Etat de l’art et défis de la supraconductivité

26/08/2017
Auteurs : Pascal Tixador
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-6:19586
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Etat de l’art et défis de la supraconductivité

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REE N°6/2011 ◗ 57 Les supraconducteurs en electrotechnique Pascal Tixador Grenoble INP Institut Néel - G2Elab / Grenoble Introduction, Les matériaux supraconducteurs possèdent des propriétés fascinantes et uniques. Leurs applications pourraient bouleverser l’électrotechnique et l’électro- nique après avoir révolutionné l’imagerie médicale ainsi que l’analyse par RMN (Résonance Magnétique Nucléaire). Cet article concerne les applications élec- trotechniques, mais la supraconductivité est aussi très riche pour l’électronique. Elle apporte une sensibilité inégalée pour le rayonnement électromagnétique ou le champ magnétique, des dispositifs de métrologie et des circuits logiques ultra-rapides ou quantiques. La magnétoencéphalographie et la magnétocardio- graphie sont deux autres outils d’investigations médi- cales exploitant la supraconductivité via des SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Devices à base de jonctions Josephson). Ces deux techniques sont en passe de devenir un outil de diagnostic. Bref historique 2011 est une année particulière pour la supra- conductivité puisqu’elle a été découverte, il y a juste 100 ans par Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) à Leyde aux Pays-Bas. Ce physicien/expérimenta- teur hollandais nota dans son cahier de laboratoire le 8 avril 1911 que la résistivité du mercure était prati- quement zéro en dessous de 4,1 K environ, contre toute attente théorique à cette époque. Il comprit im- médiatement l’intérêt des supraconducteurs pour gé- nérer des inductions magnétiques intenses avec une puissance très réduite. Ainsi il lança un projet de bo- bine 10 T. Malheureusement la température n’est pas la seule grandeur qui détruit l’état supraconducteur. Un champ magnétique au-delà d’une valeur critique rend le supraconducteur résistif. H. Kamerlingh Onnes en fit l’amère expérience. Un supraconducteur est un conducteur vraiment parfait, mais non idéal à cause de ses conditions de fonctionnement restrictives. Aux deux précédentes (température et champ magnétique) il faut rajouter la densité de courant qui n’est pas intrinsèque, mais dé- pend des conditions d’élaboration, des défauts intro- duits lors de l’élaboration. Les trois grandeurs critiques dépendent les unes des autres et forment une surface dite critique dans l’espace température, induction ma- gnétique et densité de courant (Figure 1). Cette sur- face critique délimite l’état non-dissipatif du matériau. Les contraintes ou déformations mécaniques peuvent modifier la surface critique. Par ailleurs certains supra- conducteurs présentent une forte anisotropie  : leur densité de courant critique dépend de la direction du champ magnétique extérieur par exemple. Après la première expérience d’utilisation des su- praconducteurs par H. Kamerlingh Onnes, environ 50 ans ont été nécessaires pour bénéficier de maté- riaux qui restent supraconducteurs sous des champs magnétiques importants, ouvrant alors la supracon- ductivité aux applications. Les premières applications apparurent rapidement, notamment pour la physique des particules qui a toujours été un promoteur pri- mordial pour la supraconductivité [1, 2]. Le LHC (Lar- ge Hadron Collider) au CERN est la plus importante machine supraconductrice au monde. Les imageurs d’IRM [3] (Imagerie pas Résonance Magnétique) et les spectromètres RMN apportèrent à la supraconductivité un débouché commercial dès les années 80 et firent de la supraconductivité une etat de l’art et défis de la supraconductivité This article concerns a review of superconductivity one century after its discovery (1911). Hidden technology, superconductivity has made possible many advances and discoveries in physics. High critical temperature superconductivity is