SOUČASNÝ STAV A PERSPEKTIVY VYUŽITÍ SUPRAVODIVÝCH KOMPONENT V ES

E L E K T R O E N E R G E T I K A 2003 Název příspěvku: Současný stav a perspektivy využití supravodivých komponent v ES Autor příspěvku:

Miloslava Tesařová

SOUČASNÝ STAV A PERSPEKTIVY VYUŽITÍ SUPRAVODIVÝCH KOMPONENT V ES Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. ¾ ZČU v Plzni, katedra elektroenergetiky a ekologie, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň ¾ Tel.: +420 377 237 461, kl. 171 ¾ E-mail: [email protected] Anotace Díky vysokoteplotním supravodičům nastal zlom ve využívání supravodivosti v elektroenergetice. Článek popisuje současný stav vývoje a využívání supravodivých komponent v ES, uvádí příklady nejvýznamnějších demonstračních projektů a naznačuje směr dalšího vývoje a využívání supravodivých zařízení. 1. Úvod Supravodičemi nazýváme materiály, které při ochlazení pod určitou teplotu vykazují tyto dvě charakteristické vlastnosti: • nulový odpor při vedení elektrického proudu (Onnes, 1911) • dokonalé vytěsňování magnetického pole ze svého objemu (Meissner a Ochsenfeld, 1933). Teplotu, při níž se daná látka stává supravodivou, nazýváme kritickou teplotou a je charakteristická pro daný materiál. Při ochlazování daného materiálu jeho měrný odpor postupně klesá a při kritické teplotě skokem klesne na nulu.

Obr.1 – Závislost odporu na teplotě nízkoteplotních a vysokoteplotních supravodičů Pod kritickou teplotou je již materiál supravodivý, neklade průchodu proudu žádný odpor a nevznikají v něm žádné ztráty vlivem průchodu stejnosměrného proudu



(průchodem střídavého proudu vznikají téměř zanedbatelné ztráty). Stejnosměrný proud procházející supravodivou smyčkou/cívkou může beze změny procházet nekonečně dlouho. Supravodivý stav trvá pouze tehdy, je-li teplota, intenzita magnetického pole a proudová hustota pod danou kritickou hodnotou. Tyto veličiny Tc, Hc a Jc na sobě vzájemně závisí a vytyčují tak oblast supravodivosti pro daný materiál (viz obr.2).

Obr.2 – Vymezení oblasti supravodivosti 2. Supravodivé materiály Postupně bylo objeveno velké množství látek se supravodivými vlastnostmi, všechny ovšem dosahovaly těchto vlastností až při velmi nízkých teplotách pohybujících se jen málo nad absolutní nulou (0 K = -273°C). Pro tyto supravodiče převážně vyrobené na bázi slitin Nb-Ti a Nb-Sn a pracující při teplotách kapalného hélia (cca 4 K) se vžilo označení nízkoteplotní supravodiče (LTS - Low Temperature Superconductors). Vysoké náklady a technické problémy (vysoká rozpínavost hélia, supertekutost) s chladicími systémy využívajícími hélium způsobily, že komerční využití supravodičů se omezilo jen na specifické účely, např. magnetické systémy urychlovačů, magnetické rezonátory v medicínské technice, supravodivé magnetické akumulátory SMES atd. Zlom ve využívání supravodivosti znamenal rok 1986 (Bednorz a Müller), kdy byly objeveny vysokoteplotní supravodiče (HTS - High Temperature Superconductors), jež mají kritické teploty v průměru okolo 90 K, některé až 150 K, tedy nad teplotou kapalného dusíku (bod varu 77 K), který se používá jako chladicí médium. Kapalný dusík je relativně levná chladící kapalina, k dispozici je zatím v neomezeném množství, životnímu prostředí neškodí, jeho zkapalňování je levné a jako chladicí, izolační i hasicí médium je pro energetiku vhodný. Při teplotách kapalného dusíku je



možné dosáhnou účinnější tepelné izolace. Chlazení na teplotu 77 K je asi 25 krát energeticky méně náročné než chlazení na teplotu 4 K, kterou potřebují pro dosažení supravodivého stavu nízkoteplotní supravodiče. Vysokoteplotní supravodiče jsou vesměs velmi křehké keramické materiály a technologie výroby vodičů z nich je velmi náročná. V současné době se prosazují dvě cesty, jak obejít křehkost těchto materiálů, a to jednak válcováním polykrystalického materiálu ve stříbrné matrici (HTS vodiče 1.generace) [4], jednak napařováním nebo chemickým nanášením tenkých monokrystalických vrstev supravodičů na ohebné podložky ve formě dlouhého pásku (HTS vodiče 2.generace) [3]. Pro aplikace supravodivosti v silnoproudé elektrotechnice jsou vhodné pásky o šířce okolo 4 mm, tloušťce řádově desetiny mm. Snahou je vyrobit vodič s velkými hodnotami kritického proudu při co největší jeho délce. Délky těchto vodičů se pohybují od několika metrů (2. generace) až po stovky metrů (1. generace). Současný stav ve vývoji HTS vodičů uvádí např. [7].

