02-Session2_01-NEXAN-20121023_SEE_Cables_DC_supra.pdf

22/10/2012
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:2991:3000
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Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les systèmes supraconducteurs de transport et de distribution d’énergie en courant continu Journées Techniques SEE Calais le 23-24 Octobre 2012 CE BRUZEK Nexans France Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Transport et de distribution en continu 1. Déploiement des réseaux HVDC sur de longues distances 2. Interconnexions de réseaux régionaux par système HVDC 3. Introduction des énergies renouvelables LVDC et MVDC 4. Augmentation de l’efficacité de la distribution locale LVDC (navires, Data centers, campus, industries,…) 4 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 5 Réponse aux maillages transcontinentaux Réseau continu (DC)-Super Grids Un réseau DC (MV et HV) est favorable aux énergies renouvelables Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Réponse aux maillages transcontinentaux Interconnexion :ex: Tres Amigas (USA) 6 12kA DC 200 kV Triangle of 9.6 km Une possibilité d’interconnexion de réseau Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (1) 7 - Moteur diesel - Alternateur - Terminaisons - Système cryogénique - Terminaisons - Moteurs Cable HTS 200 m Distribution de puissance primaire électrique en continu et à basse tension dans des domaines confinés Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (2) 8 Bus bar Supraconducteurs Efficacité globale accrue par suppression des convertisseurs et transformateurs… X X Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (3) 9 Efficacité globale accrue par suppression de l’effet joule dans les bus-bars (Boucles de compensation) 40kA_30V DC 15m 400 to 600kA 400 to 600kA 20to90m 40 to xx kA 30to100m 1000 m + - Liaisons entre les ateliers Pot à Pot Liaisons aux rectif Boucles de compensation 500kA_2000VDC Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (4) 10 Mise en commun et partage de sources de courant Intérêts: Très économique et uniquement possible grâce la supraconductivité Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les 5 constituants spécifiques 1- Matériaux supraconducteurs Supraconducteurs hautetempérature Supraconducteurs bassetempérature Pour les câbles de puissance T(°C)=T(K)-273 12 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les 5 constituants spécifiques 1- Rubans et fils supraconducteurs Pour le transport de forts courants, 3 rubans ou fils sont disponibles en grandes longueurs Couches tampons Substrat métallique Couche supraconductrice YBCO  2nde génération (2G): ):( Top =70-77K) 4 x 0,25 mm² Filaments Bi-2223 HTs Matrice d’argent  1ére génération (1G):( Top =70-77K)  Fil multi-filamentaire ( Top =20-25K) Filaments MgB2 Matrice en alliage de cuivre 13 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 1. Tube interne corrugué 2. Espaceur 3. Vide 4. Super-isolation 5. Tube externe corrugué 6. Protection extérieure Les 5 constituants disponibles 2-Enveloppe cryogénique Pour maintenir la basse température et transporter le fluide cryogénique: Enveloppe simple Enveloppe à double paroi pour le MgB2 Liq N2 14 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les 5 constituants spécifiques 3- Isolants électriques 1. Isolant à basse température (intérieur de l’enveloppe cryogénique) • Rubans isolants imprégnés • Composite Papier kraft /Polypropylène (PPLP) • Polyimide (Kapton ®) 2. Isolant à température ambiante (extérieure de l’enveloppe cryogénique) • Isolation conventionnelle • polyéthylène extrudé type (XLPE) 15 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les 5 constituants disponibles 4-Accessoires  Terminaisons et jonctions 16 77 K system 20-30 K system Système 77 K Système 20-30 K Terminaisons Jonctions Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Les 5 constituants disponibles 5-Les machines cryogéniques Gifford Mac-Mahon machine Puissance froide: : de 3kW à 70K à 300 W at 20K Consommation électrique: 45 kW Stirling machine Puissance froide: de 500 W à 70 K à 60 W à 20K Consommation électrique : 15 kW • Pour maintenir le froid et la pression • Pour faire circuler le fluide cryogénique Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Système de refroidissement TerminaisonTerminaison Les 5 constituants disponibles Système complet Re + - + -  Removes the heat  Provide the pressure  Circulates the coolant Câble 1. Le fluide cryogénique peut être liquide (N2, H2) ou gazeux He 2. Différences de température et de