Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 1 PCT/FR2012/000282
Aluminerie comprenant des conducteurs électriques en matériau supraconducteur
La présente invention concerne une aluminerie, et plus particulièrement le
système
de conducteur électrique d'une aluminerie.
Il est connu de produire l'aluminium industriellement à partir d'alumine par
électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve
d'électrolyse
composée notamment d'un caisson en acier, d'un revêtement intérieur
réfractaire, et
d'une cathode en matériau carboné, reliée à des conducteurs servant à
l'acheminement
du courant d'électrolyse. La cuve d'électrolyse contient également un bain
électrolytique
constitué notamment de cryolithe dans lequel est dissout de l'alumine. Le
procédé de
Hall-Héroult consiste à plonger partiellement un bloc carboné constituant
l'anode dans ce
bain électrolytique, l'anode étant consommée au fur et à mesure de l'état
d'avancement
de la réaction. Au fond de la cuve d'électrolyse se forme une nappe
d'aluminium liquide.
Généralement, les usines de production d'aluminium comprennent plusieurs
centaines de cuves d'électrolyse. Ces cuves d'électrolyse sont parcourues par
un courant
d'électrolyse élevé de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'ampères.
Certaines problématiques sont courantes dans une aluminerie; elles consistent
notamment en la réduction des coûts en matière d'énergie consommée, de
matériau
utilisé pour réaliser les conducteurs électriques et en la diminution de
l'encombrement afin
d'augmenter la production sur une même surface.
Une autre problématique résulte de l'existence d'un champ magnétique important
généré par le courant d'électrolyse. Ce champ magnétique perturbe le
fonctionnement
des cuves dont il diminue le rendement. La composante verticale de ce champ
magnétique, en particulier, provoque l'instabilité de la nappe d'aluminium
liquide.
Il est connu de diminuer la composante verticale du champ magnétique en
.. compensant le champ magnétique à l'échelle d'une cuve d'électrolyse. Cette
solution est
mise en oeuvre grâce à une disposition particulière des conducteurs acheminant
le
courant d'électrolyse d'une cuve N à une cuve N+1. Ces conducteurs,
généralement des
barres en aluminium, contournent les extrémités de la cuve N. La figure 1
illustre
schématiquement, vue de dessus, une cuve 100 d'électrolyse dans laquelle le
champ
magnétique est auto-compensé grâce à la disposition des conducteurs 101
reliant cette
cuve 100 à la cuve suivante 102 placée en aval. A cet effet, on remarque que
les
conducteurs 101 sont excentrés par rapport à la cuve 100 qu'ils contournent.
Un exemple
de cuve auto-compensée magnétiquement est connu notamment du document de
brevet
FR2469475.
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 2 PCT/FR2012/000282
Cette solution impose beaucoup de contraintes de conception en raison de
l'encombrement important dû à la disposition particulière des conducteurs. De
plus, la
longueur importante des conducteurs, généralement en aluminium, pour la mise
en
oeuvre de cette solution implique des coûts en matériau élevés et
d'importantes pertes
d'énergie par effet résistif des conducteurs.
Une autre solution pour diminuer la composante verticale du champ magnétique
consiste à utiliser un circuit électrique secondaire formé par un ou plusieurs
conducteurs
électriques métalliques. Ce circuit électrique secondaire longe classiquement
l'axe ou les
axes d'alignement des cuves d'électrolyse de l'aluminerie. Il est parcouru par
un courant
dont l'intensité est égale à un certain pourcentage de l'intensité du courant
d'électrolyse,
et génère de ce fait un champ magnétique compensant les effets du champ
magnétique
créé par le courant d'électrolyse.
Il est notamment connu du document de brevet FR2425482 l'utilisation d'un
circuit
secondaire pour réduire l'effet du champ magnétique créé par la file de cuves
voisine au
moyen d'une boucle intérieure et/ou extérieure transportant un courant
d'intensité de
l'ordre de 5% à 20% de l'intensité du courant d'électrolyse. Il est par
ailleurs connu de
l'article Application of High-Tc Superconductors in Aluminum Electrolysis
Plants de
Magne Runde dans IEEE Transactions on applied superconductivity, vol 5, N 2,
June
1995 que l'emploi de matériau supraconducteur pour réaliser un tel circuit
secondaire
n'est pas viable économiquement.
Il est également connu du document de brevet EP0204647 l'utilisation d'un
circuit
secondaire pour réduire l'effet du champ magnétique généré par les conducteurs
de cuve
à cuve au moyen de boucles transportant un courant d'intensité de l'ordre de
20% à 70%
de l'intensité du courant d'électrolyse et dans le même sens que le courant
d'électrolyse.
