Les systèmes supraconducteurs de transport et CE BRUZEK
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Les systèmes supraconducteurs de transport et de distribution d’énergie en courant continu CE BRUZEK Nexans France Journées Techniques SEE Calais le 23-24 Octobre 2012 Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Transport et de distribution en continu 1. Déploiement des réseaux HVDC sur de longues distances 2. Interconnexions de réseaux régionaux par système HVDC 3. Introduction des énergies renouvelables LVDC et MVDC 4. Augmentation de l’efficacité de la distribution locale LVDC (navires, Data centers, campus, industries,…) Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 4 Réponse aux maillages transcontinentaux Réseau continu (DC)-Super Grids Un réseau DC (MV et HV) est favorable aux énergies renouvelables Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 5 Réponse aux maillages transcontinentaux Interconnexion :ex: Tres Amigas (USA) Une possibilité d’interconnexion de réseau 12kA DC 200 kV Triangle of 9.6 km Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 6 Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (1) Distribution de puissance primaire électrique en continu et à basse tension dans des domaines confinés - Moteur diesel Cable HTS - Alternateur - Terminaisons - Système cryogénique - Terminaisons - Moteurs 200 m Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 7 Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (2) Efficacité globale accrue par suppression des convertisseurs et transformateurs… X X Bus bar Supraconducteurs Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 8 Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (3) 1000 m 20 to 90 m 30 to 100m + - 400 to 600kA Liaisons entre les ateliers Pot à Pot 15m 40 to xx kA Boucles de compensation Efficacité globale accrue par suppression de l’effet joule dans les bus-bars (Boucles de compensation) Propriété NEXANS 500kA_2000V DC 400 to 600kA Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 40kA_30V DC Liaisons aux rectif 9 Réponse au besoin d’augmentation d’efficacité énergétique (4) Mise en commun et partage de sources de courant Intérêts: Très économique et uniquement possible grâce la supraconductivité Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 10 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Supraconducteurs haute température Les 5 constituants spécifiques 1- Matériaux supraconducteurs Supraconducteurs basse température Pour les câbles de puissance Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 T(°C)=T(K)-273 12 Les 5 constituants spécifiques 1- Rubans et fils supraconducteurs Pour le transport de forts courants, 3 rubans ou fils sont disponibles en grandes longueurs 1ére génération Matrice d’argent (1G):( Top =70-77K) Filaments Bi-2223 HTs 4 x 0,25 mm² 2nde génération (2G): ):( Top =70-77K) Substrat métallique Couches tampons Couche supraconductrice YBCO Fil multi-filamentaire ( Top =20-25K) Filaments MgB2 Matrice en alliage de cuivre Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 13 Les 5 constituants disponibles 2-Enveloppe cryogénique Pour maintenir la basse température et transporter le fluide cryogénique: Liq N2 1. 2. 3. 4. 5. 6. Tube interne corrugué Espaceur Vide Super-isolation Tube externe corrugué Protection extérieure Enveloppe simple Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Enveloppe à double paroi pour le MgB2 14 Les 5 constituants spécifiques 3- Isolants électriques 1. Isolant à basse température (intérieur de l’enveloppe cryogénique) • Rubans isolants imprégnés • Composite Papier kraft /Polypropylène (PPLP) • Polyimide (Kapton ®) 2. Isolant à température ambiante (extérieure de l’enveloppe cryogénique) • Isolation conventionnelle • polyéthylène extrudé type (XLPE) Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 15 Les 5 constituants disponibles 4-Accessoires Terminaisons et jonctions Terminaisons Système 20-30 K Système 77 K 77 K system Jonctions 20-30 K system Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 16 Les 5 constituants disponibles 5-Les machines cryogéniques • Pour maintenir le froid et la pression • Pour faire circuler le fluide cryogénique Gifford Mac-Mahon machine Stirling machine Puissance froide: de 500 W à 70 K à 60 W à 20K Puissance froide: : de 3kW à 70K à 300 W at 20K Consommation électrique : 15 kW Consommation électrique: 45 kW Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Les 5 constituants disponibles Système complet + - + Removes the heat Provide the pressure Circulates the coolant Re Système de refroidissement 1. Le fluide cryogénique peut être liquide (N2, H2) ou gazeux He 2. Différences de température et de pression dépendantes de • La longueur du câble • Des pertes de l’enveloppe