Les supraconducteurs représentent l'un des phénomènes les plus remarquables de la physique de la matière condensée : les matériaux qui, lorsqu'ils sont refroidis sous une température critique spécifique, conduisent l'électricité avec une résistance électrique exactement nulle. Cette propriété extraordinaire, combinée à la capacité d'expulser les champs magnétiques, ouvre une voie vers des systèmes de transmission d'énergie fondamentalement plus efficaces.

La découverte et les fondamentaux de la supraconductivité

L'histoire de la supraconductivité commence en 1911, lorsque le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, peu après avoir réussi à liquéfier l'hélium, a mesuré la résistance électrique du mercure solide. Il a observé qu'à une température d'environ 4,2 K (−269 °C), la résistance a brusquement chuté à un zéro incommensurable. Onnes recevrait plus tard le prix Nobel de physique pour cette découverte, qui a jeté les bases d'un siècle de recherche sur les matériaux quantiques.

Un supraconducteur est défini par deux propriétés de signature : zéro résistance électrique DC et Effet Meissner (l'expulsion des champs magnétiques de l'intérieur du matériau). Pour qu'un matériau devienne supraconducteur, sa température doit tomber sous une température critique spécifique au matériau (Tc]. Il doit aussi fonctionner sous un champ magnétique critique (Hc]) et une densité critique du courant (Jc); le dépassement de l'un de ces seuils détruit l'état supraconducteur et renvoie le matériau à un état normal (résistant).

Propriétés électriques des supraconducteurs en détail

Résistance électrique zéro

Dans les conducteurs ordinaires comme le cuivre ou l'aluminium, les électrons dispersent les impuretés, les vibrations de réseau (phonons) et d'autres imperfections, dissipant l'énergie comme chaleur. Cette dissipation est la cause profonde des pertes de transmission qui peuvent expliquer 5–10 % de l'électricité produite.Dans un supraconducteur, les électrons se jumelent en soi-disant Les paires de coopératives par des interactions phonon-médiées (comme décrit par la théorie BCS).Ces paires se condensent dans un état quantique collectif qui coule sans se disperser.

Diamagnétisme parfait et effet Meissner

Lorsqu'un matériau se transforme en supraconducteur, il expulse activement tout champ magnétique externe de son intérieur (à condition que la force du champ soit inférieure à H[c. Ce n'est pas simplement le résultat d'une résistance nulle; c'est une transition en phase thermodynamique. L'effet Meissner fait d'un supraconducteur un diaaimant parfait: il repousse les lignes de champ et peut léviter un aimant permanent.

Type et n° 160;I et n° 160;II Superconducteurs

Les supraconducteurs sont généralement classés en deux types. Type I supraconducteurs (métaux élémentaires purs comme le mercure, le plomb et l'étain) présentent une transition marquée vers un état normal à un seul champ critique. Ils sont généralement à basse température et ont une capacité de courant limitée. Type II supraconducteurs (alliages et composés comme le niobium-titanium, la niobium-étain ou la céramique YBCO) ont deux champs critiques: sous H]c1 ils expulsent complètement les champs; entre Hc1 et H]c2 ils permettent aux flux magnétiques de pénétrer dans des vortex quantifiés tout en restant supraconducteur.

Densité critique actuelle

La capacité d'un supraconducteur à transporter le courant est limitée par sa densité de courant critique (Jc). Au-dessus de cette valeur, la force de Lorentz sur les tourbillons de flux devient suffisamment forte pour les défaire, ce qui provoque une dissipation. Les bandes haute puissance Jc en fil ou en bande tout en maintenant la flexibilité et la résistance mécanique constituent un défi central dans la fabrication des supraconducteurs.

Applications des supraconducteurs dans la transmission de puissance

La propriété de résistance zéro s'attaque directement à l'un des défauts les plus persistants du réseau électrique : les pertes de chauffage ohmique. En remplaçant les conducteurs traditionnels en cuivre ou en aluminium par des câbles supraconducteurs, les services publics peuvent transmettre beaucoup plus de puissance par section, avec des pertes négligeables, sur de longues distances.

