d Ivry). Le tramway fonctionne en autonomie sur 300m entre les stations porte d Italie et porte Choisy. Figure 12 : Système STEEM, ALSTOM Cette expérimentation a permis de vérifier le bien fondé du système, puisqu une réduction de la consommation énergétique de 16 % en moyenne a été mesurée et laisse entrevoir une diminution de 30% de la consommation sur un projet totalement dédié. B) BOMBARDIER, MITRAC Supercaps Le module MITRAC Supercaps fournis par la société Bombardier possède une puissance de 300kW et une capacité de 1kw/h. Un véhicule léger sur rail équipé de la technologie MITRAC Supercaps a suivi une période d essai en service commercial de 4 ans. Il est testé depuis 2003 sur le réseau des transports publics de Mannheim en Allemagne. Le système de stockage de l énergie installé sur le toit du véhicule s est avéré être une solution d économie d énergie performante et fiable. Encouragé par le succès de l essai, l opérateur allemand Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) a commandé 49 MITRAC Supercaps pour 19 véhicules sur rail légers. Figure 13 : Système MITRAC Supercaps, BOMBARDIER

16 C) CAF, ACR Le module ACR (Accumulateur de Charge Rapide) fournis par la société CAF est réalisé en partenariat avec la société Trainelec. Ce module présente une capacité de 3kWh permettant une autonomie de 1400m. Les essais de ce système ont été réalisés sur tramway de Séville. En octobre 2010, le véhicule avait effectué plus de kilomètres de parcours sans contact avec la LAC, avec quelque opérations de charge et décharge des équipements ACR et sans incidences. Les essais à Metro-Centro à Séville furent conçus dans le but de parcourir sans alimentation externe les 484 mètres qui séparent les arrêts de Plazza Nueva et Archivo de Indias, à une vitesse de 15 km/h, adéquate pour la zone piétonne de ce tronçon. Figure 14 : Système ACR, CAF Les tests ont prouvé la performance du système avec une réduction de consommation de l ordre de 30%. Ce système est maintenant en service commerciale sur les réseaux de Séville et Grenade. Le futur tramway de Saragosse possédera un tramway équipé de ce module permettant une autonomie sur 2km LES SUPER-CAPACITES, LES TRAMWAYS COURT ET AVIGNON L autonomie du système permet de circuler sans LAC de la station Saint Dominique vers la Porte de l Oulle et jusqu à l ile Piot. Une station de biberonnage devrait être implantée à la station Saint Dominique. Cette solution permet de préserver l environnement urbain des émergences liées à une électrification. De plus, le système de super capacité permet de diminuer l énergie consommée réalisant une économie financière. Tout comme pour les batteries, l utilisation du système sur un tramway court est contrainte par l emprise disponible en toiture AVANTAGES & INCONVENIENTS Avantages +Insertion urbaine + Récupération d énergie + Rechargement rapide + Retour sur investissement + Solution développement durable + Non sensible à la température + Durée de vie par rapport aux batteries Inconvénients - Coût d investissement - Remplacement au bout de 10 6 cycles

17 3. SYNTHESE Critères LAC APS PRIMOVE Batterie Super capacité Insertion urbaine Impact visuel Fiabilité + + +? + + Performance ? + + Utilisation en zone inondable Compatibilité tramway court + +? + + Durée de vie ans +? +? 5 ans _ 15 ans Maintenance + + +? Coût d investissement * 1,4 m 6,2 m 6,2 m 2,9 m 7,2 m Retour sur investissement ** (10,12 m ) Développement durable _ + ++ Très Bon +Bon 0 Neutre - Mauvais - - Très mauvais? Inconnue * : Calculé pour 2km et 24 rames ** : Calculé avec une durée de vie des rames de 30 ans Groupement pour le Tramway d Avignon 17 / 17