Sous les mers, la supraconductivité révolutionne la transmission d’énergie

L’électricité s’impose de plus en plus comme la voie la plus crédible pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, gagner en efficacité et renforcer la sécurité énergétique. Pour atteindre les objectifs nationaux en matière d’énergie et de climat, sa consommation mondiale devra croître de 20 % plus vite au cours de la prochaine décennie qu’au cours de la précédente. Mais les réseaux actuels peinent déjà à suivre le rythme.

La demande d’électricité s’envole, portée par les véhicules électriques, les pompes à chaleur et l’essor des services numériques. Dans le même temps, les énergies renouvelables – éolien et solaire en tête – se développent à un rythme inédit, mais souvent loin des grands centres de consommation. Cette dynamique fait émerger un défi majeur : acheminer beaucoup plus d’électricité verte, beaucoup plus loin, beaucoup plus vite.

Y répondre suppose non seulement de nouvelles capacités de production, mais aussi des réseaux plus intelligents, plus robustes et plus durables.

Sous les vagues se dessine une solution prometteuse : les câbles supraconducteurs sous-marins, capables de transporter des gigawatts d’électricité avec des pertes minimes, tout en réduisant la taille des plateformes offshore et en simplifiant les infrastructures de réseau. 

La capacité de production éolienne en mer progresse rapidement en Europe, en Asie et aux États-Unis. Mais ce formidable potentiel s’accompagne de défis techniques et économiques croissants.

Les technologies de transmission classiques, reposant sur du courant alternatif ou continu à haute tension, montrent leurs limites. Elles nécessitent d’imposantes plateformes en mer pour convertir l’électricité avant son raccordement au réseau, alourdissant à la fois les coûts et l’empreinte environnementale.

Elles sont en outre confrontées à des goulets d’étranglement dans la chaîne d’approvisionnement, qui menacent de retarder les projets au moment même où les États rehaussent leurs ambitions en matière d’énergies renouvelables.

D’ici à 2050, la majorité de l’électricité produite en Europe devrait provenir des énergies renouvelables. Atteindre cet objectif suppose de moderniser ou de renouveler près de 300 000 kilomètres de lignes de transport et de câbles sous-marins. Les réseaux énergétiques de demain devront non seulement acheminer des volumes d’électricité bien plus importants, mais aussi offrir la flexibilité nécessaire pour s’adapter aux variations de production des renouvelables.

Les piliers de cette transformation passeront par le développement des parcs éoliens offshore, des pipelines d’hydrogène et des grands corridors de transmission longue distance — mais surtout, par des technologies capables de transporter d’immenses quantités d’électricité de façon fiable et durable sur des milliers de kilomètres. 

Au-delà de leur faisabilité technique, les câbles supraconducteurs offrent des avantages concrets pour des réseaux électriques sous tension :

• Ils peuvent transporter des courants bien plus élevés que le cuivre ou l’aluminium, permettant la transmission de grandes quantités d’électricité à plus basse tension sur de longues distances.
• Ils affichent une densité de puissance inégalée : un seul câble de 17 centimètres peut acheminer 3,2 gigawatts, soit l’équivalent de la production de trois réacteurs nucléaires.
• Ils n’émettent ni chaleur ni champ électromagnétique, évitant toute interférence avec les systèmes électriques, télécoms ou de pipelines voisins.
• Compacts et discrets, ils réduisent l’empreinte des infrastructures, notamment dans les environnements marins sensibles.
• Ils simplifient les installations offshores et permettent de réduire la taille des plateformes de conversion d’au moins 75 %, en remplacement des systèmes résistifs de courant continu à haute tension.

Comment cette technologie contribuera-t-elle à électrifier le futur ?