Obr.3 – Průřez HTS vodiče může být až 100 krát menší než u konvenčního vodiče Představiteli 1. generace HTS vodičů (označované také jako MFC - MultiFilamentary Copposite - vícevláknové vodiče) jsou sloučeniny bismut - stroncium vápník - kysličník mědi (BSCCO), konkrétně Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO 2223) a Bi2Sr2Ca1Cu2O8 (BSCCO 2212), s kritickou teplotou Tc ≈ 110K. Vlákna o tloušťce 10 µm a šířce 200 µm jsou umístěny v matrici ze slitiny kovu a stříbra. Takto vzniklé pásky mohou být pro zvýšení mechanické odolnosti potaženy nerez ocelí (odolnost až 250 MPa). V současné době parametry těchto materiálů dosáhly stavu komerční využitelnosti v silových zařízeních (kabely, transformátory, točivé stroje, magnety). Výrobce American Superconductor postavil první velký závod na světě na výrobu vodičů MFC, který při plné výrobní kapacitě vyrobí až 20 000 km vodičů ročně.



Představiteli 2.generace HTS vodičů (označované také jako CCC - Coated Conductor Composite – vodiče s povlakem) jsou sloučeniny ytrium - barium kysličník mědi (YBCO), konkrétně Y1Ba2Cu3O7 (YBCO 123), s kritickou teplotou Tc ≈ 70K. Nově testovaný materiál MgB2 s kritickou teplotou Tc ≈ 39 K zatím dosahuje desetkrát nižších hodnot kritické proudové hustoty. Supravodiče MgB2 by mohly být chlazeny tekutým vodíkem. Na substrát, který je obvykle ze slitiny niklu a jehož tloušťka se pohybuje od 50 do 100 µm, se nanese supravodivá vrstva o tloušťce 1 nebo více µm, povrch se ještě pokryje vrstvou z ušlechtilého kovu. Celková tloušťka vodiče je řádově desetiny milimetru, což je obdobné jako u vodičů MFC. K napařování nebo nanášení supravodivé vrstvy na substrát ve formě pásku se používají obdobné technologie pro výrobu polovodičů (např. IBAD, PLD, MOD) [3]. Technologie IBAD vyvinutá japonskou firmou Fujikura a zdokonalená laboratoří Los Alamos National Laboratory je velmi pomalá a nákladná. Méně nákladnou metodu výroby substrátu pomocí válcování a tepelné úpravy vyvinula americká laboratoř Oak Ridge National Laboratory pod obchodním názvem RABiTS. U této technologie se zatím dosahuje zhruba polovičních hodnot kritických proudů. Supravodivá vrstva dosahuje kritické proudové hustoty řádově 106 A/cm2, což je mnohonásobně více než Jc pro supravodiče 1. generace (1 až 5 x 104 A/cm2). Vzhledem k velmi tenké nanesené supravodivé vrstvě je proudová hustota celého průřezu vodiče (substrát + supravodič) srovnatelná s Je vodičů 1. generace (viz tab.1). S vývojem výrobních technologií bude moci být nanesena tlustší supravodivá vrstva a dojde ke zvýšení hodnoty Je. V závislosti na orientaci magnetického pole mohou mít vodiče 2.generace až 75x nižší střídavé ztráty než vodiče 1. generace. Do roku 2005 by výrobci chtěli dosáhnout hodnoty střídavých ztrát nižší než 0,1W/kAm. Vodiče 2.generace jsou stále ještě ve fázi výzkumu a vývoje, jejich prosazení se očekává během 3 až 4 let. Poté by měly zcela nahradit 1. generaci HTS vodičů. Tabulka 1- Srovnání parametrů a cen vodičů 1. a 2. generace HTS vodičů Parametr délka [m] Ic [A/cm šířky] Jc [A/cm2] Je [A/cm2] cena [USD/kAm]

Současný stav 1.generace 2.generace ~ 100 ~ 10 ~ 350 ~ 100 až 200 4 ~ 5 x 10 ~ 105 až 106 ~ 104 ~ 104 200 až 300 -

