Petite histoire de la locomotive


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La locomotive est un engin de traction des trains. Elle dispose donc d'une motorisation interne lui permettant de se mouvoir. Les combustibles utilisés le furent en trois temps : 

- 1820 à +/- 1960-1970 : machine à traction vapeur avec combustible au charbon;
- début 1900 à nos jours : machine à traction avec moteurs fonctionnant à l'électricité;
- 1912 à nos jours : machine à traction avec alternateur ou transmission hydraulique, fonctionnant au carburant diesel.

Le coût d'extraction du charbon, les puissances faibles fournies et l'entretien très onéreux des locomotives à vapeur ont fait que les dernières machines de ce type roulèrent globalement jusqu'au milieu des années 70. Tout début des années 60, on en construisait encore quelques unes, pour des chemins de fer locaux. Cette période de 150 ans de traction vapeur mérite donc une petite rétrospective, avant de nous pencher dans les pages qui suivent à la traction diesel puis électrique.
Demain
L'auteur
Frédéric de Kemmeter 
Train & signalisation - Obser-vateur ferroviaire depuis plus de 30 ans. Comment le chemin de fer évolue-t-il ? Ouvrons les yeux sur des réalités complexes de manière transversale
La traction autonome
La traction électrique
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- histoire de la traction diesel
- principes de la traction diesel
- les locomotives diesel actuelles
- les locomotives bimodes
- les constructeurs
- les loueurs
Mais avant de développer la traction actuelle, un petit retour en arrière s'impose, où règna durant 150 ans la traction vapeur. De l'invention de la vapeur pour mouvoir une machine, jusqu'à la locomotive qui roule en autonomie, un court historique.
Les débuts de la mécanique à vapeur
Vers une application ferroviaire
 Papin  
 Newcomen
 Cugnot  
 Murdoch 
 Trevithick  
 Stephenson 
Jusqu'au XVIIème siècle, la seule façon de se déplacer n'était possible que par énergie naturelle, animale ou humaine : soit par le vent, soit par énergie hydraulique, soit par le cheval tractant un véhicule, soit...par la marche à pieds. Ainsi en est-il des bateaux à voile, des moulins à vent ou à aubes, et des nombreux services en calèches. Le génie mécanique prend son envol avec l'idée de maîtriser les énergies pour mouvoir un véhicule. A défaut de pouvoir maîtriser le vent, il fallait donc un combustible se chargeant de fabriquer une énergie. Cela débuta par la vapeur d'eau, puis par l'électricité et enfin les combustibles d'origine fossiles.

Pourquoi seulement au XVIIème siècle ?
Au Moyen Âge comme à la Renaissance, les clercs et les humanistes s'en tenaient à la description des phénomènes. La rupture entre science et religion semble consommée avec, en 1633, le procès de Galilée. Les savants, à la suite de Johannes Kepler, vont pouvoir séparer science, religion et philosophie, et se lancer dans un grand nombre de recherches en pleine autonomie, en mathémathique, en physique, en astrologie. Désormais, c'est l'expérience qui doit soutenir chaque nouvelle théorie. La physique s'intéresse aux conditions nécessaires pour générer une force pressante capable de faire mouvoir un objet autrement que par le vent, l'énergie hydraulique, une force animale ou... le canon (inventé par un allemand en 1313) !

En 1673, le néerlandais Christiaan Huygens et son jeune assistant Denis Papin, réussissent à déplacer un piston entraînant une charge de 70 kg sur 30 cm, en chauffant un cylindre métallique vidé d'air, rempli de poudre à canon. Huygens serait ainsi considéré comme le précurseur du moteur à combustion interne. En 1690, Denis Papin repris l'idée mais en substituant de la vapeur d'eau à la poudre à canon. Il construisit une première machine très sommaire fonctionnant sous pression atmosphérique. En 1698, le concepteur mécanique anglais Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l'exploitation minière, fonctionnant à la vapeur, directement inspirée des travaux de Edward Somerset : il s'agirait de la première machine à vapeur qui ait réellement fonctionné, mais il s'agit bien évidemment d'une machine fixe. 