Néanmoins, cette solution est coûteuse dans la mesure où elle nécessite une
grande quantité de matériau, classiquement de l'aluminium, afin de réaliser ce
ou ces
circuits électriques secondaires. Elle est également coûteuse en énergie
puisqu'il est
nécessaire d'alimenter en courant le ou les circuit(s) électrique(s)
secondaire(s). Enfin,
elle nécessite l'installation de stations d'alimentation (ou générateurs) de
puissance et de
dimensions importantes.
Aussi la présente invention a pour but de remédier à tout ou partie des
inconvénients cités ci-dessus et d'apporter une solution aux problématiques
rencontrées
dans une usine de production d'aluminium en proposant une aluminerie dont les
coûts de
fabrication et d'exploitation sont sensiblement réduits et offrant un
encombrement
moindre.
3
A cet effet, la présente invention a pour objet une aluminerie comprenant :
(i) une série de cuves d'électrolyse, destinées à la production d'aluminium,
formant une
ou plusieurs files,
(ii) une station d'alimentation électrique destinée à alimenter la série de
cuves
d'électrolyse en courant d'électrolyse 11,
ladite station d'alimentation électrique comprenant deux pôles,
(iii) un circuit électrique principal, destiné à être parcouru par le courant
d'électrolyse 11,
présentant deux extrémités reliées chacune à l'un des pôles de la station
d'alimentation
électrique,
(iv) au moins un circuit électrique secondaire comprenant un conducteur
électrique en
matériau supraconducteur, destiné à être parcouru par un courant (12, 13),
longeant la ou les
files de cuves d'électrolyse,
caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du
circuit
électrique secondaire longe au moins deux fois la ou les files de cuve
d'électrolyse, de
manière à réaliser plusieurs tours en série.
L'utilisation d'au moins un conducteur électrique en matériau supraconducteur
permet
notamment de réduire la consommation d'énergie globale de l'aluminerie, donc
les coûts
d'exploitation de l'aluminerie. De plus, du fait de leur encombrement moindre,
les
conducteurs électriques en matériau supraconducteur permettent une meilleure
gestion de la
place disponible à l'intérieur de l'aluminerie. En raison de leur masse plus
faible que celle des
conducteurs équivalents en aluminium, cuivre ou acier, les conducteurs
électriques en
matériau supraconducteur nécessitent des structures de support moins
importantes donc
moins coûteuses.
Du fait de l'existence de pertes énergétiques au niveau des jonctions entre un
conducteur électrique en matériau supraconducteur et un conducteur électrique
classique, un
conducteur électrique en matériau supraconducteur est particulièrement
avantageux lorsqu'il
présente une longueur importante.
L'utilisation d'un circuit secondaire en matériau supraconducteur permet de
réduire les
effets néfastes du champ magnétique généré par le courant d'électrolyse sur
les liquides
CA 2841300 2018-10-15
3a
contenus dans les cuves, en réalisant des économies d'énergie du fait de la
résistivité quasi-
nulle des conducteurs électriques en matériau supraconducteur maintenus en-
dessous de
leur température critique.
CA 2841300 2018-10-15
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 4 PCT/FR2012/000282
En outre, la boucle formée par le circuit électrique secondaire longe à
plusieurs
reprises la ou les files de cuves, et comprend plusieurs tours en série. Cela
permet de
diviser par le nombre de tours la valeur de l'intensité du courant parcourant
le conducteur
électrique en matériau supraconducteur, et par conséquent de réduire le coût
de la station
d'alimentation électrique destinée à délivrer ce courant au circuit électrique
secondaire et
le coût des jonctions entre les pôles de la station d'alimentation et le
conducteur
électrique en matériau supraconducteur.
Avantageusement, le conducteur électrique en matériau supraconducteur du
circuit
électrique secondaire comporte une enveloppe cryogénique unique, à
l'intérieure de
laquelle passent côte à côte les tours réalisés par ledit conducteur
électrique en matériau
supraconducteur. Un tel mode de réalisation permet de diminuer la longueur de
l'enveloppe cryogénique et la puissance du système de refroidissement.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, le
conducteur
électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire est
flexible et
présente au moins une partie courbe.
Ainsi, le circuit électrique secondaire peut comporter une ou plusieurs
portions non
rectiligne(s). La flexibilité du conducteur électrique en matériau
supraconducteur permet
d'éviter des obstacles (donc de s'adapter aux contraintes spatiales de
l'aluminerie), mais
aussi d'affiner localement la compensation du champ magnétique.
De manière avantageuse, le conducteur électrique en matériau supraconducteur
du
circuit électrique secondaire est placé, en partie, à l'intérieur d'une
enceinte formant
bouclier magnétique.
