Les câbles supraconducteurs

I- Les explications physiques:

    Les câbles supraconducteurs et les câbles classiques ont de nombreuses différences physiques, récapitulées dans le schéma suivant :

002
Source : Sciences et Vie

    On remarque que les câbles normaux subissent une perte d’électricité sous forme de chaleur : l’effet Joule. Cela n’est pas le cas pour les câbles supraconducteurs. L’effet Joule est du à une perte d’électrons : certains « percutent des atomes » comme nous pouvons le voir dans le schéma si dessous: en première phase les électrons « avancent » dans le câble puis certains vont percuter les atomes créant une perte d’électricité (car perte d’électron) sous forme de chaleur. Lorsqu’un électron percute un atome cela fait bouger l’atome.

Effet Joul
Schéma de Hugo LE COZANNET

    Ainsi une lampe branchée à un câble normal aura une intensité moins forte qu’une autre branchée à un supraconducteur, car la lampe branchée au câble classique recevra moins de courant à cause de l’effet Joule. Celui ci est régi par la formule suivante :

W= R*I²*t

W (en Joule-J) est l’énergie dissipée sous forme de chaleur.

R ( en Ohm-Ω) est la résistance exercée par le matériau.

I ( en Ampère-A) est l’intensité électrique émise dans le matériau.

t (en Seconde-s) est le temps.

    L’annulation de l’effet Joule dans un supraconducteur de Type I est du aux paires de Cooper. Ces paires (dont on ne comprend la formation que dans les supraconducteurs de type I) permettent la formation d’une onde quantique dans le supraconducteur. On a distingué 3 étapes dans la formation des paires de Cooper dans les supraconducteurs de type I.

    Lors de la première étape ou première phase, les ions du supraconducteur, chargés positivement, sont tous éloignés les uns des autres. Aucun électron n’est encore passé.

phase 1

    Lors de la deuxième phase, un premier électron chargé négativement passe entre les ions chargés positivement, l’électron attire alors, grâce à sa charge négative, les ions de charge positive. Seulement, les ions sont plus lents à bouger que l’électrons, à cause de leur masse plus importante : il est déjà parti avant que les ions n’aient eu le temps de le toucher. La zone où est passé  ce premier électron est une zone de déformation. Il crée ici un passage comme une « route », en rapprochant des ions sur son chemin.

Phase 2

    Lors de la troisième phase, la grande concentration d’ions  dans la zone de déformation va attirer les électrons suivants. Les électrons vont donc emprunter le passage du premier électron, empruntant ces « routes » sans s’entrechoquer avec d’autres atomes ou électrons, donc sans pertes de courant : l’effet joule disparaît.

Phase 3
Les trois schémas d’explication des paires de Cooper par Hugo LE COZANNET

    Il faut savoir que les électrons ont tous un demi spin. Un spin est l’orientation magnétique d’une entité, les électrons ont un demi-spin car ils ne sont pas totalement orientés.  Les électrons, passant au même endroit par la force d’attraction des ions, vont se coller et former des paires de Cooper, du nom de la personne qui découvrit le fonctionnement et la formation de ces paires. Deux électrons réunis en paire de Cooper forment ainsi un spin complet : il s’agit de boson (une entité avec un spin complet).

    Ces paires d’électrons passant toutes au même endroit vont former une onde quantique schématisée sur la photo-schéma de Sciences & Vie.

     La Loi d’Ohm :

La tension (U) appliquée à un métal est égale au produit de l’intensité (I) du courant qui le traverse par la résistance électrique (R) du métal. U=I*R → I=U/R or R est nul dans un supraconducteur donc comme le dénominateur est nul, I tend vers l’infini

II- Au niveau économique :

Les câbles supraconducteurs, qu’en est-il aujourd’hui ?

Introduction :

    La supraconductivité est en passe de devenir le moyen de transport d’électricité de ce siècle. Mais il reste néanmoins de grandes étapes à franchir. De nos jours, on peut considérer que la recherche est déjà faite. Suite à la découverte des cuprates (supraconducteur de type 2) en 1986, on dispose de câbles supraconducteurs fonctionnels. Ceux-ci ont la propriété de passer en résistance nulle grâce à de l’azote liquide, à -196°C, et permettent d’atteindre une densité de courant d’environ 150 à 1500 fois supérieure à celles observées dans le cuivre, tout en évitant les pertes de courant dues à l’effet joule. Idéals pour des transports de courant à grande échelle. On a donc le savoir faire pour des projets de grande ampleur.