Cíle pro vodiče 2.generace rok 2005 rok 2010 ~ 1000 ~ 1000 500 1000 6 ~ 10 ~ 106 5 až 10 x 104 > 105 50 10

Ve vývoji HTS vodičů 2.generace je zatím nejdále Japonsko [1], v roce 2003 by měl být vyroben 100 metrový vodič, do roku 2004 vyvinut prototyp transformátoru a generátoru využívající vodiče 2.generace, do roku 2005 vyvinuty komerčně použitelné vodiče kilometrové délky a do roku 2006 uvedeno na trh první zařízení na bázi HTS vodičů 2.generace. K širší komerční využitelnosti supravodivých zařízení



je nutné, aby cena supravodičů poklesla alespoň na hodnotu 10 USD/kAm, čímž by byla relativně srovnatelná s cenou měděných vodičů. Jelikož vývoj v USA zaostával oproti Japonsku zhruba o 2 až 3 roky, vláda USA zahájila program Accelerated Coated Conductor Initiative, jehož cílem je podpora vývoje HTS vodičů 2.generace a dostižení vývoje v Japonsku. Další, již běžící iniciativou amerického ministerstva energetiky (DOE - Department of Energy) je projekt Superconductivity Partnership Initiative (SPI) [5], [6]. V rámci této iniciativy jsou vytvořeny vertikálně integrované vývojové týmy, skládající se z výrobce zařízení, energetické společnosti, dodavatele HTS vodičů a jedné nebo více výzkumných laboratoří. Tento projekt by měl uspíšit komerční využití supravodivosti nejen v energetické oblasti. 3. Silnoproudé aplikace V nedávné době se některé z demonstračních projektů a prototypů dostaly do fáze provozního nasazení. Širší komerční využití HTS zařízení se očekává do roku 2020 [1], zatím je limitováno poměrně vysokou cenou supravodičů. Nejblížeji jsou ke komerčnímu využití supravodivé kabely (počátek roku 2005). Ke konci roku 2005 by na trh měly vstoupit HTS transformátory, motory pak v roce 2008, u generátorů se počítá s rokem 2009. Vyvíjená a testovaná zařízení zatím využívají HTS vodiče 1.generace, se zrychlujícím se vývojem vodičů 2.generace se v dohledné době počítá i s vývojem zařízení využívajících 2.generaci HTS vodičů. Požadavky na vodiče pro silnoproudé aplikace jsou v tabulce 2. Tabulka 2 - Požadavky na vodiče pro silnoproudé aplikace Aplikace

Jc [A/cm2]

Mag.pole Teplota [T] [K]

Omezovač proudu 104 – 105 0,1 – 3 Motor 105 4–5 5 Generátor 10 4–5 5 SMES 10 5 – 10 4 5 Kabel 10 – 10 < 0,2 5 Transformátor 10 0,1 – 0,5

20 – 77 20 – 77 20 – 50 20 – 77 65 – 77 65 – 77

Ic [A]

Délka Cena vodiče [$/kAm] [m] 3 4 10 – 10 1000 10 – 100 500 1000 10 >1000 1000 10 4 ~10 1000 10 100 na žílu 100 10 – 100 2 3 10 – 10 1000 < 10

4. Kabely Vývojem HTS kabelů se v USA zabývají společnosti Pirelli a Southwire Corporation, v Evropě pak Pirelli, NKT Cable a BICC, v Japonsku Sumitomo Electric Corporation, Furukawa a Fujikura a v Mexiku Condumex. V současné době se testují kabely o maximálních délkách kolem 100 m, některé demonstrační projekty v nedávné době přešly do provozního nasazení. Již se připravují projekty kabelů o délce několika stovek metrů.



