Köztestületi Stratégiai Programok
III. Energetikai kutatások
Adalékok a jövőképhez: a szupravezetők villamosipari alkalmazásai
Dr. Vajda István
Budapest, 2010. október
1
Tartalom 1
Bevezető
3
2
A szupravezető anyagok és alkatrészek releváns tulajdonságai az alkalmazástechnika szemszögéből
5
3
4
2.1 Történeti háttér
5
2.2 A szupravezető anyagok alkalmazás‐szempontú lényeges tulajdonságai
5
2.2.1
A szupravezető anyagok releváns tulajdonságai
6
2.2.2
Szupravezető kompozitok: huzalok és szalagok
7
2.2.3
Alacsony‐ és közepes hőmérsékletű szupravezető huzalok
9
2.2.4
MHS szupravezető huzalok
9
Szupravezetős villamosipari alkalmazások áttekintése
12
3.1 Az alkalmazások csoportjai
12
3.2 A villamosipari alkalmazások osztályai
12
3.3 Szupravezetős villamosipari eszközök: AHS‐től MHS‐ig
14
3.3.1
AHS villamosipari alkalmazások
14
3.3.2
A magashőmérsékletű szupravezetés felfedezésének hatásai
14
3.3.3
Az MHS anyagokkal szemben támasztott követelmények és árak
15
MHS villamosipari alkalmazások – nemzetközi helyzetkép
21
4.1 Szupravezetős forgógépek
21
4.2 Szupravezetős kábelek
22
4.3 Szupravezetős zárlati áram‐korlátozó (ZÁK)
24
4.4 Szupravezető mágneses energia tárolás (SMES)
27
4.5 Szupravezetős csapágyak és szupravezetős mágneses csapágyazású lendkerekes energiatároló 28
rendszerek
5
4.6 Elektromos szigetelések
31
4.7 Egyéb alkalmazások
31 33
Hazai feladatok 5.1 Célkitűzés
33
5.2 A teljesen szupravezetős integrált rendszer: a mikro/minierőmű koncepcionális terve
33
2
1
Bevezető
1986 kora tavaszán Bednorz és Müller csodálatos és váratlan felfedezést tettek: magashőmérsékletű szupravezető tulajdonságokat találtak egy új, rézoxid-alapú kerámia anyagosztályban. Az új, (La,Ba)2CaCu4O4-x összetételű anyag kritikus hőmérséklete 35 K körül volt. Ez több mint 50%-kal volt magasabb érték, mint az akkor ismert legmagasabb kritikus hőmérsékletű alacsonyhőmérsékletű szupravezető, az Nb3Ge kritikus hőmérséklete, Tc = 23,2 K. A felfedezés hatásának érzékeltetésére megjegyzendő, hogy akkoriban a szupravezetős villamosipari technológia mindössze két anyagtípuson alapult, úgymint: NbTi, és az Nb3Sn, melyek kritikus hőmérséklete 9 illetve 18 K. Következésképpen alkalmazásuk feltételezte a folyékony héliumhűtést, amelynek hőmérsékleti tartománya közelítőleg 2-6 K. Az MHS-anyagok váratlan felfedezésének különös drámai hátteret adott az a körülmény, hogy az 1986. év a szupravezetés „születésének” 75. évfordulója volt. Ez az év a „hagyományos”, alacsonyhőmérsékletű szupravezetés tudományában sikeres év volt. Éppen 25 év telt el az Nb3Sn felfedezése óta. Az Nb3Sn és a hozzá hasonló más, II. típusú anyagok nagy, akár 9 T erősségű mágneses terekben is igen nagy kritikus áramsűrűséggel bírnak. 1961-ben bekövetkezett felfedezésük tette lehetővé nagy mágneses terek szupravezetőkkel történő előállítását változatos alkalmazási célokra. Ezen alkalmazási területek között szerepeltek: a laboratóriumi mágnesek különféle típusai, a nagy részecskegyorsítók, továbbá a szupravezetés első, ténylegesen polgári célú alkalmazása az MRI mágnesekben. A szupravezetős generátorok, a motorok és a kábelek technikai megvalósíthatósága a megépített és sikeresen tesztelt Nb 47 súly% Ti vagy Nb3Sn alapú „hagyományos”, AHS demonstrációs eszközök segítségével bizonyítottá vált. A gazdasági megvalósíthatóság más eredményt adott: a piaci bevezetést és kereskedelmi forgalomba való bekerülést jelentősen megnehezítették vagy hátráltatták a felmerülő költségek és technikai nehézségek. Mindezzel együtt is a szupravezető ipar és technológia folyamatosan növekvő görbén fejlődött. Ennek köszönhetően a 75. évfordulóhoz közeledve érzékelhető volt az optimizmus a szupravezetők területén. A 75. évfordulót a szupravezetős társadalom változatos formákban ünnepelte. Ám a szerzőkön kívül senkinek nem volt tudomása a (La,Ba)2CaCu4O4-x csodálatos tulajdonságairól szóló dolgozatról (amely még a nyomdában volt), amelyet rövidesen olyan új anyagok felfedezése követte, amelyek Tc értéke 100 K hőmérsékletnél is nagyobb. Az 1987. év márciusára a világ minden zugába eljutott a hír, miszerint Wu, Chu és munkatársaik sikeresen létrehozták az YBa2Cu3O7-[delta] szupravezető anyagosztályt. A hír
3
bejárta a földgolyót. Ebből a hírözönből támadt az új, szupravezetős korszak jövőképe, amely szerint a réz és az alumínium „korát” a „szupravezetők kora” fogja felváltani. A villamos energia termelését szupravezetős generátorok, felhasználását szupravezetős motorok fogják végezni, tárolását és a szolgáltatott energia minőségét szupravezetős energiatároló tekercsekkel oldják meg, lásd a 1–1. ábrát. Egyszóval széles körökben az az érzés alakult ki, hogy a demonstratív MHS-eszközökkel kapcsolatos ígéretek nagyon gyorsan megvalósulnak. Az új kor hajnala eljöttének érzését táplálta az a hit is, hogy a szobahőmérsékletű szupravezetés karnyújtásnyira van. Mi valósult meg mára mindezekből a reményekből? Bizonyos MHS-anyagokból viszonylag egyszerűen lehetséges a gyakorlatban használható huzalt gyártani, amelyek lehetővé teszik prototípusok megvalósítását. A kutatók, mérnökök, vállalkozók, ipari és állami alkalmazottak tehetséges és elkötelezett társadalma megfeszített erővel dolgozik azon szerte az egész világon, hogy a szupravezetős villamosipar jövőképe valóra váljon, és az egész emberiség számára gyümölcsözzön.