Le concept :

coupe cable.png
Source : Nexans

    Sur cette coupe de câble supraconducteur, on peut en distinguer les principaux composants. Le câble, fait de plusieurs enveloppes isolantes, va contenir tout d’abord un cœur en cuivre. Celui-ci aura pour fonction de prendre le relais en cas de dysfonctionnement du système de refroidissement (qui rendra le supraconducteur résistant). Ensuite se trouve le supraconducteur à proprement parler, vecteur du courant. Le diélectrique haut voltage est un isolant sécurisant le câble électriquement. Un second isolant, l’écran supraconducteur va contenir le rayonnement magnétique du supraconducteur. Sur cet isolant se place une couche de protection pour éviter que l’azote liquide ne s’infiltre dans le système. Par dessus, dans une enveloppe cryogénique, va circuler l’azote liquide, nécessaire au refroidissement. Pour finir, une seconde enveloppe cryogénique va limiter tous les rayonnements thermiques, en créant un vide entre les deux gaines. C’est ainsi que l’on obtient un câble parfaitement isolé, sans rayonnements thermiques ou magnétiques, tout en étant parfaitement sécurisé. Une nouvelle alternative au câble en cuivre s’offre à nous. Mais en quoi serait-elle nécessaire ?

Pourquoi en aurions-nous besoin ?

Un gain de place dans un réseau saturé :

      Pour remplacer nos câbles conventionnels en cuivre, il faut des arguments de taille aux supraconducteurs. Et ceux-ci ne manquent pas, dans un monde en rapide évolution. Dans les villes, le besoin en électricité augmente avec la population, donc les réseaux électriques doivent se développer en parallèle. Il deviendra impossible de densifier des réseaux déjà saturés. C’est dans ce contexte que la supraconductivité se révèle être l’alternative parfaite. A volume égal (système de refroidissement compris), un câble supraconducteur permettra de transporter jusqu’à cinq fois plus d’électricité qu’un câble classique en cuivre. La tranchée nécessaire à l’enterrement des câbles serait beaucoup moins large, permettant de placer toujours plus de câbles.

Une alternative sans risque :

      Les câbles en cuivre commencent à atteindre leurs limites. Leur principe est simple : pour augmenter le débit d’électricité, il faut augmenter la tension électrique. Mais nos câbles ont une tension limitée : au-delà de 220 volts, nous nous exposerions à des arcs électriques. Ceux-ci endommageraient les gaines des câbles et présenteraient un risque de mort. Même en ignorant les mesures de sécurité liées à la tension, l’effet joule dresse une barrière infranchissable : une tension colossale ferait fondre le câble en cuivre… La supraconductivité offre la possibilité d’une densité de courant accrue, mais sans pour autant augmenter la tension grâce au principe de la résistance nulle. C’est un réel avantage permettant par la suite d’installer de tels câbles en ville sans mettre en danger ses habitants. De plus, un câble classique est difficile et coûteux à entretenir lorsqu’il est enfoui, et dangereux lorsqu’il est aérien (donc peu acceptés). Un câble supraconducteur permet un entretien plus même s’il est aujourd’hui légèrement plus coûteux à fabriquer.

puissance.png
source : Nexans

      Cette image illustre parfaitement le gain de place offert par les câbles supraconducteur : on peut constater que pour la même quantité d’électricité transportée, un seul câble supraconducteur suffit contre une ligne haute tension et une multitude de câbles conventionnels. L’avantage est évident.

Une simplification des réseaux : le projet LIPA

        Le 2 août 2006, le projet Long Island Power Authority (LIPA) débute. Première mondiale, ce projet vise à intégrer un câble supraconducteur de 138 kV et 600 mètres de long dans le réseau de transport d’électricité de Long Island (Etats-Unis). Il trouve sa source dans un partenariat entre entreprises publiques et privées : le ministère américain de l’énergie (DOE), ainsi que les entreprises privées American Superconductor, et les français Air Liquide et Nexans. Le coût total du projet (recherche incluse) est de 27 millions de dollars, financé à 100% par le DOE. En effet, les Etats-Unis font partie des nations pionnières dans ce domaine, y trouvant un réel intérêt à cause de leur forte pollution et réseaux saturés. Si ces 600 mètres de câbles semblent dérisoires, c’est parce que ce projet n’est en fait qu’un prototype. Il s’agit de tester les capacités de cette technologie en vue d’une application à grande échelle. Les deux objectifs principaux du projet LIPA sont simples : le premier est d’identifier les problèmes qu’une telle installation poserait (par exemple en termes d’entretien) afin de le rendre plus efficace à l’avenir. Le second est de développer, concevoir et exploiter cette technologie. Le marché de la supraconductivité, bien que prometteur, est actuellement dans la « vallée de la mort ». Il faut maintenant trouver des investisseurs pour créer une demande forte, et ainsi diminuer les coûts de production et de lancer le secteur, selon le principe de l’économie d’échelle : plus la production augmente, plus le prix unitaire (variable) diminue. Ce projet doit mettre en valeur les avantages de la supraconductivité, pour intéresser de potentiels clients (comme ERDF en France) et finalement pouvoir déployer cette technologie à grande échelle. Au travers d’une courte étude des investissements, nous exposerons quelques uns des avantages d’un tel projet.