La technologie supraconductrice s’impose comme un levier essentiel de la transition énergétique. En associant les câbles supraconducteurs à haute température à des limiteurs de courant de défaut, les réseaux peuvent atteindre des niveaux d’efficacité, de capacité et de durabilité inédits. Ces systèmes renforcent la flexibilité du réseau, simplifient les raccordements offshores et facilitent l’intégration massive des énergies renouvelables.

Alors que la demande mondiale d’électricité s’accroît et que les pressions climatiques s’intensifient, les supraconducteurs offrent une alternative compacte, modulaire et résiliente aux infrastructures traditionnelles. En réduisant les pertes sur le réseau et en soutenant le transport d’électricité sur de longues distances, ils s’inscrivent pleinement dans les objectifs d’électrification et de décarbonation.

Les câbles supraconducteurs à haute température, perfectionnés par des pionniers de l’industrie tels que Nexans, sont conçus pour répondre à ces nouveaux défis.  

Plusieurs contraintes systémiques entravent la modernisation efficace des réseaux urbains :

• Contraintes d’espace : les systèmes de câblage conventionnels nécessitent un espace conséquent ainsi que des équipements spécialisés. Or, les couloirs souterrains sont déjà saturés par les infrastructures existantes, rendant ainsi complexe la pose de nouveaux câbles.
• Coûts croissants : les restrictions environnementales, l’acquisition de terrains et les frais de location peuvent ajouter des centaines de milliers de dollars au coût des projets.
• Goulots d’étranglement du réseau : les contraintes environnementales et de proximité limitent considérablement le raccordement de nouvelles sources d’énergie renouvelables, faisant ainsi obstacle à la transition énergétique qu’ils doivent justement faciliter.
• Acceptabilité sociale limitée : les travaux de construction nécessaires à l’installation de nouveaux câbles s’accompagnent souvent de nuisances sonores, d’embouteillages et de préoccupations environnementales, ce qui entraîne une opposition citoyenne croissante.
• Le constat est sans appel : pour réussir la transition énergétique, il faut repenser radicalement les infrastructures électriques à l’aide de technologies innovantes qui permettent d’équilibrer la demande croissante, la résilience du système et la qualité de vie urbaine. C’est là qu’interviennent les systèmes supraconducteurs.

Les câbles HTS : une transmission sans résistance

La technologie des supraconducteurs à haute température (HTS) tire sa puissance transformatrice de sa propriété fondamentale : la supraconductivité. Avec une résistance électrique pratiquement nulle, ces câbles peuvent transporter des courants extrêmement élevés dans des sections beaucoup plus petites que les conducteurs en cuivre ou en aluminium. À titre d’exemple, un seul câble de 17 centimètres de diamètre peut supporter jusqu’à 3,2 gigawatts à haute tension. Cela équivaut à la production d’environ trois réacteurs nucléaires – et plusieurs centaines de mégawatts en souterrain à moyenne tension. Cette capacité permet d’alimenter de grandes villes sans avoir à ajouter de nouvelles lignes haute tension.

Cette absence de génération de chaleur élimine le besoin de larges dégagements thermiques et de systèmes de ventilation. Les systèmes HTS peuvent ainsi être installés dans de simples tranchées plutôt que dans des tunnels construits spécialement à cet effet. Leur encombrement réduit signifie que les couloirs nécessaires sont jusqu’à dix fois plus étroits que pour les systèmes conventionnels. Ils ne génèrent également aucune interférence électromagnétique et n’émettent aucun champ magnétique externe. Des atouts qui les rendent sûrs pour les autres infrastructures dans ces espaces confinés.

Au-delà des avantages liés à leur installation, les systèmes HTS offrent une grande flexibilité opérationnelle. Un système conventionnel de 400 kilovolts (kV) peut être remplacé par un système supraconducteur de 132 ou 275 kV. Cette substitution se fait sans perte de capacité et à moindre coût, principalement grâce à l’économie réalisée sur les gros transformateurs de 400 kV dans la sous-station. De plus, le système de câbles, y compris les systèmes auxiliaires, étant modulaire, la même conception de câble fonctionne aussi bien pour les réseaux urbains compacts que pour le transport à longue distance.