La machine conçue par le mécanicien anglais Thomas Newcomen vers 1711 est plus perfectionnée que celle de Saverys : elle utilise un cylindre contenant un piston mobile relié à un balancier qui actionne une pompe de remontée mécanique à partir de son extrémité opposée. L'exhaure des mines est la première machine à vapeur efficace faisant l'usage d'un piston, plaçant celui-ci au cœur de la première révolution industrielle.
Techniquement, le procédé de James Watt pouvait propulser aussi bien des pompes que des machines sur roues, mais le système était centré sur la basse pression. Le fardier de Cugnot avait, quant à lui, l'inconvénient de ne produire de la vapeur que sur une courte période. A la fin du XVIIIème siècle, un mécanicien de James Watt, William Murdoch, arpente les mines des Cornouailles en tant que monteur principal de moteur, responsable de l'installation, l' entretien et de la réparation des machines Boulton & Watt. Au cours de ses entretiens divers, les problèmes fréquents aux machines de Watt l'amène à les perfectionner. En 1784, quelques années après Cugnot, il inventa une voiture à vapeur. La mécanique de ce modèle incorporait un certain nombre d'innovations, comme une chaudière avec soupape de sécurité, ayant le cylindre partiellement immergé dans la chaudière et en utilisant un nouveau système de valve. La méthode de Murdoch reprenait le concept de vapeur à haute pression. Malgré cela, James Watt décréta qu'il n'y avait pas d'avenir pour de tels engins ! Sans soutien de ses patrons, Murdoch fût oublié...

C'était sans compter un ingénieur des mines du nom de Richard Trevithick, et qui travaillait aussi dans les Cornouailles, dans la mine Ding Dong à Penzance. Il (re)lança l'utilisation de la vapeur à haute pression en modifiant des machines de James Watt pour éviter de lui payer les redevances dues au brevet du condenseur séparé. En 1800, il construit une machine complète à haute pression plus puissante et plus économique que celle de Watt. Cette invention devînt rapidement très populaire dans les mines de Cornouailles et Trevithick se tourna vers la création d'une voiture à vapeur. En 1801, il présente le premier véhicule routier britannique, dénommé « London Steam Carriage », équipé de trois roues, pouvant transporter 9 passagers et propulsé à la vapeur. Il parcourt à son bord 10 milles dans les rues de Londres mais des problèmes fondamentaux concernant la direction, les suspensions et l'état des routes font que l'automobile « routière » est délaissée.

Trevithick avait donc besoin d'une surface lisse, que seuls des tramways ou chemin de fer industriels pouvaient offrir. Les wagonnets étaient exploités soit par gravité, soit par cordes ou tirés par des chevaux. Ces chemins de fer étaient privés et offraient un environnement idéal pour tester une nouvelle forme de traction. Les ferronneries de Coalbrookdale était l'endroit idéal pour construire et essayer une première locomotive ferroviaire. Un autre avantage est que ce fut probablement le premier chemin de fer à être équipés de rails de fer. En 1802, Trévithick y essaie une toute première locomotive qui fit rapidement un accident puis dû être transformée en machine fixe. C'est sur le Merthyr Tramroad que Trévithick expérimente une seconde locomotive : la « Pen-y-Darren » tracte un premier train de wagonnets avec 10 tonnes de minerais. Nous sommes le 21 février 1804. Cette fois, l'avènement du train est une réalité. 
Une réplique de la « Pen-y-Darren » de Trévithick au Swansea Maritime Museum (photo Hugh Llewelyn via wikipedia CC BY 2.5)
La machine de Newcomen (par Emoscopes via wikipedia licence CC BY 2.5)
Au milieu du XVIIIème siècle, il y a déjà une bonne centaine de machines Newcomen en Angleterre. L'ingénieur écossais James Watt, en tant que fabricant d’instruments à l’Université de Glasgow, est un jour amené à réparer une machine de Newcomen, ce qui l’amène à réfléchir à diverses améliorations, qui aboutiront à faire breveter, en 1769, la chambre de condensation séparée pour la machine à vapeur. Il crée ensuite une entreprise de construction de machines dans les environs de Birmingham. Vers 1800, près de 500 machines fixes à vapeur étaient en service en Angleterre, le pays devenant du coup la première nation industrielle du monde.

