Assurer la continuité des opéations de transport de passagers et de marchandises est une priorité pour les gestionnaires d'infrastructures ferroviaires et les opérateurs ferroviaires.

Les réseaux ferroviaires sont de grands consommateurs d'électricité. En Europe, environ 55 % du réseau ferroviaire est électrifié,  ce qui représente 80 % du trafic. L'électricité consommées par les trains – l'énergie de traction – est fournie à différents niveaux de tensions, en fonction de la géographie.

Les tensions courantes sont de 25 kV CA, 15 kV CA, 1 500 V CC et 750 V CC. La fiabilité de l'alimentation électrique est également essentielle pour les systèmes de signalisation et les équipements des gares, tels que les escaliers roulants, la ventilation et l'éclairage.

La supraconductivité aide à relever les défis de l'industrie ferroviaire

L'industrie ferroviaire est confrontée 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). 

#1. La modernisation de l'infrastructure ferroviaire implique la remise en état des infrastructures et l'amélioration de la fiabilité du réseau, ce qui constitue un défi majeur pour les opérateurs de réseau
 

#2. Durabilité et performance : combiner l'efficacité et la responsabilité environnementale tout en assurant performance et durabilité économique

#1. La modernisation de l'infrastructure ferroviaire implique la remise en état des infrastructures et l'amélioration de la fiabilité du réseau, ce qui constitue un défi majeur pour les opérateurs de réseau

Le renforcement des lignes, des vitesses de circulation accrues, un nombre de trains en augmentation, permettant d’améliorer les capacités de transport tout en contribuant à réduire l'empreinte carbone, nécessitent des améliorations de l'infrastructure, en particulier dans les zones densément peuplées. Il s'agit notamment de régénérer les voies et d'ajuster leur géométrie, de moderniser les caténaires et réseaux de transmission, mettre en place des boucles de passage, de remplacer les passages à niveau et les points d'arrêt, et de réduire la congestion aux points de croisement.

Les câbles supraconducteurs à courant continu et les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL) contribuent actuellement à la modernisation des systèmes ferroviaires et aux programmes "Net-Zero" qui en découlent. La Société nationale des chemins de fer français (SNCF Réseau) a annoncé plusieurs projets dans lesquels la supraconductivité jouera un rôle essentiel, notamment pour permettre l’approvisionnement continu des réseaux et assurer une alimentation permanente de ses lignes et étendre le déploiement des SFCL afin d'améliorer la fiabilité des réseaux. 

Quelques exemples récents illustrent la manière dont les systèmes supraconducteurs peuvent contribuer à l'efficacité des réseaux ferroviaires:

• Le MagLev supraconducteur et le Chuo Shinkansen, qui relient Tokyo et Osaka à une vitesse de 505 km/h en seulement 67 minutes (438 km), sont désormais une réalité.
• Le projet SuperRail de la gare de Montparnasse à Paris permettra de faire circuler 16 trains en même temps grâce aux systèmes de câbles supraconducteurs qui alimentent le réseau actuel.
• Dans la ville de Bussurel, le réseau ferroviaire fonctionnera avec une performance opérationnelle bien plus élevée grâce au limiteur de courant supraconducteur, permettant un meilleur contrôle de la stabilité du réseau et contribuant à une ponctualité améliorée des trains. Autant de bénéfices rendus possible grâce aux limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL).

#2. Durabilité et performance : combiner l'efficacité et la responsabilité environnementale tout en assurant performance et durabilité économique

Le rail contribue à la mobilité durable en offrant des avantages environnementaux, répondant aux enjeux de développement durable, de transport de masse et de fret. Le fret ferroviaire, alternative écologique, peut remplacer plus de 100 camions par un seul train, réduisant ainsi les émissions de carbone et aidant à lutter contre le changement climatique. La mise en place d'un secteur ferroviaire durable nécessite la prise en compte de ces facteurs environnementaux, sociaux et économiques.

La supraconductivité joue un rôle clé dans l'amélioration des applications industrielles et présente un potentiel significatif pour la transformation des réseaux ferroviaires. Grâce à l’intégration de câbles supraconducteurs et de limiteurs de courant de défaut, l’industrie ferroviaire pourrait améliorer son efficacité, augmenter sa capacité et renforcer sa durabilité. Ces avancées contribuent aux objectifs mondiaux de décarbonation et facilitent la transition énergétique.