 Les SFCL : une protection instantanée contre les défauts

Les propriétés supraconductrices peuvent également être utilisées pour atténuer les surintensités, presque instantanément. Les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL) offrent une protection essentielle contre les courants de défaut qui peuvent endommager des équipements critiques tels que les transformateurs et les appareillages de commutation. En cas de court-circuit ou de défaut, les SFCL limitent instantanément et automatiquement les courants excessifs sans intervention mécanique ni perturbation de tension. Les SFCL exploitent les propriétés intrinsèques des supraconducteurs. En quelques millisecondes, ils passent d’un état sans résistance à un état résistif. Ils limitent ainsi le courant de défaut avant qu’il n’endommage les équipements sur la même branche. Les SFCL peuvent s’intégrer à n’importe quel système électrique. Ils améliorent la fiabilité du réseau et optimisent la protection des infrastructures. Ils réduisent également le vieillissement des équipements causé par le stress thermique.

La preuve par l’exemple : des applications réussies

Plusieurs projets opérationnels démontrent la maturité technologique et le potentiel transformateur des systèmes supraconducteurs dans divers environnements urbains. En voici trois exemples :

Ces réalisations concrètes démontrent que les supraconducteurs sont passés d’une technologie expérimentale à une solution industrielle, capable de transformer le transport et la distribution d’électricité en milieu urbain.

Construire le réseau électrique de demain

Avec des projets opérationnels qui prouvent leur fiabilité et des villes confrontées à une pression croissante pour s’électrifier rapidement, les systèmes supraconducteurs représentent plus qu’une simple mise à niveau. Ils constituent un changement fondamental dans la manière dont les réseaux urbains peuvent être conçus et déployés.

Plutôt que de lutter contre les contraintes d’espace et la résistance des communautés avec des solutions conventionnelles, les services publics peuvent désormais construire des réseaux plus petits, plus silencieux et plus efficaces qui soutiennent réellement la transition énergétique qu’ils sont censés permettre. Les systèmes supraconducteurs offrent aux villes un moyen pratique de répondre à la demande croissante en électricité tout en atteignant leurs objectifs de décarbonation : une infrastructure prête pour l’avenir, pour une énergie urbaine résiliente et durable.

Alors que la demande en véhicules électriques, en production d’hydrogène et en systèmes de chauffage et de climatisation s’accélère, les réseaux électriques sont soumis à une pression sans précédent. Cependant, une grande partie des réseaux câblés actuels, notamment en Europe occidentale, en Amérique du Nord et au Japon, datent déjà de plusieurs décennies et n’ont jamais été conçus pour supporter les charges actuelles.

Prenons l’exemple d’un opérateur de réseau de distribution à New York, dont le réseau câblé a plus de 50 ans et fonctionne presque à pleine capacité. L’ajout de nouvelles charges, provenant de véhicules électriques et de pompes à chaleur, accélère non seulement le vieillissement des câbles existants, mais limite également la capacité de connexion de nouvelles productions renouvelables en raison de contraintes thermiques et de tension. Le remplacement ou la modernisation de ces câbles par des solutions haute tension conventionnelles nécessite des travaux d’excavation importants en zone urbaine, où le sous-sol est déjà encombré d’infrastructures de télécommunications, d’eau, de gaz et de transport.

Même lorsque l’installation est techniquement possible, les restrictions environnementales, les frais de location de voies et les frais de gestion du trafic peuvent augmenter le coût des projets de plusieurs centaines de milliers de dollars. L’acquisition de terrains pour des tracés de câbles plus larges complique encore la tâche, en particulier lorsque les emprises existantes ne permettent pas l’espacement nécessaire aux câbles conventionnels, qui nécessitent une séparation importante pour gérer les effets de la chaleur et les interférences électromagnétiques.