Câbles d'alimentation supraconducteurs

Les câbles supraconducteurs sont les applications les plus directes pour la transmission.Ces câbles sont généralement constitués d'une première plaie (souvent en cuivre ou en acier inoxydable) avec des bandes HTS, entourées de couches d'isolation électrique (papier imprégné imprégné d'azote liquide) et d'un cryostat pour maintenir une basse température.

Les principaux avantages sont les suivants :

  • Pertes ultra-faibles. Les seules pertes proviennent des joints de terminaison résistifs, de la contrainte diélectrique dans l'isolation et de la puissance du cryocooler, généralement un dixième de celle des câbles conventionnels.
  • Haute densité de puissance. Un câble supraconducteur unique peut transporter trois à cinq fois le courant d'un câble en cuivre conventionnel de même diamètre, réduisant ainsi le besoin d'espaces d'emprises ou de tunnels souterrains.
  • Régulation de tension améliorée L'impédance de la ligne inférieure réduit la chute de tension le long du câble, améliorant ainsi la stabilité du réseau.

Plusieurs projets pilotes ont démontré cette technologie. Par exemple, le projet Albany HTS Cable Project[ à New York a exploité un câble HTS de 350 mètres, 34,5 kV, qui fournit de l'énergie commerciale pendant plusieurs années. Les études du département américain de l'Énergie se concentrent maintenant sur la modernisation des couloirs souterrains urbains avec des câbles HTS pour soulager la congestion sans creuser de nouvelles tranchées.

Limiteurs de courant de défaillance supraconducteurs

Lorsqu'un défaut (court circuit) se produit sur une ligne de transmission, les courants de défaillance peuvent atteindre 10 à 20 fois la cote normale. Les disjoncteurs conventionnels doivent être surdimensionnés pour gérer ces surtensions, et la contrainte mécanique/thermique peut endommager les équipements. Un [FLT:] exploite la perte rapide et réversible de supraconductivité sous un courant élevé : en fonctionnement normal, le supraconducteur porte le courant avec une résistance zéro; pendant une défaillance, le courant dépasse la valeur critique, le matériau se resserre à son état normal (résistant) et la résistance limite automatiquement le courant.

Stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES)

Les systèmes SDS stockent l'énergie dans le champ magnétique créé par une bobine supraconductrice. Parce que la bobine a une résistance zéro, l'énergie peut être injectée et extraite avec un très haut rendement de parcours (au-dessus de 95 %) et une réponse extrêmement rapide (millisecondes). Les unités SDS sont déployées principalement pour améliorer la qualité de l'énergie : amortissement des oscillations, compensation des sags de tension et stabilisation de la fréquence en présence de la fluctuation de la production renouvelable.

Transformateurs supraconducteurs

Les transformateurs de puissance conventionnels sont lourds, remplis d'huile et souffrent de pertes de cœur et d'enroulement (généralement 1–3 % de puissance nominale). Les transformateurs supraconducteurs, enroulés avec du fil HTS et refroidis par de l'azote liquide, peuvent être 40–60 % plus légers et ont la moitié des pertes. De plus, ils offrent un comportement de limitation des défauts inhérent parce que les extinctions d'enroulement dans des conditions de surcourant, protégeant l'équipement en aval.

Machines rotatives supraconductrices

En remplaçant les enroulements en cuivre par des enroulements en HTS, la force du champ magnétique de la machine peut être doublée ou triplée, ce qui réduit la densité de couple du générateur pour une puissance donnée, avantage critique pour les plates-formes éoliennes offshore et les navires. La American Superconductor Corporation a développé des générateurs HTS dans la gamme 10 MW pour l'énergie éolienne.

Défis à relever pour un déploiement généralisé

Malgré les avantages techniques évidents, la transmission de puissance supraconductrice fait face à plusieurs obstacles redoutables qui l'ont maintenue dans une technologie de niche plutôt qu'une composante de réseau général.

