Accélérer la transition énergétique grâce à la supraconductivité

Depuis plus d’un siècle, les réseaux électriques constituent l’épine dorsale des systèmes de distribution d’énergie dans de nombreux secteurs. Aujourd’hui, la transition mondiale vers une électrification accrue soulève néanmoins des défis majeurs: surcharges du réseau, délais dans l’intégration des ressources énergétiques distribuées, instabilité de la fréquence et inadéquation des efforts de modernisation de l’infrastructure. À cela s’ajoute l’essor fulgurant des infrastructures numériques, notamment des centres de données, qui requièrent des puissances de calcul élevées, d’importantes capacités de stockage et présentent des besoins énergétiques conséquents. Dans ce contexte, la dépendance aux systèmes de câblage conventionnels à base de cuivre devient de moins en moins viable. Les nouvelles technologies susceptibles d’accroître la capacité et la flexibilité de ce réseau vital suscitent donc un intérêt croissant.

La supraconductivité pour repenser les réseaux d’énergie

La supraconductivité désigne la perte de résistance électrique qui se produit dans certains matériaux lorsqu’ils sont refroidis à une température extrêmement basse. En intégrant des fils ou rubans supra­conducteurs dans les câbles, il est désormais possible de créer des conducteurs électriques quasi parfaits.

Découverte en 1911 avec le mercure (Hg), la supraconductivité a depuis été observée avec d’autres métaux purs tels que le niobium (Nb). Cependant, ces matériaux n’étaient pas adaptés à une utilisation à grande échelle. Les chercheurs ont donc mis au point des alliages et des composés supraconducteurs présentant non seulement une résistance nulle, mais aussi une meilleure stabilité mécanique ainsi que la capacité de transporter des densités de courant très élevées.

Parmi les avancées majeures figure la découverte des matériaux supraconducteurs à base de cuivre, tels que Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223) et ­YBa₂Cu₃O_7–δ (YBCO). Ceux-ci appartiennent à la famille des supraconducteurs à haute température (HTS), capables de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées (environ 92 K, soit -181°C), ce qui permet de les refroidir à l’aide d’azote liquide, une solution plus économique et plus pratique que l’hélium liquide indispensable pour les métaux purs.

Quelle différence avec les câbles ­conventionnels?

Dans les câbles électriques conventionnels, les conducteurs principaux – les phases dans les systèmes à courant alternatif ou les pôles dans les systèmes à courant continu – sont généralement en cuivre ou en aluminium, des matériaux résistifs, qui ont toujours une certaine résistance électrique. Même optimisés, ces câbles subiront inévitablement des pertes d’énergie pendant la transmission. Dans les conducteurs classiques tels que le cuivre, la résistance électrique diminue lorsque le matériau est refroidi, mais n’atteint jamais zéro. Cette résistance entraîne des pertes d’énergie sous forme de chaleur, connues sous le nom d’effet Joule.

Les câbles supraconducteurs (figure 1) sont différents: refroidis en dessous d’une certaine température critique, leur résistance chute soudainement à zéro. Ils peuvent donc conduire l’électricité presque sans pertes – celles-ci sont minimales en courant alternatif et nulles en courant continu. Ils sont aussi à même de transporter des densités de courant beaucoup plus élevées que le cuivre ou l’aluminium. Un seul câble supraconducteur peut dès lors remplacer plusieurs câbles conventionnels, ce qui permet de réduire le nombre de circuits nécessaires ainsi que les coûts de construction et de maintenance, et d’aboutir à un réseau électrique plus puissant et plus efficace.

Un système de câbles supraconducteurs à haute température (high-temperature superconductors, HTS) est géré de la même manière qu’un système de câbles conventionnel. La seule différence réside dans la nécessité de gérer le système cryogénique. Une installation supraconductrice complète requiert en effet un système de refroidissement à l’azote liquide, un élément chimiquement inerte autant à l’état liquide que gazeux, pour maintenir le câble à basse température. Le système de refroidissement joue un double rôle: il injecte de l’azote liquide froid dans le câble et, une fois que l’azote s’est légèrement réchauffé en passant dans le câble, il le refroidit à nouveau avant de le réinjecter dans le câble (figure 1). Pour chaque projet, le système de refroidissement est conçu sur mesure afin d’assurer une circulation en boucle fermée de l’azote liquide, permettant de maintenir le câble à la température requise grâce à un flux continu de froid.

