L'électrification connaît une croissance rapide et joue un rôle important dans la réduction des émissions de CO2, l'amélioration de l'efficacité énergétique, le renforcement de la sécurité des réseaux et la modernisation des infrastructures. Cette évolution est portée par des facteurs économiques, l’innovation technologique et des considérations liées au climat. Le secteur avance à un rythme soutenu, marqué par une intensification notable de ses activités. L'avenir de notre planète dépend de la transition vers les sources d'énergie renouvelables. La question n'est plus de savoir si cette transition aura lieu, mais quand elle aura lieu. La sécurité du réseau électrique devenant de plus en plus critique, il est impératif de mettre en place un réseau électrique durable.

Depuis plus d'un siècle, les réseaux constituent l'épine dorsale des réseaux de distribution électrique pour différents secteurs. L’adoption croissante des véhicules électriques et des pompes à chaleur favorise le remplacement des combustibles fossiles par l’électricité dans de nouveaux domaines, entraînant ainsi une hausse de la demande énergétique. En outre, l'expansion rapide des projets d'énergie renouvelable nécessite davantage de lignes électriques et des réseaux efficaces afin d’assurer la continuité et la fiabilité de l’alimentation électrique.

Accélérer la transition énergétique et l'électrification grâce à la supraconductivité

Avec la transition mondiale vers une électrification accrue portée par le développement des énergies renouvelables, l’essor des véhicules électriques (VE) et l’électrification industrielle, les réseaux de distribution d’énergie font face à des défis majeurs: surcharges du réseau, des retards dans l’intégration des ressources énergétiques distribuées (DER), l’instabilité de la fréquence et l’inadéquation des mises à niveau de l’infrastructure.  Autant d’enjeux qui nous amènent à reconsidérer et repenser le fonctionnement des réseaux mondiaux.

Le secteur de l'énergie est confronté à de grands défis qui pourraient être relevés grâce à la mise en œuvre de technologies révolutionnaires telles que la supraconductivité, qui fait d'ailleurs partie des IGT (Innovative Grid Technologies - soutenues par CurrENT, une association industrielle clé représentant les entreprises de technologies de réseau innovantes opérant en Europe).

3 défis majeurs dans la transition vers les énergies renouvelables

#1. Des réseaux modernes, intelligents et étendus sont essentiels pour réussir les transitions énergétiques

#2. Sécurité et infrastructure des réseaux électriques : les réseaux risquent de devenir le maillon faible des transitions énergétiques propres

#3. Coût et investissement de la sécurité des réseaux électriques: les mesures prises aujourd'hui peuvent assurer la sécurité des réseaux pour l'avenir

#1. Des réseaux modernes, intelligents et étendus sont essentiels pour réussir la transition énergétique

La transition vers des sources d’énergie renforcent le rôle essentiel des réseaux électriques, au cœur des systèmes électriques modernes. Toutefois, ils sont souvent négligés. Depuis plus d'un siècle, les réseaux alimentent les foyers, les entreprises et les industries. La transition vers les énergies propres transforme nos systèmes énergétiques et accroît le rôle de l'électricité dans les économies. Par conséquent, la réalisation des objectifs de neutralité carbone requiert la mise en place de réseaux électriques plus vastes, plus performants et dotés de technologies avancées.

Afin d’atteindre les objectifs nationaux en matière d’énergie et de climat, la consommation mondiale d’électricité devra croître de 20 % au cours de la prochaine décennie par rapport à la précédente. Pour réussir la transition vers des émissions nettes nulles d’ici 2050 et maintenir l’augmentation de la température sous la barre des 1,5 °C, la demande en électricité devra progresser à un rythme encore plus soutenu. Le développement des réseaux électriques apparaît comme un facteur déterminant pour soutenir cette croissance, notamment avec l’essor des véhicules électriques, des systèmes de chauffage et de refroidissement, ainsi que la production d’hydrogène par électrolyse.

