Hyperloop utopie ou solution pour une mobilité plus durable

C’est Elon Musk le patron de Tesla et de Space X qui a publié en 2013 « Hyperloop Alpha » un document proposant la réalisation d’un nouveau type de transport supersonique. Des capsules circulant dans un tube sous vide capable de dépasser les 1235 km/h en vitesse de pointe permettraient de relier en 30 mn Los Angeles à San Francisco, villes distantes de 600 km. Hyperloop est une technologie en rupture que son promoteur considère comme le cinquième mode de transports après le bateau, le train, l’automobile et l’avion. Elle permettrait d’atteindre deux fois la vitesse commerciale de l’avion à un coût du dixième de celui du TGV (en Californie) et produisant plus d’énergie solaire qu’il n’en consomme.

En proposant une approche ouverte sans brevets, Elon Musk a donné le coup d’envoi d’un processus de mobilisation d’expertise sans précédent de spécialistes et d’experts notamment de la NASA, d’écoles d’ingénieurs et de consortiums industriels. Depuis 2013 un système d’innovation se met en place à la vitesse à laquelle sont habitués les acteurs du Net (Elon Musk a fait fortune avec Paypal). Ce projet entre dans le large mouvement de réinvestissement des acteurs de l’économie numérique dans le monde matériel et surtout il en adopte les méthodes ouvertes et rapides.

Il ne s’agit pas d’une idée nouvelle, l’américain Robert Goddard, pionnier des fusées avait formulé dès les années 1910, la proposition de trains qui circuleraient dans des tubes sous-vide. Une étude de la Rand Corporation américaine proposait en 1972 un système de transit à très grande vitesse (VHST) fonctionnant dans une atmosphère raréfiée dans des tubes tunnels souterrains. Plus près de nous au début des années 2000 en Suisse, Swissmetro proposait de développer un train magnétique dans un environnement à basse pression. Des concessions ont même été accordées à Swissmetro pour relier les villes suisses de Saint-Gall, Zurich, Bâle et Genève. Mais aucune suite n’a été donnée.

En parallèle dans les années 1970, le Japon et l’Allemagne ont commencé à investir dans la technologie Maglev, des trains à sustentation magnétique, mais dans l’atmosphère. La vitesse enregistrée la plus élevée a été de 581km/h réalisée au Japon en 2003.

Suite à l’annonce d’Elon Musk, trois entreprises ont été créées pour faire aboutir ce projet : Hyperloop One (US) entreprise dans laquelle la SNCF a pris des participations il y a un an, Hyperloop Transportation Technology HTT (US) qui ouvre actuellement un laboratoire de recherche à Toulouse et recrute dès à présent des ingénieurs, et enfin Transpod (Canada) qui est dirigée par deux français qui ciblent le Canada et l’Europe. La Chine et la Corée ont mobilisé de leur côté chercheurs et industriels sur des projets similaires.

Comme il ne s’agit pas d’une idée totalement nouvelle, ni d’une technologie de rupture issue de découvertes scientifiques nouvelles, il s’agit de l’assemblage de technologies connues mais qui doivent fonctionner ensemble dans des conditions nouvelles. C’est pourquoi la stratégie actuelle des trois entreprises est d’assembler des compétences scientifiques (laboratoires des universités et des écoles les plus prestigieuses) et des entreprises disposant de savoir-faire, pour passer rapidement du développement de prototypes, à des démonstrateurs et aux lignes commerciales. Au lieu du processus de développement traditionnel dans lesquels ces étapes successives s’enchainent sur plusieurs années voire des dizaines, ces processus sont menés en parallèle sur des délais courts. Se développeront ainsi des systèmes d’innovation amenant différents acteurs à coopérer. Hyperloop TT a même publié un calendrier de recherche et d’innovation détaillé sur 10 ans, donnant une visibilité à son calendrier d’association de compétence.

Hyperloop c’est quoi sur le plan technique ? Un nouveau système de transport de voyageurs avec des navettes d’une trentaine personnes qui circulent dans des tubes à très basse pression (le millième de la pression atmosphérique) avec une propulsion électrique (moteur linéaire) et une suspension sur coussin d’air et/ou magnétique selon les derniers développements. Dans la version de surface les tubes sont soutenus par des piliers, mais le passage en sous-terrain est possible. Elon Musk vient de créer à cet effet une entreprise la Boring Company (jeu de mot à double sens creuser et ennuyer) pour baisser d’un facteur 10 le coût des tunnels (voir article). En limitant les frottements la consommation d’énergie est faible au point que l’alimentation par photopiles solaires suffit. L’énergie consommée à l’accélération est récupérée en partie au freinage. La vitesse maximale de 1200km/h en ligne droite met Hyperloop directement en concurrence de l’avion, dans des parcours plus sinueux des régimes vers 400km/h sont envisagés. Mais sa capacité à entrer dans les centre villes, et de fonctionner en continu (des capsules toutes les 40 secondes) et non en horaires fixes, permet une intégration nouvelle avec les systèmes de transport collectif organisés par des applications numériques (smartphone).