Cette caractéristique présente l'avantage d'éviter que le conducteur
électrique en
matériau supraconducteur ne génère un champ magnétique alentour. En
particulier, cela
permet de créer des zones de passage pour des engins ou véhicules dont le
fonctionnement serait perturbé par l'intensité du champ magnétique au niveau
de ces
zones de passage en l'absence de bouclier magnétique. Cela permet aussi
d'éviter de
recourir à des engins coûteux possédant un blindage les protégeant de forts
champs
magnétiques.
Préférentiellement, l'enceinte formant bouclier magnétique est localisée à au
moins
une des extrémités de la ou des files de cuves d'électrolyse.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, le circuit
électrique
secondaire comprend deux extrémités, chaque extrémité dudit circuit électrique
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 5 PCT/FR2012/000282
secondaire étant reliée à un pôle électrique d'une station d'alimentation
distincte de la
station d'alimentation du circuit principal.
Avantageusement, le conducteur électrique en matériau supraconducteur du
circuit
électrique secondaire longe la ou les files de cuves d'électrolyse un nombre
de fois
prédéterminé afin de permettre l'utilisation d'une station d'alimentation du
circuit électrique
secondaire délivrant un courant d'intensité comprise entre 5 kA et 40 kA.
Le conducteur électrique en matériau supraconducteur réalise ainsi autant de
tours
en série que nécessaire pour permettre d'utiliser une station d'alimentation
pouvant être
aisément trouvée dans le commerce et économiquement intéressante.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, au moins
une partie
du conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique
secondaire est
disposée sous au moins une cuve d'électrolyse de la ou des files.
Selon encore une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, une
partie
au moins du conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit
électrique
secondaire longe le côté droit et/ou le côté gauche des cuves d'électrolyse de
la ou des
files.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, chaque
conducteur
électrique en matériau supraconducteur est formé par un câble comprenant une
âme
centrale en cuivre ou en aluminium, au moins une fibre en matériau
supraconducteur et
une enveloppe cryogénique.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, l'enveloppe
cryogénique est parcourue par un fluide de refroidissement.
De manière avantageuse, le fluide de refroidissement est de l'azote liquide
et/ou de
l'hélium.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est
exposée
ci-dessous en regard des figures annexées dans lesquelles :
- La figure 1 est une vue schématique de dessus d'une cuve d'électrolyse
appartenant à l'état de la technique,
- La figure 2 est une vue de côté d'une cuve d'électrolyse de l'état de la
technique,
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 6 PCT/FR2012/000282
- Les figures 3, 4, 5, 6 et 7 sont des vues schématiques de dessus d'une
aluminerie, dans lesquels au moins un conducteur électrique en matériau
supraconducteur est utilisé dans un circuit électrique secondaire,
- Les figures 8 et 9 sont des vues schématiques de dessus d'une aluminerie,
dans
lesquels un conducteur électrique en matériau supraconducteur est utilisé dans
le circuit
électrique principal,
- La figure 10 est une vue schématique partielle et de dessus d'une aluminerie
comprenant un circuit électrique secondaire munie d'une partie courbe,
- La figure 11 est une vue en coupe d'une cuve d'électrolyse d'une aluminerie
présentant un positionnement particulier des conducteurs électriques en
matériau
supraconducteur de deux circuits électriques secondaires, et présentant
également le
positionnement qu'il aurait fallu utiliser avec des conducteurs électriques
classiques en
aluminium ou en cuivre,
La figure 2 montre un exemple classique de cuve 2 d'électrolyse. La cuve 2
d'électrolyse comprend notamment un caisson 3 métallique, par exemple en
acier. Le
caisson 3 métallique est garni intérieurement par des matériaux réfractaires
et/ou isolants,
par exemple des briques. La cuve 2 d'électrolyse comporte également une
cathode 6 en
matériau carboné et une pluralité d'anodes 7, destinées à être consommées au
fur et à
mesure de la réaction d'électrolyse dans un bain 8 électrolytique comportant
notamment
de la cryolithe et de l'alumine. Une couverture d'alumine et de bain broyé
recouvre
généralement le bain 8 électrolytique et au moins partiellement les anodes 7.
