Autoroutes européennes de l’électricité - agp21.orgagp21.org/sites/default/files/conferences/003/AGP21_cf_003.pdf · Sommaire • Développement de réseaux, quelques repères

Autoroutes européennes de l’électricité

Perspectives de la supraconductivité MgB2

Frédéric LESUR (RTE)

Paris La Défense, 16/03/2017

Sommaire

• Développement de réseaux, quelques repères• Transporter 5 GW avec les technologies existantes• Supraconductivité, les grands principes• Deux technologies pour des usages différents (HTS et MgB2)• Best Paths Project, un démonstrateur supra HVDC• Performances attendues• Beyond Best Paths ? Hydrogène comme cryogène

16/03/2017 Autoroutes européennes de l'électricité : perspectives de la supraconductivité MgB2 2


Développement de réseaux

Quelques repères

❶

De la difficulté des GRT pour planifier la construction d’infrastructures lourdes…

06/07/2015 Technological Options for the Future European Grid: the expansion from the perspective of a TSO 4

In 2000, what was the prediction for global solar capacity in 2010?

4 GW8 GW24 GW41 GW

What was the actual capacity for global solar in 2010?

4 GW8 GW24 GW41 GW

In 2010, what was the prediction for global solar capacity in 2020?

87 GW113 GW247 GW324 GW

What was the actual capacity for global solar in 2013?

53 GW87 GW113 GW136 GW

IEA predicted solar capacity to reach 4 GW by 2010

10x what was predicted in 2000

IEA predicted solar capacity to reach 113- 127 GW by 2020

7 years before it was predicted only 3 years before

Un besoin de forte densité de puissance au sein des métropoles françaises


Manuel Valls, Discours du 15 octobre 2015 « Le Grand Paris, capitale du 21ème siècle »

Un besoin de forte densité de puissance au niveau européen

• Quel que soit le scenario envisagé, des couloirs de 5 à 20 GW sont identifiés

Axes nord-sudLe raccordement des péninsules et îles au continent européen sont parfois critiques


www.e-highway2050.eu

Comment transporter plus de 4 GW sur de grandes distances ?

• Nouvelle méthodologie pour planification de développement de réseau

• Cible 2020 à 2050

eHighWay2050 : Quelle technologie déployer ?

Autoroutes européennes de l'électricité : perspectives de la supraconductivité MgB2 7

Schéma décennal de développement de réseau

(édition 2016)

Projets identifiés de développement de réseau


European TYNDP (2016 edition) = Ten Years Network Development Plan

Carte interactive


Transporter 5 GWavec les technologies existantes

❷

Transporter une forte puissance avec une technologie classique (aérien ou XLPE)


La puissance électrique est fonction du produit : tension (U) courant (I)

Courant I (A)

Pertes (W)

Augmenter la tension (augmenter l'isolement) revient à augmenter la taille des matériels, et donc leur coût, ainsi que l’injection de puissance réactive (en HVAC)

Augmenter le courant entraîne l'augmentation significative des pertes (RI2)

Il faut donc limiter la résistance

Solutions existantes avec lignes aériennes :Exemple de Nelson River DC line (Canada)


Two bipoles have been operated since1972 and 1985 by Manitoba Hydro.

Main Features:● 1800 A under ±450 and ±500 kV

(1620 + 1800 MVA),● ≈ 900 km● 4103 towers, ≈ 450 m between

towers (height = 34 to 47 m), 75 mbetween bipoles.

● Right of way – width = 137 m(clearing = 10800 hectares).

A third bipole is under construction(expected in-service 2017).

Main Features:● 2000 A under ±500 kV (2000 MVA).

15.5 m

Clearing width 45 m

Right-Of-Way width 66 m

47 m

34 m

8 m

≈ 5.4 GVA

www.hydro.mb.ca

In China, the first ±800 kV DC linewas commissioned in 2009 (Yunnan-Guangdong, 5 GVA, 1420 km).

In Europe, high sensitive issue of extra high voltage AC corridors.

Solutions existantes avec câbles extrudés (XLPE):Exemple de liaison Raesfeld (380 kV, Allemagne)


Raesfeld

Amprion decided the insertion of3,4 km underground:● 380 kV HVAC (2 x 1800 MW).

Câbles à âmes de forte section livrés sur tourets spéciaux

2500 mm² copper cable± 320 kV (HVDC)

France-Spain interconnection

Câbles de section 2500 mm² cuivre.Tourets spéciaux pour acheminer des longueurs ≥ 2200 m d’un seul tenant (poids = 80 t).