Les propriétés des câbles HTS

Les câbles supraconducteurs à haute température présentent une multitude d’avantages. À encombrement équivalent, ils disposent d’une capacité de transmission inégalée, de 8 à 10 fois supérieure à celle des câbles conventionnels, et présentent une densité de courant bien plus importante (x 200 pour les câbles à rubans HTS 2G): un seul câble peut transporter plus de 3 GW, ce qui est suffisant pour alimenter une grande ville. Leur empreinte au sol bien moindre permet aussi la réutilisation des conduits souterrains existants, réduisant ainsi les coûts liés aux travaux de génie civil tout en augmentant la capacité de transmission des infrastructures déjà en place.

Les câbles HTS sont des conducteurs ultra-­efficaces à la résistance nulle ou quasi nulle, et l’économie d’énergie ainsi réalisée est supérieure à l’énergie dépensée pour maintenir les conducteurs à basse température. Ils n’émettent pas de chaleur – quelle que soit la puissance transportée – et peuvent donc être enterrés plus profondément que les câbles conventionnels. Il n’y a ainsi pas de réduction de la capacité de transmission, même s’ils sont installés à proximité d’autres câbles, ni d’effet d’assèchement du sol – un point clé si les câbles HTS sont posés à côté de câbles conventionnels.

Enfin, les câbles HTS sont blindés, ce qui évite la génération de champs électromagnétiques parasites, réduisant les effets sur les infrastructures environnantes et minimisant les inquiétudes à ce sujet. Ils ne sont en outre pas exposés aux conditions météorologiques, aux dommages potentiels et au vandalisme, ce qui garantit sécurité et résilience des réseaux.

Les limiteurs de courant de défaut ­supraconducteurs

Les câbles supraconducteurs transportent l’électricité à des courants exceptionnellement élevés, de manière fiable et avec des pertes minimales, une option intéressante pour répondre aux besoins croissants en énergie des villes modernes. Cependant, il est également possible d’utiliser les propriétés des supraconducteurs pour protéger les réseaux.

Les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (superconducting fault current limiters, SFCL) sont des dispositifs ingénieux assurant une protection essentielle contre la menace croissante liée à la multiplication des courants de défaut causés par des courts-­circuits – un risque inhérent aux smart cities. Ces courants de défaut résultent de facteurs tels que des charges plus élevées, une production plus décentralisée et des flux de charge plus complexes. La conséquence: un risque de dépassement de la classe de protection des transformateurs et disjoncteurs sur les réseaux de distribution. Sans une protection appropriée, une infrastructure vitale peut ainsi être endommagée, causant des coupures d’électricité à l’impact considérable sur les entreprises et la collectivité. Basés sur un matériau supraconducteur à haute température refroidi à sa température de fonctionnement de -200°C à l’aide d’azote liquide, un fluide à la fois facilement disponible et peu coûteux, les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (figure 2) sont conçus pour relever ces défis.

En fonctionnement normal, les SFCL permettent au courant de circuler facilement et sans pertes. En cas de court-circuit ou de courant de défaut, ils limitent instantanément et automatiquement le courant excessif à un niveau prédéfini en fonction de la puissance nominale de l’infrastructure technique du réseau, sans nécessiter d’intervention mécanique. Contrairement aux dispositifs de protection classiques, qui reposent sur l’ouverture d’un circuit pour interrompre le flux de courant, les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs utilisent les propriétés intrinsèques des supraconducteurs pour passer rapidement d’un état supraconducteur à un état résistif. Cette transition se produit en quelques milli­­secondes, ce qui permet aux SFCL d’absorber et de limiter le courant de défaut avant qu’il n’endommage l’équipement en aval. Le système est intrinsèquement sécurisé et revient automatiquement à son état de fonctionnement passif après un incident. Un autre avantage: les limiteurs de courant de défaut supra conducteurs peuvent être utilisés en conjonction avec n’importe quel type de câblage de distribution – non seulement avec les câbles supra­conducteurs, mais aussi avec les câbles conventionnels en cuivre et en aluminium.

