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Le supraconducteur bat des records à Long Island

Youssef Belgnaoui
Le supraconducteur bat des records à Long Island

Les terminaisons sont conçues pour absorber la rétractation des câbles qui peut atteindre 2 mètres lors de la réfrigération.

© D.R.

Le département américain à l'énergie a financé un projet visant à démontrer la faisabilité de l'interconnexion de câbles supraconducteurs de très haute tension à un réseau électrique existant.

Absence de résistance électrique et annulation du champ magnétique. Fin des pertes par effet Joule et des perturbations électromagnétiques. 150 fois plus de courant transporté que dans un câble en cuivre de même section. Le rêve de tout électricien ! Les matériaux supraconducteurs ont fait de ce rêve une réalité. Depuis près d'un siècle qu'ils ont été découverts, ils n'ont pratiquement pas quitté les laboratoires. Mais de-ci de-là, les expériences se déploient sur le terrain. Pour preuve, le plus gros projet de raccordement d'un câble supraconducteur à un réseau électrique existant est en cours d'installation à Long Island, aux États-Unis. Cette ligne de 600 mètres de long délivrera une puissance de 574 MVA soit 138 kV pour 2,4 kA ! Selon Nexans, elle fournira donc une puissance plus importante que la combinaison de toutes les installations supraconductrices déjà mises en oeuvre.

Ce projet a été initié par le département américain à l'énergie (DOE, Department of Energy) qui a confié à quatre entreprises sa réalisation. American Superconductor est le porteur du projet. Spécialiste dans la fabrication de rubans supraconducteurs, il est chargé de la gestion technique. Nexans a conçu le système de câblage supraconducteur et Air Liquide la solution cryogénique. Enfin, la gestion de la construction a été confiée à la Long Island Power Authority (Lipa).

La plus longue enveloppe cryogénique

Le DOE n'en est pas à son coup d'essai dans le domaine de la supraconductivité. Il finance un certain nombre de projets aux États-Unis pour évaluer la faisabilité du transport d'énergie par des câbles supraconducteurs. « L'un des projets à Detroit n'avait pas fonctionné car des fuites sont apparues dans l'isolation thermique du câble. Le DOE nous a choisis car nous sommes les seuls fabricants au monde à commercialiser des canalisations flexibles pour le transport de gaz liquéfié. Nous maîtrisons donc la fabrication de l'enveloppe sous vide qui sert d'isolant thermique », explique Jean-Maxime Saugrain, directeur de l'activité supraconducteurs chez Nexans. Dans cette enveloppe, le vide doit être garanti pendant plusieurs années. Il faut donc qu'elle soit constituée de matériaux qui émettent le moins de gaz possible et qu'elle inclue des matériaux qui piègent les gaz émis. La qualité de l'enveloppe thermique est essentielle pour ne pas gaspiller trop d'énergie à refroidir le câble supraconducteur. Car si la supraconduction a des vertus électriques magiques, elle a un gros défaut : elle n'apparaît sur les matériaux supraconducteurs qu'à des températures frisant le zéro absolu. Soit - 273 °C ! Heureusement la technologie a évolué, la supraconductivité se déclare désormais à plus haute température. Haute température toute relative. Le câble supraconducteur de Nexans doit être refroidi à - 196 °C. Qu'importe, c'est assez "chaud" pour utiliser l'azote liquide comme fluide réfrigérant. L'azote liquide qui a pour atout d'être d'un prix abordable, disponible en quantité et absolument pas toxique. Le déploiement de câbles supraconducteurs exige donc la mise en place d'équipements cryogéniques. Air Liquide a conçu un système qui, placé à une extrémité de la liaison électrique triphasée, alimente simultanément en azote liquide le câble de chacune des trois phases. Grâce à un dispositif de vannes et de conduites, leurs enveloppes cryogéniques constituent une boucle fermée.

Puisque la faisabilité de la supraconductivité a été démontrée pour des puissances moindres, on peut se demander quelle était la difficulté de ce projet. « Entre 10 kV et 138 kV, à design identique, il y a une énorme différence. À 138 kV, n'importe quelle poussière peut déclencher un claquage. Plus on monte en tension plus le câble et ses terminaisons sont complexes », rapporte Jean-Maxime Saugrain. Les terminaisons qui raccordent le câble au réseau ont justement été la partie la plus critique à réaliser pour Nexans. Imaginez. Outre la puissance qu'elles supportent, elles absorbent les dilatations et les contractions du câble. Les câbles vont en effet se contracter de 2 mètres lorsqu'ils seront refroidis à - 196 °C. Leur longueur de 600 mètres est en outre exceptionnelle. Il s'agit de la plus longue enveloppe cryogénique jamais fabriquée. Compte tenu de la taille du touret sur lequel est bobiné le câble et des contraintes de transport, une telle longueur pourrait devenir une longueur commerciale standard chez Nexans.

Une installation sous haute surveillance

Avant que des projets commerciaux voient le jour, il faudra tirer le bilan du démonstrateur de Long Island. La ligne a été installée cet été. Elle est aujourd'hui en cours d'instrumentation. Elle est équipée de toute une panoplie de capteurs pour surveiller son comportement lors de son exploitation. Fin octobre, elle devait être refroidie par injection d'azote liquide. L'opération demande une à deux semaines pour éviter un refroidissement brutal. La contraction des matériaux sera suivie de près. À partir de novembre, pendant quelques semaines seront réalisés des tests de tenues en courant, en tension et en pression, de contrôle du vide, etc. Ensuite, d'ici à la fin de l'année, la liaison supraconductrice, installée parallèlement à la ligne traditionnelle existante, sera raccordée au réseau électrique.

Cette installation sera évaluée pendant une année environ. Au terme de cette période, lorsque la faisabilité du raccordement sera démontrée, les câbles supraconducteurs seront remplacés par des câbles de conception plus proches des câbles commerciaux. Certaines parties seront simplifiées pour baisser leur coût. Ils intégreront notamment la seconde génération de rubans supraconducteurs qui passent d'une structure de filament à celle d'un film.

UNE STRUCTURE COMPLEXE

La supraconductivité est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur d'un matériau conducteur. La supraconductivité conventionnelle se manifeste à des températures proches du zéro absolu (- 273,15 °C). Les supraconducteurs dits haute température se contentent de - 196 °C.Il existe différentes structures de câbles supraconducteurs. Les trois phases peuvent être superposées en cercles concentriques qui forment alors un unique cylindre inséré dans une seule enveloppe cryogénique. Dans un autre concept, chaque phase possède son propre câble supraconducteur. Mais ces trois câbles se partagent la même enveloppe. Pour le projet de Long Island, chaque phase est indépendante et dispose de sa propre enveloppe cryogénique.

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