Etats-Unis – Vendredi 05/03/2021 – energiesdelamer.eu. Le 24 février 2021 dernier, Brett Nelson de General Electric a publié un article sur la recherche menée sur la supraconductivité en vue d’équiper Haliade X de ce procédé.
La recherche au laboratoire GE de Niskayuna
Aujourd’hui, chez GE Research à Niskayuna, dans l’État de New York, les ingénieurs cherchent à incorporer des aimants supraconducteurs dans les éoliennes offshore qui convertissent les forts vents marins en énergie électrique utilisable sur terre. Un contrat de € 20,3 millions du ministère de l’énergie américain a été délivré. L’équipe de GE vise à réduire le coût global de l’énergie éolienne, à simplifier la chaîne d’approvisionnement pour la fabrication des turbines et à soutenir l’objectif du ministère de l’énergie de presque tripler le rôle de l’énergie éolienne dans la production énergétique américaine (jusqu’à 20 %) au cours de la prochaine décennie.
Un peu d’histoire
En 1911, la physicienne néerlandaise Heike Kamerlingh Onnes a fait une découverte très intéressante. Les électrons perdent généralement de l’énergie lorsqu’ils passent dans un conducteur électrique, mais elle a remarqué que quelque chose de bizarre se produisait dans un fil de mercure à des températures approchant le zéro absolu – moins 459 degrés Fahrenheit : Les électrons ne rencontrent aucune résistance et le courant circule sans entrave, sans aucune perte d’énergie. Des décennies plus tard, ce phénomène – appelé supraconductivité – s’avérera utile dans une foule d’applications, des puces informatiques rapides aux scanners d’imagerie par résonance magnétique (IRM), qui peuvent aider à détecter des conditions comme le cancer et les accidents vasculaires cérébraux.
L’électricité et le magnétisme sont étroitement liés depuis que des scientifiques comme Michael Faraday ont commencé à construire les premiers moteurs et générateurs électriques il y a 200 ans. Faraday a prouvé que l’énergie électrique pouvait être transformée en énergie mécanique en faisant passer un courant électrique à travers un champ magnétique. Le même principe fonctionne également en sens inverse, permettant à des rotors en rotation de produire de l’électricité.
Une façon de créer plus d’électricité à partir du vent est de construire des turbines plus grandes avec des aimants plus gros qui peuvent générer des champs électromagnétiques plus forts.
Application pour les futurs générateurs Haliade pour contrer les problèmes liés au gigantisme, au cuivre et aux terres rares
L’année dernière, l’Haliade-X de GE a produit 312 MGW en une seule journée, ce qui représente un record. Cela suffit pour éclairer jusqu’à 30 000 foyers à Rotterdam, aux Pays-Bas. Mais la construction et l’entretien de turbines encore plus grandes finissent par se heurter à des vents contraires. « Vous pouvez continuer à utiliser les mêmes vieux aimants permanents, mais cela signifie des générateurs, des pales et tout ce qui va avec », explique David Torrey, ingénieur principal chez GE Research et chef de projet pour le projet de générateur supraconducteur. « À un moment donné, vous serez limité par la taille. »
La taille n’est pas la seule contrainte avec les générateurs à aimants permanents classiques. Ces aimants sont fabriqués à partir d’éléments des terres rares – tels que le néodyme et le dysprosium – qui présentent un point d’étranglement potentiel dans la chaîne d’approvisionnement. « Le DOE est très enthousiaste à l’idée d’éliminer les éléments de terres rares et les clients veulent également des turbines plus écologiques », explique M. Torrey.
Du scanner IRM à l’éolienne en mer
L’article rappelle aussi que les supraconducteurs sont un terrain familier chez GE. Ils jouent un rôle crucial dans les scanners IRM modernes, que des chercheurs comme John Schenck de GE ont contribué à développer, et que l’ingénieur Walter Robb de GE a aidé à mettre sur le marché dans les années 1980. Sans les bobines supraconductrices, le scanner consommerait trop d’électricité pour créer le champ magnétique qui aide à construire les images. L’équipe IRM de GE Research a poussé le développement d’aimants supraconducteurs pour augmenter la puissance de leurs champs magnétiques tout en minimisant l’empreinte et le poids. Ils travaillent actuellement sur un scanner frontal qui pourrait être assez puissant, peut-être, pour mieux comprendre la microstructure du cerveau et la façon dont l’information circule entre les groupes fonctionnels de neurones dans le cerveau.
Qu’attendre du nouveau générateur ?
La recherche sur le nouveau générateur d’éolienne promet plus de puissance dans un ensemble plus petit et plus léger, utilisant des bobines de fil supraconducteur fabriqué à partir d’un alliage de titane et de niobium, couramment utilisé dans l’acier pour produire le champ magnétique. La densité de courant dans une bobine supraconductrice est jusqu’à 100 fois plus élevée que dans un matériau normalement conducteur comme le cuivre. Résultat : un champ plus fort et des pertes d’énergie plus faibles.
« Idéalement, vous voulez travailler avec un champ magnétique aussi grand que possible, de sorte que votre générateur nécessite moins de courant pour produire la même quantité de puissance », explique David Torrey. Cette efficacité supplémentaire pourrait réduire le coût de l’énergie d’un parc éolien, c’est-à-dire le coût total de possession divisé par l’énergie totale produite.
Mais comment garder les bobines suffisamment froides pour qu’elles restent supraconductrices et maintiennent le champ magnétique ?
Charger les bobines avec une alimentation électrique séparée pouvait fonctionner ; cependant, tirer de l’énergie supplémentaire compenserait une partie des gains obtenus en se débarrassant des aimants et de l’acier supplémentaire utilisé pour guider le champ. L’équipe de GE a donc choisi de charger les bobines une seule fois et de verrouiller le courant. Sans résistance dans les bobines, ces électrons continueraient à circuler tant que les bobines resteraient froides. « Si quelque chose devait mal tourner, le champ devrait être rechargé, mais cela peut se faire avec une alimentation électrique portable », explique David Torrey.
Maintenir les bobines dans leur état supraconducteur a également demandé un peu d’imagination.
Dans une turbine classique, les pales font tourner un arbre qui contient un réseau d’aimants qui induit une tension dans un ensemble d’enroulements de cuivre fixes. Dans la nouvelle conception de GE, les bobines de cuivre produisant une tension tournent à l’intérieur d’un anneau extérieur de bobines supraconductrices fixes qui génèrent le fort champ magnétique. Cette configuration respecte les lois de l’induction tout en évitant le formidable défi de maintenir les bobines en rotation à froid. Quant à l’appareil de refroidissement lui-même, chaque générateur aura besoin de huit réfrigérateurs appelés cryoréfrigérants, contre un seul pour un scanner IRM.
La prochaine étape
David Torrey et son équipe pensent pouvoir produire un prototype fonctionnel d’éolienne supraconductrice d’ici la mi-2023. « Nous en construirons un, le testerons et ferons un essai de technologie entre un générateur supraconducteur et un générateur à aimant permanent », dit-il. « S’il fonctionne bien, nous aurons la base des futures générations d’éoliennes Haliade X ».
POINTS DE REPÈRE
04/03/2021 – Le refroidissement dans un générateur actuel
Heatex équipera les Haliade-X qui seront construites à Saint-Nazaire
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