L'industrie de l'électricité et des équipements haute et moyenne tension est actuellement confrontée à un défi majeur en termes de durabilité et de protection de l'environnement, notamment dans la gestion et l'opération des disjoncteurs de moyenne tension. CO7 Technologies, basée à Lachine, Québec, se place à l'avant-garde de cette transformation en initiant le remplacement du gaz SF6 dans ses disjoncteurs VOX de type dead tank. Le gaz SF6, bien que largement utilisé en raison de ses excellentes propriétés d'isolation et de coupure, est également connu pour son potentiel élevé de réchauffement global et ses effets nocifs sur l’environnement [1]. Dans cette perspective, CO7 Technologies s'oriente vers l'adoption de solutions « vertes », soit l'utilisation de gaz ou de mélanges gazeux exempts de composés fluorés. Cette démarche s'inscrit dans une vision plus large de durabilité et de responsabilité environnementale, visant à minimiser l'impact écologique des équipements électriques tout en maintenant, voire en améliorant, les performances et la fiabilité des systèmes de disjoncteurs. L'exploration et l'implémentation de ces gaz verts représentent un pas significatif non seulement pour CO7 Technologies, mais aussi pour l'industrie électrique dans son ensemble, marquant une avancée majeure vers une gestion de l'énergie plus durable et respectueuse de l'environnement.
Les étapes de la recherche de cette solution gazeuse verte passent par l’étude, la conception, la modélisation, les simulations, ainsi que les essais et validation des modèles numériques. Les travaux menés par des organisations comme CIGRE, IEC et IEEE fournissent des orientations et des standards pour l'application de gaz ou de mélanges gazeux sans-SF6 dans l'équipement de commutation gaz-isolé, couvrant des aspects tels que la qualité et la pureté, les aspects de vieillissement, la manipulation du gaz, et les considérations de sécurité et environnementales [2], [3]. Nous explorons également les publications fournies par des sociétés et les projets tels que National Grid, ABB, General Electric, Hitachi Energy, Eaton, entre autres, afin d'acquérir des connaissances sur les différentes solutions qu'elles ont déjà mises en œuvre.
METHODOLOGIE SANS SF6
La conception de cette solution passe par :
▪ Une étude des méthodes générales utilisées par les constructeurs pour la conception des disjoncteurs moyennes tensions en nous servant des bases de données disponibles.
▪ Une étude des normes et techniques utilisées par CO7 Technologies, inc. pour la conception des disjoncteurs moyennes tensions en nous servant de la documentation et des archives de l’entreprise.
▪ Une étude des données et solutions disponibles sur les plateformes telles que CIGRE et IEEE Xplore.
▪ Le choix du modèle de disjoncteur chez CO7 Technologies sur lequel seront effectués les tests finaux.
▪ L’utilisation des logiciels tels que COMSOL Multiphysics dans sa version parallèle dans un environnement du calcul à haute performance comme l’infrastructure de l’Alliance de recherche numérique du Canada pour la conception du modèle numérique du disjoncteur et les tests de simulations.
▪ La réalisation un banc d’essai dans les locaux de l’entreprise.
▪ Les données obtenues par les mesures servent à calibrer et valider des modèles numériques, tout en faisant une vérification rigoureuse de la conformité aux normes en vigueur.
L’ORIGINALITÉ DU PROJET
La programmation quantique
Cette recherche se distingue par son approche novatrice et multidisciplinaire, son originalité réside principalement dans l'intégration de l'informatique quantique et le développement d'un algorithme Python dédié. Cet algorithme est conçu pour calculer et analyser les propriétés de divers mélanges de gaz verts, identifiant ainsi le candidat le plus prometteur pour remplacer efficacement le SF6. Cette approche algorithmique permet une exploration et une évaluation rapides de multiples combinaisons de gaz, offrant une efficacité sans précédent dans la sélection du gaz ou du mélange gazeux idéal pour le remplacement du SF6.
Photo 1 : Ordinateur Quantique (source : QUÉBEC SCIENCE https://www.quebecscience.qc.ca/14-17-ans/encyclo/lordinateur-quantique-a-quelquesdegres-du-succes/ consulté le 15 janvier 2024) [4]
Le rôle principal de la programmation quantique intervient dans [5]:
▪ Le calcul des propriétés complexes comme le calcul des interactions moléculaires dans des mélanges de gaz, qui sont souvent difficilement solubles par des méthodes classiques,
▪ L’optimisation des performances : le mélange optimal qui offre des propriétés similaires au SF6 en termes d'isolation et de capacité d'extinction d'arc nécessite l'évaluation de vastes combinaisons et permutations.
▪ La réduction du temps de calcul et l’amélioration du niveau de précision ▪ L’exploration de nouvelles possibilités trop complexes pour être abordées avec des méthodes de calcul classiques.
La simulation numérique et le Calcul Haute Performance
En complément, cette recherche exploite les simulations numériques avancées, notamment à travers des logiciels tels que COMSOL Multiphysics, l’utilisation de l’infrastructure de l’Alliance de recherche numérique du Canada est envisagée pour optimiser la puissance de calcul.
Photo 2 : Image du disjoncteur VOX 38kV prise dans les locaux de CO7 Technologies
Modèle géométrique du disjoncteur VOX (Réalisé dans le logiciel COMSOL avec la contribution de Mactar Thiam)
Ces simulations jouent un rôle crucial en validant les performances du gaz sélectionné par l'algorithme Python, en simulant son comportement dans des conditions réelles d'utilisation. Cette étape de validation est essentielle pour assurer la fiabilité et la sécurité du gaz choisi en tant qu'alternative au SF6.
LA TECHNOLOGIE DE JUMEAU NUMÉRIQUE
Enfin, l'un des aspects les plus innovants de ce projet est l'adoption envisagée de la technologie de jumeau numérique. Cette technologie pourrait permettre de modéliser de manière virtuelle les disjoncteurs moyenne tension, offrant ainsi une plateforme pour tester et optimiser la conception et l'implémentation de la solution de remplacement du gaz SF6. L'utilisation du jumeau numérique ouvre la voie à des itérations de conception plus rapides, une meilleure compréhension des performances en conditions réelles et une optimisation continue du produit.
CONCLUSION
En combinant ces approches technologiques de pointe, cette recherche se positionne à la frontière de l'innovation dans le domaine de l'énergie électrique, marquant un pas important vers des solutions plus durables et respectueuses de l'environnement pour l'industrie des équipements électriques moyenne tension.
Références
[1] MINISTÈRE DE L’ENVIRONNEMENT ET DE LA LUTTE CONTRE LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES (MELCC). Guide de quantification des émissions de gaz à effet de serre, 2019, 107
[2] Recent development of alternative gases to SF6 for switching applications http://www.cigre.org/article/GB/recent-development-of-alternative-gases-to-sf6-for-switchingapplications (consulté le 15 janvier 2024)
[3] L. Bellofatto and P. Sigismondi, "SF6 FREE Alternative – Study of Ternary Mix Natural Gas for Eletrical Insulation Purpose," 2023 PCIC Energy Europe (PCIC Energy), Milan, Italy, 2023, pp. 1-7.
[4] QUÉBEC SCIENCE https://www.quebecscience.qc.ca/14-17-ans/encyclo/lordinateurquantique-a-quelques-degres-du-succes/ (consulté le 15 janvier 2024)
[5] Prieur, B. (2021, September). La programmation quantique. In Les webinaires de l'intelligence digitale# 3