Pourquoi le métro de Londres est-il si chaud ? C’est peut-être dû à l’apport solaire

Quiconque a emprunté le métro londonien pendant les mois d’été sait qu’il peut faire chaud, parfois même dangereusement chaud. Et les températures semblent s’aggraver. La crise climatique peut sembler un coupable évident, mais il pourrait y avoir une autre raison à cette chaleur excessive sur le réseau ferroviaire : l’apport solaire. RailTech demande à Calvin Barrows, ingénieur agréé chevronné, d’élucider cette énigme.

Quand avez-vous remarqué pour la première fois le problème des apports solaires ?

La première fois que l’idée m’est venue, c’est lorsque je me trouvais sur la Central Line de Londres et que je rentrais chez moi à Epping. Il faisait très, très chaud dans les trains des réseaux de métro et de métros londoniens. Transport for London (TfL) et London Underground (LU) étaient convaincus que la hausse des températures était due à des problèmes opérationnels : accélération, décélération, traction, freinage, chaleur des passagers, etc. Selon eux, cela provoquait un réchauffement de l’air ambiant dans les tunnels. Cependant, en tant que passager du métro et ingénieur civil, structurel et judiciaire, un petit contrôle rudimentaire de la température dans les salons des trains m’a rapidement permis de réaliser qu’ils ne surchauffaient que pendant les périodes les plus chaudes de l’année.

Cette saisonnalité m’a incité à prendre en compte d’autres facteurs, notamment de surface. L’hypothèse était que, pour l’essentiel, les trains acquéraient d’abord de la chaleur lorsqu’ils circulaient ou étaient à l’arrêt en surface. Ensuite, ils la transportaient dans les tunnels. Mais le moment ultime a été le visionnage de l’émission Perfect Planet de David Attenborough et son rappel de la puissance du soleil : « L’énergie solaire qui frappe notre planète en une heure seulement contient plus d’énergie que celle utilisée par l’ensemble de l’humanité en une année entière. J’ai rapidement compris que je devais mieux comprendre les explications scientifiques concernant le transfert de chaleur et ses effets sur le réseau ferroviaire – et mes découvertes ont été absolument fascinantes.

Quel est donc le problème des apports solaires et pourquoi se produisent-ils ?

Essentiellement, le soleil irradie l’ensemble de la carrosserie du train lorsqu’il est en surface, ainsi que la voie en surface, le ballast et les rails. Simultanément, ce dernier rayonnement « primaire » est réémis des ballasts et des rails vers le châssis du train – ce que nous appelons le rayonnement « secondaire ». Lorsque les trains surchauffés pénètrent dans les sections souterraines du réseau, plus chaudes que les tunnels, ils réémettent la chaleur dans ces espaces confinés, réchauffant les revêtements des tunnels et leur environnement géologique. Ce transfert de chaleur saisonnier est nettement plus important que la chaleur ambiante produite par la chaleur opérationnelle tout au long de l’année, comme la traction ou le freinage. La chaleur résultant des apports solaires dans les wagons et les tunnels est l’éléphant de la santé et de la sécurité. Dans de telles conditions, les passagers peuvent souffrir d’un inconfort considérable, voire des symptômes potentiellement graves de l’épuisement par la chaleur, qui peut entraîner un coup de chaleur mortel.

Quand et où le danger survient-il ?

Sans surprise, pendant les saisons les plus chaudes de l’année, et surtout pendant les vagues de chaleur. Il existe un lien direct et indiscutable entre la surchauffe chronique de LU et les températures saisonnières plus élevées. Cependant, ces conséquences saisonnières dépendent également des différences entre les types de réseaux ferroviaires. Les réseaux uniquement souterrains, comme à Glasgow, ne surchauffent pas parce que leur matériel roulant n’est pas systématiquement exposé au rayonnement solaire, donc pas d’apport solaire.

En revanche, dans le contexte du réseau LU, qui circule à la fois en surface et sous terre, l’apport solaire affecte l’ensemble de la peau et de la structure de tout matériel roulant lorsqu’il est en surface. Dès le début de la journée, une fois irradiés, les trains commencent à entrer dans les portails des tunnels. Cette chaleur est progressivement évacuée (réémise) dans les tunnels plus froids. Par conséquent, les tunnels des réseaux mixtes reçoivent la somme de toutes les sources de chaleur. Cela inclut des sources opérationnelles relativement insignifiantes comme la traction et les freins, mais aussi la réémission des gains solaires importants, directs et indirects, provenant de l’exposition en surface du matériel roulant. Une fois que cette chaleur est transportée dans les tunnels, il est extrêmement difficile de l’atténuer.