Une baisse des coûts :

    Pour qu’une invention passe au stade de l’innovation, il faut qu’elle présente des avantages financiers. Les câbles supraconducteurs, de par leur simplicité, permettraient de simplifier les réseaux électriques, comme le montre le tableau suivant, issu du projet de câbles supraconducteurs LIPA :

Équipements supprimés dans le réseau Nouveaux équipements nécessaires
12,1km de câble 110 kV 23,4 km de câble 10 kV
12 disjoncteurs pour les câbles 110 kV 16 disjoncteurs pour les câbles 10kV
5 transformateurs pour les câbles 110/10 kV

3 bus de 10 kV

10 disjoncteurs pour les transformateurs 10/110kV

    Le réseau est moins complexe au niveau de la sous distribution d’électricité. La diminution du coût des sous stations (disjoncteur et transformateur) va impacter la distribution d’électricité dans le réseau en réduisant son coût.

graphique cout
Source : Nexans

    Ce graphique nous expose les avantages économiques des câbles supraconducteurs, au travers des investissements du projet LIPA sur 40 ans à partir du début du projet. 40 ans car c’est la période après laquelle les câbles supraconducteurs deviennent rentables. On a pour exemple les valeurs de câbles conventionnels de 110 kV et de 10 kV pour les comparer aux investissements de câbles supraconducteurs de 10 kV (HTS). Nous ne nous intéresserons qu’aux câbles de 10 kV pour une comparaison plus juste. Nous pouvons constater que le câble HTS représente un investissement de 70,7 millions d’euros tandis que celui des câbles en cuivre n’est que de 60,7 millions d’euros. Cela met en valeur le coût sensiblement plus élevé des câbles HTS, qui est actuellement de 150€ par mètre de câble. L’objectif est de descendre ce coût de production entre 20 et 50€ par mètre de câble pour qu’ils présentent un réel intérêt pour les distributeurs de réseau. Cependant, grâce aux infrastructures moins nombreuses du réseau supraconducteur, les coûts d’entretien seront diminués (de 3 millions d’euros en 40 ans, soit encore plus sur le long terme).

Une simplification du réseau qui présente d’autres avantages :

schéma supra
Source : Nexans

    Ce schéma met en valeur les limites de l’état supraconducteur (représenté en rose). On peut constater qu’il existe 3 facteurs limitant :

-La température : au-delà de la température critique du supraconducteur, au lieu de fonctionner comme un métal normal, il devient brutalement résistant. Le courant n’y circulerait plus.

-Le champ magnétique : de même ; si le supraconducteur émet un champ magnétique trop fort, il « s’étoufferait » et cesserait de fonctionner, devenant résistant

-La densité de courant : en cas de surcharge de courant dans le câble, comme dans les cas précédents, le circuit devient résistant.

    Bien que ces propriétés physiques semblent être un problème ou un inconvénient à cette technologie, il n’en est rien. Pourquoi donc ? Dans les réseaux électriques, le plus gros danger est la surcharge de courant. Une trop grande quantité d’électricité pourrait non seulement endommager le réseau, mais aussi être un danger pour les consommateurs. Dans le projet LIPA, on parle de « limiteur de courant ». Réagissant en une ou deux millisecondes, ces infrastructures exploitant ce phénomène sont installées dans le réseau et ne nécessitent pas de remise en marche. Elles limitent ainsi les surintensités et permet de protéger les équipements en sous station tels que les transformateurs et convertisseurs. Le réseau électrique est donc plus durable et c’est pourquoi la maintenance est moins coûteuse.

    De plus, les câbles supraconducteurs peuvent s’insérer parfaitement dans les réseaux de transport d’électricité actuels. Il suffit de remplacer les câbles en cuivres par des supraconducteurs, et la transition cuivre/supraconducteur est possible. Cette technologie permet donc une interconnexion de différents réseaux électriques tout en allégeant les réseaux surchargés, comme dans ce schéma du réseau LIPA

projet LIPA
Source : Nexans

     Ce document du projet montre le réseau LIPA avec l’ajout du câble supraconducteur (en bleu) en entrée du circuit. Cela permet de faire sortir le transformateur (symbolisé par les deux cercles entrecroisés) à l’extérieur du réseau, car le câble supraconducteur transporte le courant à la même tension que dans le réseau intérieur, c’est-à-dire 110 kV. Le réseau extérieur est à 380 kV, il faut obligatoirement changer la tension via un transformateur. L’avantage d’une grande tension est la grande densité de courant, et elle était nécessaire pour amener le courant au centre du réseau avant le projet. On faisait donc appel à un câble haute tension, et le transformateur était au milieu du réseau. Mais les câbles supraconducteurs permettent un apport d’électricité plus grand tout en étant à 110kV. On obtient donc un gain de place et d’efficacité. A l’avenir, on peut tout à fait imaginer que ce câble de 380 kV puisse être remplacé par un autre câble supraconducteur à 110 kV, permettant cette fois de s’affranchir complètement de tout transformateur de haute à basse tension.

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