Au cours de
la réaction d'électrolyse, une nappe 10 d'aluminium liquide se forme. La
cathode 6 est
reliée électriquement à des sorties cathodiques 9 sous forme de barres
métalliques
traversant le caisson 3, les sorties cathodiques 9 étant elles-mêmes reliées à
des
conducteurs 11 électriques de cuve à cuve. Les conducteurs 11 électriques de
cuve à
cuve permettent l'acheminement du courant d'électrolyse 11 d'une cuve 2
d'électrolyse à
une autre. Le courant d'électrolyse 11 traverse les éléments conducteurs de
chaque cuve
2 d'électrolyse : d'abord une anode 7, ensuite le bain 8 électrolytique, la
nappe 10
d'aluminium liquide, la cathode 6 et enfin les conducteurs 11 électriques de
cuve à cuve
reliés aux sorties cathodiques 9, permettant d'acheminer ensuite le courant
d'électrolyse
11 à une anode 7 de la cuve 2 d'électrolyse suivante.
Les cuves 2 d'électrolyse d'une aluminerie 1 sont classiquement disposées et
connectées électriquement en série. Une série peut comprendre une ou plusieurs
files F
de cuves 2 d'électrolyse. Lorsque la série comporte plusieurs files F, celles-
ci sont
CA 02941300 2014-01-08
WO 2013/007893 7 PCT/FR2012/000282
généralement rectilignes et parallèles les unes aux autres, et sont
avantageusement en
nombre pair.
L'aluminerie 1, dont un exemple est visible sur la figure 3, comprend un
circuit
électrique principal 15 parcouru par un courant d'électrolyse 11. L'intensité
du courant
d'électrolyse 11 peut atteindre des valeurs de l'ordre de plusieurs centaines
de milliers
d'Ampères, par exemple de l'ordre de 300 kA à 600 kA.
Une station 12 d'alimentation alimente la série de cuves 2 d'électrolyse en
courant
d'électrolyse 11. Les extrémités de la série de cuves 2 d'électrolyse sont
reliées chacune à
un pôle électrique de la station d'alimentation 12. Des conducteurs 13
électriques de
liaison relient les pôles électriques de la station 12 d'alimentation aux
extrémités de la
série.
Les files F d'une série sont reliées électriquement en série. Un ou plusieurs
conducteurs 14 électriques de liaison permettent l'acheminement du courant
d'électrolyse
11 de la dernière cuve 2 d'électrolyse d'une file F à la première cuve 2
d'électrolyse de la
file F suivante.
Le circuit électrique principal 15 est constitué des conducteurs 13
électriques de
liaison reliant les extrémités de la série de cuves 2 d'électrolyse à la
station 12
d'alimentation, des conducteurs 14 électriques de liaison reliant les files F
de cuves 2
d'électrolyse les unes aux autres, des conducteurs 11 électriques de cuve à
cuve reliant
deux cuves 2 d'électrolyse d'une même file F, et des éléments conducteurs de
chaque
cuve 2 d'électrolyse.
De façon classique, 50 à 500 cuves 2 d'électrolyse sont reliées en série et
s'étendent sur deux files F de plus de lkm de longueur chacune.
L'aluminerie 1 selon un mode de réalisation de la présente invention comprend
également un ou plusieurs circuits électriques secondaires 16, 17, visibles
par exemple
sur la figure 3. Ces circuits électriques secondaires 16, 17 longent
classiquement les files
F de cuves 2 d'électrolyse. Ils permettent de compenser le champ magnétique
généré par
la valeur élevée de l'intensité du courant d'électrolyse 11, causant
l'instabilité du bain 8
électrolytique et affectant donc le rendement des cuves 2 d'électrolyse.
Chaque circuit électrique secondaire 16, 17 est parcouru respectivement par un
courant 12, 13, délivré par une station 18 d'alimentation. La station 18
d'alimentation de
chaque circuit secondaire 16, 17 est distincte de la station 12 d'alimentation
du circuit
principal 15.
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 8 PCT/FR2012/000282
L'aluminerie 1 comprend au moins un circuit électrique secondaire 16, 17 muni
d'un
conducteur électrique en matériau supraconducteur.
Ces matériaux supraconducteurs peuvent par exemple comporter du BiSrCaCuO,
du YaBaCuO, du MgB2, des matériaux connus des demandes de brevet W02008011184,
US20090247412 ou encore d'autres matériaux connus pour leurs propriétés
supraconductrices.
Les matériaux supraconducteurs sont utilisés pour transporter du courant avec
peu
ou pas de perte par génération de chaleur par effet Joule, car leur
résistivité est nulle
lorsqu'ils sont maintenus en-dessous de leur température critique. En raison
de cette
absence de perte d'énergie, il est possible de consacrer un maximum de
l'énergie reçu
par l'aluminerie (par exemple 600kA et 2kV) au circuit électrique principal 15
qui produit
de l'aluminium, et notamment d'augmenter le nombre de cuves 2.
A titre d'exemple, un câble supraconducteur utilisé pour mettre en oeuvre la
présente invention comprend une âme centrale en cuivre ou en aluminium, des
rubans ou
des fibres en matériau supraconducteur, et une enveloppe cryogénique.