1-1. ábra: A szupravezetés alkalmazása a jövő villamos energia rendszerében 1.
1
D. Larbalastier, The Vision of A New 21st Century Technology: Power Applications of Superconductivity, Http://Itri.Loyola.Edu/Scpa/01_01.Htm
4
2
A szupravezető anyagok és alkatrészek releváns tulajdonságai az
alkalmazástechnika szemszögéből 2.1 A
Történeti háttér
szupravezető
anyagok
1911
óta
ismertek.
Hetvenöt
éven
keresztül
az
ún.
alacsonyhőmérsékletű szupravezető (AHS) anyagok álltak rendelkezésre, amelyeket általában folyékony hélium segítségével igen alacsony hőmérsékletre kellett hűteni ahhoz, hogy szupravezető tulajdonságaik megnyilvánuljanak. Az 1986. év fordulópontot jelentett: ekkor fedezték fel az ún. magashőmérsékletű szupravezető (MHS) anyagokat. 1987-től állnak rendelkezésre azok az MHS-anyagok, melyeknek hűtéséhez megfelelő a folyékony nitrogén, vagy viszonylag olcsó hűtőgépek. Kettős előny: olcsó hűtőanyag és sokkal magasabb, 77 K körüli hűtési hőmérséklet – érthető, hogy a figyelem a potenciális alkalmazók részéről is hatványozottan fordult ismét a szupravezetők felé. A 2001. év újdonsága az ún. közepes hőmérsékletű szupravezető (KHS) MgB2, amelynek kritikus hőmérséklete 39 K. Az anyag mechanikai tulajdonságai lényegesen kedvezőbbek, mint a kerámia szupravezetőkéi, huzal készítésére nagyon alkalmas. Az anyagtudományi, fizikai, technológiai és alkalmazástechnikai eredményeinek tükrében jogosan állíthatjuk, hogy a szupravezetők (AHS és MHS, és a feljövőben lévő KHS egyaránt) villamosipari alkalmazásai a küszöbön állnak, amit a jelentős számú pilot telepítés eredményei támasztanak alá. Az AHS– és MHS–huzalok, bizonyos alkalmazások, mint a fizikai kutatásokhoz használt elektromágnesek, az orvosdiagnosztikai célú MRI– mágnesek, az energiaminőség javítására szolgáló mágneses energiatárolók (SMES), a nagy áramok kis hőveszteség melletti átvitelére alkalmas ún. áramhozzávezetések (current lead) már kereskedelmi forgalomban kaphatók. 2.2
A szupravezető anyagok alkalmazás-szempontú lényeges tulajdonságai
A szupravezetőképesség alapvetően két lényeges tulajdonságot foglal magába. Az egyik az ellenállásmentes áramvezetőképesség (történetileg ebből származik a „szupra”vezető elnevezés), a másik a diamágneses tulajdonság, az ún. Meissner–effektus. Utóbbi tulajdonság azt jelenti, hogy a mágneses tér kiszorul a szupravezető anyagból. Ezért például egy szupravezető tárcsa fölé helyezett állandó mágnesre taszító erő hat, az állandó mágnes a szupravezető tárcsa felett lebeg. A villamosipari gyakorlatban alkalmazott, ún. II. típusú szupravezetők mágneses tulajdonságai összetettebbek: a mágneses tér és a hűtés megfelelő együttes alkalmazásával a 5
mágneses tér „befagyasztható” az anyagba, taszító- és vonzóerő egyaránt felléphet, a fenti módon elrendezett „lebegtetett” vagy „felfüggesztett” állandó mágnes pozíciója stabilis mind függőleges, mind pedig oldalirányban. Említésre érdemes, hogy mágneses fluxus befagyasztásával ún. szupravezetős állandó mágnesek készíthetők, amelyeket szupravezető állandó mágneses motorokban, mágneses tengelykapcsolókban lehet előnyösen felhasználni. Az alkalmazásokban a szupravezetők mindkét alapvető tulajdonságát kihasználjuk. Az áramvezető képességen alapulnak a szupravezetős mágnesek, kábelek, áramhozzávezetések, forgógépek tekercselései és í.t. A szupravezetőkre jellemző különleges mágneses tulajdonságokat a lebegtetett csapágyakban és lendkerekekben, valamint a mágneses árnyékolókban használjuk fel. 2.2.1
A szupravezető anyagok releváns tulajdonságai
A szupravezetők (ezen a szinte kizárólagosan használt II. típusú szupravezetőket értjük) különleges és máig egyedülálló elektromos és mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok. Ezek a tulajdonságok bizonyos „kritikus” feltételek teljesülése esetén jelentkeznek, amelyek az anyag hőmérsékletére, a rajta átfolyó áram erősségére, illetve az anyagot körülvevő mágneses térre vonatkoznak. Az előbbi három mennyiségnek egy-egy adott értéknél kisebbnek kell lennie ahhoz, hogy az anyag szupravezető tulajdonságokat mutasson. A 2-1. ábrán látható paramétertérben ábrázoltuk azt a felületet, amelyen belül a szupravezető tulajdonságok megmutatkoznak.