cryogénique • De la corrugation de l’enveloppe cryogénique Terminaison Câble Terminaison Au-delà de 10 km, besoin de plusieurs systèmes (pressurisation et de refroidissement du fluide) Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 3. Les différents design de câbles pour le régime continu Systèmes 2 pôles coaxiaux 2 pôles dans une enveloppe 1 pôle par enveloppe Conception X2 Tension Intérêts Basse à moyenne tension Basse à moyenne tension Moyenne et haute < 20 kV < 50 kV tensions Câbles très compacts pour des puissance jusqu’à 0,5 GW - Pas d’impact électromagnétique -Terminaisons et jonctions communes aux 2 pôles Câbles très compacts pour des puissance jusqu’à 2 GW Terminaisons et jonctions Maximise la longueur unitaire pouvant être communes aux 2 pôles Pas d’impact thermique Propriété NEXANS Très forte puissance pour le transport en HVDC au delà de 5 GW Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 20 Concepts (1) 1. Transport de courants de 2 à 100 kA avec des pertes réduites 2. Utilisation de fils MgB2 ou de rubans HTS Cryogenic envelop Electrical insulation Superconducting Wires Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Concepts (2) Possibilité de mettre en commun plusieurs pôles dans une même enveloppe Exemple: 4 x 15 KA 400V D ext = 163 mm Garde d’azote liquide Liq N2 Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 22 Possibilité d’avoir l’isolant à température ambiante Ecran en cuivre Protection Diélectrique Tube interne de l’enveloppe cryogénique Fluide cryogénique Couche de protection Fils ou rubans supraconducteurs Support Fluide cryogénique Tube externe de l’enveloppe cryogénique Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 23 Paramètres spécifiques des câbles HTc (1) Sans impact environnemental (thermique ou magnétique) Très compact (empreinte réduite) et léger D ext = 55 mm pour un câble 2 pôles 6 kA câble opérant quelque kilovolts (> 10 MW) Empreinte de la machine froide de 1 à 5 m2 +/diametre Ext 55 mm +/- = 55 mm Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Paramètres spécifiques des câbles HTc (2) Les pertes sont uniquement thermiques et quasi inexistantes en continu (<<10% des pertes des systèmes résistifs) Principalement dans les jonctions résistives Câble-Câble et les terminaisons Uniquement dépendantes que de la longueur du câble pas de l’ampérage Compensées par l’énergie pour les machines cryogéniques qui est le seul cout fixe d’exploitation env. 5 à 10 W*/m de câble 450W*/kA dans les amenées de courant des terminaisons * 10 W dissipés à 300 K pour 1 W dissipé à 70 -77K Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 25 Pour des très fortes puissances à tension réduite Comparés aux câbles conventionnels, les câbles supraconducteurs permettent de transmettre plus de puissance pour une même tension Puissance transmise (MW) 5000 4000 3000 2000 1000 100 Propriété NEXANS 200 Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 300 400 26 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Démonstration (1) •Pas de projets de démonstration équivalents aux programmes en AC mais quelques éléments clefs ont été validés… •Terminaison cryogénique DC 200kV validée en Juin 2010 par Nexans •Testée sous 360 kV pendant plusieurs heures Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 28 Démonstration (2) Quelques designs de laboratoire de conducteurs pour le continu Rubans torsadés autour d’un cœur NIST Rubans empilés et torsadés MIT D.C. van der Laan et al J. Minervini et al Ø = 5 à 8 mm 15 à 20 rubans Ø = 5 à 8 mm 30 à 60 rubans CERN A. Ballarino et al. . Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 29 Contenu Opportunités pour les câbles supraconducteurs en continu Câbles supraconducteurs • Les constituants • Les différents câbles • Les démonstrateurs Conclusion Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Conclusion 1. Les systèmes supraconducteurs sont une réalité industrielle 2. Pour le continu, l’emploi des fils en MgB2 offre un potentiel de réduction des coûts 3. Tous les éléments sont disponibles pour construire un démonstrateur 4. L’usage de la supraconductivité permet de transporter de très fortes puissances (>1GW) sous des tensions modérées (< 50kV) avec des pertes très réduites 5. D’où le besoin d’introduire la nouvelle notion de HPDC (High Power Direct Current) à la place de HVDC (High Voltage Direct Current) 6. Les réseaux de transport et de distribution en continu devraient bénéficier dans un avenir proche de la technologie des supraconducteurs en augmentant significativement l’efficacité énergétique Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 32 Merci pour votre attention ! Cartoon by Thomas Kodenkandath (The Week, 1988) Propriété NEXANS Journée technique SEE. Calais 23-24 octobre 2012 33