Afin d’atteindre les objectifs nationaux, il est nécessaire d’ajouter ou de rénover plus de 80 millions de kilomètres de réseaux d’ici 2040. Les infrastructures réseau jouent un rôle central dans la décarbonation du secteur électrique et l’intégration des sources d’énergie renouvelable. Si les objectifs énergétiques et climatiques des pays sont réalisés, l’éolien et le solaire photovoltaïque pourraient représenter plus de 80 % de la croissance de la capacité électrique mondiale au cours des vingt prochaines années, contre moins de 40 % auparavant. Selon le scénario « zéro émission d’ici à 2050 » de l’AIE, ces deux technologies compteraient pour près de 90 % de l’augmentation. Ce développement soutenu des énergies renouvelables induit une modernisation des réseaux de distribution ainsi que la création de nouvelles lignes de transmission afin de connecter les sites de production éloignés aux zones de forte demande.

Les réseaux numériques actuels jouent un rôle important dans la gestion de l'électricité notamment dans la transition vers des énergies renouvelables. Avec la hausse de l'utilisation du solaire photovoltaïque et de l'énergie éolienne, les infrastructures doivent s'adapter pour gérer les fluctuations de production. Atteindre les objectifs liés au climat nécessitera une augmentation de la flexibilité des systèmes d'ici 2030 (le double). Cela implique la mise en œuvre de nouvelles opérations sur le réseau pour intégrer des sources d'énergie supplémentaires comme les panneaux solaires, ainsi que l'installation de technologies destinées à améliorer le fonctionnement des réseaux et à répondre aux besoins croissants en énergie et en stockage grâce à la numérisation.

#2. Sécurité et infrastructure des réseaux électriques : les réseaux risquent de devenir le maillon faible de la transition vers les énergies propres

Plus de 3 000 gigawatts (GW) de projets d’énergie renouvelable sont actuellement en attente de raccordement aux réseaux électriques, dont 1 500 GW à un stade avancé de développement, soit une capacité cinq fois supérieure à l’ensemble de la production solaire et éolienne ajoutée en 2022. Ces chiffres soulignent l’importance cruciale du raccordement au réseau dans l’atteinte des objectifs de neutralité carbone.  Le nombre de projets en attente pourrait être supérieur aux estimations actuelles, ces dernières ne couvrant qu’environ la moitié de la capacité mondiale en énergie éolienne et solaire photovoltaïque.

Le réseau connaîtra une expansion significative d'ici 2050 dans tous les scénarios visant la neutralité carbone. L’optimisation des flux d’énergie sur l’infrastructure existante demeure essentielle pour limiter la nécessité de développer considérablement de nouveaux réseaux, tout en atténuant les goulots d’étranglement associés à l’électrification propre. La transition vers un système électrique flexible, permettant l’ajustement de la demande en fonction de l’offre variable, constituera une étape clé. Néanmoins, même une optimisation poussée ne saurait éliminer le besoin de construire de nouvelles infrastructures; il reste donc primordial de porter une attention soutenue aux enjeux liés à leur développement.

Les technologies de réseau innovantes pourraient améliorer sensiblement l'efficacité des flux électriques en modifiant les infrastructures existantes par exemples en augmenter la capacité d'une ligne donnée, notamment grâce à la mise en œuvre de conducteurs avancés - des supraconducteurs - des augmentations de tension (avec des pylônes plus grands), un double circuit (par l'ajout d'un autre ensemble de lignes).

#3. Coût et investissement de la sécurité des réseaux électriques renouvelables : Des mesures prises aujourd'hui peuvent assurer la sécurité des réseaux pour l'avenir

Il est impératif de revoir les réglementations en vigueur afin de faciliter le deploiement de nouveaux réseaux et optimiser l’utilisation des actifs existants. La réglementation des réseaux devrait inciter ces derniers à suivre l'évolution rapide de la demande et de l'offre d'électricité. Cela implique de lever les contraintes administratives, valoriser les initiatives visant à améliorer performance et fiabilité ainsi que d'encourager l'innovation. Enfin, la planification des réseaux de transport et de distribution doit être rigoureusement alignée sur les stratégies gouvernementales à long terme.