Cet épisode montre l'importance des découvertes technologiques et les bouleversements qu'elles peuvent produire. Les machines de Watt, bien qu'imparfaites, transforment radicalement les fonderies et l'exploitation des mines, basculant les secteurs du métal et du charbon de l'ère de l'artisanat à l'ère industrielle. Un choc !
En 1808, Trévithick, qui semble vouloir abandonner ses projets de locomotives, en fait circuler une à Londres sur un circuit circulaire près de Euston.

En 1813, un certain George Stephenson, ingénieur surintendant à la mine de Killingworth Colliery, persuade Lord Ravensworth que le charbonnage bénéficierait grandement de l'utilisation des locomotives à vapeur et en 1814, il fût autorisé à construire sa première locomotive. La locomotive fût testée sur le Colliery Railway Killingworth le 27 Juillet 1814 sur une section en pente de 1/450e, en tirant huit wagons chargés d'environ 30 tonnes à une vitesse de quatre miles à l'heure. Ce fut la première locomotive à utiliser des roues à boudin lisse sur rails de Jessop, démontrant que l'adhérence peut être suffisante en utilisant cette méthode. Rappelons qu'en 1820, John Birkinshaw dépose un brevet pour la création des premiers rails en fer forgé que George Stephenson va reprendre en 1821 pour son projet de ligne entre Stockton et Darlington.

Le but de l'époque est limpide : démontrer l'inutilité des chevaux et le gain en poids des trains tirés par une locomotive. Une révolution pour l'industrie minière. Stephenson en fait la démonstration en novembre 1822, à nouveau dans une mine, où une foule de gens fut témoin de locomotives tirant 17 wagons chargés, avec une moyenne de soixante-quatre tonnes, à raison de quatre miles à l'heure.

Stephenson entend parler du projet d'Edward Pease de construire une ligne de 12,9 km de Stockton à Darlington pour exploiter un riche filon de charbon. Il persuade Pease qu'une machine à vapeur pourrait tirer 50 fois la charge que les chevaux pouvaient tirer sur des rails de fer. Impressionné, Pease accepta de commander deux locomotives au prix de 600 £ chacune à l'entreprise Robert Stephenson & Co. Ces locomotives reprirent les principes éprouvés précédemment à la mine de Killingworth. Mais grande nouveauté : Stephenson envisage de transporter des voyageurs, et non plus seulement du minerais.

Nommée Locomotion, la locomotive pesait 6,25 tonnes à vide et 7,75 tonnes en charge. Locomotion a été la première locomotive livrée à la voie ferrée en septembre 1825 qui tracta son premier train de voyageurs le 27 Septembre 1825. Trois autres locomotives de cette conception suivirent : Hope en novembre 1825,  Black Diamond en Avril 1826 et Diligence en mai 1826. 