Quelles sont les mesures prises actuellement par le métro de Londres pour lutter contre la surchauffe ? Quels sont les développements les plus récents ?

Le métro de Londres affirme qu’il a entrepris de nombreux projets, investissant d’importantes sommes d’argent pour atténuer la hausse des températures. Néanmoins, leurs réalisations ont été relativement minimes. Parmi les projets infructueux, citons les essais de refroidissement à la station Holborn, où un prototype de machine faisait circuler de l’air dans une matrice de tubes refroidis par de l’eau – en gros, la climatisation, mais avec un autre nom.

Il y a aussi le système amélioré de ventilation des tunnels de TfL. Connue sous le nom de « facteur de refroidissement éolien », cette idée est basée sur l’effet de « piston » actuellement utilisé par les trains entrant dans les tunnels pour aider à expulser l’air chaud. Mais ce système est inefficace car il n’évacue pas la chaleur des composants de l’infrastructure, ni celle du matériel roulant irradié par le soleil. Pour l’essentiel, les apports solaires resteraient un problème. TfL et LU ont bien essayé un film réfléchissant le rayonnement solaire sur la Central Line vers 2017, mais sans bien comprendre ce qu’il fallait faire pour en tirer un quelconque avantage. Essentiellement, les opérateurs ferroviaires tentent régulièrement de remédier à la surchauffe en utilisant le courant alternatif – une mauvaise idée dans les réseaux ferroviaires métropolitains.

Pourquoi est-ce un problème ?

Le problème est que l’air chaud évacué par les climatiseurs est déversé directement dans le réseau de métro. Refroidir des stations comme Oxford Circus, Green Park et Bond Street en installant d’énormes unités de climatisation peut faire baisser les températures sur les quais, mais cela n’aurait aucune influence sur la surchauffe dans les tunnels. La seule façon de procéder sur les réseaux mixtes est de climatiser entièrement à la fois les réseaux et les trains, mais cette solution est très peu écologique et coûteuse en termes d’installation, de fonctionnement et de maintenance.

En fin de compte, le fait de limiter la climatisation aux salons des trains non seulement ne résout pas le problème, mais l’exacerbe. Le réseau new-yorkais est équipé de la climatisation depuis une trentaine d’années : les trains et les tunnels continuent de surchauffer, la climatisation est surchargée et tombe régulièrement en panne. En réalité, sur un réseau mixte souterrain et aérien, la climatisation ne fera qu’aggraver le problème dans les tunnels qui ne sont pas climatisés.

TfL/LU tentent-ils actuellement quelque chose de différent par rapport à leurs efforts précédents ? Comment cela se compare-t-il aux autres systèmes de métro ?

Pour l’essentiel, il n’y a pas de différence. En effet, TfL/LU continuent de se concentrer sur l’atténuation des problèmes tels que la traction, le freinage et la chaleur générée par les passagers, en copiant les erreurs et en reproduisant les échecs de New York. En fait, je dirais même qu’ils ont fait marche arrière. Bien qu’ils aient toujours été convaincus que la climatisation ne fonctionnerait pas parce qu’ils ne savaient pas comment disperser la chaleur perdue, ils sont aujourd’hui étonnamment de grands partisans de ce système. TfL propose maintenant d’installer le courant alternatif sur le nouveau matériel roulant de la Piccadilly Line. Dans l’extension de la Jubilee Line et de l’Elizabeth Line, certains pourraient penser que l’installation de portes palières est destinée à empêcher la surchauffe des tunnels. Ce n’est pas le cas. Elles ont été conçues uniquement pour des raisons opérationnelles de santé et de sécurité, afin de séparer les passagers des trains.

En réalité, nous savons peu de choses sur la manière dont la plupart des métros traitent la question de la surchauffe, ou si, comme TfL, ils espèrent s’en sortir avec des ailes et des prières. En Europe, les métros de Glasgow, Varsovie et Prague restent relativement frais, même en été. À Moscou, les métros disposent de puits de ventilation d’air frais qui descendent profondément dans leur réseau, et les trains intègrent une méthode efficace pour capter et distribuer cet air.

Aux États-Unis, la plupart des métros semblent s’appuyer sur l’air conditionné des cabines de train, sous une forme ou une autre. Ceux-ci ont tendance à tomber en panne fréquemment en raison de l’air extrêmement chaud qui est aspiré dans les conduits d’entrée du climatiseur. Les problèmes rencontrés sont similaires à ceux de Londres. Il est intéressant de noter qu’en Inde, on a reconnu la nécessité de résoudre le problème des apports solaires dans de nombreuses applications et qu’on a une longueur d’avance sur nous dans ce domaine.