a very promising response to the new today requirements. Some challenges have to be addressed: materials, cryogenics, industrial develop- ments and new concepts. A short review of the electrical engineering applications is presented. abstract 58 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique réalité industrielle. Ils restent les principaux produits commer- ciaux supraconducteurs avec un marché toujours en crois- sance et en évolution. La figure 2 donne la répartition du marché supraconducteur mondial en 2009. Il est dominé par les imageurs d’IRM et les spectromètres RMN. Les instru- ments de physique (physique des hautes énergies, fusion thermonucléaire (ITER), bobines de champ dans les labo- ratoires) représentent 18  %. Les applications électronique et électrotechnique restent encore marginales, mais en forte expansion, comme le marché des supraconducteurs haut Tc (2,2 % du marché global en 2009). La température « classique » de 4,2 K pour le fonctionne- ment des supraconducteurs induit une cryogénie (science des basses températures) coûteuse en investissement sur- tout, mais aussi en fonctionnement pour certaines applica- tions. La thermodynamique, le 2ème principe, nous enseigne qu’un travail (Wc ) est nécessaire à la température chaude (Tc ) pour extraire de l’énergie (Qf ) la température froide (Tf ). Ce travail est donné par la formule de Carnot dans le cas d’un cycle réversible ditherme : (1) Un tel cycle est impossible en pratique et il faut multiplier le travail Wc par un facteur qui dépend essentiellement de la puissance froide. Ce facteur multiplicatif atteint 3 pour de très fortes puissances, mais peut valoir 100, voire plus, pour de petites puissances de réfrigération. Cependant, même avec un coût cryogénique très élevé, la puissance nécessaire pour maintenir en froid un dispositif peut rester très faible. Une puissance électrique de 7,5 kW est suffisante pour le fonctionnement cryogénique d’un imageur médical, tube de 2 m de diamètre et de 1,7 m de longueur. La cryogénie est parfaitement maîtrisée par certains industriels. Son fonction- nement est extrêmement fiable et en général totalement transparent/invisible pour l’utilisateur. La figure 3 montre le coût cryogénique Wc /Qf transformé en puissances données par la formule de Carnot en fonction de la température froide. Cette figure illustre tout l’intérêt de fonctionner à « haute » température. Le coût d’investissement en fonction de la tem- pérature de fonctionnement suit une loi encore plus favo- rable. C’est pourquoi la découverte des supraconducteurs à Figure 2 : Marché mondial de la supraconductivité en 2009 (www.conectus.org). Figure 1 : Surfaces critiques de différents supraconducteurs. REE N°6/2011 ◗ 59 Etat de l’art et défis de la supraconductivité haute température critique en 1986/1987 a suscité autant d’espoirs. Le verrou des basses températures de fonctionne- ment sautait, laissant présager un développement important en dehors des niches des supraconducteurs à basse tempé- rature critique. C’était sans compter cette fois avec l’extrême complexité de ces supraconducteurs à haute température critique. Vingt années ont été nécessaires pour surmonter les difficultés de mise en œuvre de ces matériaux, notamment pour l’YBa2 Cu3 O7-δ (YBCO). Les conducteurs YBCO présen- tent maintenant des performances remarquables, mais leur coût actuel est trop élevé. Comme ce coût est principalement lié au procédé et non aux matériaux utilisés, il diminuera avec les volumes de production. La cryogénie doit elle aussi pro- gresser en performances, mais surtout en coût. Pertes AC Un supraconducteur est un conducteur parfait seulement dans un environnement électromagnétique constant dans le temps. Dans ce cas, un courant induit dans une bobine supraconductrice soigneusement court-circuitée circule indé- finiment, du moins presque, puisque des expériences ont montré que le courant diminue de 1 %, mais après plus d’un millénaire. Ce mode de fonctionnement en court-circuit, sans alimentation, après avoir injecté