Cette fois nous y sommes. La voie ferrée et la locomotive nous offre un nouveau transport : le chemin de fer. Il va durablement bouleverser les siècles qui suivent !
Pendant ce temps en France, l'ingénieur militaire Nicolas Joseph Cugnot, en poste dans l'armée française, prend connaissance de ces nouvelles technologies de la machine à vapeur élaborée de l'autre côté de la Manche. Ses observations sur le transport et l'artillerie lourde,  où d'énormes chars roulants doivent être tirés par des chevaux servant au déplacement des canons, rend l'intendance nécessaire à l'entretien des animaux très lourde et est source de retard et de lenteur. Cugnot songea à une solution visant à remplacer cette traction hippomobile. Il se retira de l'armée en 1763 et construisit un fardier avec l'appui du secrétaire d'État de la Guerre de l'époque. En octobre 1769, son prototype entame ses premiers essais. Il n'est pas exagéré de dire qu'il s'agit là du premier véhicule automobile terrestre.
Le second fardier de Cugnot exposé en 1901 au Musée des Arts et Métiers (domaine public via wikipedia licence )
Évolution de la traction ferroviaire
La suite de l'histoire, c'est l'essor de cette formidable machine que fut la locomotive à vapeur. Cette traction autonome avait alors besoin de grande quantité de charbon. Quantités qui augmentèrent avec l'évolution de la charge des trains, qui devînrent de plus en plus lourds. Le charbon ou autre combustible utilisé par la locomotive était transporté dans un tender séparé qui était couplé en permanence à l'arrière de la locomotive, derrière la cabine. Le tender transportait non seulement le combustible mais aussi l'eau pour remplacer la vapeur utilisée pour faire avancer la locomotive.

Les caractéristiques techniques de ces engins, de plus en plus lourds, exigeaient un charbon de bonne qualité. Hélas, on ne le mentionne jamais, le rendement final au crochet de traction était dérisoire et ne dépassait pas 7% pour les meilleures locomotives à vapeur. Soit 93% d'énergie perdue, avec un combustible qu'à l'époque on ne considérait pas comme polluant. L'ingénieur français André Chapelon (1892-1978), qui y a cru jusqu'au bout, avait pu faire monter ce ratio à 12% sur certaines grosses machines.

Les locomotives à vapeur devîrent aussi de plus en plus gourmandes en charbon, un combustible fortement demandé par d'autres industries, elles-mêmes en croissance constante (sidérurgie, par la suite centrales électriques). Forte demande = hausse des prix. Dans les années 1930, on tenta de limiter la consommation à 30kg de charbon par kilomètre. Certains trains plus légers, d'environ 150 à 200 tonnes, pouvaitent se contenter de locomotives ayant une consommation moyenne de 12 à 15 kg de charbon par kilomètres. Hélas les trains avaient tendance à s'allourdir...

Au sortir de la Seconde guerre mondiale, le charbon devait être extrait de plus en plus profondément, renchérissant son coût de production. En parallèle, la traction diesel et électrique faisait des progrès remarquables, pour des rendements bien supérieurs.
Puis vînt l’essor de l’énergie électrique en Europe, la cherté croissante de la main d’oeuvre, la perte de compétitive du charbon comme source d’énergie traction, facteurs qui ont tour à tour ou ensemble, apporté des atouts à la traction autonome par énergie fossile ou électrique. Elle marqua la fin de la traction à vapeur en Europe, en 1966 en Belgique, en 1968 dans le pays qui la vu naître, la Grande-Bretagne, en 1975 en Allemagne et en France. Une page était définiti-vement tournée en Europe, mais pas dans le reste du monde, où des pays ont continué encore longtemps à utiliser ce mode de traction, notamment en Chine.
La traction ferroviaire actuelle
Évolution de la traction diesel
Évolution de la traction électrique
Bien que la traction électrique soit à l'étude dès les années 1880, et utilisée dès les années 1900, c'est en fait la traction Diesel qui apparaît d'abord sur nos chemins de fer.

Le premier exemple d'utilisation d'un moteur à combustion interne sur une locomotive ferroviaire est le prototype conçu par William Dent Priestman. En 1894, une machine à deux essieux de 20 CV (15 kW) construite par Priestman Brothers fut utilisée sur les docks de Hull, en Grande-Bretagne. C'était encore très modeste pour concurrencer la traction à vapeur.

