Câble supraconducteur
Découverte il y a plus de cent ans, la supraconductivité fait rêver plus d’un physicien.
Appliquée aux réseaux de transport de l’électricité, elle permettrait d’atteindre une résistance négligeable au passage de l’électricité dans le conducteur. Dès lors, l’état supraconducteur offrirait la possibilité de transmettre une puissance électrique au moins 5 fois plus grande avec de très faibles pertes d’énergie.
Le constructeur français Nexans a mis au point un nouveau type de câbles pour le transport de l’électricité qui répond aux problèmes des pertes : un câble supraconducteur.
C’est en Allemagne à Essen qu’une longueur d’un kilomètre de câble supraconducteur entre deux sous-stations à été installé.
Ce projet pilote, nommé « Ampacity », a été rendu possible grâce à des subventions du Ministère fédéral allemand de l’Economie (BMWi) en charge de l’environnement et de l’énergie. Le BMWi a en effet apporté 5,9 millions d’euros sur les 13,5 millions investis dans le projet par RWE et ses partenaires.
Nexans, partenaire du projet, a également conçu un limiteur de courant de court-circuit supraconducteur en plus du câble destiné au test. En outre, Ampacity bénéficie du soutien de l’Institut Technologique de Karlsruhe (KIT), qui fournit une assistance scientifique pour l’essai sur le terrain.
Comprendre le principe de la supraconductivité :
– Le principe de résistance que l’on retrouve dans toutes les sciences : c’est l’aptitude à s’opposer à un phénomène. Par exemple, un cycliste enfilera un casque aérodynamique et une combinaison spéciale pour lutter contre la résistance à l’air. Dans notre cas, la résistance électrique, c’est l’aptitude d’un corps à s’opposer au passage du courant.
– L’effet Joule : c’est la dissipation de chaleur qui s’opère dès lors qu’un courant circule dans un matériau conducteur d’électricité. Il peut être recherché dans certains cas : chauffage, plaques de cuisson, grille-pain… mais sera minimisé lors du transport de l’électricité car il provoque d’importante pertes d’énergie.
L’utilisation de câbles supraconducteurs permettrait de transporter de l’énergie sans résistance, donc l’effet Joule n’existe plus et des capacités de transit de l’électricité largement augmentées.
Pour que la résistance électrique devienne quasiment nulle, il faut atteindre une température critique extrêmement basse, proche de -273°C, le zéro absolu. Il est donc indispensable de produire du froid et d’isoler thermiquement le câble dans une enveloppe métallique.
Le froid, un facteur essentiel
Le mercure est le métal où pour la première fois la supraconductivité a été observée. Pour cela, il a fallut le refroidir jusqu’à -269°C, très près du zéro absolu. Le meilleur des supraconducteurs actuellement connu ne le devient qu’en dessous de -135°C.
La physique des supraconducteurs est donc intimement liée au domaine des très basses températures auquel on accède en utilisant des techniques de refroidissement liées aux liquides cryogéniques comme l’azote ou l’hélium liquide, ou d’autres méthodes toujours plus sophistiquées.
Que représente le froid au niveau des atomes ?
Le câble concentrique triphasé supraconducteur de 10 kV avec un courant nominal de 2300 A (40 MVA) fourni une capacité de transmission qui exigerait cinq câbles HTA classiques qui ne peuvent être acheminés sur le site.
Le système liquide de refroidissement est de l’azote.
Le câble supraconducteur permet le remplacement d’un câble existant en cuivre sous une tension de 110 kV (40MVA) du réseau de distribution exploité par RWE.
Nexans fabrique aussi des câbles supraconducteurs pour la HTB, jusqu’à 225KV, ainsi que les câbles en courant continu.
L’architecture des câbles supraconducteurs de Nexans est similaire aux câbles classiques, mais des fils de cuivre ou d’aluminium sont remplacés par des rubans supraconducteurs pour le transport du courant.
Les conducteurs sont gainés avec une isolation en haute tension et entourés d’un écran supraconducteur qui fournit un blindage électromagnétique. L’azote liquide refroidit l’âme du câble à une température de fonctionnement d’environ -200 ° C.
L’azote liquide est utilisé comme fluide cryogénique dans de nombreux procédés industriels, mais également dans les aliments et la congélation à des fins médicales. Il est universellement disponible, facile à manipuler, à transporter sans problème, et non-toxique.
Les câbles supraconducteurs exigent que les stations de centrales de refroidissement cryogénique soient placées à des intervalles appropriés en fonction de la dimension et de la charge des câbles.
Supraconducteur limiteur de courant SFCL
Le principe est de détecter des pics de courant potentiellement dommageables causés par des courts-circuits dans le système d’approvisionnement en électricité.
Le limiteur de courant fonctionne selon un principe similaire à un disjoncteur basse tension dans les habitations, mais au niveau du réseau haute tension. De plus, une fois déclenché, il n’interrompt pas entièrement le flux d’électricité. En temps normal, ses éléments supraconducteurs laissent passer le courant pratiquement sans résistance.
Si un niveau critique de courant est dépassé, par exemple en cas de court-circuit, le conducteur quitte son état supraconducteur en l’espace de quelques millisecondes pour se transformer en une résistance électrique élevée. Seul un courant résiduel défini précisément continue alors à passer, ce qui permet au système de protéger l’ensemble des composants en aval, tels que les disjoncteurs, contre une surcharge susceptible de les endommager.
L’un des principaux avantages du SFCL réside dans sa sécurité intrinsèque : en effet, il réagit à un court-circuit sans avoir besoin d’un signal de déclenchement externe. A la différence des systèmes pyrotechniques qui doivent être remplacés après déclenchement, il peut revenir en mode normal dès que le court-circuit a disparu et que le matériau retrouve son état supraconducteur.