un courant est souvent uti- lisé dès lors qu’une induction magnétique constante dans le temps est nécessaire comme dans les imageurs médicaux. Il est appelé mode persistant. Un supraconducteur présente par contre des pertes dès lors qu’il est dans un environnement électromagnéti- que variable dans le temps. L’équation de Maxwell Faraday ( ) indique qu’un champ électrique est induit dès lors qu’il existe une induction magnétique variable dans le temps. Ce champ électrique associé à une densité de courant créé des pertes : ce sont les pertes AC. C’est un peu l’équivalent des pertes fer dans les matériaux magnétiques avec des pertes par hystérésis dans le matériau supracon- ducteur et des pertes par courants induits dans les matériaux résistifs appelés pertes par couplage. Ces pertes AC peuvent être réduites par une structure ap- propriée du conducteur supraconducteur. Un résultat récent [4] montre qu’un câble supraconducteur présente seulement 0,11 W/m pour un courant efficace de 3 000 A (50 Hz). Par comparaison, un câble résistif classique dissipe 60 W/m à température ambiante. Il faut tenir compte du coût cryogé- nique (typiquement 12 W/W soit un rendement de 25 % par rapport à Carnot – 33 % est faisable –) et des pertes du cryostat. Une valeur de 0,5 W/m est possible avec quelques améliorations des techniques actuelles (1 W/m). Les pertes diélectriques restent négligeables en moyenne tension. La figure 4 montre l’évolution des pertes pour les câbles résistifs et supraconducteurs. Elle indique un gain en termes de per- tes pour le câble supraconducteur au-delà du tiers du cou- rant assigné. Le gain atteint 7 à la valeur assignée. Les pertes AC expliquent pourquoi la très grande majorité des applications supraconductrices fonctionne en DC ou en régime très lentement variable. Même si des conducteurs à basse température critique avaient été développés dans les années 80 pour les applications AC, le fonctionnement à plus haute température des supraconducteurs à haute tempéra- ture critique est particulièrement favorable aux applications Figure 3 : Coût d’extraction d’une puissance froide en fonction de sa température pour un cycle réversible idéal. Figure 4 : Pertes câbles résistifs et supraconducteur (12 W/W, courant assigné : 3 kArms ). 60 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique supraconductrices AC du fait de la réduction importante du coût cryogénique (Figure 3). Conducteurs supraconducteurs Le tableau 1 regroupe les principaux conducteurs supra- conducteurs actuels et la figure 5 donne les caractéristiques critiques Je (B) des conducteurs à différentes températures. Je (“Engineering current density”) correspond à la densité glo- bale du conducteur, ramenée à sa section totale. Le coût du NbTi est plus faible que celui du Cu pour un courant donné compte tenu de la différence des densités de courant ad- missibles. Parmi les supraconducteurs à basse température critique, le NbTi est de très loin le plus utilisé avec une production annuelle d’environ 3  000 tonnes. Le Nb3 Sn présente de meilleures propriétés (Tc par exemple), mais du fait de sa mise en œuvre nettement plus contraignante que celle du NbTi et de son coût bien supérieur, le Nb3 Sn n’est utilisé que pour des inductions très élevées (au-delà de 10-12 T), lors- que le NbTi ne convient plus. Le NbTi a atteint un tel degré de maturité que peu de progrès sont maintenant attendus. Par contre les autres conducteurs progressent tous, y compris le Nb3 Sn dont les performances en transport se sont nettement améliorées depuis 10 ans. Le MgB2 présente l’avantage d’un coût faible, bien inférieur au coût actuel des supraconducteurs à haute température critique, mais sa température de fonctionnement relati- vement basse entraîne un coût cryogénique encore élevé surtout pour les applications AC. Par contre c’est un sérieux concurrent au NbTi. Les conducteurs MgB2 ont encore de belles marges de progression attestées par les performances des couches minces. Deux générations de conducteurs à haute température critique