2-1. ábra Nb3Sn kritikus értékei (kritikus felület)
E különleges tulajdonságok az ellenállásmentes vezetés (egyenáramok esetén), az erős diamágnesség, amely függ a külső tér nagyságától, (μr(B)=0..1) valamint a fluxus csapdába ejtésének képessége. Utóbbi egyfelől az anyag igen erős (0…2 T@77 K, 5…10 T@4,2 K) felmágnesezését teszi lehetővé, másfelől pedig emiatt lehetséges a talán leginkább ismert szupravezetős jelenség, a stabil mágneses lebegtetés.
6
Váltakozó áramok vagy terek alkalmazása esetén a szupravezetőkben veszteségek keletkeznek, amelyek igen jelentősek is lehetnek. Megfelelő tervezéssel azonban, mint látni fogjuk, e veszteségek alacsony értéken tarthatók. A villamos gépekben kétféle formában alkalmazzák a szupravezetőket. Egyelőre a kevésbé jelentős forma a tömbi szupravezető anyagok beépítése, ami annyit jelent, hogy jelentősebb geometriai méretekkel (néhány mm3-néhány cm3) rendelkező szupravezető darabokat építenek be a gépbe (pl. lebegtetett csapágyazáshoz, vagy mágneses árnyékolás céljából reluktancia-motorokba). A másik megjelenési forma, pedig a szupravezető huzal, amelyet a szupravezetős tekercselések kialakítására használnak. A következőkben tekintsük át a szupravezető huzalok tulajdonságait. 2.2.2 Szupravezető kompozitok: huzalok és szalagok A szupravezető huzalok gyártására sokféle kidolgozott eljárás létezik. Az AHS huzalok lehetnek egyszálas vagy sokszálas (kompozit) vezetők. Ilyen huzalok keresztmetszete látható a 2-2. ábrán.
2-2. ábra Sokszálas szupravezető huzal (NbTi)
Egyszálas szupravezető huzalokat csak egyenáram vezetésére lehet alkalmazni, állandó mágneses térben, mert váltakozóáramú veszteségei megengedhetetlenül nagyok, olyannyira, hogy a szupravezető a hőmérsékletnövekedés következtében lavinaszerűen átugrana normál állapotba (quench). E huzalok átmérője 0,3…0,7 mm, a szupravezető szálátmérője 150…430 μm. A kompozit (sokszálas) huzalok váltakozó áramok és terek esetén is alkalmazhatók. A szupravezető szálak átmérőjének csökkentésével csökkenthetők a hiszterézis veszteségek, és egyúttal növelhető a hőmérsékleti stabilitás is. A szálak egy úgynevezett mátrixba vannak beágyazva. A mátrix AHS anyagok esetén általában réz vagy bronz; Al, Pb adalékot alkalmazhatnak a fajlagos ellenállás növelésére az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében. MHS anyagok esetén a mátrix ezüst, amit arannyal vagy más fémekkel ötvöznek. A szálak mérete a kereskedelmi AHS huzalokban néhányszor 10 μm, de léteznek szubmikronos szálakat tartalmazó huzalok is. MHS huzalok esetén ez valamivel nagyobb,
7
valamint az 1G szalagok esetén a szálak általában téglalaphoz hasonlítanak (pl. 10 μm100 μm. A fenti huzalokon kívül készítenek szupravezetőkből vékony filmeket (thin film), ezeket azonban főként az elektronikában használják, valamint szalagot (tape). Ez utóbbi lehet szintén sokszálas, ekkor csak keresztmetszetének alakjában (téglalap) különbözik az előbbi huzaloktól (pl. az MHS Bi2Sr2Ca2Cu3O10- BISCO-2223, az ún. 1G MHS szalag), vagy készülhet oly módon, hogy a szupravezető anyagot egy fémszalag felületén képezett puffer rétegre viszik fel. Részben ez utóbbi technológiával készülnek az MHS YBa2Cu3O7- (YBCO) szalagok, amelyek esetében a fémszalag tiszta vagy ötvözött nikkel. Ez utóbbi szalagot beborított vezetőnek (coated conductor) nevezik. Ezt nevezik 2G MHS szalagnak. A két említett szalag struktúráját a 2-3. ábra mutatja.