Même si les hypothèses de départ sont identiques les options techniques prises par les entreprises sont variées. Le diamètre des tubes n’est pas le même, 4 m pour HTT et Transpod et moins pour Hyperloop One. Les technologies sont différentes HTT utilisant un système passif d’aimants permanents consommant peu d‘énergie et Transpod utilisant des dispositifs actifs consommant plus d’énergie mais étant plus stables. Les entreprises ne sont pas dans une perspective ouverte telle que le proposait Elon Musk mais se protègent par des brevets.

Quelle crédibilité technique ? Les moyens et l’expertise mobilisés au niveau international donnent une crédibilité technique aux hypothèses. Les essais et les prototypes envisagés vont valider ces hypothèses et mettre au point les ajustements techniques. A horizon de 2 ans les cahiers des charges techniques seront précisés. Des premières lignes sont envisagées dès 2022.

Quelle crédibilité économique ? Les estimations économiques visant dans un premier temps la liaison Los Angeles San-Francisco semblent nécessiter un investissement largement inférieur à celui du TGV. L’extrapolation des estimations californiennes sur la distance de 60km Saint-Etienne Lyon conduirait à un investissement de 700 Millions d’€.

Le fonctionnement avec faible usure et faible consommation d’énergie font envisager des coûts de fonctionnement limités par rapport ceux du TGV. Le modèle économique du TGV est aujourd’hui en difficulté. La marge opérationnelle a chuté de 20 à 8,5% en 2016[1]. Les recettes sont inférieures aux dépenses d’entretien du réseau ce qui contribue à augmenter l’endettement. L’usure des infrastructures et les dépenses énergétiques deviennent prohibitives au-delà de 300km/h, les coûts d’exploitation du TGV devenant trop importants.

Quel impact environnemental ? Du fait de la faible consommation d’énergie (environ 10 fois inférieure à l’avion) et son usage de l’électricité photovoltaïque Hyperloop est un mode de transport à impact carbone quasi nul. Cette infrastructure sur pylônes n’interrompt ni les des trames humaines des échanges locaux sur le territoire, ni les trames vertes et bleues contrairement au rail et aux autoroutes. En souterrain à l’approche des villes, l’impact est lui aussi limité.

L’absence de bruit permet de combiner fret et voyageurs pour un usage 24h/24h sans nuisance pour les riverains.

Bien entendu des analyses environnementales complètes prenant en compte le cycle de vie des produits utilisés, les impacts sur la mobilité et les effets rebond doivent encore être menées pour optimiser cette technologie.

Quels risques économiques ? Il y a toujours des problèmes techniques qui émergent lors de la mise en œuvre et qui se traduisent le plus souvent par des surcoûts. Mais inversement on peut trouver des financements publics et privés et des engagements de laboratoires de recherche et d’entreprises pour la recherche développement que l’on ne trouve pas avec les infrastructures classiques (voie ferrée, route ou autoroute). Pour cela il faut envisager les premières liaisons comme des démonstrateurs, avec des prises de risques mais aussi une espérance de gain important dans la suite.

Il y a une opportunité pour la France de s’intéresser à ce projet, d’envisager la réalisation d’une ligne expérimentale. Le parcours Saint-Etienne Lyon pourrait s’avérer un choix opportun. Outre le clin d’œil historique, ce parcours ayant développé la première ligne ferrée ouverte aux voyageurs en Europe continentale en 1830, qui reste aujourd’hui la ligne la plus empruntées hors région

[1] Source : article « Pourquoi le TGV fonce vers l’impasse économique », Les Echos, 30 mars 2017

Veille innovation : la Boring Compagny d’Elon Musk

Pour résoudre la congestion urbaine d’Elon Musk propose des routes en 3D. Abandonnant l’idée de véhicules volants il propose le développement de tunnels. Les voitures volantes ont des problèmes avec la météo, le bruit et, en général, augmentent les niveaux d’anxiété de ceux qui sont au-dessous. L’autre option consiste à «descendre» et à construire des tunnels.

Contrairement aux véhicules volants, les tunnels sont étanches, hors de vue et ne tomberont pas sur votre tête. La construction et l’exploitation du tunnel sont silencieuses et invisibles pour toute personne en surface. Les tunnels ne divisent pas les communautés avec des voies et des barrières. Il n’y a pas de limite pratique quant au nombre de couches de tunnels pouvant être construites. Les tunnels sont résistants aux intempéries et au tremblements de terre.

La clé de ce projet est d’augmenter simultanément la vitesse dans le tunnel et de réduire les coûts d’un facteur de 10 ou plus. L’objectif de « The Boring Company » est le creusement rapide de tunnels à faible coût. Cela faciliterait l’adoption Hyperloop et permettrait un transit rapide dans des régions densément peuplé.