Solutions existantes avec lignes à isolation gazeuse (LIG)


Geneva, Palexpo Link 2001, 470 m, 220 kV / 2 x 760 MW

Frankfurt Airport, Kelsterbach Link 2012, 900 m, 400 kV / 2 x 2255 MW

GIL have been used since 1971 (Eastlike, Ohio,345 kV) and up to 800 kV (Laxiwa Dam, China,2009, 460 m, 2 x 2600 MW).

Longest circuit:● Shinmeika-Tokai Line, Japan, 1998, 3300 m

in tunnel, 275 kV / 2 x 1425 MW), pure SF6.

SF6 gas is used for its excellent dielectric andarc-breaking behaviour, but is identified as oneof the most potent greenhouse gas (with aglobal warming potential of 23000 times that ofCO2),

Mixture of N2/SF6 is used (80/20%) since 2001.

Siemens announced in

April 2015 new GIL solutions for

HVDC.

Environmentally unacceptable by

RTE.

3M + Alstom announced in

September 2014 a new g3 gas.


Supraconductivité,Les grands principes

❸

Préambule : Supraconductivité en quelques mots

Supraconductivité, nom féminin,

Phénomène présenté par certains métaux, alliages ou céramiques dont la résistivité électrique devient pratiquement nulle au-dessous d'une certaine température (appelée température critique).

Supraconducteur

TcTempérature critique

R » 0état supraconducteur

Métal normal

R (W)

T (K)

R > 0

T = 0 K » -273°CZéro absolu


Quelques repères sur les basses températures

Température (K)

Chronologie des découvertes(années)

T = 0 K » -273°CZéro absolu

(température la plus bassequi puisse exister dans l'univers)

T = 200 K » -73°C

Froid extrême

Froid industriel

Température ambiante

T = 0°C » 273 K(l'eau devient de la glace)

Hélium liquide

Hydrogène liquide(ou hélium gaz @20 K et 20 bar)

Azote liquide

Fluides cryogènesMatériaux supraconducteurs

HTS cuprates

MgB2


Paramètres critiques de la supraconductivité

Deux autres paramètres que la température sont critiques :le champ magnétique et la densité de courant• Si l'une des valeurs critiques est dépassée, le matériau revient à

son état normal (résistant)• Le concept général de câble supraconducteur repose toujours

sur une enveloppe (cryostat) dans laquelle circule un fluide cryogénique qui maintient la température requise

• La fiabilité et la performance de la cryogénie conditionnent celles de la liaison électrique

RedundantCooling & Control

Bulk

LN

2St

orag

e

Heat

Power

SCAD

A

Supply

Return

Circulation à travers un câble, retour par

les deux autres

Une station de production de froid et de stockage


Magnetic field

Current density

TemperatureTc

Jc

Bc

Superconducting domain

La supraconductivité…de plus en plus présente dans la société

Quelques exemples• Limiter les échauffements (pertes Joule)

Exemple : unité centrale de super calculateurs dans l’hélium liquide• Augmenter l’induction magnétique des circuits magnétiques classiques

Réduction du poids et de l'encombrement• Augmenter le couple des machines électriques classiques

Augmenter la densité linéique de courant, fortement limitée par pertes Joule

Quelques applications

LHC au CERN

Train à lévitation magnétique

Médical : IRM (nécessite induction de plusieurs Teslas)

Tokamak(fusion nucléaire)

Electro-aimants pour accélérateurs

de particules



Deux technologiespour des usages différents

(HTS et MgB2)

❹

Caractéristiques de la technologie actuelle (HTS)

HTS = High Temperature Superconductivity(supraconductivité à haute température critique)

Employée en courant alternatif, pour des transits de 3 à 5 kA,Application possible au renforcement de l’alimentation de Paris

HTSRubans cuprates (céramiques)refroidis à l'azote liquide

Isolation thermique (vide)

Bon marché

Gaz inerteRessources infinies (air)Facile à produire et stockerPoint d'ébullition = 77 K (HTS)

Rubans fragilesRecours aux terres rares

Procédé industriel complexeLa technologie

convient aujourd'hui à des liaisons de

l'ordre du km


MgB2 : un nouveau potentiel, à la hauteur des défis techniques à relever

Un composé métallique très simple,offrant la possibilité de constituer de vrais fils

