Supraconductivité : bientôt sur toute la ligne… électrique ?

Pleine de promesses pour réduire les pertes en ligne lors du transport d’électricité et multiplier la capacité du réseau, la supraconductivité doit encore lever certains verrous technologiques. Et pourtant, des prototypes voient le jour. De la recherche fondamentale aux applications industrielles, voici les bonnes raisons de croire au pouvoir révolutionnaire de la supraconductivité.

Réduire les pertes de chaleur en ligne, multiplier la capacité d’un réseau électrique souvent saturé… les deux casse-tête des transporteurs et des distributeurs d’énergie pourraient bien trouver une solution commune avec la supraconductivité. Le constat économique est fort : le Français RTE évalue les pertes en ligne entre 2 et 3 % de l’électricité acheminée, soit, pour 2012, 10,5 milliards de kWh environ, l’équivalent de 1 200 MW. Le bilan est encore plus lourd côté distribution chez ERDF qui affiche une moyenne de 6 % de pertes chaque année.

Moins de pertes en ligne et plus de capacité sur le réseau

D’où vient cette perte en ligne ? De la résistance électrique naturelle des câbles. Il y a 100 ans, Heile Kammerlingh-Omnes, chercheur néerlandais, découvre la supraconductivité, autrement dit, la capacité de certains matériaux à perdre leur résistance à très basse température.
Ainsi, à – 270° C, un matériau supraconducteur n’oppose plus aucune résistance, la voie est libre,
le courant passe sans qu’une partie de l’énergie soit dissipée sous forme de chaleur. En théorie, une aubaine pour réduire les pertes en ligne. Et plus avantageux encore, les câbles supraconducteurs permettraient de faire circuler une intensité électrique cinq fois plus importante que des câbles conventionnels et de désengorger ainsi les réseaux, tout en réduisant les impacts environnementaux. Mais cette obligation de porter les matériaux conducteurs à très basse température reste une contrainte pour développer ces projets à des échelles industrielles. Refroidir le matériau à – 270° C (soit trois degrés au-dessus du zéro absolu) impose d’utiliser des procédés de refroidissement comme l’hélium liquide, coûteux et compliqué à mettre en œuvre sur de longues distances.

Des innovations technologiques en marche

Alors à quelles voies technologiques croire à court ou moyen terme, alors que certaines applications de la supraconductivité sont déjà à l’œuvre (voir encadré) ? « En matière de refroidissement, il existe de nouveaux dispositifs, les cryoréfrigérateurs permettant de refroidir à très basse température et sans liquide un objet de façon autonome », explique Julien Bobroff, enseignant chercheur à l’Université Paris-Sud. Jusqu’à présent, les techniques classiques utilisaient l’hélium ou l’azote liquide. « Plus souple et plus simple d’utilisation, le cryoréfrigérateur est aussi plus économique ». En ce qui concerne les matériaux supraconducteurs, « le progrès majeur consisterait à trouver des matériaux qui ont moins besoin d’être refroidis et qui soient facilement exploitables ». Justement, depuis les années 1980, aux côtés des alliages classiques au niobium, nous avons vu apparaître les cuprates. Ces matériaux sont appelés supraconducteurs à « haute température » car ils perdent toute résistance dès – 180° C, une avancée par rapport au – 270° C. Plus besoin d’hélium, l’azote liquide suffit à les rendre supraconducteurs. Néanmoins, ces céramiques sont des matériaux complexes à fabriquer.

La course aux « hautes températures »

Toujours dans cette quête de supraconductivité à haute température, un nouveau cap a été franchi en 2008 avec la découverte des pnictures, composés chimiques à base de fer, plus métalliques que les cuprates, ce qui les rend plus faciles à façonner. Prometteuses notamment pour des lignes supraconductrices à température ambiante, ces pnictures font l’objet de nombreuses recherches.
Mais la dernière découverte en date porte sur un tout autre champ. En avril 2015, des chercheurs allemands ont atteint un nouveau record. Ils sont parvenus à rendre un gaz (le sulfure d’hydrogène H2S) supraconducteur à – 70° C « seulement », en le compressant au point de le faire passer à l’état solide. Même si la découverte ne permet pas de franchir le cap d’une supraconductivité à température positive, pour Julien Bobroff, « elle ouvre des pistes ». C’est la première fois qu’apparaissent, dans la famille des supraconducteurs, des matériaux à base d’hydrogène.
« Le fait que ces « hautes » températures soient conditionnées à une si forte pression – un million de fois la pression sur la terre – impose toutefois une certaine prudence sur d’éventuels débouchés industriels ». Reste que pour Julien Bobroff, cette étude publiée par la revue scientifique Nature en août dernier devrait « ouvrir le champ des recherches sur la supraconductivité autour du couple pression et température ambiante ».
Pas de doute, la supraconductivité fascine et les enjeux économiques sont si importants que le domaine est en ébullition permanente. De fait, les évolutions vont très vite et des prototypes ont déjà franchi la phase pilote avec succès.

