Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-6:19588
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Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente

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REE N°6/2011 ◗ 75 Les supraconducteurs en electrotechnique Christian-Eric Bruzek, Nexans France Introduction Découverte il y a 100 ans, la supraconductivité a permis le développement de nombreuses appli- cations électrotechniques, principalement pour la construction d’électroaimants pour l’imagerie médi- cale. Elle est aussi une technologie clef pour le dé- veloppement de la fusion nucléaire et de la physique des hautes énergies. Il a cependant fallu attendre la fin des années 1990 pour que la fabrication en quan- tité suffisante de fils supraconducteurs dits à « haute Température Critique » (Tc<100 K) ouvre des pers- pectives intéressantes. Bien que nécessitant un refroi- dissement cryogénique, cette découverte a été une révolution pour l’industrie de l’électrotechnique et no- tamment pour les câbliers avec la possibilité d’utiliser l’azote liquide, fluide cryogénique largement répandu, neutre pour l’environnement et peu onéreux. De nombreux travaux scientifiques et industriels ont per- mis de concevoir, puis de fabriquer les constituants de ces câbles. Cet article fait un point sur les dernières avancées dans le domaine. Les constituants d’un câble supraconducteur de distribution et de transport d’énergie Un câble supraconducteur est en fait un système constitué de différents éléments actifs et passifs. La figure 1 schématise une phase d’un câble supra- conducteur à « diélectrique froid », solution générale- ment adoptée. 3 éléments principaux peuvent être distingués : • Les rubans ou fils supraconducteurs à « haute tem- pérature » critique de formule Bi2 Sr2 Ca3 Cu3 010-x ou YBa2 Cu3 O7-x (Figure 2) utilisés dans de l’azote liquide sous pression de 3 à 10 bars à une température comprise entre 70 et 77 K. Ces rubans sont enrou- lés autour d’un cœur fabriqué dans un matériau qui peut être conducteur (Cu ou Al) pour accepter les surintensités ou résistif (acier inox) pour fonction- ner comme un « limiteur de courant ». Il peut être fonctionnalisé pour permettre ainsi la circulation du fluide cryogénique comme illustré figure 1. Les ru- bans supraconducteurs sont généralement câblés à la périphérie de l’isolant électrique pour servir alors d’écran magnétique bloquant tout champ de fuite. Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente Various high temperature superconducting cables were designed to meet the requirements of the network either in AC or in DC mode. Industrial prototypes of cables were connected to the grid for several years with a positive feedback. The supercon- ductive cables are available commercially for high voltage level. The design of the superconducting cables permits to transfer power with a high current at an acceptable voltage level. Their reduced footprint and low impact on the environment make this an ideal solution to transfer the electricity in urban areas. abstract Figure 1 : Schéma d’un câble supraconducteur. 76 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique • L’isolant électrique fabriqué par du ruban papier/polypropy- lène /papier rubané et imprégné d’azote liquide lors de la mise en froid ; • L’enveloppe cryogénique (Figure 3) constituée de deux tu- bes concentriques en acier inoxydable séparés par du vide et de la super isolation, et des espaceurs pour maintenir la concentricité des deux tubes. Pour faciliter le transport et l’installation, la corrugation des deux tubes permet d’enrou- ler ces enveloppes sur des diamètres de l’ordre du mètre en fonction des diamètres des tubes. Le fluide cryogénique cir- cule dans le tube intérieur autour du câble. Cette enveloppe a pour rôle de garantir le maintien de la température à en- viron 70 K en transportant le fluide d’un bout à l’autre de la liaison. La conséquence directe est qu’aucun échauffement n’est généré à l’extérieur de l’enveloppe cryogénique, le câ- ble est donc thermiquement neutre pour son environne- ment. Ce design permet de réduire les pertes thermiques à des niveaux de 0,3 à 1,5 W/m selon les diamètres. Chaque phase du câble supraconducteur est complétée à ses extrémités par deux terminaisons (Figure 4-a). Selon la longueur admissible par touret et en fonction des conditions d’installation, les longueurs de phase seront prolongées par des jonctions pour obtenir des circuits de plusieurs kilomètres (Figures 4-b). Les terminaisons relient chaque phase du câ- ble supraconducteur à la sous-station ou au réseau conven- tionnel résistif. Ces pièces techniques sont le lieu de gradient électrique mais aussi de fort gradient thermique. Elles peu- vent être aussi utilisées pour accommoder les contractions thermiques associées au refroidissement. Elles servent bien souvent de raccordement entre le système de refroidisse- ment et l’enveloppe du câble. L’ensemble est maintenu dans