Le défi énergétique du Grand Paris Express

Le Grand Paris Express, ou métro du Grand Paris, est constitué de 2 prolongements de lignes existantes (la ligne 11 jusqu’à Noisy-Champs et la ligne 14 au nord et au sud, de Pleyel jusqu’à Orly) ainsi que de 4 lignes nouvelles (la ligne 15, rocade autour de Paris et les lignes 16, 17 et 18 en périphérie) pour assurer la desserte des pôles économiques de la métropole et des territoires en développement. L’ensemble conduit à la création de 200 km de voies nouvelles et de 68 gares, dont les ¾ seront en interconnexion avec le réseau ferré existant.

Le Grand Paris Express est un métro automatique, sans conducteur, à forte fréquence (jusqu’à un train toutes les 2 minutes en heure de pointe) avec une vitesse commerciale élevée, de l’ordre de 65 km/h pour les lignes nouvelles, ce qui conduit à des vitesses de pointe de 100 km/h. La circulation des trains est pilotée en temps réel depuis un poste de commandement centralisé qui supervisera toutes les installations nécessaires au fonctionnement du métro et des gares.

La consommation électrique totale du Grand Paris équivaudra à celle d’une ville comme Rennes.

L’ensemble conduit à des besoins importants en électricité, que ce soit pour l’alimentation nécessaire à la circulation des trains, d’autant plus importante que leur vitesse et leur fréquence sont élevées, pour l’éclairage des rames et des gares ou pour d’autres besoins spécifiques des bâtiments.

Ces derniers sont nombreux et complexes :

• les gares qui, par la configuration du réseau, sont souvent profondes et très consommatrices, en raison notamment de la mécanisation des accès, de l’éclairage des espaces publics et de la ventilation ;
• les ouvrages annexes, présents avec un pas maximal de 800 m pour permettre l’évacuation mais qui servent également à la ventilation et au désenfumage du tunnel ;
• les sites de maintenance, vastes espaces industriels pour assurer l’entretien du matériel roulant et le maintien en l’état des infrastructures ;
• les postes de commandes centralisées avec les équipements d’automatismes de conduite des trains.

Selon les estimations réalisées sur la base de simulations du réseau de traction, les besoins liés à l’alimentation des trains représenteront, à l’horizon 2030, une puissance installée de 500 MW et une consommation annuelle de 600 GWh/an. Concernant les besoins liés à l’alimentation des bâtiments, la puissance mobilisée sur l’ensemble du réseau pourrait atteindre 350 MW à l’horizon 2030. Il est plus difficile à ce stade des études d’estimer précisément la consommation des gares, dont les caractéristiques ne sont pas encore définitivement fixées, mais on l’estime à 200 GWh/an en fourchette haute.

Cette consommation globale, équivalente à celle d’une ville comme Rennes, peut être comparée à la consommation actuelle du réseau du métro parisien (un peu moins de 600 GWh/an pour les trains et de 300 GWh/an pour les bâtiments).

Les objectifs de la Société du Grand Paris en matière d’énergie porteront sur deux aspects : limiter autant qu’il est possible les consommations énergétiques nécessaires au réseau de transport et se tourner vers les énergies renouvelables.

Un certain nombre de techniques d’ores et déjà éprouvées seront mises en oeuvre sur le Grand Paris Express :

• l’amélioration du rendement de la chaîne de traction : objectif inscrit dans le cahier des charges du matériel roulant, l’enjeu est important car 20% à 25% de l’énergie injectée dans la caténaire est de l’énergie dissipée ;
• le freinage électrique des trains à haute vitesse : durant les phases de freinage, les trains deviennent producteurs d’énergie en réinjectant l’énergie de freinage vers la caténaire. Le freinage électrique des trains à haute vitesse permet d’augmenter la part de l’énergie de freinage électrique pouvant être récupérée (+30% environ). Il limite également la production de particules liées au freinage mécanique, sujet sensible pour la qualité de l’air ;
• la marche sur l’erre : elle désigne le fait de rouler traction coupée à l’approche d’un point d’arrêt ou d’une zone à vitesse réduite. La marche sur l’erre est de fait moins énergivore que la marche tendue en raison d’une quantité d’énergie cinétique moins importante mise en jeu (20% de moins qu’avec la marche tendue).

Mais c’est principalement sur l’optimisation de la circulation des trains, que, tout en reprenant les techniques existantes, la Société du Grand Paris entend se montrer innovante. Dans les phases d’accélération, en effet les trains sont consommateurs d’énergie. A l’inverse au freinage ils deviennent producteurs d’énergie. En faisant correspondre les phases d’accélération et de freinage des trains, on favorise les échanges énergétiques naturels entre trains, les postes de redressement ne venant qu’en complément de ces échanges.

La circulation des trains sera optimisée en temps réel tout au long du parcours.

Or, cette synchronisation est en général établie au départ des trains des terminus. En cours de parcours, certains trains prennent parfois du retard (aléas d’exploitation liés le plus souvent à des problèmes de fermeture de portes) et ce décalage ne permet plus de respecter un optimum énergétique. Le côté innovant du Grand Paris Express réside dans le fait que la circulation des trains sera optimisée en temps réel tout au long du parcours : la circulation des trains sera ajustée en temps réel, permettant ainsi de s’adapter aux aléas d’exploitation.

Par ailleurs, les gares ne seront pas en reste de cette recherche d’optimisation. Sur le plan de l’éclairage tout d’abord, outre le recours autant qu’il est possible à l’éclairage naturel, en retenant une architecture qui amènera la lumière extérieure à l’intérieur des gares, l’utilisation de luminaires performants à haut rendement (de type LED) seront d’usage courant. La mise en place de détecteurs de présence, l’adaptation du niveau d’éclairement selon les heures du jour, la gestion et le pilotage centralisé des éclairages au juste besoin permettront les meilleures performances en la matière.

Sur le plan thermique, les gares, de par leurs profondeurs (20 à 30m) disposent d’une forte inertie thermique. Cette caractéristique naturelle permet de diminuer les consommations énergétiques des gares et de réduire le dimensionnement des installations de CVC (chauffage, ventilation, climatisation), en profitant d’un préchauffage naturel de l’air extérieur de +5°C l’hiver et un rafraîchissement naturel de -5°C l’été. Pour en bénéficier plus complètement, le principe des puits canadiens sera systématiquement mis en œuvre : la simple circulation de l’air extérieur dans les espaces situés sous les quais et derrière les parois latérales des quais permettra son refroidissement naturel en été et son réchauffement naturel en hiver, réduisant d’autant la consommation énergétique.

Au-delà, une analyse du potentiel géothermique sera réalisée sur l’ensemble des gares. Cette analyse a d’ores et déjà permis d’identifier 5 gares avec un potentiel en la matière très favorable, sur les 16 que compte la ligne 15 sud. Une étude est en cours pour une insertion d’éléments thermoactifs dans les parois moulées de ces gares. Les investissements correspondants pourraient également bénéficier aux projets de développement urbains qui accompagneront l’arrivée du métro.

Vue de la gare Villejuif-Louis Aragon qui fera partie de la ligne 15 du Grand Paris Express (©Société du Grand Paris-Gazeau)