Le Français Nexans ouvre la voie du câble supraconducteur industriel

Preuve d’un domaine en évolution permanente : le câble supraconducteur du projet AmpaCity, testé grandeur nature en plein centre-ville d’Essen, dans la Ruhr, pour le fournisseur d’électricité allemand RWE. Aussi modeste soit sa longueur (un kilomètre), cette ligne est une première mondiale car c’est la plus longue au monde en fonctionnement. En avril prochain, cette ligne fêtera déjà ses deux ans de service avec un taux de disponibilité de 100 %, au cœur de la ville d’Essen.
En remplaçant une ligne à haute tension (100 000 volts) par une ligne à moyenne tension (10 000 volts), Nexans parvient à alimenter, avec de moindres pertes, le centre-ville, tout en permettant de repousser en périphérie les transformateurs. Avec un apport majeur : à – 200° C, le câble supraconducteur est capable de transporter cinq fois plus d’électricité que le cuivre. Pourquoi le fabricant français de câbles a-t-il été choisi pour assurer le projet ? « La condition majeure reposait sur la viabilité du modèle économique, indique Jean-Maxime Saugrain, directeur technique chez Nexans, car, si le câble supraconducteur reste plus cher qu’un câble traditionnel, il permet des économies importantes qui rendent la solution globale compétitive ».

Un modèle économique viable, des économies dans le réseau

De fait, les économies réalisées au niveau des équipements ont permis d’atteindre cet équilibre.
La suppression d’un transformateur haute tension et les économies de génie civil ont suffi à compenser le surcoût des câbles, sans compter le coût de la surface libérée en centre-ville.
Deuxième facteur clé : l’apport d’un câble super compact à trois phases concentriques, isolé thermiquement par une seule enveloppe cryogénique permettant de maintenir les cuprates à
– 200° C avec une circulation d’azote liquide. Sa force tient aussi à son faible impact environnemental : pas d’augmentation de température, pas de champ magnétique et, point important, sa compacité extrême permet de limiter l’emprise au sol. « En phase d’étude, la solution des câbles conventionnels était légèrement moins chère que la solution supraconductrice, mais il fallait cinq câbles au lieu d’un, souligne Jean-Maxime Saugrain. Il y aurait eu un effet nappe, incompatible avec le tissu urbain déjà concentré d’Essen. C’est donc la solution supraconductrice qui a été choisie ». Fort de cette expérience réussie, l’industriel a toutes les raisons de croire que le scénario est reproductible ailleurs, dans les centres-villes où il apporte une forte valeur ajoutée.

Ainsi, malgré certains verrous technologiques, les perspectives de la supraconductivité industrielle se profilent. Et si les lignes supraconductrices sont exploitées, dans un premier temps, pour équiper le réseau électrique urbain, qui sait si elles ne pourraient pas à terme révolutionner également les installations industrielles des gros consommateurs et, plus globalement, la manière de concevoir la gestion de l’énergie.

Applications actuelles et futures : la supraconductivité, ça promet !

Les propriétés spécifiques des matériaux supraconducteurs ont déjà des applications multiples :

Dans les IRM, qui ont besoin de champs magnétiques très intenses pour visualiser l’intérieur du corps humain. Pour les produire, un fort courant électrique parcourt des bobines de fils composés d’un alliage à base de niobium-titane, supraconducteur à la température très basse de l’hélium liquide à – 270° C.
Dans le programme ITER, réacteur expérimental de recherche sur la fusion nucléaire. Les faisceaux de plasma gazeux utilisés par ITER, sont concentrés par des champs magnétiques intenses produits par des électro-aimants. Pour créer ces champs, on utilise aussi des alliages de niobium supraconducteurs à – 270° C.
Dans MagLev, le train le plus rapide du monde à lévitation magnétique. Ce train expérimental japonais a atteint la vitesse de 600 km/h en avril 2015 en utilisant la sustentation électrique produite par un système d’électro-aimants supraconducteurs.
Dans les nanotechnologies pour les ordinateurs du futur. Les supraconducteurs pourraient à terme remplacer les composants électroniques actuels en permettant aux ordinateurs d’atteindre des cadences de 100 GHz, contre trois en général actuellement. Par ailleurs, les ordinateurs quantiques utilisant les propriétés des supraconducteurs pourraient accélérer considérablement la quantité et la vitesse des calculs.

source : l’observatoire

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