Très bon marché

Des défis techniques colossaux

Super fluide et très léger :Station de froid et pompage tous les 150 kmDiélectrique = fluide cryogène

Thermique (vide + feuilles super isolantes)Fluide cryogène = hydrogène liquide (20 K)

ExtrêmementInflammable

Alternative possible avec hélium et azote liquide

Température critique = 39 K, inférieure à celle de l'azote liquide (77 K)

Facile à fabriquerRessources abondantes


MgB2Diborure de magnésium

Comparatif des deux technologies


Technologies HTS MgB2

Réseau Plutôt HVAC, et HVDC HVDC

Usage le plus probable Alimentation des grandes cités Transport de grande puissance grande distance

Puissance visée 1-2 GW 2 GVA et +

Température critique > 77 K (azote liquide) 39 K (hélium gazeux 20 bar, hydrogène liquide)

Brins supraconducteurs Rubans céramiques Fils ronds métalliques

Maturité Liaisons commerciales (LIPA 138 kV 2008, Essen 10 kV 2014)

En développement (démonstrateur Best Paths validé fin 2018)

Avantages Refroidissement à l’azote liquide simple et bon marché

Vrai câblage, adapté aux longues distances, forte densité de puissance

Inconvénients Fragilité relative des rubans Basse température (garde d’azote liquide pour efficacité énergétique ?)

Des liaisons exploitées commercialement depuis 2006

Columbus, Ohio (200 m, 2008) : Triax13,2 kV / 3000 A / 69 MVA

Tepco, Yokohama (240 m, 2012)66 kV / 1750 A / 200 MVA

Long Island Power Authority, New York138 kV / 2400 A / 574 MVA (600 m, 2008)

HTS


Liaison récente RWE/Nexans : Ampacity (Essen)


PosteHerkules

PosteDellbrügge

Jonction

Caractéristiques-1 km entre postes, une jonction- en milieu 100% urbain,- Limiteur de courant - 10 kV / 2,3 kA / (40 MVA)- Mise en service avril 2014- 13,5 M€ dont 6,5 de subvention

Ampacity Project : limiteur de courant (sous 10 kV)


Liaison Ampacity :gain technico-économique

Configuration ancienne Nouvelle configuration avec supra HTS

Réaliser l’économie d’un abaissement/élévation de tension, et libérer du terrain



Best Paths Project,un démonstrateur supra HVDC

❺

Concept liaison MgB2 pour des besoins européens : quelques repères

2001 : J. Akimitsu annonce au Japon que le composant binaire, pourtant connu depuis 1950, est supraconducteur à 39 K

2011 : Carlo Rubbia promeut à nouveau un nouveau concept de supraconductivité à base de MgB2(Workshop organisé à Potsdam)

Prix Nobel Physique 1984

Ex-Directeur Scientifique de l'Institut des Etudes Avancées de Développement Durable (Berlin)

2005 : Paul Grant, physicien pendant 40 ans chez IBM décrit le principe d’une liaison hybride "The SuperCable: Dual Delivery of Chemical and Electric Power”

2012 : RTE et ses partenaires se lancent dans l’aventure MgB2 ,construction du projet Best Paths(objectif 2018) et envisage la suite pour un produit industriel


Partenariat né en 2012 sur des résultats du CERN


• Partenariat engagé avec Carlo Rubbia qui souhaite développer un nouveau concept de supraconductivité à base de MgB2 (diborure de magnésium)

• Réponse à l’appel d’offre FP7 de la Commission Européenne de 2014 : Best Paths Project

(LHC = Large Hadron Collider, Genève)

Projet Européen Best Paths : Démo 5 supraconducteur

Cinq démonstrateurs pour une intégration à grande échelle d'électricité renouvelable dans le réseau de transport européen,(Projet 2014 2018)

BEyond State-of-the-art Technologies for re-Powering AC corridors & multi-Terminal HVDC Systems

Démonstrateur supraconducteur courant continu 10 kA / 320 kV 3200 MVA ! (soit 6,4 GVA par bipôle)