se sont succédées. Le composé BSCCO [5] (stœ- chiométries Bi2 Sr2 Ca1 Cu2 Ox et Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 Oy ) est handicapé par le coût de l’argent qui entre obligatoirement dans la fa- brication des conducteurs et pour sa mauvaise tenue en in- duction magnétique à « haute » température. Sous champ magnétique, il doit fonctionner en dessous de 30 K environ. Enfin ses propriétés mécaniques intrinsèques restent limi- tées (100 MPa). Les conducteurs YBCO déposés (2G) [6, 7] présentent des propriétés de transport excellentes asso- ciées à de très bonnes performances mécaniques (jusqu’à 700 MPa). L’architecture des conducteurs YBCO et leur éla- boration restent particulièrement complexes entraînant un coût actuel très élevé. Par contre le coût des matériaux pour ces conducteurs est bas. Ces conducteurs YBCO concentrent beaucoup d’espoirs pour les applications électrotechniques. Panorama des applications électrotechni- ques supraconductrices Il est possible de trier les applications supraconductrices en 3 groupes : • applications difficilement concevables sans supraconducteur, • applications basées sur des propriétés inhérentes aux su- praconducteurs, « Bas Tc  » MgB2 « Haut Tc  » NbTi Nb3 Sn BSCCO YBCO Tc 9,5 K 18 K 39 K 85 K / 110 K 90 K Applications 1,9 K : 12 T 4,2 K : 9 T 4,2 K : 16 T 1,9 K : 23 T 25 K : 0,5 T 15 K : 2 T 77 K : 0,5 T 25 K : 5 T 77 K : 2 T 65 K : 5 T Propriétés mécani- ques Elevées Très sensibles aux déformations Moyennes Moyennes Très élevées dans une direction Coût Très faible Moyen Faible Elevé Très élevé pour l’instant Tableau 1 : Principaux conducteurs supraconducteurs disponibles aujourd’hui (2011). Figure 5 : Caractéristiques critiques de différents matériaux supraconducteurs. REE N°6/2011 ◗ 61 Etat de l’art et défis de la supraconductivité • applications améliorant les performances des dispositifs résistifs. - Applications difficilement concevables sans supraconducteur Elles sont caractérisées par une énergie magnétique im- portante (induction élevée et/ou volume important) associée souvent à une excellente stabilité temporelle. Elles exploitent les densités de courant élevées sans perte des supraconduc- teurs en DC. Ces applications constituent le marché actuel de la supraconductivité : • imageurs médicaux IRM, • spectromètres RMN, • aimants supraconducteurs de laboratoire, • physique des hautes énergies, • fusion thermonucléaire. Le LHC illustre bien le fait que les supraconducteurs sont bien parfois totalement incontournables. La supraconducti- vité a réduit la circonférence du tunnel (27 km au lieu de 100 km) et la consommation (40 MW au lieu de 900 MW). Sans la supraconductivité, le LHC était tout simplement im- possible. Les aimants supraconducteurs maintiennent les particules sur une orbite circulaire (1 232 dipôles produisant 8,36 T), les focalisent (500 quadripôles produisant 220 T/m) et les dévient dans certaines zones de collision pour mieux analyser les produits des collisions (solénoïde CMS et sys- tème magnétique ATLAS – solénoïde et tore –). Dans la fusion thermonucléaire, les supraconducteurs confinent magnétiquement le plasma. Le plasma doit être en effet porté à plusieurs centaines de millions de degrés pour permettre la fusion thermonucléaire et le confinement magnétique est la solution la plus avancée. Seuls les supra- conducteurs peuvent aimanter (plus de 5  T) les volumes considérables (plus de 800 m3 dans ITER) dans des condi- tions économiques acceptables. Le premier grand tokamak supraconducteur qui a réellement fonctionné dès 1988 est Tore-Supra. Cette machine a été mise au point par le CEA à Cadarache (Bouches-du-Rhône). Tore-Supra fournit tou- jours de précieuses informations pour les développements technologiques qui se font notamment dans la cadre d’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Comp- te tenu des enjeux et des immenses défis technologiques à relever pour que la fusion devienne une source d’énergie, le très ambitieux projet ITER regroupe l’Union européenne, les Etats-Unis, la