Ve srovnání s konvenčními měděnými kabely může být přenosová kapacita HTS kabelů až pětkrát vyšší při podstatně nižších ztrátách. Přechod na supravodivé kabely by umožnil přechod z napěťové úrovně 440 kV na 110 kV, protože už při tomto napětí lze přenášet výkony až 1000 MVA, a oddálení investic do výstavby dalších transformoven a linek vedení. Tyto kabely obecně zvýší flexibilitu provozu sítě a díky velmi malým ztrátám i její celkovou efektivnost. Supravodivé kabely mohou nahradit venkovní vedení všude tam, kde jejich instalaci brání např. enviromentální zájmy. Vyvíjí se kabely pro stejnosměrný i střídavý přenos. Stejnosměrné kabely jsou ekonomicky mnohem výhodnější, neboť v nich nevznikají žádné ztráty a jejich konstrukce je kompaktnější. V kabelech se zatím využívají supravodiče 1.generace, které jsou chlazeny tekutým dusíkem. Chladí se na teplotu 80 K a nižší. Procházející chladivo zvyšuje svoji teplotu přibližně lineárně s rostoucí délkou kabelu. Teplota chladicí látky tedy omezuje délku kabelu nebo jeho jednotlivých částí. Jako teplená izolace se používá kryostat, dvě koncentrické trubky, mezi nimiž je vakuum. Je možné je doplnit ještě reflexní vrstvou omezující tepelné ztráty. Tepelný únik se u HTS kabelů pohybuje okolo 1 W/m, toto ztrátové teplo musí chladicí systém kabelu odvést. Chladicí kanál, kryostat a elektrická izolace zabírají v kabelu nejvíce prostoru, vlastní supravodič má tloušťku několika mm. Rozměry kabelu jsou tedy téměř nezávislé na velikosti jmenovitého proudu kabelu.

Obr.4 - Koncepce teplého a studeného supravodivého kabelu Existují dvě základní koncepce HTS kabelů, tzv. teplé kabely (Warm Dielectric Cable) a studené kabely (Cold Dielectric Cable). Tekutý dusík proudí centrální částí tvořenou pružnou trubkou, u teplého kabelu se zpět ke chladiči se vrací přes jiný souběžný kabel (obr.5), u studeného proudí zpět mezi stínící vrstvou a kryostatem.

Obr.5 – Příklad chlazení teplého kabelu



U teplého kabelu dielektrikum pracuje přibližně při teplotě okolí a je tedy možné využít konvenční dielektrika, např. PE, XLPE. Teplé kabely mohou být konstruovány jako samostatné 1f kabely nebo jako 3f kabel tvořený třemi kabely uloženými ve společné trubce. Impedance teplých kabelů odpovídá impedanci konvenčního kabelu podobného průměru (viz tab.3), jejich využití je jako náhrada konvenčních kabelů při obnově vedení, aniž dojde k ovlivnění toků výkonů přes jiné kabely. Při stejných ztrátách mají více než 2x vyšší přenosovou kapacitu (max. přenosová kapacita jedné fáze se odhaduje na 2,5 kA), čímž se odstraní přenosově slabá místa v síti. Tyto kabely jsou díky své konstrukci levnější než studené kabely, jelikož neobsahují vodivé stínění, jsou citlivé na vnější magnetické pole a tudíž mají i vyšší střídavé ztráty. Obvykle musí být jednotlivé od sebe vzdáleny asi 50 cm, jinak dochází k velkým střídavým ztrátám. Tabulka 3 - Srovnání parametrů HTS kabelů a konvenčního kabelu o stejném vnějším poloměru kabel konvenční HTS teplý HTS studený

R 1xR 0,05 x R 0,01 x R

L 1xL 1xL 0,5 x L

C 1xC 2xC 0,5 až 1 x C

U studených kabelů je tepelná izolace až nad dielektrikem, které pracuje při teplotě chladicího média. Chladivo musí odvádět i ztráty vzniklé v dielektriku. Mezi zpětným vodičem, který stíní vnitřní vodič od vnějšího magnetického pole, a kryostatem proudí chladivo. Tento typ kabelu má obdobnou konstrukci je koaxiální kabel. U trojfázového kabelu může mít každá fáze svůj vlastní kryostat, anebo jsou fáze umístěny ve společné kryogenní lázni a mají kryostat společný (obr.6a). Další prostorově úspornější konstrukcí je triaxiální kabel (obr.6b), kde jsou fáze umístěny koncentricky pod kryostatem. Studené kabely mají obecně menší impedanci a díky stínění nižší střídavé ztráty. Hodí se pro nově budované linky vedení. Jejich přenosová kapacita až pětkrát vyšší (max. přenosová kapacita jedné fáze se odhaduje na 8 kA), při nižších, cca 30% měrných ztrátách (W/přenesený MVA).