Énergie et coût de la réfrigération

Tous les supraconducteurs découverts à ce jour nécessitent un refroidissement à des températures cryogéniques.Les supraconducteurs à basse température (SLT) fonctionnent aux environs de 4,2 K, ce qui nécessite un hélium liquide coûteux. Les supraconducteurs à haute température (STS) peuvent fonctionner aux 65-77 K en utilisant de l'azote liquide, qui est moins cher et plus facile à manipuler. Cependant, même les cryocoolers pour les systèmes STS consomment environ 10–15 % de la puissance qui serait économisée en éliminant la résistance — un gain net, mais qui ajoute des coûts en capital, la complexité de l'entretien et les risques potentiels de fiabilité.

Fabrication et coût des matériaux

Les matériaux HTS tels que YBCO (YBa2Cu3O7) et BSCCO (Bi2Sr2CaCu2O8) sont des céramiques cassantes. Pour produire des fils ou des bandes flexibles, ces matériaux doivent être déposés dans des films minces sur des substrats métalliques à couches tampons complexes. Le processus de fabrication est lent, coûteux et doit atteindre une uniformité extrêmement élevée pour assurer une longueur élevée de J[c sur des kilomètres.

Pertes en CA

Bien que les supraconducteurs soient porteurs de DC avec une perte nulle, ils subissent une dissipation d'énergie sous courant alternatif (AC). Le champ magnétique changeant provoque des pertes d'hystérie dans le supraconducteur et des pertes de courant de Foucault dans le substrat métallique. Ces pertes sont une fraction de celles du cuivre, mais elles ajoutent à la charge de réfrigération.

Connexions et terminaux

Un câble supraconducteur doit être transféré aux terminaisons résistives conventionnelles aux deux extrémités. Ces joints doivent supporter des densités de courant élevées, maintenir une faible résistance au contact et être refroidi. Les terminaisons mal conçues peuvent devenir la source dominante de perte ou même causer un chauffage local qui s'assèche en extinction.

Perspectives et orientations de la recherche

La recherche se poursuit sur plusieurs fronts pour surmonter les obstacles et rapprocher la transmission de puissance supraconductrice de la réalité commerciale.

Superconducteurs à température ambiante

En 2023, un article controversé prétendait que la supraconductivité à température ambiante dans un composé d'hydrure de lutétium dopé à l'azote près de 20 000 atmosphères. Les tentatives ultérieures de réplication n'ont pas confirmé le résultat. Néanmoins, la recherche de supraconducteurs à température ambiante et d'autres phases exotiques (par exemple, nickelates, composés à couche infinie) reste active. Un véritable supraconducteur à température ambiante révolutionnerait non seulement la transmission de puissance, mais tous les domaines de l'électronique et du transport.

Fils de deuxième génération HTS

Les fabricants augmentent la production de fils HTS de deuxième génération (2G) à l'aide de dépôts laser de bobines et de revêtements tampons avancés. La société SuperOx a, par exemple, démontré des bandes de REBCO d'une longueur de kilomètres avec des courants critiques dépassant 500 A/cm-largeur.

Démonstrations de grille

Les gouvernements et les services publics financent des projets de démonstration plus importants pour dérisquer la technologie.Les programmes du département américain de l'Énergie ont alloué 48 millions de dollars pour des démonstrations de limiteur de courant de câbles supraconducteurs et de failles.

Systèmes hybrides et liens supraconducteurs

Une avenue très prometteuse est l'utilisation de liaisons supraconductrices à courant continu pour l'interconnexion des parcs éoliens offshore, des parcs solaires et des interstitielles de longue distance. Les câbles DC HTS évitent les pertes de courant alternatif entièrement, et le coût du cryostat peut être justifié par la très grande puissance transférée (plusieurs gigawatts).

Conclusion

Les propriétés électriques des supraconducteurs – résistance nulle à courant continu, diamagnétisme parfait et courants critiques élevés – offrent une voie de transformation pour la transmission de l'énergie. Les câbles supraconducteurs, les limiteurs de courant de défaillance, le stockage magnétique de l'énergie, les transformateurs et les machines rotatives démontrent tous des gains d'efficacité tangibles, une empreinte réduite et une fiabilité accrue par rapport à la technologie conventionnelle.Les principaux obstacles demeurent le coût et la complexité du refroidissement cryogénique et le prix élevé des fils HTS.