En 1906, Rudolf Diesel, Adolf Klose et le fabricant de moteurs à vapeur et diesel Gebrüder Sulzer fondaient la société Diesel-Sulzer-Klose GmbH pour fabriquer des locomotives à moteur diesel. Sulzer fabriquait des moteurs diesel depuis 1898. Les chemins de fer prussiens ont commandé une locomotive diesel à l'entreprise en 1909 et, après des essais entre Winterthur et Romanshorn, en Suisse, la locomotive diesel-mécanique a été livrée à Berlin en septembre 1912. La première locomotive diesel au monde a été exploitée pendant l'été 1912 sur la même ligne que celle de Winterthur.

Implantation sur des petits véhicules
En 1914, les premiers autorails diesel-électriques fonc-tionnels au monde ont été produits pour les Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen (Chemins de fer royaux de Saxe) par la Waggonfabrik Rastatt avec des équipements électriques de Brown, Boveri & Cie et des moteurs diesel de la société suisse Sulzer AG.

Cette transposition sur "une voiture à voyageurs" a ainsi permis l'apparition de l'autorail, ce véhicule voyageurs autonome qui va beaucoup progressé au cours des années 1920/1930. Les locomotives diesel ont de leur côté été réservées à la traction des trains lourds, encore que... 

Quoique l'objet de débats, la traction diesel est toujours fournie de nos jours avec une amélioration sensible concernant les émissions de gaz à effet de serre et le rendement des moteurs. Stadler et Cockerill en Europe, ou encore General Motor et Wabtec, pour n'en citer que quelques uns, sont des fournisseurs importants.

En 2023, sur l’ensemble de l’Europe, environ 40% des lignes ferroviaires actives étaient encore exploitées par traction diesel, soit grosso modo 90.000 kilomètres de lignes. L’utilisation de la traction diesel représente environ 20% de l’ensemble du trafic ferroviaire du Continent.
Durant tout le 19ème siècle, première ère du chemin de fer, les locomotives à vapeur étaient la seule forme de traction sur les chemins de fer et l'électricité était une nouveauté scientifique, peu accessible encore au grand public et à l'industrie.

Le premier chemin de fer électrique expérimental au monde serait attribué à Thomas Davenport, un forgeron du Vermont aux États-Unis, qui aurait exposé un petit chemin de fer actionné par un moteur électrique miniature en 1835.

Le premier moteur électrique connu en tant que machine opérationnelle fut développé par l'ingénieur belge Zénobe Gramme en 1873, sous forme d'une dynamo. Début 1884, l'ingénieur américain Frank J. Sprague travailla à la mise au point d'une version améliorée du moteur électrique. À l'Exposition de Berlin de 1879, quelque 600 mètres de voies furent posées, sur lesquelles un petit véhicule à moteur électrique de 3 chevaux, conçu par Werner von Siemens, transportait une charge d'une trentaine de passagers.

Siemens et Halske construisirent ensuite une ligne à voie métrique à Lichterfelde, près de Berlin, ouverte au trafic en 1881 avec une voiture électrique qu'on appellerait de nos jours un tram, et qui peut être considéré comme étant le premier chemin de fer électrique public au monde.

La transposition sur des engins plus lourds vînt plus tard, sur base du seul courant de l'époque, le courant continu. Ce courant fut progressivement installé dans les années 1900 à 1940 dans de nombreux pays, dont 2/3 de la France, en Belgique, aux Pays-Bas, en Espagne, en Pologne ou encore en Italie.

En parallèle, dès 1894, l'ingénieur hongrois Kálmán Kandó développa un nouveau moteur de type asynchrone triphasé pour locomotives électriques. Le courant alternatif fut principalement adopté par les pays alpins et l'Allemagne dans les années 1910. Il fut l'objet d'études après la Seconde guerre mondiale quand les français expérimentèrent le courant alternatif 25kV, qui est devenu aujourd'hui la norme mondiale en matière d'électrification.

