Barres omnibus en cuivre ou en aluminium : faire le bon choix pour des performances optimales

Sous la double pression de la flambée des cours du cuivre et de la neutralité carbone, barre omnibus en aluminium revêtu de cuivrer est en train de déclencher une nouvelle révolution dans le domaine des matériaux énergétiques. Cet article, à travers la comparaison de 10 séries de données clés et une analyse approfondie des différences entre ces deux matériaux en termes de conductivité, de rentabilité et de fiabilité, en s'appuyant sur les normes CEI et des rapports de laboratoire faisant autorité, vise à fournir une base scientifique pour la prise de décision lors du choix des équipements. Les données montrent que, dans un scénario spécifique, l’utilisation d’un jeu de barres en aluminium revêtu de cuivre permet de réduire le coût par rapport au 38%, tout en conservant les propriétés conductrices du 92%.

Comparaison des matériaux

1. Comparatif des performances de conductivité
   Selon l'Association internationale du cuivre (ICA), le cuivre pur présente une conductivité de 58,0 MS/m, tandis que celle de l'aluminium n'est que de 37,7 MS/m. Cependant, le laboratoire des matériaux du MIT a découvert que les barres omnibus composites comportant une couche de cuivre 30% présentent une conductivité équivalente à celle du cuivre pur 85%-92%.
2. Analyse des différences de résistivité
   Comme le montre le tableau 1, la résistivité du cuivre pur à 20 °C n'est que de 1,72 μΩ·cm, ce qui est nettement supérieur à celle de l'aluminium, qui est de 2,82 μΩ·cm. Cependant, les barres omnibus en aluminium revêtues de cuivre permettent de réduire la résistance en courant alternatif de 18% grâce à l'optimisation de la structure de la section transversale.

• Optimisation de l'effet de peau
  Dans des conditions de haute fréquence, la couche de cuivre à la surface des barres omnibus en aluminium revêtues de cuivre permet de réduire les pertes par effet de peau de 6 à 12%, et les données expérimentales d'ABB montrent que dans des conditions de 50 Hz, l'élévation de température pour une intensité admissible de 2 000 A n'est supérieure que de 7,2 K à celle des barres omnibus en cuivre pur.

Valeur économique et technique

1. Une avancée révolutionnaire en matière de coûts
   La dernière cotation du LME montre que le prix de l'aluminium (\$2300/tonne) ne représente que 27,3% du prix du cuivre (\$8400/tonne). L'utilisation de barres omnibus composites permet de réaliser une économie de 38% à 45% sur les coûts directs des matériaux, en particulier pour les canaux de distribution et autres composants de grande longueur.
2. Avantage d'une conception légère
   Le cuivre pur a une densité de 8,96 g/cm³, contre 2,70 g/cm³ pour l'aluminium, ce qui permet de réduire le poids de la barre omnibus composite de 62%. L'étude de cas Siemens montre que le poids total de l'armoire de stockage d'énergie est réduit de 19% après mise en œuvre, et que le coût de transport d'une seule armoire est réduit de \$83. .
3. Amélioration de l'efficacité de l'installation
   Les essais en laboratoire menés par State Grid montrent que la résistance à la flexion des barres omnibus en matériau composite est inférieure de 22% à celle du cuivre pur, mais que le temps d'installation sur site est réduit de 35% grâce à l'amélioration des procédés de fabrication. Les données mesurées dans le cadre du projet de stockage d'énergie de Ningde Times confirment que le cycle de construction d'une station est réduit de 4,7 jours.

Vérification de la fiabilité et avancées innovantes

1. Essai de stabilité thermique
   Les essais en laboratoire UL montrent que le taux de rétention de la résistance d'adhérence à l'interface des barres omnibus composites est supérieur à 92% et que l'écart entre la courbe d'élévation de température et celle du cuivre pur est inférieur à 15% après 2 000 heures de fonctionnement continu à 105 °C ([données de certification UL 67]).
2. Innovation en matière de performances mécaniques
   Grâce à l'amélioration du procédé de soudage par explosion, la résistance à la traction de la nouvelle barre omnibus composite a été portée à 245 MPa, ce qui correspond à celle de la barre omnibus en cuivre T2 (82%). Les cas d'application sur les éoliennes Goldwind montrent que les performances antivibratoires sont conformes à la norme CEI 61400-5.
3. Une avancée majeure en matière de résistance à la corrosion
   Une comparaison des résultats d'essais au brouillard salin montre que la résistance à la corrosion des barres omnibus composites étamées atteint celle du cuivre pur 85%. Les projets menés à l'étranger par Sunny Power confirment que leur durée de vie est supérieure à 10 ans dans un environnement corrosif de niveau C5.

Applications industrielles

• Taux de pénétration dans le secteur des énergies nouvelles
  Selon les statistiques du GGII, le taux d'utilisation des barres omnibus composites dans les systèmes de stockage d'énergie nationaux atteindra 41,31 TP3T en 2023, et le taux de pénétration dans le domaine des onduleurs photovoltaïques augmentera de 1 271 TP3T par an. La dernière version du Megapack de Tesla a entièrement adopté la conception à barres omnibus composites.

Conclusion

D'après les résultats validés par 10 ensembles de données de référence, les barres omnibus en aluminium revêtues de cuivre peuvent remplacer les barres omnibus en cuivre pur afin d'optimiser le rapport coût-efficacité dans les scénarios 80% où la densité de courant est inférieure à 3 A/mm². Recommandation :

• Les équipements de stockage d'énergie et les systèmes de contrôle de puissance (PCS) devraient privilégier l'utilisation de barres omnibus en matériau composite.
• Utiliser une solution en cuivre pur pour les applications UHF (> 1 kHz).
• Mettre en place une base de données dynamique permettant de mettre en correspondance l'épaisseur du cuivre et la capacité de charge.