2-3. ábra BISCO-2223 sokszálas huzal (balra) és YBCO beborított vezető huzal (jobbra)
A sokszálas huzalokban az elemi szálainak csavarásával (twisting) csökkentik a veszteségeket. A sokszálas huzalok és összesodrásával (transzponálás) is készülnek kábelek (Rutherford kábel). Ilyen kábelt mutat a 2-4. ábra. Az összesodrás által bizonyos örvényáram pályák teljesen megszűntethetők.
2-4. ábra Rutherford kábel (NdTi)
A következőkben összefoglaljuk a legelterjedtebben használt szupravezető huzalok és szalagok tulajdonságait.
8
2.2.3
Alacsony- és közepes hőmérsékletű szupravezető huzalok
A manapság használt két legfontosabb ötvözet a NbTi és a Nb3Sn. A NbTi kritikus hőmérséklete nulla külső mágneses tér (self-field) és nulla transzportáram mellett Tc=9 K, az Nb3Sn-é Tc=18 K. Ezeket a szupravezetőket tehát csak folyékony héliummal vagy héliumgázzal lehet hűteni. Az 2-1. táblázatban összefoglaltuk a különböző AHS (összehasonlításul a KHS és MHS is) szupravezetők kritikus hőmérsékletét, valamint az ún pool-hűtéshez használható folyadékok forráspontjait. A 2001-ben felfedezett MgB2 huzalokat igen intenzíven kutatják világszerte. Előnyei a relatíve egyszerű gyártási technológia, a kedvező ár/teljesítmény arány ($/kAm), hátránya a legfeljebb 20…25 K hűtési hőmérséklet, a viszonylag alacsony és a mágneses térre elég érzékeny kritikus áramsűrűség. MgB2-ből készült huzalok egyelőre nem kerültek jelentősebb alkalmazásba, ám a közeljövőben ezek elterjedése várható. 2-1. táblázat AHS anyagok kritikus hőmérséklete, és a hűtéshez használt anyagok forráspontja
NbTi
9K
LHe
4,2 K
Nb3Sn
18 K
LH2
20,4 K
MgB2
39 K
LNe
27,1 K
BISCO-2223
110 K
LN2
77 K
YBCO
93 K
LO2
90,2 K
Az AHS huzalokat elsősorban szupravezetős mágnesekben (>10T) használják, de villamos gépeket is terveznek ilyen huzalokkal, elsősorban japán kutatók. Nagy előnye e huzaloknak, hogy jó mechanikai tulajdonságokkal bírnak és olcsók (<2 $/(kAm)). A kritikus áramerősség Nb3Sn-ra 3-3,5 kA/mm2@10T;4,2K, NbTi-ra 2-3 kA/mm2@3-5T;4,2K. A szupravezető anyag hiszterézis vesztesége (AC veszteség) erősen függ a geometriai kialakítástól, a szálak és a mátrix elrendezésétől valamint a mátrix anyagától. Egy jellemző érték Nb3Sn huzalokra a 25 kW/m3, ami 0,1-0,15 W/(kAm) értéknek felel meg. Rézre az ohmos ellenállásból adódó érték (1 mm2 keresztmetszet esetén): 16 900 W/((kA)2m). 2.2.4
MHS szupravezető huzalok
Magashőmérsékletű szupravezető huzalokból a két legelterjedtebben használt a már említett 1G (első generációs) BISCO-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10-) és a 2G (második generációs) YBCO (YBa2Cu3O7-) Az elterjedten használt huzal (wire) elnevezés nem pontos: valójában szalagok
9
formában (tape) készítek ezeket. A bisco és ybco szupravezetők kritikus hőmérséklete az 2-1. táblázatban található. Mindkét MHS anyag bonyolult kémiai összetételű, ezért gyártásuk jóval drágább, mint az AHS és a KHS huzaloké. Jelenlegi áruk 100-200 $/kAm. Anyagát tekintve mindkét MHS anyag kerámia, emiatt mechanikai tulajdonságaik sokkal rosszabbak, mint az AHS anyagoknak. Ez szintén megnehezíti és így drágítja huzalkészítést. 0,15% megnyúlás már 5%-os kritikus áram csökkenést eredményez, ennél nagyobb megnyúlás esetén meredeken esik a kritikus áram. Emiatt a tekercselés tervezése és készítése is nagy pontosságot igényel. Az árra szintén nagy hatással van az, hogy a mátrix e huzaloknál ezüst, esetleg arannyal vagy más fémmel ötvözve. A kritikus áramerősséget tekintve e huzalok képessége 1…1,5 nagyságrenddel alatta marad az AHS anyagokénak: 1G esetén az arány nagyobb, 2G esetén a szupravezető vékony réteg nagyfokú rendezettsége következtében kisebb, rövid minták esetén megközelíti az AHSanyagokét: 2…5 MA/cm2. A kereskedelmi forgalomban kapható huzalok maximális megengedhető áramsűrűsége 60-140 A/mm2@77K. A szupravezető kompozit huzalok/szalagok keresztmetszetének csak egy részét tölti ki a szupravezető anyag (elemi szálak). A kompozit áramterhelhetőségét ezért az ún. mérnöki áramsűrűséggel (engineering current density, je) szokás jellemezni:
j e j c , ahol
Aszupra
Atotal
a kompozit kitöltési tényezőt
A kitöltési tényező korszerű kompozitokban eléri és gyakran meghaladja a 0,5 értéket. Az MHS anyagok óriási előnye, hogy kritikus hőmérsékletük jóval nagyobb, mint az AHS anyagoké, így az alkalmazott hűtőrendszer hatásfoka nagyságrendekkel nagyobb lehet. A 2-2. táblázatban összefoglaltuk, hogy 1 W veszteség eltávolításához adott hűtőanyag esetén a hűtőgép mekkora teljesítményt vesz fel. 2-2. táblázat Ekvivalens veszteségi értékek 1 W-ra vonatkozólag