L'enveloppe
cryogénique peut être formée par une gaine contenant un fluide de
refroidissement, par
exemple de l'azote liquide. Le fluide de refroidissement permet de maintenir
la
température des matériaux supraconducteurs à une température inférieure à leur
température critique, par exemple inférieure à 100 K (Kelvin), ou comprise
entre 4 K et 80
K.
Du fait que les pertes en énergie se situent aux jonctions du conducteur
électrique
en matériau supraconducteur avec les autres conducteurs électriques, les
conducteurs
électriques en matériau supraconducteur sont particulièrement avantageux
lorsqu'ils
présentent une certaine longueur, et plus particulièrement une longueur égale
ou
supérieure à 10m.
Les figures 3, 4 et 5 illustrent, à titre d'exemples non exhaustifs,
différents modes de
réalisation possible d'une aluminerie 1. Les conducteurs électriques en
matériau
supraconducteur sont représentés par des traits pointillés sur les différentes
figures.
L'exemple de la figure 3 montre une aluminerie 1 comprenant deux circuits
électriques secondaires 16 et 17, respectivement parcourus par des courants
d'intensité
12 et 13 et alimentés chacun par une station 18 d'alimentation. Les courants
12 et 13
parcourent les circuits électriques secondaires 16 et 17 respectifs dans le
même sens que
le courant d'électrolyse 11. Les circuits électriques secondaires 16 et 17
réalisent dans ce
cas de figure une compensation du champ magnétique généré par les conducteurs
11
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 9 PCT/FR2012/000282
électriques de cuve à cuve. L'intensité de chacun des courants électriques 12,
13 est
importante par exemple comprise entre 20 % et 100 % de l'intensité du courant
d'électrolyse 11 et préférentiellement de 40% à 70%.
La compensation du champ magnétique de la file F voisine peut être obtenue
avec
l'exemple de la figure 4. L'aluminerie 1 illustrée à la figure 4 comprend un
circuit électrique
secondaire 17 formant une boucle interne, parcouru par un courant électrique
13.
Il est également possible de compenser le champ magnétique de la file F
voisine en
prévoyant un unique circuit secondaire 16 formant une boucle externe, parcouru
par un
courant 12 cheminant dans le sens contraire du courant d'électrolyse 11, comme
cela est
.. illustré sur la figure 5.
L'utilisation de conducteurs électriques en matériau supraconducteur pour
former le
ou les circuits secondaires 16, 17 est intéressante du fait de la longueur, de
l'ordre de
deux kilomètres, des circuits électriques secondaires 16, 17. L'utilisation de
conducteurs
électriques en matériau supraconducteur nécessite une tension moindre par
rapport à
celle nécessitée par des conducteurs électriques en aluminium ou en cuivre.
Ainsi, il est
possible de diminuer la tension de 30 V à 1 V lorsque le ou les circuits
électriques
secondaires 16, 17 comprennent des conducteurs électriques en matériau
supraconducteur. Cela représente une réduction de la consommation d'énergie de
l'ordre
de 75 % à 99 % par rapport à des conducteurs électriques en aluminium de type
classique. De plus, le coût de la station 18 d'alimentation du ou des circuits
électriques
secondaires est réduit en conséquence.L'aluminerie 1 comprend un circuit
électrique
secondaire 16, 17 muni d'un conducteur électrique en matériau supraconducteur
et
longeant sensiblement au même endroit avantageusement au moins deux fois une
même
file F de cuves 2 d'électrolyse, comme cela est notamment visible sur les
figures 6 et 7.
Le fait que la boucle formée par un circuit électrique secondaire 16, 17
comprenne
plusieurs tours en série permet pour un même effet magnétique de diviser
l'intensité du
courant 12, 13 traversant le circuit électrique secondaire 16, 17 autant de
fois que le
nombre de tours réalisés. La réduction de la valeur de cette intensité permet
par ailleurs
de diminuer les pertes d'énergie par effet Joule au niveau des jonctions et le
cout des
jonctions entre les conducteurs électriques en matériau supraconducteur et les
conducteurs électriques d'entrée ou de sortie du circuit électrique secondaire
16, 17. La
diminution de l'intensité globale parcourant chaque circuit électrique
secondaire 16, 17
avec des conducteurs électriques en matériau supraconducteur permet de
diminuer la
taille de la station 18 d'alimentation qui leur est associée. Par exemple,
pour une boucle
devant délivrer un courant de 200 kA, vingt tours de conducteur électrique en
matériau
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 10 PCT/FR2012/000282
supraconducteur permettent d'utiliser une station 18 d'alimentation délivrant
10kA. De
même, quarante tours de conducteur électrique en matériau supraconducteur
permettraient d'utiliser une station d'alimentation délivrant un courant
d'intensité égale à 5
kA. Cela permet ainsi d'utiliser des équipements couramment vendus dans le
commerce
et donc peu onéreux.