La mise en place d’une nouvelle infrastructure de réseau nécessite généralement entre cinq et quinze ans, tandis que les projets d’énergie renouvelable peuvent être réalisés en un à cinq ans, et l’installation d’infrastructures de recharge pour véhicules électriques requiert moins de deux ans. Il est essentiel que les plans de développement du réseau intègrent les orientations issues des stratégies de transition énergétique à long terme dans l’ensemble des secteurs. Ces plans doivent anticiper et accompagner la montée en puissance des ressources distribuées, connecter les régions riches en ressources, y compris l'éolien en mer, et favoriser les synergies avec d'autres secteurs, tels que les transports, le bâtiment, l'industrie et les carburants tels que l'hydrogène.

La mise en place de réseaux nécessite également des chaînes d'approvisionnement sûres et une main-d'œuvre qualifiée. Les pouvoirs publics peuvent faciliter le développement de ces chaînes en appliquant un contrôle rigoureux et transparent des projets, ainsi qu’en harmonisant les procédures d’achat et d’installation technique. Il est par ailleurs essentiel d’intégrer la flexibilité à long terme en assurant l’interopérabilité des différents composants du système. 

Certaines technologies de réseau innovantes (IGT) sont prêtes, notamment la supraconductivité.

Les systèmes de câbles supraconducteurs ont un rôle essentiel à jouer pour relever ces défis.

Outre leur efficacité énergétique et leur fiabilité, les systèmes supraconducteurs sont plus faciles à installer et occupent beaucoup moins d'espace que les câbles et les lignes aériennes conventionnels. Les opérateurs de systèmes de transmission et de distribution peuvent bénéficier de l'intégration de systèmes de câbles supraconducteurs dans leurs réseaux:

• faciliter la transition énergétique : la décentralisation de la production accroît la nécessité d’augmentation des capacités de transmission: Les systèmes de câbles supraconducteurs permettent de transmettre de grandes quantités d’énergie sur de longues distances, sans les pertes énergétiques caractéristiques des lignes et les câbles à haute tension conventionnels. Les systèmes de câbles supraconducteurs à courant continu haute tension (CCHT) sont particulièrement adaptés à cette application. Dans le cadre du projet Best Paths, Nexans a qualifié un câble supraconducteur 320 kV DC pour des courants allant jusqu'à 10 kA avec une capacité de transport d'énergie de 3,2 GW.

La transition énergétique s’appuie sur la distribution d’énergie provenant de sources d'énergie renouvelable, l’adoption de nouveaux modèles de transport ainsi que l’optimisation de l’efficacité énergétique. Les solutions supraconductrices constituent des solutions pertinentes à plusieurs de ces enjeux.

Les réseaux supraconducteurs peuvent faciliter l'intégration de sources d'énergie renouvelable à grande échelle, telles que les parcs éoliens en mer et les centrales solaires éloignées, en permettant une transmission de l'énergie sur de longues distances avec des pertes limitées. Cette technologie permet de réduire les contraintes liées à la localisation géographique des ressources énergétiques renouvelables.

Les nouveaux actifs de production, notamment les sources d'énergie renouvelable comme l'éolien et le solaire, sont généralement implantés dans des zones isolées, ce qui nécessite la mise en place de nouvelles infrastructures de réseau dans des environnements auparavant non développés.

Comment les câbles supraconducteurs peuvent-ils aider?

• L'intégration de systèmes de câbles supraconducteurs permet de supprimer la nécessité d'une infrastructure de lignes aériennes souvent jugées inesthétiques. En outre, les droits de passage requis pour les nouveaux câbles supraconducteurs sont particulièrement restreints  - les couloirs ne font généralement qu'un mètre de large. Les câbles sont enfouis directement, sans qu'il soit nécessaire de recourir à de conduits ou de tunnels.
   