Russie, le Japon, la Chine, l’Inde et la Corée. Pas moins de 34 nations collaborent à ce projet de réacteur nucléaire à fusion de 23 000 tonnes en construction à Cada- rache. Un des objectifs est de produire 500 MW à partir d’un apport extérieur de 50  MW soit un facteur d’amplification de 10. Plus de 80 000 km de brins Nb3 Sn (376 tonnes) se- ront nécessaires au système de champ toroïdal pour produire 5,3 T sur le plasma (11,6 T sur le conducteur). Le système poloïdal destiné à maintenir la forme du plasma et à assu- rer sa stabilité est aussi supraconducteur (255 tonnes NbTi) Figure 6 : Systèmes magnétiques supraconducteurs d’ITER. 62 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique comme le solénoïde central (132 tonnes Nb3 Sn) (Figure 6). Celui-ci induit le courant dans le plasma. Les aspects liés à l’imagerie médicale sont développés par G. Aubert dans l’article « Supraconductivité et imagerie médicale » publié dans ce même dossier. Les aimants supraconducteurs sont souvent utilisés dans les laboratoires pour produire jusqu’à 15 T, voire 21 T dans certains cas bien particuliers. Le tableau 2 résume bien tout l’intérêt de la technologie supraconductrice par rapport à la solution résistive. Même la puissance des pompes nécessai- res pour refroidir l’aimant résistif consomme deux fois plus que le cryo-réfrigérateur pour maintenir l’aimant supracon- ducteur à froid. Le rapport pour l’alimentation électrique de l’aimant atteint 2 800 quant à lui. Malheureusement il n’est pas possible d’utiliser des aimants supraconducteurs au-delà de 23 T environ, la den- sité de courant critique des supraconducteurs devenant alors trop faible (Figure 4). Cette même figure montre que les supraconducteurs à haute température critique pourraient apporter une réponse « durable » pour les champs intenses. L’augmentation significative du coût de l’énergie électrique dans l’avenir ainsi qu’une préoccupation accrue des ques- tions environnementales sont deux moteurs pour le dévelop- pement des aimants haut Tc . - Applications basées sur des propriétés inhé- rentes aux supraconducteurs Deux propriétés inhérentes aux supraconducteurs sont alors exploitées : • passage d’un état non dissipatif à un état dissipatif par dé- passement du courant critique, • absence de pertes DC dans un supraconducteur massif ou bobiné. • Limiteur de courant de défaut Le limiteur de courant de défaut est souvent désigné sous son acronyme anglais : FCL (Fault Current Limiter) [8]. C’est un appareil unique, sans équivalent classique, qui li- mite automatiquement et naturellement le courant dès qu’il dépasse une valeur prédéterminée (Figure 7). Il peut être comparé à un « super fusible » permanent puisqu’il se régé- nère aussi automatiquement après un défaut (court-circuit par exemple). Le FCL est basé sur la transition intrinsèque et pratiquement instantanée d’un état sans résistance à un état fortement résistif d’un élément supraconducteur lorsque le courant franchit la valeur critique. Il suffit donc d’insérer dans la ligne à protéger un élé- ment supraconducteur avec un courant critique correctement choisi par rapport au courant assigné (normal) de la ligne. La longueur est déterminée en général par des considérations thermiques : la température atteinte par le supraconducteur lorsqu’il est isolé ne doit pas dépasser une certaine valeur, 300 ou 400 K typiquement. Cela conduit à des champs électri- ques maxima de quelques dizaines de V/m. Un disjoncteur est toujours associé à l’élément supraconducteur pour l’isolation indispensable du défaut : la ligne doit être ouverte. Par ailleurs une fois isolé, le supraconducteur récupère son état non-dis- sipatif et peut être remis en service sur la ligne. Si la transition supraconducteur/dissipatif est extrêmement rapide (µs), la récupération est beaucoup plus longue et peut atteindre quel- ques minutes. Des schémas permettent de contourner cet inconvénient pour assurer la continuité de service. Il s’agit de remettre en service très rapidement (centaines de ms) la ligne