De plus, l'utilisation d'un ou plusieurs tours en série pour former les
circuits
électriques secondaires 16, 17 en matériau supraconducteur présente l'avantage
de
diminuer les champs magnétiques sur le trajet entre la station 18
d'alimentation et la
première et la dernière cuve 2 d'électrolyse car on a une intensité faible sur
ce trajet (un
seul passage du conducteur électrique).
Le faible encombrement des conducteurs électriques en matériau supraconducteur
par rapport à des conducteurs électriques en aluminium ou en cuivre (section
jusqu'à 150
fois plus faible que la section d'un conducteur en cuivre pour une intensité
égale, et
davantage encore par rapport à un conducteur en aluminium) facilite la
réalisation de
.. plusieurs tours en série dans les boucles formées par les circuits
électriques secondaires
16, 17.
L'aluminerie 1 selon le mode de réalisation illustré à la figure 6 comprend un
circuit
électrique secondaire 16 dont les conducteurs électriques longent en série à
deux
reprises les files F de la série. Sur l'exemple de réalisation de la figure 7,
l'aluminerie 1
comprend un circuit électrique secondaire 16 longeant à la fois le côté gauche
et le côté
droit des cuves 2 d'électrolyse de la série (côté gauche et côté droit étant
définis par
rapport à un observateur placé au niveau du circuit électrique principal 15 et
orientant son
regard dans le sens de circulation global du courant d'électrolyse 11). De
plus, les
conducteurs électriques (en matériau supraconducteur) du circuit électrique
secondaire
16 de l'aluminerie 1 représentée sur la figure 7 réalisent plusieurs tours en
série, dont
deux tours en longeant les côtés gauches des cuves 2 de la série et trois
tours en en
longeant les côtés droits. Le nombre de tours pourrait respectivement être
égal à vingt et
trente. La différence entre le nombre de tours à réaliser de chaque côté est
déterminé en
fonction de la distance entre les files afin d'obtenir un équilibre magnétique
optimal.
Du fait de la faible différence de potentiel entre deux tours de conducteur
électrique
en matériau supraconducteur, il est aisé d'isoler électriquement les
différents tours du
conducteur électrique. Un isolant électrique de faible épaisseur placé entre
chaque tour
de conducteur électrique en matériau supraconducteur suffit.
Pour cette raison, et grâce au faible encombrement du conducteur électrique en
matériau supraconducteur, il est possible de contenir le conducteur électrique
en matériau
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 11 PCT/FR2012/000282
supraconducteur d'un circuit à l'intérieur d'une unique enveloppe cryogénique,
et ce
quelque soit le nombre de tours réalisés par ce conducteur. Cette enveloppe
cryogéniquepeut comprendre une gaine thermiquement isolée dans laquelle
circule un
fluide de refroidissement. A un endroit donné, l'enveloppe cryogéniquepeut
donc contenir
côte à côte plusieurs passages du même conducteur électrique en matériau
supraconducteur.
Cela serait plus contraignant avec des conducteurs électriques en aluminium ou
en
cuivre réalisant plusieurs fois le tour de la série de cuves d'électrolyse.
Les conducteurs
électriques en aluminium ou en cuivre sont en effet plus encombrants que les
conducteurs électriques en matériau supraconducteur. De plus, en raison de la
chute de
potentiel importante qui existerait entre chaque tour, il serait nécessaire
d'ajouter des
isolants couteux à mettre en place et à maintenir. Les conducteurs électriques
classiques,
en aluminium ou en cuivre, chauffant en fonctionnement, la mise en place d'un
isolant
entre les différents tours de conducteurs poserait des problèmes d'évacuation
de chaleur.
Les conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent présenter
également l'avantage par rapport aux conducteurs électriques en aluminium ou
en cuivre
d'être flexibles. L'aluminerie 1 peut ainsi comprendre un ou plusieurs
circuits électriques
secondaires 16, 17 comportant un conducteur électrique en matériau
supraconducteur
présentant au moins une partie courbe. Cela permet de contourner les obstacles
19
présents à l'intérieur de l'aluminerie 1, par exemple un pilier, comme cela
est visible sur la
figure 10.