En outre, la supraconductivité à haute température présente des avantages économiques non négligeables. Ces technologies ont en effet permis d’économiser quelques millions d’euros sur de nombreux projets, des économies favorisées par des coûts d’investissement réduits par rapport à des câbles conventionnels en cuivre ou aluminium. Même si des facteurs tels que localisation et complexité peuvent influer sur les coûts associés aux projets, la technologie HTS permet de surmonter les difficultés liées aux droits de passage, assurant une transmission efficace de la haute tension à des niveaux de moyenne tension. En raison de la raréfaction croissante et de l'augmentation des coûts des matières premières telles que le cuivre et l'aluminium, la viabilité économique de la technologie supraconductrice est appelée à s'améliorer.

La supraconductivité est de plus en plus utilisée dans les applications industrielles, et pourrait transformer et révolutionner le secteur de la transmission d'énergie, y compris les réseaux ferroviaires. L'utilisation de câbles supraconducteurs et de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs peut permettre à l'industrie ferroviaire d'améliorer l'efficacité, d'augmenter la capacité, et de promouvoir la durabilité de ses réseaux. Ces avancées soutiennent les objectifs de décarbonation fixés à l’échelle mondiale et facilitent la transition vers des systèmes énergétiques plus efficaces.

Les câbles supraconducteurs haute température (HTS) peuvent transporter des courants nettement plus élevés sans aucune résistance électrique. Cela signifie qu'ils peuvent fournir jusqu'à 10 fois plus de puissance que les câbles en cuivre conventionnels à dimension équivalente, sans dégager de chaleur, sans perte et sans encombrement.

Câbles supraconducteurs: une percée technologique

S'appuyer sur un seul point d'alimentation du réseau augmente les risques de défaillance en cas de panne d'une sous-station électrique. L'ajout de nouvelles lignes basées sur des câbles conventionnels peut être source de perturbations et extrêmement coûteux, en particulier dans les villes. Les câbles HTS permettent de surmonter ce problème et facilitent le déploiement de nouvelles lignes dans des emprises étroites.

Les câbles HTS peuvent également être utilisés pour la distribution au sein du réseau ferroviaire. Cela permet de transmettre l'énergie aux niveaux de tension utilisés sur le réseau ferroviaire, même si celui-ci est faible, et ce sur de longues distances et à un courant élevé, réduisant ainsi le besoin de sous-stations sur les sites ferroviaires. La compacité des câbles HTS et le fait qu'ils ne produisent ni chaleur ni champs électromagnétiques en font des candidats idéaux pour l'installation dans des couloirs étroits le long des voies.

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 forte densité de courant, qui peut être transmise dans une section relativement petite, permet de réduire considérablement la longueur des câbles à capacité équivalente. La largeur de la ligne est un paramètre important dans la conception des lignes électriques.

La modernisation ou l’amélioration des lignes conventionnelles actuelles dans les zones urbaines s’avère souvent complexe en raison des contraintes d’espace, toutefois la mise en œuvre d’un câble supraconducteur reste envisageable grâce à leur faible encombrement. Illustration parfaite de cette problématique est le projet SuperRail qui illustre parfaitement leur capacité et la capacité à transporter une puissance très élevée dans un espace limité.

Courant continu et supraconductivité : une combinaison puissante pour une distribution d'énergie sans pertes

Une évolution significative dans l'infrastructure électrique contemporaine consiste en la transition vers la transmission et la distribution en courant continu (CC). Cette approche est particulièrement préconisée dans les contextes où l'efficacité énergétique et la fiabilité de l'approvisionnement sont des critères essentiels, tels que le secteur éolien offshore, les centres de traitement de données, les systèmes ferroviaires et les installations industrielles de grande envergure.

Les câbles supraconducteurs, en particulier les systèmes supraconducteurs à haute température (HTS), offrent un avantage stratégique dans cette transition. Associés à des systèmes en courant continu, les câbles supraconducteurs à haute température peuvent fournir de l'électricité sans perte électrique, ce qui permet d'atteindre de nouveaux seuils d'efficacité et de performance.

En conditions normales, les systèmes de transmission d'énergie subissent des pertes minimales comprises entre 3 et 5 %, principalement dues à la résistivité des câbles en cuivre ou en aluminium ainsi qu'aux diverses étapes de conversion entre courant alternatif (AC) et courant continu (DC). Ces pertes tendent à augmenter proportionnellement à la distance parcourue, à la chute de tension et à la densité du courant, entraînant ainsi des inefficacités notables dans les infrastructures à grande échelle.