après un défaut. La grande majorité des défauts sont en effet fugitifs et ils disparaissent après ouverture de la ligne. Actuellement les courants de défaut ne sont pas limités, mais seulement coupés par des disjoncteurs lors d’un pas- sage naturel par zéro du courant AC. L’ouverture prend en général plusieurs dizaines de ms, au moins 50 ms et pen- dant toute cette période les composants en amont du dé- faut doivent supporter les effets très sévères des amplitudes élevées des courants de court-circuit, notamment les efforts électrodynamiques. Par ailleurs le pouvoir de coupure des Bobine résistive Bobine supraconductrice Induction magnétique Trou de champ Alimentation Refroidissement 10 T 500 mm 14 MW 200 kW 10 T 500 mm 0,005 MW 100 kW Tableau 2 : comparaisons de bobines résistive et supraconductrice. Figure 7 : Limitation du courant avec un élément supraconducteur. REE N°6/2011 ◗ 63 Etat de l’art et défis de la supraconductivité disjoncteurs est limité ; il est inférieur à 100 kA en très haute tension. Cette situation actuelle n’est pas satisfaisante et ap- porte beaucoup de contraintes pour les réseaux électriques. Le limiteur supraconducteur de courant de défaut est l’ap- pareil idéal dont les concepteurs de réseaux électriques ont rêvé. Il fait sauter le verrou des courants de défaut dans les réseaux permettant en particulier une sécurisation accrue et une meilleure qualité de l’énergie électrique, deux deman- des actuelles fortes. Une solution simple pour sécuriser l’ap- provisionnement d’une charge est de multiplier les chemins d’alimentation. Par contre les courants de court-circuit des différents chemins s’additionnent et cette technique est ra- pidement limitée, sauf avec un FCL, par le pouvoir de cou- pure maximum des disjoncteurs et la capacité de certains appareils à supporter de très forts courants. Cette technique améliore en outre la qualité de tension pour la charge : l’im- pédance de l’alimentation, donc la chute de tension, diminue avec le courant de court-circuit. Le problème des courants de défauts, déjà mal résolu en AC, devient encore plus critique en DC puisque le courant ne passe plus par zéro. Le FCL est encore plus intéressant en DC qu’en AC tandis que le continu est fondamentalement mieux adapté aux supraconducteurs (absence de pertes AC) [9]. Les liaisons DC présentent de multiples avantages par rap- port aux liaisons AC, surtout lorsque le verrou des courants de défaut disparaît. Deux limiteurs supraconducteurs de courant fonctionnent de manière très satisfaisante dans le réseau européen, un au Royaume-Uni et l’autre en Allemagne [10] (Figure 8). Les limiteurs supraconducteurs de courant de défaut sont promis à un bel avenir, que ce soit dans les réseaux actuels ou ceux du futur. • SMES Le SMES est l’acronyme anglais pour Superconducting Ma- gnetic Energy Storage même si c’est une invention française, proposée par M. Ferrier en 1970 pour niveler la charge dans le réseau EDF [11]. Le SMES utilise un enroulement supra- conducteur qui stocke de l’énergie magnétique lorsqu’il est court-circuité et parcouru par un courant [12]. Le courant ne s’amortit pas puisque l’enroulement est supraconducteur. C’est, avec la capacité, un des rares moyens de stockage di- rect de l’électricité dont il est le dual (Tableau 3). Les principales caractéristiques des SMES sont une forte densité de puissance, mais une densité d’énergie modérée (Figure 9), un nombre de cycle de charge-décharge très éle- vé (infinie) et un excellent rendement de conversion d’éner- gie, supérieur à 95 %. Un SMES est davantage une source de courant impulsio- nel qu’un dispositif de stockage d’énergie. Un SMES est donc une excellente solution pour des alimentations non-interrup- tibles contre les chutes de tension de faible durée ou certains Figure 8 : Limiteur supraconducteur de courant installé en Allemagne. (Boxberg, Photo Nexans). Tableau 3 : Quelques caractéristiques des capacités et inductances comme stockage de l’énergie. (τ : constante de temps). 