Cela permet également d'ajuster localement la compensation du champ magnétique
dans l'aluminerie 1 en ajustant localement la position du conducteur
électrique en
matériau supraconducteur du ou des circuits électriques secondaires 16, 17,
comme le
permet la partie courbe 16a du circuit électrique secondaire 16 de
l'aluminerie 1 visible
sur la figure 10. Cette flexibilité permet de déplacer le conducteur
électrique en matériau
supraconducteur par rapport à sa position initiale, pour corriger le champ
magnétique en
s'adaptant à l'évolution de l'aluminerie 1 (par exemple l'augmentation de
l'intensité du
courant d'électrolyse 11, ou pour utiliser les résultats des plus récents
calculs de
correction magnétique qui sont permis par les nouvelles puissances des
ordinateurs et les
connaissances générales sur le sujet).
Il est à noter que les conducteurs électriques en matériau supraconducteur du
ou
des circuits électriques secondaires 16, 17 peuvent être disposés sous les
cuves 2
d'électrolyse. En particulier, ils peuvent être enterrés. Cette disposition
est rendue
possible par le faible encombrement des conducteurs électriques en matériau
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 12 PCT/FR2012/000282
supraconducteur d'une part, et par le fait qu'ils ne chauffent pas d'autre
part. Cette
disposition serait difficilement réalisable avec des conducteurs électriques
en aluminium
ou en cuivre, car leur taille est plus importante à intensité égale, et parce
qu'ils chauffent
et nécessitent en conséquence d'être refroidis (couramment au contact de l'air
et /ou avec
des moyens de refroidissements spécifiques). La figure 11 montre, pour une
même
implantation d'aluminerie 1, les emplacements possibles de circuits
électriques
secondaires 16, 17 avec des conducteurs électriques en matériau
supraconducteur et de
circuits électriques secondaires 16', 17' utilisant des conducteurs
électriques en
aluminium. Les circuits électriques secondaires 16', 17' sont placés de part
et d'autre
d'une cuve 2 d'électrolyse. Comme cela est illustré à la figure 1 1 , les
circuits électriques
secondaires 16', 17' empêchent l'accès aux cuves 2 d'électrolyse, par exemple
pour des
opérations de maintenance. Ils ne peuvent cependant être placés sous les cuves
2
d'électrolyse, comme les circuits électriques secondaires 16, 17 avec des
conducteurs
électriques en matériau supraconducteur, car ils présentent un encombrement
plus
important et nécessitent d'être refroidis. Les circuits électriques
secondaires 16, 17
utilisant des conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent en
revanche
être disposés sous les cuves 2 d'électrolyse. L'accès aux cuves 2
d'électrolyse n'est ainsi
pas limité.
Selon un mode particulier de réalisation dont un exemple est représenté sur la
figure 6, les conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent être
contenus
en partie à l'intérieur d'une enceinte 20 formant bouclier magnétique. Cette
enceinte 20
peut être un tube métallique, par exemple en acier. Elle permet de réduire
sensiblement le
champ magnétique à l'extérieur de ce bouclier magnétique. Cela permet ainsi de
créer,
aux endroits où a été placée cette enceinte 20, des zones de passage,
notamment de
véhicules dont le fonctionnement aurait été perturbé par le champ magnétique
émanant
des conducteurs électriques en matériau supraconducteur. Cela permet ainsi de
diminuer
le coût de ces véhicules (qui doivent sinon être équipés de protection). Cette
enceinte 20
peut être avantageusement placée autour des conducteurs électriques en
matériau
supraconducteur situés en bout de file F, comme cela est illustré sur la
figure 6.
L'enceinte 20 formant bouclier magnétique peut également être formée de
matériau
supraconducteur maintenu en dessous de sa température critique.
Avantageusement,
cette enceinte en matériau supraconducteur formant bouclier magnétique peut
être
disposée au plus près des conducteurs électriques en matériau supraconducteur,
à
l'intérieur de l'enveloppe cryogénique. La masse de matériau supraconducteur
de
l'enceinte est minimisée et le matériau supraconducteur de l'enceinte est
maintenu en
dessous de sa température critique sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un
autre
système de refroidissement spécifique.
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 13 PCT/FR2012/000282
L'utilisation d'une enceinte 20 protectrice, n'est pas possible avec les
conducteurs
électriques classiques de l'art antérieur en aluminium, ou même en cuivre. Ces
conducteurs électriques en aluminium présentent effectivement une section de
dimensions importantes, de l'ordre de 1m par 1 m, contre 25 cm de diamètre
pour un
conducteur électrique en matériau supraconducteur. Surtout, les conducteurs
électriques
en aluminium chauffent en fonctionnement. L'utilisation d'une telle enceinte
20 formant
bouclier magnétique ne permettrait pas une évacuation correcte de la chaleur
générée.
