Lorsque le courant circule sans résistance

L’électricité parcourt souvent des centaines de kilomètres entre la centrale et le consommateur. «En raison des pertes de transport, jusqu’à 10% de l’électricité transportée est «perdue» au cours du trajet, c’est-à-dire que cette part est transformée en énergie thermique, ce qui se traduit par un réchauffement des lignes électriques», explique Walter Sattinger, expert réseau auprès de la Société nationale responsable du réseau de transport de l’électricité Swissgrid. Pour minimiser ces pertes, l’électricité est transmise à des tensions élevées chaque fois que cela est possible. Ainsi, la même quantité d’énergie peut être transportée avec une intensité de courant plus faible. Ceci permet de réduire les pertes, car celles-ci augmentent de manière quadratique avec l’intensité du courant.

L’«astuce» porte ses fruits: en Suisse, à peine un cinquième des pertes de transport est imputable au réseau haute et très haute tension (220 kV, 380 kV). Mais dans l’absolu, ces pertes sont également importantes: par exemple, sur une ligne de 380 kV de 100 km, il peut y avoir une perte de puissance de près de 10 MW en cas de forte charge. Cela correspond à la puissance de deux grandes éoliennes.

La supraconductivité élimine les pertes

Afin de réduire les pertes de transport, l’utilisation de câbles électriques supraconducteurs est discutée depuis longtemps et testée dans des installations d’essai. Les supraconducteurs ont la propriété de conduire l’électricité sans perte électrique notable. Pour ce faire, ils doivent être fortement refroidis. Pour les applications commerciales, l’accent est mis sur la supraconductivité à haute température (HTS), laquelle a beaucoup évolué au cours des 10 à 15 dernières années. Elle repose sur des matériaux céramiques qui acquièrent des propriétés supraconductrices déjà à des températures relativement élevées, à partir de 77 K (–196°C). 77 K correspond à la température d’ébullition de l’azote, à pression normale. L’azote est un matériau idéal pour refroidir les supraconducteurs dans la mesure où il est facile à liquéfier et ne présente aucun danger.

Aujourd’hui, jusqu’à 3 GW sont transportés par des lignes électriques performantes aux tensions utilisées en Europe. Avec les supraconducteurs, ce chiffre pourrait être multiplié par dix à l’avenir. Avec des quantités d’électricité aussi importantes, l’élimination des pertes de transport permet d’économiser plus d’électricité qu’il n’en faut pour refroidir les supraconducteurs. «Les applications utilisant des supraconducteurs bien isolés thermiquement prouvent que des gains d’efficacité sont possibles malgré le refroidissement nécessaire», explique le D^r Bertrand Dutoit, responsable du groupe de supraconductivité appliquée à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Le chercheur cite l’exemple de la ligne moyenne tension d’un kilomètre exploitée de 2014 à 2021 dans la ville allemande d’Essen par l’entreprise énergétique Westenergie. Grâce à elle, l’électricité a pu être transportée au centre-ville à une tension plus faible (10 kV au lieu de 110 kV). Le câble du projet AmpaCity a permis de transporter 39 GWh d’électricité par an. Pendant la même période, le refroidissement a nécessité 45 MWh d’énergie.

Ce projet innovant a suscité un vif intérêt de la part du public. Tout au long de ces 7 années, le transport de l’électricité s’est déroulé presque sans interruption ni perturbation; une exploitation économique n’a toutefois pas pu être atteinte au cours de cet essai pratique.

Applications à haut niveau de maturité technologique

Un groupe d’experts travaillant sous l’égide de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) et auquel la Suisse participe (voir le premier encadré) a évalué le niveau de développement des applications HTS pour le réseau électrique et les a rassemblées dans une «Application Readiness Map» (ARM). Ce document offre une vue d’ensemble du niveau de maturité technologique de différentes applications HTS. Les expertes et experts de l’industrie et de la recherche ayant participé au projet ont identifié trois domaines dans lesquels la technologie HTS a déjà atteint un haut niveau de maturité: parmi ceux-ci, les câbles moyenne tension performants pour alimenter les centres-villes, comme ceux utilisés à Essen, et qui sont également testés en Corée du Sud, en Chine et au Japon. «Les supraconducteurs peuvent transporter jusqu’à cinq fois plus d’électricité que les câbles traditionnels de même taille, ce qui en fait une solution relativement bon marché pour l’approvisionnement des zones urbaines dont les besoins en électricité sont en constante augmentation», explique le professeur Carmine Senatore (Université de Genève), qui représente la Suisse au sein du comité d’experts de l’AIE.