pression dépendantes de • La longueur du câble • Des pertes de l’enveloppe cryogénique • De la corrugation de l’enveloppe cryogénique Au-delà de 10 km, besoin de plusieurs systèmes (pressurisation et de refroidissement du fluide) Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 3. Les différents design de câbles pour le régime continu Systèmes 2 pôles coaxiaux 2 pôles dans une enveloppe 1 pôle par enveloppe Conception Tension Basse à moyenne tension < 20 kV Basse à moyenne tension < 50 kV Moyenne et haute tensions Intérêts Câbles très compacts pour des puissance jusqu’à 0,5 GW Câbles très compacts pour des puissance jusqu’à 2 GW Très forte puissance pour le transport en HVDC au delà de 5 GW - Pas d’impact électromagnétique -Terminaisons et jonctions communes aux 2 pôles Terminaisons et jonctions pouvant être communes aux 2 pôles Maximise la longueur unitaire Pas d’impact thermique X2 20 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Concepts (1) 1. Transport de courants de 2 à 100 kA avec des pertes réduites 2. Utilisation de fils MgB2 ou de rubans HTS Superconducting Wires Cryogenic envelop Electrical insulation Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Concepts (2)  Possibilité de mettre en commun plusieurs pôles dans une même enveloppe 22 Exemple: 4 x 15 KA 400V D ext = 163 mm Garde d’azote liquide Liq N2 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Possibilité d’avoir l’isolant à température ambiante 23 Tube interne de l’enveloppe cryogénique Support Diélectrique Tube externe de l’enveloppe cryogénique Ecran en cuivre Fils ou rubans supraconducteurs Protection Fluide cryogénique Couche de protection Fluide cryogénique Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Paramètres spécifiques des câbles HTc (1)  Sans impact environnemental (thermique ou magnétique)  Très compact (empreinte réduite) et léger  D ext = 55 mm pour un câble 2 pôles 6 kA câble opérant quelque kilovolts (> 10 MW)  Empreinte de la machine froide de 1 à 5 m2 diametre Ext 55 mm +/- 55 mm = +/- Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Paramètres spécifiques des câbles HTc (2)  Les pertes sont uniquement thermiques et quasi inexistantes en continu (<<10% des pertes des systèmes résistifs)  Principalement dans les jonctions résistives Câble-Câble et les terminaisons  Uniquement dépendantes que de la longueur du câble pas de l’ampérage  Compensées par l’énergie pour les machines cryogéniques qui est le seul cout fixe d’exploitation  env. 5 à 10 W*/m de câble  450W*/kA dans les amenées de courant des terminaisons 25 * 10 W dissipés à 300 K pour 1 W dissipé à 70 -77K Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Comparés aux câbles conventionnels, les câbles supraconducteurs permettent de transmettre plus de puissance pour une même tension 1000 2000 Puissance transmise (MW) 100 200 300 400 3000 4000 5000 Pour des très fortes puissances à tension réduite 26 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Démonstration (1) 28 •Pas de projets de démonstration équivalents aux programmes en AC mais quelques éléments clefs ont été validés… •Terminaison cryogénique DC 200kV validée en Juin 2010 par Nexans •Testée sous 360 kV pendant plusieurs heures Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 29 Quelques designs de laboratoire de conducteurs pour le continu Rubans torsadés autour d’un cœur Rubans empilés et torsadés NIST D.C. van der Laan et al MIT J. Minervini et al CERN A. Ballarino et al. Ø = 5 à 8 mm 15 à 20 rubans Ø = 5 à 8 mm 30 à 60 rubans . Démonstration (2) Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Contenu Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 1. Les systèmes supraconducteurs sont une réalité industrielle 2. Pour le continu, l’emploi des fils en MgB2 offre un potentiel de réduction des coûts 3. Tous les éléments sont disponibles pour construire un démonstrateur 4. L’usage de la supraconductivité permet de transporter de très fortes puissances (>1GW) sous des tensions modérées (< 50kV) avec des pertes très réduites 5. D’où le besoin d’introduire la nouvelle notion de HPDC (High Power Direct Current) à la place de HVDC (High Voltage Direct Current) 6. Les réseaux de transport et de distribution en continu devraient bénéficier dans un avenir proche de la technologie des supraconducteurs en augmentant significativement l’efficacité énergétique Conclusion Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 32 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS 33 Cartoon by Thomas Kodenkandath (The Week, 1988) Merci pour votre attention !