Obr.6 – Třífázový teplý kabel: trojžilové a koncentrické uspořádání



Vývojem HTS kabelů se zabývají všichni významní výrobci kabelů. V současné době se testují kabely o maximálních délkách kolem 100 m, některé demonstrační projekty v nedávné době přešly do provozního nasazení. Již se připravují projekty kabelů o délkách několika stovek metrů. První HTS kabel na světě, který byl instalován v síti, byl zprovozněn v květnu 2001 v dánském Copenhagenu. Na projektu se účastnily NST, Technical University of Denmark (ELTEK) a Research Institute of Danish Utilities (DEFU). Jedná se o 30 m teplý kabel, 30 kV, 2 kA se 3 jednotlivými fázemi od výrobce NKT Cable, který zásobuje 50 tisíc odběratelů [8]. V lednu 2000 byl zprovozněn studený koaxiální kabel délky 30 m, 12,5 kV, 1,25 kA od výrobce Southwire [9]. Kabel napájí 2 výrobní závody dané společnosti v Carrolltonu v USA, je umístěn na povrchu a každá fáze má vlastní kryostat. Vývoj začal v roce 1997 a zahrnoval i prototyp kabelu délky 5m. Nyní je 30 m kabel více než 15 tisíc hodin v nepřetržitém provozu. V roce 2001 byl postaven a testován prototyp triaxiálního kabelu délky 1,5 m pro stejné napětí i proud, v druhé polovině 2002 se plánuje zprovoznění 5 m kabelu a v roce 2003 se plánuje v Carrolltonu instalovat 30 m triaxiální kabel vedle původního studeného kabelu. Společnost dále plánuje začít práci na 3f kabelu 13,2 kV, 2,5 kA délky 300 m ve městě Columbus v USA. V červenci 2001 společnost Pirreli instalovala ve stanici Frisbie společnosti Detroit Edison, USA tři podzemní kabely, které nahradily 9 měděných kabelů připojujících napájecí transformátor do sítě 24 kV. Jedná se o teplé kabely 120 m, 2,4 kA, 24kV, které napájí více než 14 tisíc odběratelů [10]. Chladicí systém 4 kW má dva uzavřené chladicí okruhy, primární s tekutým dusíkem a sekundární s heliem. V průběhu roku 2002 se zjistil únik v systému tepelné izolace u 2 kabelů a rozhodlo se nahradit je 6 měděnými kabely, třetí HTS kabel pracuje i nadále. Tomuto projektu předcházel projekt teplého 1f kabelu 115 kV, 2 kA, délky 50 m ve spolupráci s EPRI a ministerstvem energetiky. Společnost Pirelli dále odstartovala projekt prvního 3f koaxiálního studeného kabelu vyrobeného a testovaného v USA. Zprovoznění 3f kabelu 68 kV délky 800 m uloženého v zemi se očekává v roce 2004, měl by přenášet výkon 77 MVA v městské oblasti na Long Islandu [13]. Tento projekt vychází z jiného projektu koaxiálníko studeného kabelu společnosti Pirelli a EdF, jehož vývoj začal v roce 1997. Jedná se o 50 m kabel 225 kV, 3 kA. Na počátku 2000 byla dokončena výroba 1f prototypu 225 kV, 20 m, 2,6 kA, ztráty 1 W/m. Během roku 2002 se předpokládá zprovoznění. Podobný projekt začala Pirelli a ENEL v roce 1999. Koaxiální studený kabel 132 kV, 3 kA, délky 30 m, 1f systém začne být testován asi v roce 2003.



V roce 1999 japonská společnost Tokyo Electric Power Company a výrobce Sumitomo začaly pracovat na prototypu 100 m, 3f studeného koaxiálního kabelu, 66 kV, 1 kA. Testování probíhá od poloviny roku 2001, na rok 2005 se plánuje výroba 300 metrového kabelu. Dále Tokyo Electric Power Company, Sumitomo, Furukawa Cabling System vyvíjí kabel 6 kV, 1000 MVA, který bude obepínat Tokio a vyhoví rostoucím požadavkům na dodávku elektřiny v tomto městě. Americká společnost IGC-Superpower oznámila instalaci 400 m podzemního kabelu v Albaně, stát NY. Tento kabel by měl již využívat vodiče 2.generace. 5. Transformátory Vývoj supravodivých transformátorů začal v 80.letech. Vznikla řada demonstračních projektů o výkonech desítek kVA, úspěšně byly testovány také transformátory o vyšších výkonech (1f, 330 kVA - ABB nebo 3f, 2 MVA - Kansai Electric Power Company). Provoz transformátorů využívajících nízkoteplotní supravodiče se ukázal jako technicky možný, avšak z hlediska vysokých nákladů na chlazení jako ekonomicky nevýhodný. Zlom nastal až s vývojem HTS vodičů, neboť náklady na chladící systém jsou výrazně nižší. Velká naděje s vkládá do vodičů 2.generace, které mají vyšší odolnost proti působení magnetického pole a nižší střídavé ztráty. Předpokládá se, že konkurenceschopné jsou transformátory s výkony většími než 40 MVA. Japonští vědci plánují do roku 2004 sestavit prototyp transformátoru využívajícího 2.generaci HST vodičů. HTS transformátory mají oproti konvenčním transformátorům o stejném výkonu o 25 až 50% menší ztráty, mají nižší hmotnost (40 až 60%) a menší velikost a vyznačují se tišším chodem. Neohrožují životní prostředí a nejsou vystaveny riziku vzniku požáru, neboť neobsahují olej. Předností je možnost jejich přetížení až dvojnásobkem jmenovitého výkonu, aniž by došlo k poškození izolace a snížení životnosti, přetížení je omezené pouze kapacitou chladícího systému. Jsou vhodné pro použití v městských oblastech s velkou hustotou odběru, v regionech v rychlým růstem spotřeby, kde je obtížné předvídat rozdělení zatížení, a pro umístění uvnitř budov. Další výhodou je nižší impedance, přibližně 25% oproti konvenčním transformátorům stejné velikosti, a lepší regulace napětí. Tyto transformátory mohou pracovat i při poruchovém proudu 10 až 20 větším než jmenovitý proud a v závislosti na jejich konstrukci mohou mít schopnost poruchové proudy také omezovat. V kryostatu jsou umístěna pouze vinutí, která jsou chlazena kapalným dusíkem. Jádro transformátoru pracuje při teplotě okolí (viz obr.7). Pokud by byl i magnetický obvod umístěn do kryostatu, ztráty v železe by zvýšily energetickou náročnost chlazení, což by zcela eliminovalo snížení ztrát ve vinutí. Tato situace má v zásadě dvojí řešení: umístit magnetický obvod mimo kryostat, který má pak prstencový tvar