Pourquoi cela n’a-t-il pas été fait avant ?

À l’heure actuelle, les tunnels sont vraiment coûteux à creuser, certains projets coûtent jusqu’à 1 milliard de dollars par mille. Afin de rendre réalisable un réseau de tunnels, les coûts de tunnels doivent être réduits d’un facteur supérieur à 10.

Comment réduire le coût du tunnel?

Tout d’abord, il faut réduire le diamètre du tunnel. Pour construire un tunnel à une voie, le diamètre du tunnel doit être d’environ 8,5m. En plaçant des véhicules sur une planche électrique stabilisée, le diamètre peut être réduit à moins de 4,3m. Réduire le diamètre de la moitié réduit les coûts de tunnels de 3 à 4 fois. Deuxièmement, augmentez la vitesse du tunnelier. Les tunneliers sont très lents. Un escargot est effectivement 14 fois plus rapide qu’un tunnelier en sol meuble. Notre objectif est de vaincre l’escargot dans la course.

Quels sont les moyens d’augmenter la vitesse des tunneliers ?

Augmenter la puissance du tunnelier. La puissance de sortie de la machine peut être triplée (couplée aux mises à niveau appropriées dans les systèmes de refroidissement).

Tunnel continu. Lors de la construction d’un tunnel, les tunneliers opèrent pour 50% du temps et la mise en place des structures de support du tunnel occupent les autres 50%. Ce n’est pas efficace. La technologie existante peut être modifiée pour supporter l’activité de tunnel en continu.

Automatiser le tunnelier. Alors que les tunnelier de plus petit diamètre sont automatisés, les plus grands nécessitent actuellement de multiples opérateurs humains. En automatisant les tunneliers plus importants, la sécurité et l’efficacité augmentent.

Utiliser l’électricité. Les opérations courantes du tunnel incluent souvent des locomotives diesel. Ceux-ci peuvent être remplacés par des véhicules électriques.

La R & D sur les tunnels. Aux États-Unis, il n’y a pratiquement aucun investissement dans la recherche et le développement de tunnels (et dans de nombreuses autres formes de construction). Ainsi, l’industrie de la construction est l’un des seuls secteurs de notre économie qui n’a pas encore amélioré sa productivité au cours des 50 dernières années.

Qu’est-ce qu’une planche (skate) électrique, et pourquoi l’utiliser?

Une planche électrique est une plaque plate sur roues propulsée par un moteur électrique. Comme discuté ci-dessus, la planche électrique permet une grande réduction du diamètre du tunnel, en plus de :

  • Une sécurité accrue. Un véhicule autonome entièrement stabilisé élimine l’erreur humaine et la capacité de «se détourner de sa trajectoire».
  • Augmentation de la vitesse. La planche autonome contrôlée permet des vitesses de 200km/h en milieu urbain.
  • Des charges utiles multiples. La planche électrique peut transporter des automobiles, des biens et / ou des personnes. Et si on ajoute une enveloppe sous vide, c’est maintenant un tube Hyperloop qui peut voyager à plus de 960km/h.
  • Élimination des émissions dangereuses. Les planches électriques sont des véhicules à émissions nulles et ne produisent donc pas de gaz dangereux comme les voitures à combustion interne. Chaque kilomètre, la planche qui transporte un véhicule qui brûlait du gaz devient un kilomètre à émission nulle.

Qu’en est-il des tremblements de terre?

Les tunnels, lorsqu’ils sont conçus correctement, sont connus pour être l’un des endroits les plus sûrs en cas de tremblement de terre. Du point de vue de la sécurité structurale, le tunnel se déplace uniformément avec le sol, contrairement aux structures de surface. En outre, une grande quantité de dégâts causés par un tremblement de terre provient de la chute de débris, qui ne s’applique pas à l’intérieur des tunnels.

Existe-t-il des vibrations perturbatrices lors du tunnel ?

Non. Une fois qu’un tunnelier opère au-delà d’une certaine profondeur (environ deux diamètres de tunnel ou 6m), le processus de tunnel est presque impossible à détecter, surtout dans les sols meubles.

Que faire avec tous les déchets ?

Dans les projets classique de tunnels, les déchets excavés sont expédiés hors site vers les lieux d’élimination. Ce processus est coûteux, long, bruyant et peut être dangereux pour l’environnement. The Boring Company étudie des technologies qui recycleront la terre en briques utiles pour être utilisées pour construire des structures. Ce n’est pas un concept nouveau, car des bâtiments ont été construits à partir de la Terre pendant des milliers d’années, y compris, selon des preuves récentes, les Pyramides. Ces briques peuvent éventuellement être utilisées comme une partie de la doublure du tunnel elle-même, qui est généralement construite à partir de béton. Étant donné que la production de ciment représente 4,5% des émissions mondiales de gaz à effet de serre, les briques terrestres réduiraient l’impact environnemental et les coûts des tunnels.

Traduction et synthèse reprise du site de la Boring Company