Limiteur supra de courant de défaut : refroidissement gaz et conducteurs innovants // Superconducting Fault Current Limiter: gas cooling and innovative conductors

La démarche de décarbonation conduit à des transports « électriques », y compris dans le domaine aéronautique (avion tout électrique après le bateau tout électrique). Pour l'avion, la fourniture énergétique envisagée est une pile à combustible avec l'utilisation de dispositifs supraconducteurs (machines tournantes, distribution, protection) à base d'HTS (High Temperature Superconductors). Le recours aux solutions supraconductrices émergent aussi pour les bateaux. La disponibilité récente en qualité et en quantité suffisante des rubans HTS (rubans 'REBCO'), devenus un produit commercial, est un levier majeur pour l'émergence de cette activité de recherche.
Dans un réseau électrique embarqué, le limiteur supraconducteur de courants de défaut (SFCL) est l'élément clef du système de protection. Il assure la limitation presque instantanée du courant lorsqu'un défaut survient. Le SFCL conduit à des architectures particulièrement intéressantes comme le couplage des réseaux bâbord et tribord d'un bateau. Son fonctionnement est basé sur la très forte non-linéarité de la résistivité des matériaux HTS, qui au-delà d'un certain courant deviennent très dissipatifs, tout en étant électriquement invisibles en-deçà. Aujourd'hui, l'étude du limiteur est tournée vers des applications réseaux électriques de transport et distribution. Le refroidissement utilise de l'azote liquide, fluide industriel bon marché. Il ne convient pas toujours pour les applications embarquées et il faut envisager un refroidissement gazeux, encore peu abordé, d'où une partie de ces recherches exploratoires. L'autre partie concernera l'optimisation du conducteur supraconducteur pour l'application limiteur.
Le SFCL pour une application embarquée DC (faible tension et fort courant) exige un ensemble de nouveaux développements imposés par l'environnement gaz (typiquement He à 40 K/50 K). Celui-ci modifie profondément les conditions opérationnelles par rapport à l'azote liquide conventionnel. Les difficultés liées, voir les verrous, sont nombreux. Il conviendra de bien les identifier et de les lever. L'approche sera avant tout expérimentale avec la recherche, la mise en œuvre et la qualification de solutions adaptées.
Des travaux avaient été menés à Grenoble dans le cadre d'un projet H2020 (FastGrid) pour adapter et optimiser les conducteurs HTS pour les limiteurs. Le projet avait suivi une ligne de base proposée par Grenoble, mais plusieurs idées originales avaient émergé pour optimiser et sécuriser encore plus le conducteur HTS. Nous souhaitons investiguer ces voies de rupture, dont celle d'un conducteur sur substrat saphir en collaboration avec l'institut des sciences des matériaux de Barcelone.
Les objectifs principaux de cette thèse sont :
• L'impact et la mise en oeuvre du refroidissement par gaz du SFCL à base de rubans HTS .
• L'étude de conducteurs supraconducteurs innovants alternatifs aux rubans HTS actuels proposant des propriétés très adaptées pour la limitation de courants, mais avec un niveau de développement (TRL) encore bas que nous souhaitons augmenter.
Les travaux attendus sont :
• Développement et réalisation d'un système de refroidissement gazeux à l'hélium (aisance d'utilisation et disponibilité en laboratoire).
• Conception et réalisation d'un ou plusieurs prototypes de quelques dizaines kVA de limiteur supraconducteur de courant de défaut à base de rubans HTS avec un refroidissement par gaz à 40/50 K.
• Elaboration (stabilisateurs sur ruban REBCO existant) et caractérisation de supraconducteur innovants, notamment le REBCO déposé sur substrat saphir (en collaboration avec ICMAB, Espagne, pour l'élaboration), mais d'autres voies seront aussi explorées.
Ces travaux demanderont une activité de modélisation numérique pour la conception et un volet expérimental très important avec de nombreux prototypes pour valider (ou non) les solutions envisagées. Les ressources exceptionnelles des laboratoires d'accueil seront mobilisées.
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The decarbonization leads to “electric” transports, including in the aeronautics sector (all-electric plane after the all-electric ship). For the aircraft, the foreseen energy supply is a fuel cell with the use of superconducting devices (rotating machines, distribution, protection) based on HTS (High Temperature Superconductors). The use of superconducting solutions is also emerging for ships. The recent availability of high quality and quantity of HTS tapes ('REBCO' tapes), which have become a commercial product, is a major enabler for the emergence of this research activity.
In an on-board electrical grid, the superconducting fault current limiter (SFCL) is the key element of the protection system. It ensures almost instantaneous current limitation when a fault occurs. The SFCL leads to particularly interesting architectures such as the coupling of the port and starboard networks in a ship. Its operation is based on the very high non-linearity of the resistivity of HTS materials, which above a certain current become very dissipative, while being electrically invisible below. Today, the study of the SFCL is focused on electrical transport and distribution grids. Cooling uses liquid nitrogen, an inexpensive industrial fluid. It does not always suit for on-board applications and gas cooling must be considered, which is still little addressed, hence part of this exploratory research. The other part will concern the optimization of the superconducting conductor for the limiter applications.
SFCL for an on-board DC application (low voltage and high current) requires a set of new developments imposed by the gas environment (typically He at 40 K/50 K). This profoundly modifies the operational conditions compared to conventional liquid nitrogen. The related difficulties, even bottlenecks, are numerous. They will need to be clearly identified and removed. The approach will be above all experimental with research, implementation and qualification of suitable solutions.
Work had been carried out in Grenoble as part of an H2020 project (FastGrid) to adapt and optimize the HTS conductors for the limiters. The project followed a baseline proposed by Grenoble, but several original ideas had emerged to optimize and further secure the HTS conductor. We wish to investigate these breakthrough solutions, including that of a conductor on a sapphire substrate in collaboration with the Institute of Materials Sciences of Barcelona (ICMAB).
The main objectives of this PhD are:
• The impact and implementation of gas cooling of the SFCL based on HTS tapes.
• The study of innovative superconducting conductors as alternatives to current HTS tapes offering very suitable properties for current limitation, but with a still low level of development (TRL) that we wish to increase.
The expected works are:
• Development and creation of a helium gas cooling system (ease of use and availability in the laboratory).
• Design and production of one or more prototypes of a few tens of kVA of superconducting fault current limiter based on HTS tapes with gas cooling at 40/50 K.
• Development (stabilizers on existing REBCO tape) and characterization of innovative superconductors, in particular REBCO deposited on sapphire substrate (in collaboration with ICMAB (Spain) for the elaboration), but other avenues will also be explored.
This work will require modeling activity for the design and a very important experimental component with numerous prototypes to validate (or not) the solutions envisaged. The exceptional resources of the laboratories will be mobilized.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Compétences en thermique et en génie électrique de manière générale, en particulier en électromagnétisme. Qualité forte comme expérimentateur. Aisance, rigueur et soin dans les parties expérimentales. Compétences en modélisation, même si ce n'est pas le coeur des travaux. Compétences en supraconductivité appliquée favorables, mais pas requises.
Skills in thermics and electrical engineering in general, particularly in electromagnetism. Strong qualities as an experimenter. Rigor and care in the experimental parts. Modeling skills, even if this is not the core of the work. Applied superconductivity skills wellcome, but not mandatory.