OA16843A - Aluminerie comprenant des conducteurs électriques en matériau supraconducteur - Google Patents

Abstract

Aluminerie (1) comprenant: (i) une série de cuves (2) d'électrolyse, destinées à la production d'aluminium, formant une ou plusieurs files (F), (ii) une station (12) d'alimentation destinée à alimenter la série de cuves (2) d'électrolyse en courant d'électrolyse (11), ladite station (12) d'alimentation électrique comprenant deux pôles, (iii) un circuit électrique principal (15), 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 (12), (iv) au moins un circuit électrique secondaire (16) comprenant un conducteur électrique en matériau supraconducteur, destiné à être parcouru par un courant (12), longeant la ou les files (F) de cuves (2) d'électrolyse,· telle que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16) longe au moins deux fois la ou les files (F) de cuve (2) d'électrolyse, de manière à réaliser plusieurs tours en série.

Description

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 œuvre 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.KÎ

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 œuvre 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 alumlnerie dont les coûts de fabrication et d’exploitation sont sensiblement réduits et offrant un encombrement moindre. KA

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 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, (iv) au moins un circuit électrique secondaire comprenant un conducteur électrique en matériau supraconducteur, destiné à être parcouru par un courant (I2, I3), 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 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. uL

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 rectilrgne(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 électriquei 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,/

- 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?

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 1km 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 I2, I3, 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.(^

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 œuvre 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 I2 et I3 et alimentés chacun par une station 18 d’alimentation. Les courants I2 et I3 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 1V» électriques de cuve à cuve. L'intensité de chacun des courants électriques I2, I3 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 I3.

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 I2 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 I2, I3 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 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/ 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 coûteux 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 entenés. Cette disposition est rendue possible par le faible encombrement des conducteurs électriques en matériau.

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 11, 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

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 Θ. 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 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 alumlneries 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. .A/T ! ₆ DEC. 2015 T

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Aluminerie (1) comprenant :

   (i) une série de cuves (2) d’électrolyse, destinées à la production d’aluminium, formant une ou plusieurs files (F), (ii) une station (12) d’alimentation destinée à alimenter la série de cuves (2) d’électrolyse en courant d’électrolyse (11), ladite station (12) d’alimentation électrique comprenant deux pôles, (iii) un circuit électrique principal (15), 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 (12), (îv) au moins un circuit électrique secondaire (16-17) comprenant un conducteur électrique en matériau supraconducteur, destiné à être parcouru par un courant (I2, I3), longeant la ou les files (F) de cuves (2) d’électrolyse, caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) longe au moins deux fois la ou les files (F) de cuve (2) d’électrolyse, de manière à réaliser plusieurs tours en série.
2. 2. Aluminerie (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) comporte une enveloppe cryogénique unique, à l’intérieur de laquelle passent côte à côte les tours réalisés par ledit conducteur électrique en matériau supraconducteur.
3. 3. Aluminerie (1) selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) est flexible et présente au moins une partie courbe.
4. 4. Aluminerie (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit électrique secondaire (16, 17) comprend deux extrémités, chaque extrémité dudit circuit électrique secondaire (16, 17) étant reliée à un pôle électrique d’une station (18) d’alimentation distincte de la station (12) d'alimentation du circuit électrique principal (15).
5. 5. Aluminerie (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) longe un nombre de fois prédéterminé la ou les files de cuves (2) d’électrolyse afin de permettre l’utilisation d’une station (18) d’alimentation du circuit électrique secondaire (16, 17) délivrant un courant d'intensité comprise entre 5 kA et 40 kA.
6. 6. Aluminerie (1) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu’au moins une partie du conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) est disposée sous au moins une cuve (2) d’électrolyse de la ou des files (F).
7. 7. Aluminerie (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une partie au moins du conducteur électrique en matériau supraconducteur du circuit électrique secondaire (16, 17) longe le côté droit et/ou le côté gauche des cuves (2) d’électrolyse de la ou des files (F).
8. 8. Aluminerie (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que 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.
9. 9. Aluminerie (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que l’enveloppe cryogénique est parcourue par un fluide de refroidissement.
10. 10. Aluminerie (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que le fluide de refroidissement est de l'azote liquide et/ou de l'hélium.
11. 11. Aluminerie (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le conducteur électrique en matériau supraconducteur est placé, en partie, à l’intérieur d’une enceinte (20) formant bouclier magnétique.
12. 12. Aluminerie (1) selon la revendication 11, caractérisée en ce que l’enceinte (20) formant bouclier magnétique est localisée à au moins une des extrémités de la ou des files (F) de cuves (2) d’électrolyse.