Parallèlement, les exigences de sécurité et de fiabilité ne cessent de croître. Les réseaux doivent fournir de l’électricité sans coupures, défaillances en cascade ou pannes de courant. Ils doivent gérer les courants de défaut susceptibles d’endommager des actifs critiques tels que les transformateurs et les appareillages de commutation. Face aux attentes croissantes du public, les réseaux doivent minimiser les interférences électromagnétiques, réduire les émissions de CO₂, recycler les équipements obsolètes de manière responsable et rassurer les populations quant à la sécurité.

Ce scénario se joue dans les grandes villes du monde entier, tandis que les zones rurales sont confrontées à leurs propres contraintes d’infrastructures. Répondre aux besoins d’électrification à grande échelle nécessitera des mises à niveau d’infrastructures massives : les réseaux auront besoin d’environ 80 millions de kilomètres de câbles neufs ou rénovés d’ici à 2040, et les systèmes conventionnels ne peuvent à eux seuls répondre à la demande.

Les câbles supraconducteurs à haute température (HTS) et les limiteurs de courant de défaut représentent une approche fondamentalement différente de la transmission d’énergie. Cette technologie exploite la perte totale de résistance électrique qui se produit dans certains matériaux à des températures extrêmement basses, l’une des propriétés clés de la supraconductivité.

Les matériaux HTS nécessitent un refroidissement à environ -200 °C, généralement à l’azote liquide. « Haute température » ​​fait ici référence à la première génération de supraconducteurs, qui nécessite des températures inférieures à -243 °C pour fonctionner. L’azote liquide circule dans des enveloppes cryogéniques, une gaine thermiquement isolée qui entoure le câble. Relativement peu coûteux, ce dernier est sans danger pour l’environnement et plus facile à gérer que de nombreux fluides de refroidissement industriels. Plus important encore, l’énergie économisée grâce à l’élimination des pertes de transmission dépasse l’énergie nécessaire au maintien de l’environnement cryogénique.

L’électricité qui circule actuellement dans votre maison a parcouru des centaines de kilomètres de câbles résistifs conventionnels, perdant environ 10 % de sa puissance en cours de route. Ces déchets, environ 180 TWh par an rien qu’en Europe, suffisent à alimenter trois grandes villes. Les câbles HTS consomment dix fois moins d’énergie pour fournir de l’électricité.

Pourquoi choisir des câbles supraconducteurs ?

Pour les réseaux modernes, les systèmes HTS offrent des avantages considérables par rapport aux alternatives conventionnelles, notamment en milieu urbain dense :

• Gain d’espace et économie : les câbles HTS ne génèrent ni chaleur ni champs électromagnétiques, quelle que soit la charge le long du tracé, de sorte qu’aucune séparation de phase n’est nécessaire. Les câbles peuvent être enterrés à n’importe quelle profondeur et à proximité d’autres réseaux multi-énergies sans tunnels coûteux ni conduits spécialisés, réduisant ainsi les emprises jusqu’à un dixième de la largeur des systèmes conventionnels. Dans les villes où le coût du terrain se chiffre en dizaines de milliers de dollars par mètre, cet avantage est révolutionnaire.
• Capacité de transport considérable : un seul câble HTS peut transporter plus de 3 gigawatts. Moins de circuits et des mises à niveau minimales des sous-stations sont nécessaires, tandis que les rénovations permettent de multiplier la capacité des tunnels sans travaux majeurs, avec des pertes électriques minimales, voire nulles, en courant continu.
• Empreinte environnementale réduite : des travaux d’excavation réduits et une obtention de permis simplifiée permettent de raccourcir les délais des projets et de réduire l’opposition du public.
• Résilience : Les câbles supraconducteurs entièrement blindés sont résistants aux intempéries, hautement sécurisés et quasiment exempts de champs électromagnétiques parasites. Ainsi, la disponibilité de l’électricité est préservée même en cas de perturbation du réseau.

