Supraconducteurs dans le vent

© Jasper Carlberg

ENQUêTE  Les futures éoliennes offshore de 10 MW misent sur des générateurs à base de supraconducteurs. Une rupture technologique séduisante, mais qui doit encore faire ses preuves.

Le gigantisme ne fait pas peur aux fabricants d'éoliennes offshore. Alstom testera dès 2012 un modèle dont le rotor fait 150 mètres de diamètre, et qui affichera une puissance de 6 MW. Le danois Vestas annonce une éolienne de 7 MW, avec un rotor de 163 mètres. Et pour atteindre 10 MW, c'est un rotor de 200 mètres de diamètre qu'il faudra faire tourner ! Une surenchère justifiée par un seul critère : le prix du kilowattheure de l'électricité produite.

Vu le coût d'installation d'une éolienne en mer, augmenter la puissance de chaque unité est un gage de rentabilité. Fabriquer des pales géantes est un défi. Mais pour monter en puissance, les constructeurs sont aussi contraints de faire évoluer la technologie du générateur électrique. Voire d'envisager une rupture. Pour de futures éoliennes de 10 à 15 MW, General Electric (GE) cherche à remplacer le générateur à base de câble en cuivre, embarqué dans la nacelle, par un générateur supraconducteur. Une option radicale et ambitieuse, mais qui permettrait, grâce à la densité de puissance autorisée par la supraconductivité, de passer le cap des 10 MW sans augmenter le poids et la taille de la nacelle. Et donc de limiter les coûts d'infrastructure sous-marine et d'installation.

"La technologie actuelle, extrapolée à une éolienne de 10 MW, donnerait un générateur de 200 tonnes. Le générateur supraconducteur devrait être au moins deux fois plus léger", affirme Kiruba Haran, le directeur de l'Electric Machines Lab chez GE. Le projet, soutenu par le Department of Energy, n'est pas le seul. Advanced Magnet Lab (AML), un spécialiste des aimants supraconducteurs installé en Floride, s'est lui aussi lancé dans l'aventure. Tandis qu'AMSC, fabricant américain de câbles supraconducteurs qui se diversifie dans les turbines d'éoliennes, a conçu une éolienne de 10 MW qu'il cherche à vendre sous licence. Malgré son nom - SeaTitan -, sa nacelle n'est pas plus encombrante que celle d'une machine de 5 MW.

En fait, les éoliennes de plus de 5 MW qui sont en passe d'être testées ont déjà subi une évolution majeure. Alstom, Siemens, GE ont opté pour des turbines à entraînement direct, dans lesquelles le rotor fait tourner l'alternateur, à faible vitesse. Un principe qui supprime le multiplicateur mécanique (la "boîte de vitesses"), cause principale des défaillances des éoliennes offshore. "C'est un peu plus cher, mais compte tenu de la réduction des coûts de maintenance, le coût global de l'énergie produite est optimisé", précise Frédéric Hendrick, le vice-président offshore chez Alstom.

La technologie à entraînement direct présente tout de même un inconvénient : elle impose de doubler le diamètre de la nacelle. Ce qui, pour monter en puissance, risque de poser rapidement des problèmes. C'est l'argument massue des promoteurs de l'option supraconducteur. "Notre objectif est de construire une éolienne de 10 MW dont la nacelle aura le diamètre d'une éolienne actuelle de 2 MW", indique Philippe Masson, le responsable scientifique du projet chez AML. Tout le monde n'est pas aussi optimiste. Pour Alstom, c'est clair : la supraconductivité n'est pas aujourd'hui une option fiable, et c'est avec des technologies traditionnelles qu'il faudra monter en puissance.

Maintien à bonne température

Nouveau venu dans le secteur de l'énergie du vent, AML mise au contraire sur l'innovation, en choisissant le supraconducteur MgB2, découvert il y a dix ans seulement. "Son procédé de fabrication est plus simple que celui des matériaux 'haute température' du type YBCO [oxyde de baryium, de cuivre et d'yttrium]. Son prix, exprimé en dollars par kiloampère et par mètre, devrait être cinq fois inférieur", affirme Philippe Masson. Si AMSC, lui, a fait le choix d'utiliser le supraconducteur YBCO, c'est parce qu'il a industrialisé sa production sous la marque Amperium. Mais aussi parce qu'il a pu l'expérimenter dans une machine tournante : un moteur de propulsion électrique supraconducteur, testé sur un navire de l'US Navy.

Le système de refroidissement, qui maintient le supraconducteur à sa température de fonctionnement, doit être d'une fiabilité irréprochable. Le système cryogénique de la turbine SeaTitan, souligne AMSC, n'utilise que des composants validés par l'industrie. Certains ont une durée de vie (MTBF) de plus de cent ans. De son côté, AML signale avoir choisi un procédé de refroidissement qui est déjà embarqué dans le télescope spatial Hubble... qui lui non plus n'est pas facilement accessible pour la maintenance. Quant à GE, il met en avant son expérience dans l'imagerie médicale. "Nous avons déjà investi des centaines de millions de dollars pour fiabiliser les systèmes cryogéniques des aimants de nos équipements d'IRM. Nous allons partir de cette technologie pour bâtir le refroidissement des générateurs d'éoliennes", souligne Kiruba Haran.

La mise au point des futures éoliennes à supraconducteur ne se limite pas à ces choix technologiques, certes décisifs. Les ingénieurs devront aussi affronter des questions de pure mécanique, et un problème crucial d'isolation thermique, vu les températures de fonctionnement. Il y a donc du pain sur la planche, surtout pour AML. Contrairement à ses concurrents qui limitent l'usage de supraconducteurs au rotor du générateur - la partie inductrice entraînée par les pales -, l'américain veut aussi transformer le stator, siège du courant alternatif induit. Pour construire dès 2015 le premier générateur d'éolienne "full superconducting".