Il est aussi à noter que les conducteurs électriques en matériau
supraconducteur
présentent une masse par mètre qui peut être vingt fois inférieure à celle
d'un conducteur
électrique en aluminium pour une intensité équivalente. Le coût des supports
des
conducteurs électriques en matériau supraconducteur est donc moindre et leur
installation
est facilitée.
Le circuit électrique principal 15 de l'aluminerie 1 peut également comprendre
un ou
plusieurs conducteurs électriques en matériau supraconducteur. Ainsi, les
conducteurs 14
électriques de liaison reliant électriquement les files F de la série entre
elles peuvent être
en matériau supraconducteur, comme cela est représenté sur la figure 8. Les
conducteurs
13 électriques de liaison, reliant les extrémités de la série de cuves 2
d'électrolyse aux
pôles de la station 12 d'alimentation du circuit principal 15, peuvent
également être en
matériau supraconducteur, comme cela est représenté sur la figure 9.
Dans une aluminerie classique, les conducteurs 14 électriques de liaison
reliant
deux files F mesurent de 30m à 150m selon si les deux files F qu'ils relient
se trouvent
dans le même batiment ou dans deux batiments séparés pour des raisons
d'interaction
magnétique entre ces deux files F. Les conducteurs 13 électriques de liaison
reliant les
extrémités de la série aux pôles de la station 12 d'alimentation mesurent
généralement de
20m à 1km selon le positionnement de cette station 12 d'alimentation. En
raison de ces
longueurs, on comprendra aisément que l'utilisation de conducteurs électriques
en
matériau supraconducteur à ces emplacements peut permettre de réaliser des
économies
d'énergie. Les autres avantages procurés par l'utilisation de conducteurs en
matériaux
supraconducteurs décrits précédemment, comme leur faible encombrement, leur
flexibilité
ou leur capacité à être placés dans une enceinte formant bouclier magnétique,
justifient
également l'usage potentiel de conducteurs électriques en matériau
supraconducteur
dans le circuit principal 15 de l'aluminerie 1.
En revanche, du fait de la longueur moins importante des conducteurs 11
électriques de cuve à cuve, et des pertes énergétiques aux jonctions,
l'utilisation d'un
CA 02841300 2014-01-08
WO 2013/007893 14 PCT/FR2012/000282
conducteur électrique en matériau supraconducteur pour conduire le courant
d'électrolyse
d'une cuve 2 à une autre n'est pas économiquement intéressant.
Ainsi, l'utilisation de conducteurs électriques en matériau supraconducteur
dans une
aluminerie 1 peut s'avérer avantageux pour des longueurs de conducteurs
suffisamment
élevées. L'utilisation des conducteurs électriques en matériau conducteur est
particulièrement avantageuse pour des circuits électriques secondaires 16, 17
destinés à
réduire l'effet du champ magnétique cuve à cuve au moyen de boucles du type
décrit
dans le document de brevet EP0204647 ; lorsque l'intensité du courant
circulant dans le
circuit électrique principal 15 est particulièrement élevée, supérieure à
350kA, et lorsque
la somme des intensités circulant dans le circuit électrique secondaire, dans
le même
sens que le courant circulant dans le circuit principal, est compris entre 20%
et 100% du
courant du circuit principal, et de préférence de 40% à 70%.
Les modes de réalisation décrits ne sont bien entendu pas exclusifs les uns
des
autres et peuvent être combinés afin de renforcer par synergie l'effet
technique obtenu.
Ainsi, il est possible de prévoir un circuit électrique principal 15
comprenant à la fois des
conducteurs 14 électriques de liaison de file à file en matériau
supraconducteur et des
conducteurs 13 électriques de laisson reliant les extrémités d'une série aux
pôles de la
station 12 d'alimentation en matériau supraconducteur également, et un ou
plusieurs
circuits électriques secondaires 16, 17 comprenant également des conducteurs
électriques en matériau supraconducteur réalisant plusieurs tours en série. Un
seul circuit
électrique secondaire 16 comprenant des conducteurs électriques en matériau
supraconducteur peut également être prévu, avec des conducteurs réalisant
plusieurs
tours en série, entre les files F de cuves 2 ou à l'extérieur de celles-ci.
Enfin, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ci-
dessus,
ces modes de réalisation n'ayant été donnés qu'à titre d'exemples. Des
modifications
restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers
éléments ou
par la substitution d'équivalents techniques, sans pour autant sortir du
domaine de
protection de l'invention.
En particulier, l'invention peut s'étendre à des alumineries avec électrolyse
avec des
anodes inertes.
Elle est aussi généralisable à tout autre type de boucles, par exemple à un
type de
boucles décrit dans les documents de brevet CA2585218, FR2868436, et
EP1812626.