• L'enfouissement des lignes aériennes permet de libérer des terrains pour des usages commerciaux et industriels. Les systèmes de câbles HTS présentent l’avantage d’exiger un droit de passage particulièrement réduit - généralement de l'ordre d'un mètre. À titre de comparaison, les câbles conventionnels en cuivre ou aluminium nécessitent parfois une bande de terrain supérieure à 60 mètres de largeur.

Les câbles HTS présentent un certain nombre de caractéristiques qui les rendent particulièrement intéressants pour une utilisation dans les réseaux électriques.

L'ensemble de ces propriétés font des câbles HTS des éléments particulièrement adaptés pour relever certains des défis majeurs auxquels sont actuellement confrontés les opérateurs de réseaux de distribution et de transport d'électricité, ainsi que d'autres grands consommateurs d'électricité, notamment les opérateurs de transport.

Les systèmes de câbles HTS permettent la durabilité et la performance des réseaux : ils combinent l'efficacité et la responsabilité environnementale tout en garantissant la durabilité et la performance économiques.

La supraconductivité permet de réduire significativement les coûts. Plusieurs projets ont démontré la possibilité de réaliser des économies de plusieurs millions d'euros sur les dépenses d'investissement par rapport aux câbles conventionnels en cuivre ou en aluminium. Bien que le niveau d'économies varie selon l'emplacement et la complexité du projet, la technologie HTS contribue à surmonter les contraintes liées aux droits de passage et autorise ainsi un transport efficace de la haute tension à des niveaux de moyenne tension. Avec la raréfaction et la hausse des prix du cuivre et de l'aluminium, l'intérêt économique de la technologie supraconductrice s'accroît constamment.

• La densité de courant élevée, qui peut être transmise dans une section transversale relativement petite, permet de réduire considérablement la largeur des tracés de câbles tout en conservant la même capacité.
• La largeur de la ligne est un aspect très important dans la construction de lignes électriques, et ce pour plusieurs raisons. Par exemple, il est souvent impossible de moderniser ou de rénover les tracés conventionnels dans les agglomérations en raison du manque d'espace, mais un tracé supraconducteur peut être réalisé grâce à son faible encombrement. Les supraconducteurs sont également justifiés dans les zones rurales. La faible largeur des lignes limite l'impact sur l'environnement naturel. Dans les zones naturelles sensibles en particulier, les supraconducteurs offrent une alternative écologique aux nombreux tracés de câbles conventionnels nécessaires pour raccorder les parcs éoliens offshore. La technologie HTS est en train de transformer l'énergie éolienne offshore. Le consortium SupraMarine (RTE, ITP, Nexans et un leader mondial des systèmes de refroidissement cryogéniques) développe un câble d'export supraconducteur HVCA de 100 km qui vise à réduire les coûts d'environ 1 milliard d'euros pour un projet éolien offshore de 2 GW.
• En outre, la réduction de la largeur des tracés des câbles est également avantageuse en termes de droit de passage et d'acceptation par le public.
• En minimisant les pertes d'énergie, les réseaux supraconducteurs contribuent à réduire l'empreinte carbone du secteur de l'énergie. La réduction des pertes se traduit par une baisse de la consommation de combustible dans les centrales électriques et une diminution des émissions de gaz à effet de serre. De plus, la compacité des câbles supraconducteurs permet de réduire l'occupation du sol et l'impact visuel par rapport aux lignes aériennes.

Applications

La supraconductivité connaît actuellement des avancées significatives dans diverses applications industrielles et offre un potentiel considérable pour la transformation des réseaux électriques. L’intégration des câbles supraconducteurs et des limiteurs de courant de défaut permet au secteur énergétique d’atteindre des niveaux élevés d'efficacité, de capacité et de durabilité. Ces développements s’inscrivent pleinement dans le cadre des objectifs mondiaux de décarbonisation et soutiennent activement la transition énergétique.