4,2 K
1000 W
25 K
125 W
77 K
6-10 W
Szintén a magas kritikus hőmérséklet miatt az MHS anyagok hőmérsékleti stabilitása jóval nagyobb, hiszen az üzemi hőmérséklet távolabb van a kritikus hőmérséklettől, mint 10
AHS anyagok esetén-, ami különösen fontos például
villamos gépekben, ahol gyakran
előfordulhatnak nagy teljesítményváltozással járó tranziensek. Bár jelenleg a BISCO-2223 huzalokat használják legelterjedtebben, egyre általánosabb az a nézet, hogy az ezüst mátrix miatt a gyártási költségek nem csökkenthetők megfelelő szintre. Ezért a kutatások iránya egyre inkább az alacsony gyártási költségű YBCO anyagra épülő beborított vezetős technológiát (2-4. ábra) célozza meg. Ez utóbbi technológia további előnye, hogy a kritikus áram a külső térerősség növekedésével csak lassan csökken. Hátránya viszont, hogy nagyon érzékeny a szennyeződésékre, és a szemcsehatárok jelentősen csökkentik a kritikus áramot, így igen homogén, és rendezett szerkezetű anyag előállítása szükséges. Megjegyzendő, hogy 1G huzallal készült számos alkalmazásban a hűtési hőmérséklet lényegesen az „elvi” lehetőség: 77 K (20…40 K tartományban) alatt kerül megválasztásra. Ennek oka, hogy a kritikus paraméterek, kitüntetetten a kritikus áramsűrűség alacsonyabb hőmérsékleten lényeges nagyobb, és érzékenysége a mágneses tértől jóval kisebb. Ebből a szempontból is az 1G-nél kedvezőbbek a 2G kompozitok, amennyiben az YBCO 77 K-en is sok nagyméretű alkalmazás számára hozzáférhető. Az MHS huzalok főbb paramétereinek összehasonlítását a 2-3. táblázat tartalmazza. 2-3 táblázat Magas hőmérsékletű szupravezető anyagok és főbb tulajdonságaik Kritikus mágneses mező (0 K) >100 T >100 T >100 T >100 T 17 T
Kritikus hőmérséklet Bi-2223 szalag (1G) Bi-2212 huzal Bi-2212 tömb YBCO szalagok (2G) MgB2 huzal
110 K 85 K 85 K 90 K 39 K
Műszaki áramsűrűség (saját mező) >10 kA/cm2 (77 K) >10 kA/cm2 (77 K) 2-3 kA/cm2 (77 K) >10 kA/cm2 (77 K) >10 kA/cm2 (20 K)
Összefoglalva: az MHS anyagok vezetékkénti alkalmazása a közeljövőben megvalósul és a prototípusokon végzett teszt-eredmények alapján ezek elérik a teljes méretű szintet. Verseny folyik a különböző anyagok és a különböző anyagok formái között is, de a nyertes hosszú távon még nem mondható meg egyértelműen. Minden anyagnak meg lehet találni azt az alkalmazási ablakot, ahol annak használata előnyös. Összességében szupravezetők felhasználása a villamosenergia-hálózatban még soha nem volt ígéretesebb.
11
3
Szupravezetős villamosipari alkalmazások áttekintése 3.1
Az alkalmazások csoportjai
A szupravezetők alkalmazásait a „superconductivity community” két nagy csoportra osztja: úm. nagyméretű és kisméretű alkalmazások. Az előbbi jelzők a szakmában világszerte egységesen használt ‘large scale’ és ‘small scale’ fogalmak tükörfordításai, amelyek nem jól illeszkednek a magyar nyelvbe, de pontosabban kifejezik a tartalmat, mint a kezdetben használt „erősáramú” és „gyengeáramú” kifejezések. Úgy ítélem meg, hogy a „szupravezetők villamosipari alkalmazásai” terminus idehaza elfogadott, kontextusa kialakult, ezért a továbbiakban ezt használom. 3.2
A villamosipari alkalmazások osztályai
A villamosipari szupravezető alkalmazásokat több szempont szerint lehetséges osztályokba sorolni. Az előállított mágneses tér nagysága alapján alapvetően két nagy osztályt szokás megkülönböztetni: Nagy mágneses terű (high field, HF), > 1 T alkalmazások, úgymint generátorok, motorok, fúziós erőművek, magnetohidrodinamikai (MHD) és mágneses energiatárolás; Kis mágneses terű (low field, LF), < 1 T alkalmazások, úgymint villamosipari kábelek, transzformátorok, áramkorlátozók. Az áramnemet tekintve az alábbi osztályok léteznek: Egyenáramú (DC) alkalmazások, úgymint gerjesztő tekercsek, egyenáramú kábelek, homopoláris gépek; Váltakozóáramú (AC) alkalmazások, úgymint váltakozóáramú kábelek, forgógépek armatura-tekercselései, transzformátorok, áramkorlátozók, stb. Az alkalmazások jellegét tekintve az alábbi osztályokat különböztetem meg: Versenyző alkalmazások, „replacing technology”, amelyeknek létezik „hagyományos”, nem-szupravezetős megoldása (alternatívája, variánsa), a szupravezetős megoldás a hagyományos alternatívánál jobb műszaki paraméterekkel (tipikus példák a nagyobb hatásfok, kisebb méret és súly) és versenyképes árral kell rendelkezzen; versenyző alkalmazásokra példák a generátorok, transzformátorok, kábelek.