a obepíná hlavní jádro, nebo navrhnout transformátor bez feromagnetického obvodu. Zatímco první možnost je vcelku přijatelná, druhá přináší řadu problémů.

Obr.7 – koncepce trojfázového supravodivého transformátoru Využívání supravodivých transformátorů je spojeno s dalším snižováním nákladů na provoz ES (nižší jalový příkon, tudíž možnost vyššího využití generátorů pro výrobu činné energie a nižší úbytky napětí v síti, omezení zkratových proudů, tudíž náhrada vypínačů odpínači, odstranění reaktorů apod.). Ve světě bylo vyvinuto několik prototypů HTS transformátorů. V roce 1996 japonská společnost Sumitomo Electric a Kyushu University vyvinuly 1f laboratorní typ 500 kVA, 6,6/3,3 kV a v roce 2000 1f transformátor 1 MVA, 22/6,9 kV, který by měl být předchůdcem komerčně využitelných transformátorů o výkonech desítek MVA. V roce 1997 byl společností ABB testován 3f transformátor 630 kVA, 18,7/0,4 kV, který byl jako vůbec první na světě nasazen do provozu v elektrické síti v Ženevě. Dalším projektem byl vývoj transformátoru 10 MVA, 69/15 kV, který měl být prototypem pro ověření a odzkoušení projektu transformátoru 100 MVA s provozním napětím mezi 225 a 20 kV. Projekt transformátoru 100 MVA byl nakonec přerušen, neboť očekávaná návratnost by při současných cenách HTS vodičů nebyla dosažena. Společnost ABB se rozhodla počkat, až se prosadí nová generace HTS vodičů a sníží se jejich cena a pak se k projektu opět vrátí. Dalším evropským výrobcem, který se zabývá vývojem supravodivých transformátorů, je společnost Siemens, která vyvíjí transformátor 1,1 MVA pro použití v trakčních vozidlech. V roce 1997 byl zkoušen 1f transformátor 1 MVA amerického výrobce Waukesha Electric s primárním napětím 13,8 kV. Od roku 2000 společně s výrobcem vodičů IGC Superpower a laboratoří Oak Ridge National Laboratory vyvíjí 3f transformátor 24,9/4,2 kV, 5 MVA s možností přetížení na 10 MVA [11]. Trafo by mělo být schopno vydržet po 2s 10-ti násobek jmenovitého proudu a po dobu 48 hod jeho