les conditions de tempé- rature et de pression opérationnelles par Le système de re- froidissement. Il combine un système de circulation et de pressurisation du fluide cryogénique et une source froide, le cryo-réfrigérateur, associé à un échangeur thermique. Son rôle est de compenser les éventuelles variations de pression et les faibles échauffements résiduels provenant de l’enve- loppe cryogénique, des connexions résistives au sein des terminaisons et des jonctions ainsi que les pertes en régime alternatif générées dans le supraconducteur, dans l’isolant électrique (pertes diélectriques) et dans les parties métalli- ques du câble (courants de Foucault). Les cryo-réfrigérateurs sont disponibles sur le marché et sont alimentés indépen- damment du réseau électrique et connectés au réseau d’eau pour les compresseurs. Les avantages et les différentes conceptions Les premiers développements de ces systèmes supra- conducteurs ont débuté il y a maintenant plus de 15 ans. Comme pour les câbles résistifs conventionnels, différentes configurations ont été fabriquées et testées. Elles prennent en compte les contraintes de fonctionnement du réseau com- me les surintensités, les courants de court-circuit comme les surtensions mais aussi les contraintes d’installation comme la surface disponible, les courbures, les droits de passage, ... Les différentes solutions imaginées et leurs avantages sont présentés ci-après. Figure 2 : Rubans supraconducteurs « haute température critique ». Figure 3 : Enveloppe cryogénique. Figure 4 : Terminaison triple a) et jonction b). REE N°6/2011 ◗ 77 Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente - En régime alternatif Même si le régime alternatif n’est pas le plus favorable à la supraconductivité, le faible niveau des pertes en régime alternatif mesuré ~ 0,8W à 1 W/kA/m ainsi que l’impédance en ligne 3 fois plus faible, constituent les deux atouts majeurs par rapport aux solutions résistives conventionnelles. De plus les travaux récents ont montré que l’introduction des rubans d’YBa2 Cu3 O7-x associé aux optimisations fines de la structure des conducteurs permettent de réduire considérablement ces pertes à un niveau <0,06 W/kA/m avec un impact bé- néfique sur le bilan énergétique de fonctionnement et sur les investissements des systèmes de refroidissement. Pour répondre aux spécifications des réseaux alternatifs triphasés, 3 configurations de câbles ont été développées. Elles sont présentées dans le tableau 1. Dans les 3 cas, toutes les phases sont écrantées par une couche de rubans supraconducteurs à l’extérieur et ne génè- rent aucun champ magnétique de fuite à l’extérieur. - En régime continu Ces dernières années ont été marquées par un regain gé- néral d’intérêt pour l’utilisation du courant continu. En effet, le transport de l’énergie en courant continu, favorable aux échanges sur de grandes distances, a donné lieu à des pro- jets de liaisons transnationales, entre autres pour les liaisons France-Espagne ou France-Italie. Des réflexions ont aussi été entreprises sur l’utilisation de ce régime pour la distribution jusqu’à l’utilisateur final. De plus, par conception les fermes photovoltaïques ou éoliennes nécessitent le passage par du courant continu dans la chaine de production de l’électricité. Tableau 1 : Configurations possibles en régime alternatif. x3 Tableau 2 : Configurations possibles en régime continu. 1 pôle par enveloppe 78 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique Cette technologie est aussi couramment utilisée dans les infrastructures industrielles et scientifiques nécessitant des forts ou très forts courants comme les procédés d’électroly- ses, les bobines de champs magnétiques, les navires, etc... Toutes ces applications utilisant le courant continu sont une réelle opportunité pour la supraconductivité. En effet, les fai- bles pertes électriques résiduelles liées au régime alternatif disparaissent totalement. Elles se résument alors aux seules pertes de l’enveloppe cryogénique, indépendante du courant transporté et permettant la gestion de très forts courants dé- passant les 20 000 Ampères. Les 3 configurations ont été imaginées pour répondre aux différentes applications. Elles sont présentées dans le tableau 2. Les démonstrateurs Pour préparer et convaincre les utilisateurs de la maturité et de l’efficacité des systèmes supraconducteurs, des pro- totypes industriels de câbles sont depuis plusieurs années connectés aux réseaux. Quelques études ont récemment commencé sur les câbles de transport fonctionnant en cou- rant continu et ont donné lieu à quelques développements aux Etats-Unis (Très Amigas) en Chine (Henan Zhongfu industrial Co) et en Europe pour la distribution à bord des navires (Pose2 don). Les premiers prototypes sont en cours de réalisation et des solutions devraient émerger d’ici quel- ques années. Par contre de nombreux démonstrateurs en régime alternatif ont déjà été fabriqués et installés à travers le monde, aux