Le projet SuperRail: la supraconductivité au service du réseau ferroviaire

En juin 2022, Nexans, en collaboration avec SNCF Réseau et avec le soutien de Bpifrance, s’est lancé dans le projet ­SuperRail, un projet innovant visant à améliorer l’infrastructure d’alimentation électrique de la gare ­Montparnasse, à Paris. L’objectif: satisfaire les besoins croissants de l’un des plus grands nœuds ferroviaires ­d’Europe et le doter d’un réseau d’alimentation à la mesure d’un trafic ferroviaire en constante augmentation.

Construite en 1840, la Gare ­Montparnasse est la quatrième gare de France en termes de fréquentation: plus de 50 millions de voyageurs y transitent chaque année, et il est prévu qu’elle en accueille 90 ­millions en 2030. L’installation de câbles supraconducteurs devait répondre aux besoins croissants en électricité qui accompagneront cette évolution.

Le projet présentait de nombreux défis, physiques et logistiques, qui limitaient l’extension des infra­structures, dont:

• l’ajout d’une puissance électrique supplémentaire élevée pour assurer l’augmentation du trafic ferroviaire;
• la présence de contraintes importantes sur le site de ­Montparnasse-­Vouillé, avec des emprises existantes saturées et seulement quatre conduites de rechange disponibles, de 100 mm de diamètre;
• la difficulté d’obtention des autorisations nécessaires à la modification de l’infrastructure centenaire, du fait de la présence d’autres réseaux (eau, gaz, télécommunications);
• les fluctuations importantes des besoins en énergie, susceptibles d’entraîner une panne générale du réseau;
• ou encore la réalisation des travaux de modernisation en minimisant les perturbations pour les trafics ferroviaire et routier environnants.

Seul un câble supraconducteur est à même de combiner un diamètre réduit et une puissance exceptionnelle répondant aux performances requises par SNCF Réseau: 5,3 MW par conduit, soit 3500 A à 1500 V en courant continu (DC). Ces câbles supraconducteurs devaient être installés dans les conduites déjà présentes (figure 3), ce qui nécessitait non seulement une bonne coordination technique, tout en garantissant la compatibilité entre les câbles supraconducteurs et les conduits existants, mais aussi une planification et une exécution méticuleuses.

Du fait de sa maîtrise des infra­structures électriques et des technologies de supra­conductivité, Nexans s’est vu confier la conception et la fabrication des câbles supra­conducteurs, ainsi que la ­coordination de leur installation dans les conduites existantes. Ce projet incluait la conception, le développement, le test, la validation et l’installation d’un système de câbles HTS 1500 V en courant continu. Afin de pouvoir assurer un transfert d’énergie continu même en présence de fluctuations élevées des besoins en énergie, il a été nécessaire de concevoir un câble haute performance (figure 4) spécialement adapté aux contraintes ferroviaires et à une application commerciale très exigeante – une première mondiale dans la technologie de transmission d’énergie avec un courant de défaut maximal de 40 kA en 200 ms.

La mise en service a été effectuée en 2023. Cette première application commerciale de la technologie des câbles HTS à courant continu au sein d’un réseau électrique ferroviaire illustre le potentiel des systèmes DC supra­conducteurs pour moderniser les infrastructures critiques – en augmentant les capacités, en réduisant les pertes et en améliorant l’efficacité énergétique.

Perspectives

Le partenariat entre Nexans et SNCF ­Réseau se poursuit désormais dans le cadre du déploiement d’un limiteur de courant de défaut supra­conducteur afin de sécuriser et d’optimiser la traction électrique ferroviaire sur la ligne reliant Belfort à Delle, y compris la liaison transfrontalière avec la Suisse. Ce dispositif permet de réduire les courants de court-­circuit de manière autonome et se régénère en moins de cinq minutes, sans nécessiter d’intervention humaine. Le déploiement est prévu au cours de l’année 2026. Les qualités des systèmes supra­conducteurs n’ont pas fini de faire leurs preuves dans le domaine des infra­structures ferroviaires.