La traction électrique est disponible sur environ 60% des lignes ferroviaires en Europe, mais beaucoup moins dans le monde. Elle est installée de nos jours non seulement sur des locomotives, mais aussi sur des automotrices, qui sont des "voitures à voyageurs motorisées", ainsi que les métros et bien entendu les tramways.
La traction bimode
La libéralisation a une vertu : celle de rechercher à exploiter moins cher. Jusqu’à récemment, le fret ferroviaire était exploité par des «relais traction», c'est-à-dire les changements de locomotives entre traction électrique et traction diesel pour l’accès aux clients finaux, dépourvus de caténaire. Cela induisait de grosses pertes de temps, d'autant que les conducteurs n'étaient jamais les mêmes, les uns étant spécialisés sur l'électrique quand les autres ne l'étaient que sur la traction diesel.
 
L’arrivée sur les voies d'Europe des nouveaux opérateurs de fret a voulu modifié cette pratique mais ceux-ci faisaient face au dilemme technique des locomotives : c'était soit diesel, soit électrique, jamais les deux.

Les progrès en électromécanique ont, dans les années 2000, permis d'alléger les équipements des locomotives électriques et de libérer une petite place pour un réservoir et un moteur diesel, fournissant l'énergie pour les derniers kilomètres sans caténaires. Le marché des locomotives bimodes était né, sous deux configurations selon les besoins.
La fin du vert militaire !  - À l'origine "perçu" comme régalien, le chemin de fer pouvait alors être considéré comme un outil au service exclusif de l'État. Pour asseoir son autorité, beaucoup de pays adoptèrent le vert kaki militaire, avec des variantes colorées. Il faudra attendre les années 1960 - et encore -, pour qu'enfin la conotation militaire disparaisse pour faire place à quelque chose de plus accueillant et davantage tourné vers les citoyens. Cela a alors donné lieu à des coloris très divers appliqués dans chaque pays, coloris qui ont évolué au fil des décennies et des choix marketing.
Les locomotives last miles
Les véritables bimodes
Locomotives 'last miles'
Locomotives bi-modes
Considérée comme "petite bi-mode", la locomotive dite "last miles" (derniers kilomètres) est avant tout une locomotive électrique dotée d’un moteur Diesel de faible puissance pour accéder aux embranchements particuliers ou vers des terminaux jamais très loin d'une ligne électrifiée. Ces engins peuvent alors rouler jusqu'à 60 km/h.

C'est Bombardier (devenu Alstom), qui se lança en premier avec la Traxx 'Last Miles' sortie d'usine en 2011. Le constructeur Vossloh (racheté par Stadler) délivra en 2014 une flotte de 15 locomotives bimode Class 68 'last miles' pour l'opérateur DRS. Après l’échec de la Vectron DE  (9 machines construites et seulement 4 vendues), Siemens se lança tardivement en 2019 avec la Vectron DM, pour Dual Mode, nouvel espoir destiné à percer sur le marché. La firme allemande prend garde de se distancier de ses concurrents pour fournir une machine qui développe 2200kW en électrique et 2800kW en diesel, ce qui en fait une "vraie duale", tout en conservant l'indispensable poids à 22,5 tonnes par essieux. 
En 2018, après avoir racheté Vossloh en Espagne (Valencia), Stadler présentait sa plate-forme Euro Dual, qui diffère fondamentalement des projets "last mile" des concurrents présentés à gauche :

• L’Euro Dual, vraie bi-mode, bi-courant et diesel ;  
• L’Euro 4001, déclinaison entièrement diesel ;
• L’Euro 6000, déclinaison entièrement électrique ;
• L’Euro 9000, déclinaison électrique + module last miles.

La locomotive Euro Dual est présentée comme étant une vraie nouveauté dans le sens où la motorisation autonome diesel développe 2.800kW, tandis que la chaîne de traction électrique développe 6.000kW, ce qui est très différent de la Vectron DM de Siemens. Le poids des équipements a affiché au final une locomotive de 123 tonnes nécessitant 6 essieux pour rester sous la barre des 22,5 tonnes. 

Les Eurodual sont donc des "grandes bi-modes" qui auraient engrangé 126 commandes jusqu'ici. Et Stadler restait seul sur ce marché...
Dernière mise à jour : 13/03/2023
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