64 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique FACTS (Flexible AC Transmission System). Un FACTS est un équipement statique pour améliorer le fonctionnement des réseaux électriques. La nécessité de sources impulsionnelles d’énergie pour des applications émergentes comme les lan- ceurs électromagnétiques à vocations militaire ou civile offre aussi d’autres opportunités aux SMES. Le SMES est alors une solution particulièrement bien adaptée et elle apporte des avantages nets par rapport aux solutions conventionnelles, en termes de rendement entre autres, mais aussi de légèreté et d’encombrement. Plusieurs SMES ont démontré leurs performances et ca- pacités opérationnelles pour des puissances dans la gamme du MW et des durées de l’ordre de la seconde. Ils ont été utilisés comme sources interruptibles («  onduleur  ») pour des charges sensibles ou pour stabiliser des réseaux élec- triques. Le SMES a même été la première application su- praconductrice à fonctionner sur un réseau électrique de la BPA (Bonneville Power Administration) dès les années 80. Ils sont disponibles commercialement et le retour d’expérience est très important aux Etats-Unis et au Japon où un SMES fonctionne depuis 2003. Néanmoins, le marché des SMES n’existe pratiquement pas à cause du coût initial élevé et de la concurrence de technologies plus mûres. Même si les matériaux à haute température critique (HTc) ne peuvent pas encore apporter des réductions du coût total, ils rendent les SMES plus attractifs car ils permettent d’aug- menter les performances massiques des aimants supracon- ducteurs et de réduire le coût de la cryogénie (investissement et fonctionnement). La figure 10 montre un SMES réalisé à Grenoble (Institut Néel et G2Elab) à base de conducteur 1G de Nexans, dans le cadre d’un projet de la DGA [13]. • Paliers magnétiques L’expérience d’un aimant permanent flottant de manière stable au-dessus d’un supraconducteur ou du supraconduc- teur en suspension en dessous de l’aimant (Figure 11) est certainement l’une des plus spectaculaires et fascinantes de la supraconductivité. Cette lévitation statique stable est liée principalement aux courants induits « permanents » dans la pastille par une variation temporelle d’induction magnétique (loi de Lenz). Ces courants induits circulent « indéfiniment », sans amortissement sensible même en l’absence de varia- tions ultérieures d’induction magnétique. Les suspensions magnétiques auto-stables en association avec des aimants permanents sont l’application directe. Cette association autorise des suspensions entièrement passives pour réaliser des volants d’inertie. Le rotor est placé dans une en- ceinte à vide pour supprimer les pertes par frottement de l’air. Figure 9 : Comparaisons des densités massiques d’énergie et de puis- sance (diagramme de Ragone) pour différents systèmes de stockage. Figure 10 : SMES à haute température critique (BSCCO) refroidi à 20 K par conduction. Figure 11 : Pastille d’YBCO suspendue sous un aimant permanent. REE N°6/2011 ◗ 65 Etat de l’art et défis de la supraconductivité Le théorème d’Earnshaw démontre qu’une suspension passive ne peut pas être stable en statique sans utiliser des matériaux diamagnétiques et les supraconducteurs sont les seuls matériaux qui conduisent à de bonnes performances pour des systèmes macroscopiques. La supraconductivité apporte donc un fonctionnement entièrement passif avec comme avantage une fiabilité et sûreté de fonctionnement entre autres. Cette application, difficilement envisageable avec des supraconducteurs bas Tc ., convient parfaitement aux supra- conducteurs à haut Tc , notamment l’YBCO qui s’élabore bien sous forme de pastilles massives. Après de nombreuses études et développements dans les années 90, les activités ont bien diminué. Les premières applications visent la suspension de volants d’inertie pour le stockage d’énergie [14], ou des applications spatiales. - Applications améliorant les performances des dispositifs résistifs. L’augmentation, voire un véritable bond en avant, des per- formances (meilleures compacité