2 násobek. Plánuje se, že začátkem roku 2003 se tento prototyp 5/10 MVA začne dlouhodobě využívat pro napájení hlavního výrobního závodu společnosti Waukesha z místní rozvodné sítě. V roce 2001 stejné společnosti oznámily začátek práce na další fázi projektu, transformátoru 30/60 MVA, 138/13,8 kV. Tento prototyp by měl být připraven k praktickému odzkoušení už v roce 2003. 6. Ostatní aplikace [1], [2] V roce 1998 japonská společnost Hitachi oznámila, že úspěšně odzkoušela prototyp 70 MW generátoru využívajícího nízkoteplotní supravodiče. Vývoj je podporovaný vládou a účastní se ho energetická společnost Kansai Electric Power Company, dalšími členy týmu jsou výrobci Mitsubishi Electric a Toshiba. Každý výrobce vyvinul svůj rotor. Minulý rok program přešel do závěrečné fáze, další prací bude vývoj 200 MW generátoru, který by měl již komerční využití. Americká společnost GE vyvíjí generátor 100 MVA, nyní má sestrojený rotor pro výkon 1,5 MW a plánuje stavbu stroje 100 MVA pro komerční využití. Zařízení využívá 1.generaci HTS vodičů. Účinnost generátoru by měla být 99,5% oproti 98% u konvenčního stroje stejného výkonu. Velikost generátoru by měla být zhruba třetinová. Vývoj supravodivých motorů předběhl vývoj generátorů. V současné době se vyvíjí motory o výkonu několika MW. Při stejné velikosti, jakou mají současné motory, se dosahuje dvojnásobného výkonu a ztráty jsou redukovány na polovinu. Vzhledem k poloviční hmotnosti při daném výkonu se předpokládá použití motorů pro pohony lodí, na vrtných plošinách v moři nebo jako generátorů u soustrojí s plynovými turbínami, pro speciální dopravní prostředky atd. V lednu 2002 výrobci Automation Rockwell / Reliance Electric a American Superconductor provedly úspěšné zkoušky synchronního motoru 5000 hp (3,74 MW) [12]. Tomuto prototypu předcházel prototyp motoru 200 hp (150 kW) a 1000 hp (750 kW). Výrobce uzavřel kontrakt na dodávku motoru 6500 hp pro pohon lodí. Prototyp by měl být dodán v létě 2003. Již se uvažuje o vývoji motorů pro stejné účely o výkonu 20 000 hp (15 MW) a 35 000 hp (26 MW). Společnosti Siemens a NST (Nordic Superconductor Technologies) vyvinuly motor o výkonu 400 kW, který je prvním motorem se supravodivým vinutím v Evropě. Dalšími zařízeními využívajícími jev supravodivosti jsou omezovače zkratových proudů (FCL – Fault Current Limiters). Při poruše vzroste hodnota procházejícího proudu nad hodnotu kritického proudu (Ic > 2,5 In) a omezovač ztratí na krátkou dobu svoji supravodivost. Omezovač reaguje v době, kdy zkratový proud ještě nedosáhl vrcholové hodnoty (viz obr.8). Vzhledem k omezenému proudu se snižují nároky na zkratovou odolnost přístrojů a zařízení umístěných za omezovačem. Existují tři koncepce omezovačů: odporové (připojené sériově do obvodu), induktivní



(sériově zapojený transformátor se sekundárem ve formě supravodivé trubky) a hybridní (sériově zapojený transformátor se supravodivými pruty zapojenými do sekundárního vinutí). Upřednostňuje se koncepce odporového omezovače proudu.

Obr.8 – Příklad omezení poruchového proudu supravodivým omezovačem proudu Vývoj FCL probíhá zejména v Evropě, např. společnosti ABB, GEC-Alsthom, Siemens [14], dále pak v Japonsku (Tokyo Electric) i v USA (General Atomics). V roce 1996 ABB úspěšně instalovala ve švýcarské hydroelektrárně Löntsch 3f induktivní omezovač o výkonu 1,2 MVA, 10,5 kV, šlo o vůbec první komerčně provozované vysokoteplotní supravodivé zařízení na světě. V první půlperiodě omezovač omezil očekávaný poruchový proud 60 kA na hodnotu 700 A. Obnovení do normálního provozního stavu trvalo pouze několik sekund. V roce 2001 tato firma odzkoušela i omezovač o výkonu 6,4 MVA, jehož cívka váží méně než 50 kg. Firma Siemens v roce 1996 zhotovila funkční model 100 kVA odporového omezovače a pracuje na vývoji omezovače o výkonu 1 MVA. Dále by chtěla pokračovat vývojem omezovače o výkonu řádově desítek MVA (výkon potřebný pro použití omezovačů v sítích 22 kV je cca 10 MVA). Další prototypy omezovačů se vyvíjí nebo zkouší v USA (General Atomic, 15 kV, 1,2 kA, poruchový proud 9 kA), v Japonsku (Tokyo Electric, induktivní typ s usměrňovačem, 6,6 kV, 20 A [15]) a v dalších evropských zemích [14]. Supravodivé magnetické zásobníky SMES (Supeconductive Magnetic Energy Storage) patří mezi supravodivá zařízení, jejichž komerční využitelnost byla možná i při využívání nízkoteplotních supravodičů chlazených kapalným heliem. Vývoj těchto zařízení začal už v 70.letech. SMESy se mohou sloužit jako akumulátory elektrické energie, jako výkonová rezerva (zatím cca několik sekund, výkony až 100 MW) v přenosových sítích nebo jako korektory kvality napětí (výkony do 1 MW), které překlenují krátkodobá přerušení nebo poklesy napětí v distribučních sítích. Jejich účinnost se pohybuje v rozmezí 80 až 90%. První komerční projekt SMES o kapacitě 30 MJ byl vyzkoušen v roce 1981 v USA v síti 500 kV. V Japonsku byly v 80.letech vyzkoušeny SMESy o kapacitě 1 a 5 MJ.



