Vers des sous-stations de traction ferroviaire supraconductrices : développement du transformateur et intégration au système

Le renforcement de la traction ferroviaire électrique représente un levier majeur pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre du secteur des transports. Bien que la conception de base des sous-stations de traction électrique ait peu évolué au cours des cinq dernières décennies, leurs composants ont été régulièrement améliorés. Pour maintenir ces progrès, l'adoption de dispositifs supraconducteurs à haute température critique constitue une option prometteuse, offrant des densités de courant élevées, une grande compacité et de faibles pertes électriques. Dans le cadre du projet SuperRail, cette thèse étudie la faisabilité d'une sous-station de traction ferroviaire à courant continu supraconductrice.Quatre axes de recherche ont été explorés. Premièrement, des bobines supraconductrices double racetrack en REBCO ont été conçues, fabriquées et caractérisées, démontrant leur robustesse et leur adéquation aux transformateurs. Deuxièmement, trois prototypes de transformateurs partiellement supraconducteurs ont été développés, combinant un enroulement primaire en cuivre fonctionnant à température ambiante avec un enroulement secondaire en REBCO refroidi à l'azote liquide. Le prototype final, d'une puissance nominale de quelques kVA, a démontré des performances stables et reproductibles. Troisièmement, ce transformateur a été connecté à un redresseur à diodes cryogéniques et à des câbles supraconducteurs pour former un prototype de sous-station de traction à courant continu supraconductrice de quelques kW. Les essais expérimentaux ont confirmé la faisabilité opérationnelle du concept. Enfin, une analyse technico-économique a été menée afin de déterminer les conditions dans lesquelles une sous-station de traction à courant continu supraconductrice pourrait devenir économiquement compétitive par rapport à la technologie conventionnelle.Les principales contributions de cette thèse sont : (i) le développement expérimental de transformateurs partiellement supraconducteurs, (ii) le fonctionnement couplé d'un transformateur supraconducteur et d'un redresseur cryogénique, (iii) la première démonstration du concept de sous-station de traction à courant continu supraconductrice, et (iv) une analyse du coût sur cycle de vie intégrant les incertitudes technologiques.