Etats-Unis, au Japon, en Corée et en Europe. Des projets en Chine et en Russie ont commencé. La figure 5 re- groupe les caractéristiques des projets réalisés ainsi que ceux en cours. Deux tendances se dégagent : La première visant à augmenter les courants en se limitant à des tensions < 50 kV et la seconde allant vers le transport de très fortes puissances au-delà de 1 000 MVA à des tensions >120 kV. Parmi eux, le projet LIPA développé selon le design « une phase par enveloppe » a montré une avancée très significative vers l’industrialisation de la technologie. Le 22 avril 2008, un câble supraconducteur a été mis sous tension pour la premiè- re fois dans un réseau haute tension de la presqu’île de Long Island aux Etats-Unis. Il est utilisé dans le réseau depuis ce jour par la Long Island Power Authority (LIPA). Ce projet financé par le Department Of Energy (DOE) a été réalisé en collaboration avec American Super Conductors (AmSC) pour la fourniture du ruban supraconducteurs et le pilotage du projet, Nexans pour le développement, la fabrication et l’installation du câble et des terminaisons, et l’Air Liquide pour le système cryogéni- que. Cette liaison triphasée de 600 m de long fonctionnant sous 138 kV et conçue pour un courant maximum de 2,4 kA efficace, soit une puissance transmise de 574 MVA, a permis de sélectionner et de tester les meilleures technologies. Au cours de ce projet 6 terminaisons, 1,8 km de câbles utilisant plus de 150 km de rubans supraconducteurs et une machine cryogénique d’une puissance froide de 5,7 kW à 65 K, ont été fabriqués, testés, transportés et installés sur site (Figure 5). Figure 5 : Projets de démonstrateurs de câbles supraconducteurs réalisés et en cours. Projets de câbles AC REE N°6/2011 ◗ 79 Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente L’expérience acquise pendant les 3 années de fonctionnement a permis de valider les protocoles de maintenance du sys- tème cryogénique et de le faire évoluer pour encore accroître sa robustesse et sa disponibilité. Au cours de cette période, le système a subi de nombreuses surintensités allant jusqu’à 10 kA, sans dommage et sans avoir à déconnecter le câble. Il a aussi été soumis sans dommage, à un courant de court-circuit de 22 kA qui a conduit à une déconnection volontaire selon un protocole développé par AmSC et Nexans, et actuellement en vigueur chez LIPA. Conclusions et perspectives Les câbles supraconducteurs pour le transport et la distri- bution d’énergie sont devenus une réalité industrielle grâce aux travaux de ces dernières années. Différentes conceptions ont été développées pour s’adapter et répondre aux différents marchés. Au-delà du simple remplacement, leurs utilisations ouvrent de nombreuses opportunités pour les réseaux élec- triques de demain. Ils permettent de transporter de très for- tes puissances en augmentant le courant sans augmenter la tension, voire en la réduisant. Ils permettent de déplacer les stations de transformation en dehors du cœur des villes voire même dans certains cas de les supprimer. Par ailleurs les câbles supraconducteurs sont une solution idéale pour le régime continu pour lequel les pertes sont quasi-nulles. Ils permettent d’envisager du transport en régime continu de puissances très élevées jusqu’à de 5 000 MW à haute ten- sion ou de très forts courants supérieurs à 20 000 A. L’intérêt pour les câbles supraconducteurs s’est trouvé dernièrement renforcé par la mutation à laquelle les réseaux électriques doivent faire face, du fait du coût de l’énergie de plus en plus élevé, de la demande croissante d’intercon- nexion et de redistribution, et de la nécessité de gérer les flux d’énergie produite par différentes sources pouvant être intermittentes comme les fermes solaires et éoliennes. Les systèmes supraconducteurs ont déjà été identifiés comme prometteurs tout particulièrement dans des zones urbaines grâce à leur faible encombrement permettant d’utiliser les droits de passage existants, et à leur faible impact thermique ou électromagnétique. Par ailleurs, ils permettent aussi par conception de réduire la propagation des courants de court circuit en utilisant l’effet limiteur de courant propre aux ma- tériaux supraconducteurs, augmentant ainsi le nombre possi- ble d’interconnexions de sources ou de réseaux. Figure 6 : Projet LIPA Système 138 kV-2 400 A efficace. a) Caractéristiques b) Câble c) Terminaison d) Schéma du système de refroidissement. Diamètre extérieur 148 mm Longueur 600 m Tension 138 kV Courant nomimal 2,4 kA efficace Courant de court-circuit admissible 51 kA pendant 200 ms a) b) c) d) Christian-Eric Bruzek est Chef de projet, responsable des dé- veloppements des câbles et des matériaux supraconducteurs à Nexans France. Après avoir travaillé à Alstom pour la fabrication des aimants d’IRM et des câbles supraconducteurs, notamment pour le LHC, il a rejoint la société Nexans pour développer les fils et dispositifs supraconducteurs à « haute température critique ». l'auteur