Une alliance d’aluminium plus solide et plus conductrice pour améliorer les câbles de transmission vieillissants ?
Dans les lignes électriques, les câbles conducteurs transfèrent l’énergie sur de longues distances à travers le réseau pour la distribuer là où elle est nécessaire. La plupart des lignes électriques sont constituées de conducteurs métalliques et d’alliages. Les câbles comportent une enveloppe extérieure en aluminium abritant un matériau central moins conducteur mais plus robuste, souvent de l’acier. Ces câbles sont connus sous le nom de câbles en aluminium-acier renforcé.
NanoAL, une startup de recherche sur les matériaux, développe un câble en alliage d’aluminium avec cœur en acier, conçu pour remplacer les fils conventionnels afin d’améliorer la transmission de l’énergie.
Câbles de transmission. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pexels
Faiblesses des lignes électriques traditionnelles
La plupart des lignes électriques sont basées sur un brevet de 1908 et nécessitent une mise à niveau pour transporter plus d’électricité afin de répondre aux besoins énergétiques croissants de la société moderne. Des études montrent que si les États-Unis utilisent des matériaux conducteurs avancés commercialement disponibles dans les câbles du réseau, cela pourrait permettre de réaliser des économies allant jusqu’à 140 milliards de dollars pour les consommateurs et d’éviter 2,4 milliards de tonnes d’émissions de carbone au cours des dix prochaines années.
Le développement de systèmes de matériaux avancés adaptés aux câbles du réseau plutôt que l’utilisation de matériaux conducteurs standard peut encore améliorer ces chiffres. Les matériaux conducteurs avancés pourraient réduire la nécessité d’augmenter le nombre de lignes électriques aux États-Unis tout en décarbonisant le réseau électrique.
La plupart des lignes de transmission actuelles sont construites en aluminium enroulé autour d’un cœur en acier. La résistance de l’acier protège les lignes contre l’affaissement dans des conditions météorologiques défavorables, telles que des vents violents et la neige, et ralentit la dégradation générale des matériaux au fil du temps. Cependant, malgré les avantages mécaniques de l’acier, ce matériau n’est pas considéré comme un conducteur idéal. L’acier est environ dix fois moins conducteur que l’aluminium. Bien que la fabrication de câbles entièrement en aluminium augmenteraient la conductivité, les lignes deviendraient alors faibles, s’affaisseraient et se casseraient rapidement.
Alliage d’aluminium conducteur mais résistant
NanoAL a amélioré l’interaction entre la résistance mécanique et la conductivité électrique en développant un alliage d’aluminium 60% plus résistant que les autres alliages d’aluminium actuels. Il est 700% plus conducteur que les cœurs traditionnels en acier. De plus, ces alliages sont 19% plus résistants que les cœurs en acier traditionnels, avec une résistance à la traction de plus de 500 MPa et une résistance spécifique de 189 MPa*cm3/g.
Alliage de NanoAL comparé à d’autres matériaux. Image utilisée avec l’aimable autorisation de NanoAL
Le cuivre est un métal plus conducteur utilisé dans d’autres applications de câbles, mais il est inapproprié pour les lignes de transmission pour plusieurs raisons. L’alliage d’aluminium de NanoAL a une conductivité électrique atteignant 48% de celle du cuivre recuit standard, montrant ainsi son haut niveau de conductivité et son potentiel.
Le câble proposé par NanoAL utilise son alliage d’aluminium Nano 6000-T9 comme cœur. Il est enroulé dans un alliage d’aluminium 1350 contenant plus de 99,5% d’aluminium mais avec une teneur relativement élevée en fer et en silicium (par rapport à d’autres éléments d’alliage) pour renforcer le matériau par durcissement par solution solide.
À mesure que les États-Unis construisent davantage de parcs éoliens et solaires dans des endroits éloignés, les lignes de transmission seront exposées à des intempéries telles que vents violents, rayons du soleil et chaleur localisée. Les câbles doivent être améliorés pour résister à ces effets environnementaux. Remplacer le cœur en acier par des matériaux en aluminium conducteurs mais renforcés pourrait également rendre les câbles de transmission plus efficaces. À long terme, ces améliorations pourraient permettre d’économiser de l’argent et de réduire l’empreinte carbone du réseau en réduisant les pertes d’énergie.
Collaborations et potentiel de mise à l’échelle
NanoAL s’est fixé comme objectif de développer un alliage d’aluminium ayant une résistance comparable à celle de l’acier, remplaçant directement l’acier à haute résistance utilisé dans les lignes électriques.
NanoAL a travaillé sur le projet avec General Cable, une filiale du groupe Prysmian. Ces deux entreprises ont développé des alliages d’aluminium pour diverses applications par le passé. La collaboration a aidé NanoAL à définir les exigences des clients et des applications pour les matériaux des câbles et les processus nécessaires pour la mise à l’échelle. Ensuite, NanoAL et General Cable développeront le potentiel commercial et évalueront l’échelle de production du matériau.
Avancée dans la compétition CABLE
NanoAL est finaliste dans la compétition du Département de l’Énergie pour les matériaux à conductivité améliorée pour des applications électriques et thermiques abordables et innovantes (CABLE). Les gagnants recevront 500 000 $ pour développer davantage leurs matériaux.