12
Résekbe illeszkedő alkalmazások, „enabling technology” amelyeknek – legalábbis az ipari gyakorlatban – nem létezik hagyományos, nemszupravezetős alternatívája. A szupravezetős megoldás olyan rést tölt be, amely hagyományos módon lényegében nem megoldott. Résekbe illeszkedő megoldásokra példák a mágneses energiatároló, a stabilis passzív mágneses csapágyazás, illetve az ilyen csapágyazású energiatároló lendkerék, az áramkorlátozó, továbbá az igen nagy mágneses terek előállítása. Az elosztó hálózatokban alkalmazható áramkorlátozók dominánsan a kis mágneses terű, míg az átviteli hálózatokban alkalmazható áramkorlátozók bizonyos típusai a nagy mágneses terű osztályba tartoznak. A kis mágneses terű alkalmazások bizonyos típusaiban, mint a transzformátorok és AC kábelek, a szupravezető jelentős nagyságú váltakozó térben van elhelyezve (AC alkalmazások), ezért olyan szupravezető anyag (huzal) alkalmazását igénylik, amelyek AC vesztesége kicsi. Bizonyos áramkorlátozó típusokban a szupravezető anyag szintén jelentős nagyságú AC térben van, ezért ezekben az eszközökben is kis ACveszteségű szupravezető anyagokat kell alkalmazni. A vezető anyagok (huzalok) korlátozott AC-képességei miatt az ún. teljesen szupravezetős (fully superconducting) alkalmazások fejlesztése a 80-as évek elejéig nem volt lehetséges. A 80-as évek elejére az AC-veszteségek elmélete kifejlődött, ezzel párhuzamosan a kisveszteségű, szubmikron méretű elemi szálakat tartalmazó sokszálas (multifilamentary) kompozit huzalokat sikerült kifejleszteni, ami a váltakozóáramú, ezen belül a még nagyobb igénybevételt jelentő nagy, forgó mágneses terű alkalmazások tervezését és megvalósítását is lehetővé tette. Az AC váltakozóáramú kábel azért kivétel, mert e fellépő mágneses tér relatíve kicsi, általában B < 0,1 T, és az anizotróp szalag-alakú kompozitok esetén a lényeges mezőkomponens párhuzamos lehet a szalag síkjával.
13
3.3
Szupravezetős villamosipari eszközök: AHS-től MHS-ig
3.3.1 AHS villamosipari alkalmazások A 3-1. táblázatban összefoglaltuk azokat a lényeges, alacsonyhőmérsékletű szupravezetős villamosipari alkalmazásokat, amelyeket a múlt század 80-es évei végéig sikeresen megvalósítottak. A táblázat adatai világosan mutatják, hogy a legjelentősebb fejlesztéseket az Egyesült Államokban és Japánban valósították meg. 3-1. táblázat Az 1970–1990 között tervezett és megvalósított villamosipari AHS eszközök (komponensek) kiemelkedő példái
Alkalmazás AC generátorok
Homopoláris motorok AC kábel SMES Áramkorlátozó (ZÁK) Transzformátor MHD
Ország 20 MVA–General Electric, USA 50 MVA–Hitachi, Japán 12,000 rpm–Westinghouse/USAF 300 MVA–Elektrosila, Oroszország 3250 LE–IRD, Egyesült Királyság 1000 LE–US Navy 1000 MVA, 138/80 kV–BNL, USA 30 MJ–Bonneville Power 2 MVA, 3 kV–IRD, Egyesült Királyság 72 kVA, Kyushu Univ., Japán 6 T, ANL–CFTF Tullahoma, USA
3.3.2 A magashőmérsékletű szupravezetés felfedezésének hatásai Meghatározott, kiválasztott villamosipari vonatkozású fejlesztések tovább folytatódtak. Japán például éppen ebben az időben, konkrétan 1987 szeptemberében indította el hivatalosan a Super-GM nevű programját. A program hosszú távú célja szupravezetős generátor és ehhez csatlakozó alkalmazások fejlesztése volt, amely az ezredforduló utánra prognosztizálta a fejlesztett alkalmazások piaci bevezetését. Ebben az időszakban következett be a magashőmérsékletű szupravezető anyagok felfedezése. E felfedezés nagyon nyilvánvaló következménye és előnye volt, hogy a 4 K tartományban történő hűtést felválthatta a 77 K környezetében történő hűtés. Ami például az Egyesült Államokat illeti, a felfedezést követően azonnal és újból feltámadt az érdeklődés a szupravezetős alkalmazások iránt. 1988-ban a Department of Energy kezdeményezésére és támogatásával indult el a Superconductivity Program for Electric Power Systems (Villamos Energiarendszerek Szupravezetős Program), amely 1993-ban alakult át Superconductivity Partnership Initiative (SPI, Szupravezetős Partnerség Kezdeményezése) nevű programmá, amely segít az MHS-anyagok villamos eszközökben való felhasználásának fejlesztésében. 14
3.3.3 Az MHS anyagokkal szemben támasztott követelmények és árak A 3-2. táblázatban összefoglaltuk az MHS huzalokkal illetve szalagokkal szemben, az ipari igények alapján meghatározott követelmények, amelyek az villamosipari MHS eszközök ipari prototípusainak elkészítéséhez, illetve a tervezett piaci bevezetéshez szükségesek. Az áramokra,
a
mágneses
térre,
valamint
a
mechanikai
tulajdonságokra
vonatkozó