De nombreux projets récents mettent clairement en évidence le potentiel et les possibilités des systèmes supraconducteurs. Jusqu'à présent, des câbles supraconducteurs ont été utilisés avec succès dans le réseau électrique et ce pendant plusieurs années:

• Projet LIPA: alimenter le réseau américain: Nexans a développé et livré un système complet de câbles supraconducteurs 138 kV CA, comprenant le câble, l'enveloppe cryogénique et les terminaisons.
• Best Paths : Renforcer l'intégration des énergies renouvelables: Nexans a conçu et construit une boucle supraconductrice de 320 kV CC comprenant un câble unique de 30 m transportant un courant de 10 kA pour une puissance nominale de transport de 3,2 GW.

Protection des installations: amélioration de la résilience grâce aux limiteurs de courant de défaut supraconducteurs

Un avantage important mais souvent négligé de la technologie supraconductrice est son rôle dans la protection électrique, en particulier grâce à l'utilisation de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL). Ces dispositifs améliorent considérablement la qualité de l'alimentation, la résilience du système et la sécurité opérationnelle des réseaux.

En cas de court-circuit ou de défaut, les SFCL limitent instantanément et automatiquement le courant excessif sans nécessiter d'intervention mécanique. Contrairement aux dispositifs de protection classiques, qui reposent sur l'ouverture d'un circuit pour interrompre le flux de courant, les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs utilisent les propriétés intrinsèques des supraconducteurs pour passer rapidement d'un état supraconducteur (résistance nulle) à un état résistif. Cette transition se produit en quelques millisecondes, ce qui permet aux SFCL d'absorber et de limiter le courant de défaut avant qu'il n'endommage l'équipement en aval.

Cette capacité offre plusieurs avantages clés pour les gestionnaires de réseaux:

Les SFCL offrent une solution intelligente et évolutive qui assure une fiabilité 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, une infrastructure électrique à auto régénération et des besoins de maintenance réduits.

En résumé, l'intégration de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs dans l'architecture électrique offre une approche moderne et automatisée de la protection des installations qui répond aux besoins des gestionnaires de réseaux.

Transformer les infrastructures énergétiques et améliorer la résilience des réseaux électriques

Les avantages de la supraconductivité dans les réseaux de transmission d'énergie offrent des opportunités intéressantes pour le secteur de l'énergie. Alors que la demande mondiale en énergie augmente et que la nécessité de lutter contre le changement climatique devient plus pressante, la supraconductivité joue un rôle clé dans la transition vers des infrastructures énergétiques durables et efficaces. Les progrès continus dans les domaines de la science des matériaux, de la cryogénie et de l'électronique de puissance facilitent l'adoption à grande échelle de cette technologie innovante.

La supraconductivité, qui était auparavant réservée à la recherche, est de plus en plus utilisée dans l'industrie, offrant des possibilités importantes pour transformer les réseaux. L'intégration de câbles supraconducteurs et de limiteurs de courant de défaut permet au secteur d'améliorer son efficacité, d'augmenter sa capacité et de soutenir les objectifs de développement durable, contribuant ainsi aux efforts mondiaux de décarbonation et à la transition énergétique à plus grande échelle.

Alors que les systèmes énergétiques mondiaux évoluent vers l'électrification et la décarbonation, les gestionnaires de réseaux doivent s'aligner sur les principes de la transition énergétique. La technologie HTS soutient directement cette trajectoire :

• Réduire les pertes sur le réseau
• Permettre une intégration plus efficace des sources d'énergie renouvelables
• Soutenir la conception d'infrastructures compactes, modulaires et résilientes

Nexans de par son histoire et les nombreux projets auxquels le Groupe a pris part est aujourd'hui un leader mondial des câbles supraconducteurs pour les réseaux électriques. Nexans est ainsi le premier acteur industriel européen et mondial à posséder la technologie prête à répondre à tous les besoins des réseaux de transmission. Ainsi, pour les câbles HT, MT et BT, Nexans est actuellement le seul fabricant au monde capable de répondre à tous ces besoins permettant de répondre à des besoins énergétiques croissants et des capacités grandissantes en terme de transmission d'énergie.