Quelles solutions recommanderiez-vous à TfL/LU en matière d’apports solaires ?

Lorsque j’ai pris conscience de l’impact sérieux de l’irradiation des surfaces, j’ai conseillé à de nombreux ingénieurs, cadres et membres du conseil d’administration de TfL d’envisager des solutions préventives. Il pourrait s’agir d’utiliser une peinture réfléchissante sur les surfaces extérieures du matériel roulant exposées au soleil. Cela pourrait entraîner une baisse des températures de 15 à 20°C. Je suggérerais également des revêtements spécialisés similaires pour les châssis et les bogies. Le verre à contrôle solaire, qui peut réfléchir environ 75 % de l’irradiation solaire, serait utile.

L’utilisation de matériaux d’isolation radiative – essentiellement des barrières solaires – et de végétation sur les voies vertes améliorerait également la situation. Cette dernière méthode a été utilisée avec succès en Europe, où l’on compte actuellement plus de 800 kilomètres de voies ferrées « légères » vertes. En conséquence directe du travail de consultation entrepris avec mon co-auteur pour le Rail Safety and Standards Board (RSSB) du Royaume-Uni, ce dernier a publié un rapport recommandant l’utilisation de matériaux réfléchissant l’énergie solaire. Ce rapport indique que ces techniques pourraient apporter « de nombreux avantages en termes de sécurité et de confort à l’industrie ferroviaire (et au public voyageur) ». Malheureusement, TfL a fermé son esprit aux contributions de tiers et n’a donc accordé que peu d’attention aux avantages des mesures de réflexion solaire.

Quel serait le coût estimé de la mise en œuvre de ces solutions ?

Cela dépend de nombreux facteurs propres à chaque opérateur de réseau, mais je pense qu’il sera inévitablement beaucoup, beaucoup moins coûteux que l’approche actuelle de TfL, à la fois en termes d’investissement, d’entretien et de coûts d’exploitation. En outre, bon nombre de ces idées présentent également d’autres avantages opérationnels et environnementaux. Par exemple, les pistes vertes sont attrayantes et bénéfiques sur le plan de l’environnement et des coûts.

Comment voyez-vous l’évolution du problème sur le réseau LU si rien ne change ?

Sans une surveillance intelligemment ciblée pour établir et confirmer les sources de chaleur prédominantes, ainsi que l’augmentation progressive de la chaleur et les mécanismes de transfert de chaleur, TfL et ses conseillers continueront à mal interpréter les preuves. Leur modélisation sera défectueuse car elle sous-estimera massivement la quantité de chaleur transportée dans les tunnels et son impact potentiel sur les passagers. L’augmentation des températures estivales rend cette question encore plus urgente, car elle est susceptible de continuer à aggraver l’irradiation solaire de surface du matériel roulant.

Alors que les températures internes des cabines des trains ont déjà dépassé les 40°C au Royaume-Uni, ne pas agir pour résoudre le problème – et ensuite faire de la politique autour de l’identification de la véritable cause – est inacceptable et négligent. En fait, ne pas accepter le problème – alors qu’il est déjà bien établi et accepté par les régulateurs ferroviaires – est le comble de la stupidité. Avec l’arrivée de l’automne, TfL aurait pu s’en tirer une année de plus. Mais soyons clairs : une catastrophe est inévitable s’ils continuent dans cette voie sans issue.

[Calvin Barrows est un ingénieur agréé à la retraite qui possède une vaste expérience dans le domaine de l’ingénierie civile, structurelle et des transports. Il a travaillé pour de nombreux acteurs majeurs de son secteur, notamment Pell Frischmann, Costain et Morgan Sindall, tout en jouant un rôle clé dans des projets de premier plan pour TfL et LU. Il a notamment été responsable de la conception du projet d’extension de Gospel Oak à Barking et du programme d’accès gratuit à la ligne Bakerloo de Paddington. Il a également joué un rôle crucial dans l’amélioration de la capacité de Moorgate de TfL, où il a analysé les mesures de refroidissement potentielles. Sa connaissance approfondie de l’infrastructure de TfL et son approche innovante de la conception des stations ont fait de lui une autorité dans ce domaine, notamment en ce qui concerne les exigences complexes du réseau du métro de Londres[/highlight].

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