Une équation gagnante !

• Sources d’énergie disponibles en tout lieu : les câbles HTS gèrent les panneaux solaires sur toits, les piles à combustible et les parcs éoliens isolés.
  
• Protection automatique : les SFCL limitent instantanément les courants de défaut, sans aucun contrôle actif.
• Réseaux intelligents et résilients : les SFCL permettent d’augmenter l’offre et la demande, améliorant ainsi la fiabilité et favorisant l’intégration de la production décentralisée ou à distance.
  
• Prêts pour l’électrification : les réseaux accompagnent la montée en puissance de la recharge des véhicules électriques et les charges industrielles sans nécessiter d’infrastructures lourdes supplémentaires.

Prêt pour une révolution des réseaux supraconducteurs ?

Les exigences en matière d’infrastructures, la maturité technologique et une solide analyse de rentabilité s’alignent pour soutenir l’adoption généralisée des HTS. Des entreprises comme Nexans, implantées en Allemagne, en France et en Norvège, ont développé une expertise de pointe sur l’ensemble de la technologie supraconductrice et contribuent à l’élaboration de normes internationales qui accéléreront son déploiement mondial.

La question n’est pas de savoir si la technologie supraconductrice transformera les réseaux électriques, mais de savoir avec quelle rapidité les services publics, les gouvernements et les investisseurs reconnaîtront cette opportunité. Les opérateurs de réseaux qui agiront rapidement bénéficieront d’avantages concurrentiels significatifs en termes d’efficacité, de fiabilité et de capacité. Ceux qui patienteront risqueront de se retrouver limités par les limitations d’infrastructure que la technologie supraconductrice est censée résoudre.

La supraconductivité suscite actuellement un vif intérêt et des débats passionnants, alimentés notamment par la recherche sur les supraconducteurs à température et pression ambiante dont la découverte provoquerait une révolution technologique. Les nombreuses questions soulevées par ces travaux rappellent les défis scientifiques que les chercheurs ont dû surmonter lorsqu’ils ont découvert les supraconducteurs à haute température en 1986. Retour sur cette technologie cruciale pour l’industrie du câble, en explorant les avancées récentes, les défis persistants, mais aussi comment Nexans fournit le tout premier système de câbles supraconducteurs au monde intégré à un réseau ferroviaire.

Alors que nous nous dirigeons vers un avenir tout électrique, la nécessité d’augmenter l’approvisionnement en énergie dans les villes devient de plus en plus urgente. Le besoin de résilience est tout aussi important : l’électricité devenant la principale source d’énergie, l’approvisionnement devra être fiable à 100 %. Les temps d’arrêt ne sont pas une option.

Pourquoi les supraconducteurs ?

Les câbles supraconducteurs sont des miracles de connectivité électrique. Ils présentent des qualités uniques qui les rendent parfaitement adaptés aux projets.

Tout d’abord, les câbles supraconducteurs peuvent transporter des courants extraordinairement élevés, bien supérieurs à ceux des câbles classiques en cuivre ou en aluminium. Il est donc possible de transmettre et de distribuer l’électricité à des tensions relativement faibles. En pratique, cela signifie qu’il est moins nécessaire d’installer des sous-stations dans les centres-villes, ce qui représente une économie importante.

Deuxièmement, les supraconducteurs peuvent transmettre une énorme quantité de puissance par rapport à leur taille. Par exemple, un seul câble supraconducteur d’un diamètre de 17 cm seulement peut transmettre 3,2 GW, soit suffisamment pour alimenter une grande ville. Les couloirs pour les câbles supraconducteurs peuvent être aussi étroits qu’un mètre, ce qui signifie qu’ils peuvent être déployés avec un minimum de perturbations.