Les dispositifs destinés à limiter les courants de court-circuit sur les réseaux moyenne et haute tension sont également prêts pour une application commerciale. Ces limiteurs de courant de défaut freinent les courants élevés, typiques des courts-circuits, sans toutefois interrompre le flux de courant. Lorsqu’un limiteur de courant de défaut supraconducteur est traversé par un courant élevé et que la quantité maximale de courant définie est dépassée, il perd son caractère supraconducteur. Les premiers appareils de protection de ce type pour la haute tension sont en service commercial en Thaïlande et, depuis fin 2019, près de Moscou. Ces dispositifs sont déjà plus répandus au niveau de la moyenne tension. Plus de 20 applications sont connues à l’échelle mondiale. Les limiteurs de courant de défaut sont également utilisés pour la modernisation d’anciens réseaux électriques, en les protégeant contre les surcharges.

Raccordement d’éoliennes offshore

Selon l’estimation des experts, il existe trois domaines d’application pour les câbles supraconducteurs présentant actuellement un niveau moyen de maturité technologique: il s’agit notamment de lignes à haute tension pour le transport de courant alternatif qui pourraient remplacer les lignes aériennes actuelles, mais également de nouvelles lignes à haute tension pour le transport de courant continu sur de longues distances. Des installations d’essai souterraines de quelques centaines de mètres ont vu le jour au cours de la dernière décennie en Chine, en Corée et au Japon. Un câble 20 kV de 2,5 km devait en outre être achevé fin 2021 à Saint-Pétersbourg. La construction de longues lignes supraconductrices est exigeante du point de vue technique. Sur les terrains plats, elles doivent être équipées d’une station de refroidissement tous les 10 à 25 km.

Jochen Kreusel n’est pas partenaire du programme de l’AIE, mais il a une grande expérience de l’équipement des réseaux électriques en tant qu’expert en réseaux électriques d’Hitachi Energy – une coentreprise des groupes Hitachi et ABB, composée essentiellement de l’ancienne division réseaux électriques d’ABB. «La fascination pour la supraconductivité n’est pas récente», déclare-t-il, «mais aujourd’hui, nous sommes dans une situation où cette technologie pourrait effectivement faire une percée.» Il fait référence aux projets d’extension de parcs éoliens en mer du Nord jusqu’à une puissance totale de 450 GW. «Amener de si grandes quantités d’électricité à terre nous place devant de nouveaux défis. Certes, cela est également possible avec la technologie actuelle des câbles, si des câbles suffisamment grands sont utilisés, mais des câbles supraconducteurs performants trouveraient ici un domaine d’application idéal», explique l’expert industriel.

Un énorme potentiel de changement

Les experts ont identifié d’autres domaines d’application dans lesquels la technologie HTS pourrait être utilisée à moyen ou long terme: par exemple, la connexion de plusieurs réseaux moyenne tension pour augmenter la sécurité d’approvisionnement, l’utilisation de câbles moyenne tension pour la modernisation de câbles souterrains existants, ainsi que lors de la construction de transformateurs d’un nouveau type.

Des obstacles techniques, économiques et réglementaires doivent toutefois encore être surmontés avant que les câbles et composants supraconducteurs ne soient prêts pour une utilisation commerciale à grande échelle dans les réseaux électriques. Malgré tout, Jochen Kreusel est convaincu que la feuille de route de l’AIE répond à un besoin actuel: «La supraconductivité est en route vers une application technique à grande échelle. En tant qu’entreprise industrielle produisant des appareillages électriques et des transformateurs, nous suivons cette évolution de très près, car si la technologie supraconductrice s’impose, elle aura un énorme potentiel de changement pour l’ensemble de l’approvisionnement en énergie électrique.»