Structure unipolaire, 30 m,Conducteur sous hélium liquide, Diélectrique sous azote liquide


http://www.bestpaths-project.eu

October 2014September 2018

Total budget (EC contribution: 57 %)62.8 M€ = M$ 70.8 = 460 MҰ

Objectifs principaux du démonstrateur supraconducteur


10 partenaires pour valider les objectifs suivants :• Démontrer la faisabilité à échelle réelle d’un système câble supraconducteur

fonctionnant à 3 GW en HVDC (10 kA sous 320 kV)• Valider la nouvelle technologie supraconductrice MgB2 pour un transport de forte

puissance électrique• Apporter des recommandations sur des aspects techniques, de viabilité économique,

et d’impact environnemental impact

System integration pathways for

HDVC applications

Investigation in the availability of the

cable system

Preparation of the possible use of H2

liquid for long length power links

Cable and termination

development+ manufacturing

processes

Validation of cable operations with

laboratory experiments performed in He gas at variable temperature

Operating demonstration of a

full scale cable system transferring

up to 3.2 GW

Process development to manufacture a

large quantity of high performance MgB2wires at low cost

Partenaires du "Demo 5"

● Superconductivity technology● Liquid hydrogen management● Testing

●Manufacturing and optimisation of wires

●Dielectric behaviour

● Cooling systems

● Integration to the transmission grid

● Reliability and maintenance

● Cable system

● Superconductivity technology● Cable and accessories

manufacturing● Cryostat envelop●High voltage insulation

● Scientific coordination● Socio-economical impact

● Superconductivity technology● Conductor design● Testing

● Integration to the transmission grid

● Socio-economical impact


Design du câble


Conducteur MgB2 10 kA

Enveloppe cryogénique extérieure

Isolation rubanée haute tensiondans azote liquide

Enveloppe cryogénique intérieure

Azote liquide (70 K / 5 bar) Hélium gazeux (20 K / 20 bar)

Caractéristiques du

démonstrateur

Monopole

3.2 GW

320 kV

10 kA

20 - 30 m

Concept de cryostat à 4 parois


Performances attendues

❻

Réduction des ressources requises


Copper 2000 mm² Conductor

Superconducting wiresMgB2

XLPE extruded cable

56 mm

1.1 mm

> 10 000 A

≈ 1 800 A

(One € coin)

Demo 5 conductor

Réduction de l’emprise au sol


Réduction des travaux de génie civil Pas de dépendance thermique à l’environnement

Exemple: Liaison 6,4 GW DC avec câbles à isolation synthétique

1,30 m

2,00 m

Emprise au sol = 7 m

Câbles résistifs ( 8 x 400 kV - 2 kA)

Emprise au sol = 0,8 m

Démonstrateur supra(2 x 320 kV - 10 kA)

0

Scénario favorable : 15°C, sol 1 K.m/W

L’optimisation technico-économique passe par la minimisation du nombre de circuits (4 circuits XLPE ≈ 2 LIG ≈ 1 supra)

New York City 1913 2006

Bilan des pertes


1000

2000

Transmitted power (MW)

100 200 300 400

Voltage(kV)

3000

4000

5000

Eco-friendly Innovations in Electricity Transmission and Distribution Networks, Woodhead Publishing Series in Energy: Number 72; 2015 Edited by Jean-Luc Bessede P158

Best PathsDemo 5

Puissance accrueà une tension réduite Réduction des pertes dissipées


Beyond Best Paths ?Hydrogène comme cryogène

❼

Transport hybride électrique - thermique


Essai en 2011 par le Russian Scientific R&D Cable Institute,Moscow Aviation System, et Russian Academy of Science,d’un démonstrateur de câble MgB2 de 12 m, refroidi àl’hydrogène liquide (26 K, 12 fils, 3 à 4 kA)

VNIIKP (Moscow), fournisseur des conducteurs pour le Tokomak ITER

Vecteur hybride d’énergie :

électrique et thermique LH2 !

Etudier la synergie avec le réseau d’hydrogène (Power2gas2power)

Un concept conçu malgré tout autour de technologies existantes

• Il faut lever les facteurs d'échelle, mais des solutions éprouvées doivent nous guider :

Pipelines terrestres et sous-marins, transport de gaz naturel liquéfié, etc.

Exemple 1 : Air Liquide exploite un réseau de près de 900 km de transport d'hydrogène (2001)(en rouge sur la carte)

Exemple 2 : Un gazoduc pour hydrogène est exploité en Rhénanie depuis 1938

Et l’hydrogène liquide en présence de puissance électrique ?!


Perspective d’intégration à un écosystème hydrogène


Vision de Paul Grant en 2002

Aujourd’hui, son concept prend une nouvelle dimension avec les énergies renouvelables (production d’hydrogène par électrolyse lors d’un pic de production électrique)


Documents

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