V posledních 10 letech se vyvíjí malé SMESy o kapacitě do 1 MJ, tzv. mikro-SMES, pro zajištění nepřetržitého napájení, které jsou schopny po dobu 1s dodávat výkon 1 MW. Tato zařízení jsou v současné době komerčně využitelná a uvažuje se i o zařízeních využívajících vysokoteplotní supravodiče. SMESy středních kapacit 30 až 300 MJ se stále ještě vyvíjí, existují i studie akumulátorů velkých kapacit 10 MWh až 10 000 MWh.

Obr.9 – Využití energie ze vzdálených zdrojů pomocí supravodivých vedení 7. Závěr Využívání supravodivých zařízení zvýší flexibilitu provozu ES a díky velmi nízkým ztrátám i její celkovou efektivnost. Pomocí těchto zařízení bude možné odstranit přenosově slabá místa sítě a vyhovět rostoucím požadavkům na dodávku elektřiny při oddálení investic do výstavby nových stanic a vedení. Také je potřeba zmínit přínos k ochraně životního prostředí, neboť nevyrobená energie díky nižším ztrátám v ES znamená nižší zatížení životního prostředí. Pomocí supravodivých přenosových systémů by dále bylo možné přenášet energii ze vzdálených zdrojů (např. využití potenciálu solární energie v severní Africe nebo vodní a větrné energie v severní Evropě – viz obr.9), propojit dílčí sítě do velké globální sítě či řešit koncepci energetického zásobování v budoucnosti (např. koncepce tzv. SuperGrid [17]). Poznámka: Tento příspěvek vznikl v rámci práce na projektu GAČR 102/02/0949.



Literatura [1] Lawrence L.R., Cox C. – High temperature superconductivity: the products and their benefits, Oak Ridge National Laboratory, USA, 2002 http://www.ornl.gov/HTSC/pdf/Products&Benefits2002AdvCpy.pdf [2] Superconductivity Web21, winter 2002 http://www.istec.or.jp/Web21/Web21_PDF/Winter2002m01.pdf [3] Coated Conductor Technology Developement Roadmap, august 2001 http://www.eren.doe.gov/superconductivity/pdfs/ccroadmap8_23.pdf [4] http://www.amsuper.com/wirefact.htm [5] http://www.eren.doe.gov/superconductivity/partnership.html [6] http://www.ornl.gov/HTSC/fy02peer.htm [7] Malozemoff, Verebelyi, Fleshler, Aized, Yu – HTS Wire: Status and Prospects, ICMC-SPA Conference, China, june 2002 http://www.amsuper.com/webcopy/technicalpapers/187.pdf [8] http://www.supercables.com/pdf/eucas01.pdf [9] http://www.ornl.gov/HTSC/pdf/fy2002/Southwire_Presentation.pdf [10] http://www.amsuper.com/detroit.htm [11] http://www.ornl.gov/HTSC/pdf/fy2002/WES_Presentation.pdf [12] http://www.amsuper.com/motorfact.htm [13] http://www.epri.com/journal/details.asp?doctype=news&id=232 [14] http://orchidea.maspec.bo.cnr.it/working_groups/FCL_roadmap_2001.doc [15] http://www.tepco.co.jp/rd/power/dtyodend/fcl/fcl-e.html [16] Rybář J., Krasl M. – Výpočet ztrát ve vinutí supravodivého transformátoru, konference Elektroenergetika 2003, Ostrava [17] Starr Ch. - National Energy Planning for the Century, ANS Winter Meeting, november 2001, Nevada http://www.epri.com/attachments/273488_NatlEnergyPlan.pdf

SOUČASNÝ STAV A PERSPEKTIVY VYUŽITÍ SUPRAVODIVÝCH KOMPONENT V ES

Recommend Documents