METRO AUTOMATIQUE et ECONOMIE d ENERGIE SIFER 27 mai 2009 S. EL FASSI 1
Contexte t et enjeux Même si le transport ferroviaire, le métro sont des moyens de transport dont l efficacité énergétique n est plus à démontrer, le coût de l énergie de traction devient un poste de dépense majeur. Cette tendance oblige les exploitants à regarder de plus près leur consommation énergique pour identifier les sources potentielles de réduction. La chaîne de transport et de conversion d énergie, les systèmes de contrôle commande, d automatisme sont les facteurs clefs de réussite. 2
Spécificité ité des métros automatiques ti Longueur des inter-stations: 300m à 700m Heures de pointe: Intervalle jusqu à 60 s minimum Heures creuses: Intervalle > 4 mn Exploitation 21 h/ 24h et 24h/24h 3
Optimisation des coûts d exploitation et respect de l environnement : quels leviers? Maîtrise de la conduite Distribution d énergie Véhicule 4
Distribution ib ti de l énergie de traction ti : situation ti Les contraintes d exploitation conduisent à: Surdimensionner i les artères de livraisoni Surdimensionner le système de distribution d énergie Les véhicules produisent au démarrage un appel de puissance Ces pics de puissance sont très coûteux: Surdimensionnement du contrat de livraison Paiement de pénalités 5
Distribution ib ti de l énergie de traction ti : évolutions Optimisation des infrastructures par l utilisation d éléments de stockage d énergie au sol : Réduction du dimensionnement des artères Réduction des éléments de l infrastructure t transformateurs, t Utilisation de dispositifs de stockage en embarqué : Réduction des pics de puissance Ces deux solutions peuvent être couplées suivant les possibilités d évolutions 6
Distribution ib ti de l énergie de traction: ti régulation par l intervalle ll 2 MW 1 MW 7
Transformation de l énergie Besoin énergétique Freinage 90% pour la traction 10% pour les équipements auxiliaires L énergie cinétique dissipée lors du freinage représente 40% de la consommation énergétique 8
Caractéristiques ti énergétiques éti d une inter-station tti Phase de traction Phase de vitesse palier Phase de freinage 9
Bilan énergétique éti 1 Energie cinétique i (20% perte) 0.8 0.8 Energie pour maintenir la vitesse 08 0.8 012 0.12 constante (12 %) 0.68 Effort de freinage (80% de l énergie cinétique, i (0.8 01)x08 0.1)x0.8 résistance à l avancement 0.54 Récupération d énergie (20%perte) (0.8-0.1)x 01)x08*0 0.8 0,8 0.43 Energie d entrée Energie de traction Energie cinétique Energie de freinage Energie réinjectée Accélération Vitesse constante Décélération 10
Maîtrise de la conduite : Contexte t / Objectifs Deux caractéristiques majeurs des systèmes de conduite automatique sans conducteur comme les produits VAL, Trainguard MT CBTC de Siemens: Grande régularité atteinte par les automatismes de Conduite Lors de la phase de freinage, l énergie cinétique des trains peut-être renvoyée en ligne pour être utilisée par un autre train demandeur en énergie. Ces caractéristiques autorisent une optimisation des profils de vitesse et des tables horaires d exploitation avec pour objectif une utilisation optimum de l énergie cinétique des véhicules. Ces principes mis en œuvre sur les projets VAL (Turin), ou d automatismes CBTC ont permis de confirmer les impacts des optimisations sur la consommation énergétique. 11
Maîtrise de la conduite: profils de vitesse Différents profils de vitesse sont mis en œuvre suivant les besoins d exploitation à la demande de l opérateur ou automatiquement par le système de supervision centralisé. Les stratégies définies permettent de choisir le profil répondant aux performances énergétiques ou de capacité de transport: Profil accéléré : appliqué après un incident, permet de maintenir la capacité de transport. Il est coûteux en énergie Profil nominal : il répond aux besoins de performance pendant les heures de pointe Profil économique : Le véhicule file sur l erre lorsque son énergie cinétique permet d atteindre la station dans un délai fixé. Ce principe permet d économiser jusqu à 15 % d énergie suivant le profil de l inter-station 12
Maîtrise de la conduite: optimisation i des tables horaires L optimum m énergétique e est atteint en utilisant au mieux la récupération d énergie. Aux heures de pointes, la ligne est en générale suffisamment réceptive pour que la récupération de l énergie cinétique soit maximale Aux heures creuses, la distance entre véhicules est plus grande, les conditions de réceptivité de la ligne sont beaucoup moins favorables. Le système de supervision centralisé synchronise les mouvements des véhicules du carrousel à partir de tables horaires Utilise au mieux les temps de battement aux terminus Choisit le profil de vitesse le plus adapté Ajuste les temps d arrêt en station 13
Maîtrise de la conduite: optimisation i des tables horaires En exploitant la caractéristique de régularité des automatismes de conduite il est possible d analyser la consommation énergétique de la ligne pour trouver la meilleure configuration d exploitation répondant aux objectifs commerciaux. La stratégie développée favorise la récupération maximum de l énergie cinétique. BILEME réalise un bilan énergétique d une ligne de métro: Analyse la consommation énergétique de la ligne suivant différents paramètres d exploitation Propose les intervalles, les temps de battement et les temps de stationnement Donne la vision complète d une journée d exploitation Apporte une aide à la décision 14
Maîtrise de la conduite : choix des données d exploitation ti Int 221s, Bat_ t 116s, Bat T1 36s, 155 Kwh Balayage 210 des s, 151 intervalles Kwh possibles 50% 226 s, 102 Kwh 50% Int 227s, Bat_t 146s, Bat T1 74s, 106 Kwh Int 230s, Bat_t 161s, 226 Bat s, 102 T1 Kwh 91s, 107 Kwh Courbe des temps de battement en fonction de l intervalle 5 véhicules, temps de boucle 980 secondes, gain coût exploitation ~150 K /an 15
Maîtrise de la conduite : Résultats t 1/ Les mesures réalisées sur le site de Turin ont permis de valider le modèle défini par Siemens, une économie d énergie de 33% est démontrée. 2/ Economies : 3 300 MWh / an ~ 330 K / an 2 000 tonnes CO2 / an 16
Conclusions : vers une maîtrise de l énergie Selon le contexte du projet plusieurs solutions sont disponibles pour maîtriser, réduire la consommation énergétique d une ligne de métro: Solutions légères Outils d aide à la décision Automatisme de conduite performant Système de supervision Solutions lourdes Amélioration des performances énergétiques du véhicule Modification de l infrastructure de distribution d énergie 17