Dans un monde où la demande énergétique est toujours plus forte, les défis techniques prennent de l'ampleur. Et lorsque l'on parle d'électricité, un élément y tient une place important : les lignes électriques. Plus il y a de besoin, plus il faut développer le réseau avec ces lignes. Mais l’espace disponible pour en poser de nouvelles se restreint.
Les nouveaux types de supraconducteurs permettent de surmonter ce problème.
Lorsque l’électricité circule dans un câble classique, elle doit franchir la résistance électrique du conducteur, ce qui entraîne une perte d’énergie mais également des effets indésirables tels que de la chaleur résiduelle et des champs électriques.
La supraconductivité permet d’éviter ces problèmes : à des températures proches du zéro absolu (-273 °C), les métaux supraconducteurs découverts en 1911 n’offrent plus aucune résistance et le courant circule sans perte. Cependant, atteindre de telles températures nécessite une quantité d’énergie considérable.
Les supraconducteurs conçus à partir de matériaux céramiques spéciaux conservent leurs propriétés proches du point d’ébullition de l’azote liquide (-196 °C), même à des températures plus élevées. On les appelle des supraconducteurs « à haute température ». Leur découverte a d’ailleurs été récompensée par le prix Nobel de physique en 1987.
Les câbles fabriqués à partir de ces matériaux permettent de répondre à de nombreux défis liés au transport de l’électricité.
Par exemple, aux pertes de transmission s’ajoutent d’importantes pertes de transformation. Les lignes aériennes conventionnelles se doivent de fonctionner en haute tension afin de transporter l’énergie avec un courant le plus faible possible. Ainsi, l’électricité produite par les parcs éoliens et solaires est d’abord élevée en tension lors de son injection dans le réseau, puis abaissée à nouveau avant d’être livrée au consommateur.
Si vous utilisez l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène vert par électrolyse, une partie de l’énergie initiale est perdue lors des transformations de tension.
Avec une liaison supraconductrice, le flux de courant n'a pas d'importance ; le courant circule sans transformation et sans perte du parc solaire à l'électrolyseur, que la tension soit élevée ou faible.
Dans certains endroits, la supraconductivité peut ouvrir la voie à la construction de nouvelles lignes électriques or les lignes à haute tension classiques nécessitent beaucoup d’espace, en surface comme en souterrain. Dans les zones densément peuplées, leur installation se heurte rapidement aux règles strictes de distance. De plus, même enterrées, les lignes conventionnelles ne peuvent pas être posées partout en raison de la chaleur résiduelle et des champs électriques qu’elles génèrent.
Grâce à cette nouvelle technologie, les fournisseurs d'électricité peuvent donc planifier des segments avec des supraconducteurs dans des zones sensibles afin d'obtenir un permis.
Le principal défi des supraconducteurs réside dans leur refroidissement : celui‑ci ne doit pas consommer plus d’énergie que celle économisée grâce à une transmission sans perte. La capacité de transport de courant des supraconducteurs à haute température augmente d’ailleurs à mesure que la température diminue.
Pour répondre à cet enjeu, Messer a développé un système capable de fournir de l’azote liquide à une température inférieure à son point d’ébullition normal (-196 °C). Ce système peut abaisser la température jusqu’à un niveau proche du point de congélation de l’azote (-210 °C). Le premier dispositif de ce type a été mis en service en 2014.
Dans le système actuel, les câbles supraconducteurs sont installés dans des tuyaux isolés sous vide (cryostats) dans lesquels circule un gaz cryogénique liquéfié. L’isolation sous vide protège très efficacement le froid de l’environnement plus chaud, mais pas totalement, ce qui nécessite un refroidissement continu.
Une pompe de circulation alimente donc le cryostat en azote liquide. Ce dernier est dit « surrefroidi », car sa température d’environ –206 °C est nettement inférieure à son point d’ébullition.
À l’autre extrémité de la section de câble, l’azote liquide, légèrement plus chaud, est dérivé puis renvoyé vers la pompe par une conduite de retour. Il circule ensuite dans un échangeur de chaleur intégré au sous‑refroidisseur, où la chaleur qu’il a absorbée est dissipée.
Dans le sous‑refroidisseur, l’azote liquide provenant du réservoir sert à produire du froid en s’évaporant sous pression négative. Cela permet d’atteindre une température de fonctionnement de –209 °C, soit 13 °C en dessous du point d’ébullition normal de l’azote.
Le système de refroidissement doit être conçu pour la chaleur générée par le cryostat du câble et la conduite de retour, ainsi que la chaleur générée par le processus de pompage.
Pour les sections de câble plus longues, des stations de refroidissement intermédiaires s’avèrent nécessaires. Elles n’ont pas besoin de réservoirs de stockage, car elles fonctionnent directement avec l’azote liquide du circuit de circulation. Leur installation représente toutefois un investissement important.
Messer a développé un nouveau système de refroidissement, réduisant les pertes énergétiques totales jusqu’à 50 %.
Celui-ci fonctionne sans conduite de retour, sans pompe de circulation et sans stations de refroidissement intermédiaires, ce qui diminue également de manière significative les coûts d’investissement. Le cœur de cette nouvelle approche repose sur un bouclier de refroidissement actif placé autour du cryostat du câble.
L’azote liquide est prélevé du réservoir de stockage via une soupape de détente, puis s’évapore dans le sous‑refroidisseur sous vide, atteignant des températures pouvant descendre jusqu’à –209 °C.
Parallèlement, de l’azote liquide est acheminé du réservoir vers l’échangeur de chaleur intégré au sous‑refroidisseur, où il est refroidi à environ –206 °C.
Aucune pompe n’est nécessaire : la pression générée dans le réservoir suffit à assurer le débit requis.
L’azote liquide sur-refroidi issu du sous‑refroidisseur circule dans le tube intérieur du cryostat, maintenant le conducteur supraconducteur à très basse température. Le bouclier de refroidissement actif réduit l’apport de chaleur vers le supraconducteur à un dixième de celui d’un cryostat classique. Le débit massique d'azote liquide nécessaire à l'écoulement est donc également réduit d'un facteur 10. La perte de charge est même réduite d'un facteur 100.
À l’autre extrémité du cryostat, le flux d’azote provenant du supraconducteur est introduit dans le bouclier de refroidissement. Ici, le gaz liquide se vaporise et génère le froid nécessaire pour compenser l’apport de chaleur du cryostat. Des séparateurs de phase (dégazeurs) évacuent ensuite l’azote vaporisé, réduisant ainsi la perte de pression d'écoulement dans le bouclier.
Grâce à cette technologie, il devient possible de réaliser des sections de câbles pouvant atteindre jusqu’à 100 kilomètres, tout en garantissant une exploitation économe en énergie, rentable et dotée d’un très haut niveau de fiabilité opérationnelle.