En revanche, les systèmes de câbles CC HTS éliminent les pertes résistives, quel que soit le niveau de courant ou la longueur du câble. Ils sont donc particulièrement adaptés aux transmissions longue distance de grande capacité, les environnements urbains denses et les infrastructures critiques.

Les principaux avantages de la technologie HTS dans les applications de courant continu sont les suivants:

• Transmission sans perte sur les réseaux haute tension (HT), moyenne tension (MT) et basse tension (BT).
• Réduction de la consommation d'énergie, amélioration de la durabilité et diminution des coûts d'exploitation.
• Encombrement réduit, permettant des installations compactes dans des espaces restreints.
• Fiabilité accrue, avec une réduction de la production de chaleur et des exigences simplifiées en matière de refroidissement.

Une illustration concrète de la mise en application de cette technologie est le premier système de câble à courant continu supraconducteur au monde déployé par SNCF Réseau à la gare Montparnasse à Paris, en France. Cette installation démontre que les systèmes supraconducteurs à courant continu contribuent à moderniser les infrastructures critiques, augmentant les capacités de transmission du réseau d’énergie, réduisant les pertes et favorisant une utilisation plus efficace de l'énergie.

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 infrastructures.

In the event of a short circuit or fault condition, SFCLs instantly and automatically limit excessive current without the need for mechanical intervention. Unlike conventional protection devices, which rely on opening a circuit to interrupt current flow, superconducting fault current limiters use the intrinsic properties of superconductors to transition rapidly from a superconducting (zero-resistance) state to a resistive state. This transition happens within milliseconds, allowing SFCLs to absorb and limit the fault current before it can damage downstream equipment.

This capability provides several key benefits for the rail industry:

Dans le contexte des installations à grande échelle et à l'échelle du gigawatt - où les perturbations électriques peuvent avoir des conséquences opérationnelles et financières importantes - 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 infrastructures.

Vers un transport ferroviaire plus durable

L'électrification est au cœur de la durabilité dans le secteur ferroviaire. Actuellement, environ 50 % de la consommation énergétique mondiale du rail provient de l'électricité (Union internationale des chemins de fer (UIC)). Cette transition, associée à l'intégration des sources d'énergie renouvelables, change la donne en matière de réduction des émissions. L'industrie ferroviaire se tourne vers des solutions qui contribueront à réduire la consommation d'énergie et à améliorer et pérenniser ses infrastructures ferroviaires et permettront une meilleure distribution de l'énergie et une transmission des données/signaux avec un minimum de pertes énergétiques, tout en garantissant la sécurité des opérations.

La supraconductivité, jusqu'ici cantonnée au domaine de la recherche, est de plus en plus utilisée dans le secteur industriel, et présente de nombreux avantages qui permettront de transformer les infrastructures ferroviaires. L'intégration de câbles supraconducteurs et de limiteurs de courant de défaut permet au secteur ferroviaire 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.

Le secteur ferroviaire peut tirer parti de cette technologie pour moderniser ses infrastructures:

• L'innovation, pilier du développement ferroviaire : l'intégration de la supraconductivité contribuera à moderniser les infrastructures et à renforcer la fiabilité des réseaux.
• La supraconductivité, vecteur d'une mobilité sans énergie fossile : la raréfaction des énergies fossiles souligne la nécessité de trouver des alternatives durables, le rail se positionnant au coeur de cette mobilité durable.
• Durabilité et performance vont de pair : les technologies supraconductrices offrent une opportunité unique de combiner efficacité, responsabilité environnementale et viabilité économique.

Alors que les systèmes énergétiques mondiaux s'orientent vers l'électrification et la décarbonation, l'industrie ferroviaire doit s'aligner sur les principes de la transition énergétique. La technologie HTS soutient directement cette trajectoire en:

• Réduisant les pertes énergétiques
• Facilitant l'intégration de sources d'énergie renouvelable 
• Soutenant une conception optimisée, modulaire et durable des infrastructures

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 applications de centres de données. En d'autres termes, pour les câbles HT, MT et BT, Nexans est actuellement le seul fabricant au monde capable de répondre à tous ces besoins, tout en offrant une solution aux acteurs du secteur qui cherchent à augmenter la capacité des infrastructures.