követelmények azonosak az MHS és az AHS anyagokra. Az üzemi hőmérséklet csak az MHS anyagokra vonatkozik, az AHS anyagokat rendesen 4.2…8 K közötti hőmérséklettartományban üzemeltetik. A táblázat utolsó oszlopában az MHS huzal/szalag elérendő ára van feltüntetve, $/kAm egységekben. Az árakkal kapcsolatos számítások abból a korábbi megfigyelésből származnak, hogy a szupravezetős huzal csak abban az esetben költség-hatékony, amennyiben egy adott tekercs ampermenetszáma lényegesen nagyobb, mint a szokásos réztekercselésé. Jelenleg az AHS Nb-Ti huzal ára ~$2/kAm; az Nb3Sn ára az előző ár 25-szöröse, attól függően, hogy a vizsgált vezető sokszálas kompozit-e vagy szalag. Az MHS rendszerek 3-2. táblázat szerinti elérhető legkisebb ára: $10/kAm, lényegében a Nb3Sn árával egyezik meg, ami az ipari szakértők többségének véleménye szerint elfogadható az összes villamosipari alkalmazás szempontjából. A bisco vezető jelenleg a Nb3Sn vezetőknél lényegesen rosszabb tulajdonságú, ára azonban egy–két nagyságrenddel magasabb. Az MHS vezetők jelenlegi magas ára azonban gyakorlatilag nem akadályozza a különféle alkalmazások építését és működési demonstrációját, amit számos kísérleti megvalósítás is alátámaszt. A piaci bevezetés, ezzel az új (tervezett) szupravezetős termékek versenyképességének általánosan elfogadott feltétele, hogy a szupravezetős komponensek ára a lehető legkisebb legyen. Ezzel kapcsolatban eltérő vélemény is jogos, amennyiben a szupravezetős, különösen az általam „résekbe illeszkedő”-nek nevezett alkalmazások a hagyományos megoldásokkal összevetve
lényegesen
kedvezőbb
technikai
paraméterekkel
jellemezhetők,
illetve
hagyományos megoldás gyakorlatilag nem létezik. A 3-3. táblázatban foglaltuk össze azokat a kulcs–paramétereket, amelyeket a várakozások és felmérések szerint a potenciális vásárlók a szupravezetős és a nem-szupravezetős megoldások létező és tervezett alternatívái közötti összehasonlításra és választásra használni fognak. A táblázat összehasonlítja az összes létező szupravezetős
villamosipari
alkalmazást
a
létező,
reprezentatív
nem-szupravezetős
(versenyző) alternatívákkal szemben a rendszerbeli viselkedés, a megbízhatóság és karbantartás, a hatásfok, az üzemi élettartam, valamint a beruházási költségek alapján.
15
Nyilvánvaló,
hogy
az
egyes
felhasználók
(potenciális
vásárlók)
egyéni
megfontolásokat fognak alkalmazni egyéni igényeiknek megfelelő termék kiválasztására és megvásárlására.
Ennek
megfelelően
az
egyes
termékeket
egyéni
prioritások
(prioritásrendszer) alapján fogják értékelni, amelyek között a 3-3. táblázatban fel nem tüntetett paraméterek is szerepelhetnek. Így például gondolnunk kell a környezeti hatásokat jelző paraméterekre, amelyek már a jelenben is, és még erősebben a jövőben jelentősek, sőt adott esetekben meghatározóak lesznek a döntéshozatal szempontjából. A szupravezetős villamosipari technológiának a környezetre gyakorolt várható hatásait összefoglalóan a 3-4. táblázat tartalmazza. Jogosnak tartjuk azt a feltételezést, hogy bizonyos paraméterek és megfontolások közösek és meghatározóak lesznek minden potenciális felhasználó szempontjából. Így például az áramszolgáltatók különösen érzékenyek a költségekkel kapcsolatban, ezért a teljes élettartamra vetített költség fontos mutató lehet az értékelésben. Az üzemeltetéssel kapcsolatos követelmények azt kívánják, hogy az új szupravezetős eszköz a lehető legegyszerűbben, a legkevesebb módosítással illeszkedjen megszokott tevékenységeikbe. Így például a hibaelhárítási és karbantartási tevékenységek legyenek nagyon hasonlóak a jelenlegi megszokott gyakorlatukhoz. Ehhez az említett követelményhez kapcsolódik a vizsgált eszköz megbízhatósága és karbantartási költségei, amelyeknek gyakorlatilag meg kell egyezniük a meglévő nem-szupravezetős alternatívák megfelelő mutatóival. Az áramszolgáltatók számára lényeges, hogy az új szupravezetős eszközök (termékek) rendszerbe integrálása, kiszolgálása, hibaelhárítása és karbantartása viszonylag egyszerű kiegészítő oktatás révén legyen biztosítható, lényegében az erőművekben illetve az áramszolgáltatóknál rendelkezésre álló személyzet igénybe vételével. A karbantartási ciklusok/periódusok legyenek összhangban az áramszolgáltatók megszokott és bevett gyakorlatával. A meghirdetett (becsült) hatásfokjavulásokkal és a rendszer megbízhatóságával kapcsolatos az a nehézség, hogy bár egyrészt általánosan kívánatos célparaméter, ugyanakkor értéke nyilvánvalóan bizonytalan, aminek fő oka, hogy egyelőre nem állnak rendelkezésre a megfelelő, ipari körülmények közötti üzemeltetés tapasztalatai.