Enfin, les câbles supraconducteurs ne produisent pas de chaleur et peuvent être entièrement blindés d’un point de vue électromagnétique, ce qui évite toute interférence avec les réseaux d’électricité, de télécommunications et de canalisations qui sillonnent généralement les villes. Bon nombre des contraintes qui régissent l’acheminement des câbles ne s’appliquent pas lorsque des supraconducteurs sont utilisés.

En outre, les supraconducteurs sont incroyablement efficaces. Les câbles supraconducteurs ont une résistance extrêmement faible lorsqu’ils transportent un courant alternatif et aucune résistance lorsque le courant est continu, de sorte que les pertes sont minimes.

Une première pour le rail

Nexans travaille avec la SNCF, la société nationale des chemins de fer français, sur un projet pionnier visant à renforcer l’alimentation électrique de la gare Montparnasse à Paris à l’aide de câbles supraconducteurs.

Montparnasse est l’une des gares les plus fréquentées de France et accueille plus de 50 millions de voyageurs par an. Ce chiffre devrait dépasser les 90 millions d’ici 2030. Pour faire face à cette nouvelle demande, il faudra des trains supplémentaires – et de l’énergie supplémentaire.

Comme pour toute mise à niveau de l’alimentation électrique d’un centre-ville, le grand défi à Montparnasse était de trouver un moyen de mettre en place une nouvelle alimentation électrique sans avoir à creuser les routes environnantes, ce qui peut être un processus long, coûteux et perturbateur.

Heureusement, le chemin de câbles existant entre la gare Montparnasse et la sous-station qui la dessert disposait de conduits de rechange. Malheureusement, il n’y en avait que quatre. L’utilisation de câbles en cuivre classiques pour fournir la puissance requise nécessiterait une douzaine de câbles. Que pouvait-on faire ?

Les câbles supraconducteurs sont la solution. La solution de Nexans n’utilise que deux câbles, chacun d’un diamètre inférieur à 100 mm, afin de pouvoir les enfiler facilement dans les conduits existants. Malgré leurs petites dimensions, chaque câble est capable de transporter 5,3 MW, soit 3500 A à 1500 VDC – une énorme quantité d’énergie électrique.

Ce projet est d’autant plus important qu’il s’agit de la toute première utilisation de câbles supraconducteurs en France et de la première intégration de supraconducteurs dans un réseau ferroviaire dans le monde. La nouvelle alimentation électrique de Montparnasse sera mise en service en 2023.

Que nous réserve l’avenir ?

Le projet Montparnasse souligne l’énorme potentiel des systèmes de câbles supraconducteurs pour renforcer l’alimentation électrique des villes, en particulier lorsque les contraintes de site limitent l’utilisation des câbles classiques en cuivre et en aluminium.

Mis à part le transport ferroviaire, les systèmes de câbles supraconducteurs sont appelés à jouer un rôle de plus en plus important dans la satisfaction de la demande croissante d’électricité. Celle-ci est alimentée par de nouvelles utilisations commerciales – telles que les centres de données – et par de nouvelles sources de consommation domestique, notamment la recharge des véhicules électriques, les pompes à chaleur et la climatisation.

En plus de répondre à la demande accrue d’énergie en vrac, les systèmes supraconducteurs joueront un rôle essentiel dans le renforcement de la résilience des réseaux électriques urbains.

Le projet REG (Resilient Electric Grid) à Chicago, aux Etats-Unis, souligne cette orientation. Nexans a conçu, fabriqué et installé un câble supraconducteur pour le système REG, qui contribue à prévenir les pannes de courant en interconnectant et en partageant la capacité énergétique excédentaire des sous-stations voisines, et en empêchant les courants de défaut élevés.

Nexans est le leader mondial des systèmes de câbles supraconducteurs. Grâce à nos capacités uniques en matière de R&D, d’innovation, de test, de fabrication et de déploiement, nous sommes parfaitement placés pour aider nos clients, partenaires et parties prenantes à se préparer à électrifier l’avenir.