et rendement, moindre poids des câbles, transformateurs ou machines tournantes) est liée aux fortes densités de courants sans pertes en DC ou avec des pertes réduites en AC. Mais les supraconducteurs améliorent aussi certaines conditions opérationnelles (plus de signature électromagnétique des câbles supraconducteurs, câbles à impédance très faible (VLI “Very Low Impedance”), meilleure stabilité des machines tournantes supraconductri- ces). De même ils peuvent intégrer la fonction de limitation du courant (câble limiteur ou transformateur limiteur). Dans ce dossier, C. E. Bruzek présente également les câ- bles supraconducteurs et J. Lévêque les machines tournantes supraconductrices. Conclusions et perspectives Un siècle après sa découverte, la supraconductivité s’est imposée dans certains marchés de niche qui ont repré- senté 4 300 millions de $ en 2009, encore très largement dominé par les supraconducteurs conventionnels, à basse température critique. Ces marchés (IRM, RMN, aimants su- praconducteurs) correspondent aux dispositifs pour lesquels la supraconductivité reste presque incontournable. Partout ailleurs, là où la supraconductivité peut être évitée, même si elle apporte des gains significatifs, voire des fonctions nou- velles comme la limitation du courant, la mise sur le marché est plus difficile, mais commence comme pour le limiteur de courant de défaut. Cependant, le paysage technico-économique change profondément avec des exigences nouvelles. Les supracon- ducteurs sont une des réponses possibles à ces demandes actuelles et futures : sécurisation et qualité de la fourniture d’électricité dans les réseaux ; augmentation des échanges d’énergies sur les réseaux, liée aux transports des énergies renouvelables et à l’ouverture du marché de l’énergie élec- trique ; contraintes plus fortes pour l’installation des câbles de puissance. Ils sont une réponse aussi pour des dispositifs plus « durables », beaucoup moins consommateurs d’énergie électrique qui seront une nécessité pour faire face à la crois- sance du prix de l’énergie électrique. La supraconductivité est une technologie de rupture complète qui inquiète souvent, notamment à cause de la cryogénie, même si plusieurs installations ont démontré des fonctionnements remarquables sur de très longues durées. Vu les enjeux financiers d’une coupure sur un réseau électri- que, les distributeurs d’électricité doivent avoir une confiance absolue dans le matériel. La pénétration sur le marché pas- sera donc par des expériences grandeur nature sur plusieurs années pour démontrer outre les performances, surtout la fiabilité des dispositifs supraconducteurs, comment ils s’intè- grent avec les autres matériels (coordination des protections par exemple), comment ils s’entretiennent, quels sont les coûts réels d’exploitation, … L’intérêt économique de la solution supraconductrice doit être démontré également. La technologie supraconductrice est une technologie coûteuse ne serait-ce que par la cryo- génie indispensable. Un câble supraconducteur sera a priori plus coûteux qu’un câble résistif, mais il peut induire des réductions de coût considérables (retrofit, suppression d’un niveau de tension, …). Le bilan coût peut être largement en faveur de la solution supraconductrice. Une étude système globale est indispensable. La problématique est la même pour le FCL : il faut intégrer toutes les réductions de coûts induits dans l’analyse économique. Références [1] M. Wilson, “Superconductivity and accelerators: the good companions”, IEEE transactions on Applied Superconductivity, vol. 9, pp. 111-121. [2] B. Strauss, S. Lorant, “Superconductivity and High Energy Physics-A Study in “Symbiosis””, IEEE transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 10, pp. 936-941. [3] T. C. Cosmus, M. Parizh, “Advances in Whole-Body MRI Magnets”, IEEE transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 10, pp. 2 104-2 109. [4] Dag Willén, Ultera® , communication privée. [5] Y. Yamada, M. 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