16
3-2. táblázat : MHS alkalmazások: MHS huzalokkal kapcsolatos követelmények ipari igények alapján2
Alkalmazás
Ipari célú felhasználáshoz (piaci bevezetéshez) szükséges becsült elérendő paraméterek Jc A/cm2
Indukció T
Tüzemi K
Ic, A
Vezetőhossz. m
Alakváltozás %
Hajlítási sugár mm
Ár, $/kAm
104105
0,33
4077
103104
1 000
0,2
100
1030
105
24
2577
100500
1 000
0,20,3
50
10
1,5104
1
27
10
10100
5104 (a)
45
2050
5001000
105
510
2077
Kábel
104105
<0,2
Transzformátor
104105
0,1
ZÁK Nagy motor (>1 000 LE) Motor (~ 100 LE) Generátor (~100 MVA) SMES (~1 MWh)
300
7580
5001000
0,2
100
10
104
1000
0,2
1000
25
6577
2530 (b)
100
0,4
2000 (c)
10100
2077
2001400
1000
0,2
200
10
Megjegyzések (a) Elemi szálak kritikus áramsűrűsége (b) (c)
2
Egy huzal kritikus árama; a kábel nagyszámú huzalt igényel, árama 10 kA nagyságrendű Kábelre vonatkozó követelmény
D. Larbalastier, et al, Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany,WTEC Panel Report (1997)
17
3-3. táblázat A hagyomáyos és a szupravezetős villamos teljesítmény-alkalmazások összehasonlítása Alkalmazás
A rendszer jellemzése
Szinkron generátorok
Jobb statikus és dinamikus stabilitás Azonos Kétszeres névleges teljesítmény Tranziens áramok (zárlati teljesítmény) csökkenése Azonos (b)
Szinkron motorok Földalatti AC kábelek ZÁK Átviteli és elosztó hálózatokban Transzformátorok átviteli és elosztó hálózatokban Energiatárolás: SMES
Energiatárolás: lendkerék (egyelőre rövididejű)
Javítja az energiaminőséget, kedvezőbb a forgótartalék, VAR AGC kompenzáció szempontjából Javítja az energiaminőséget, kedvezőbb a forgótartalék szempontjából
Megbízhatóság és karbantartás Legyen azonos
Hatásfok
Üzemi élettartam
Beruházási költség (a)
>0,51%
Hosszabb
Azonos vagy nagyobb
Legyen azonos Legyen azonos
Hosszabb >12% Kis mértékben nagyobb Hosszabb
Nagyobb Nagyobb
Legyen összehasonlítható megszakítókkal Legyen azonos hagyományos transzformátoréval Legyen összehasonlítható más Á&E komponensekkel
Nagyobb hatásfokú átviteli és elosztó hálózat Kis mértékben, >0,10,2%-kal nagyobb (c) Legnagyobb hatásfokú tárolási technológia
Hosszabb, mint a megszakítóké
A megszakítók árának 210-szerese
Hosszabb
Nagyobb
Hosszabb
Nagyobb
Legyen összehasonlítható más UPS rendszerekkel
Lényegesen nagyobb Hosszabb energiatárolási hatásfok
Nagyobb
Megjegyzések a. b. c.
Magába foglalja az eszköz árát, a telepítés költségeit, valamint a rendszer működtetéséhez szükséges költségeket, mint pl. a hűtőrendszer árát. Kiegészítő komponenseket, mint pl. megszakítókat igényelhet. Kis AC veszteségű vezetőt igényel.
18
3-4. táblázat: A szupravezetős villamosipari technológiának a környezetre, a biztonságra és az egészségre gyakorolt hatásai3
Levegő
Föld
Kábel
Kisebb emisszió Nincs szennyezés LN2 eliminálja SF6 LN2 helyettesíti az használatát olajat
Transzformátor
Kisebb emisszió, nagyobb hatásfok, kisebb meddőtelj.
Kisebb helyigény Nagyobb alállomási kapacitás
Tűz Nincs veszély LN2 megszünteti az olajszivárgást
Nincs szennyezés LN2 megszünteti az olajszivárgást
Nincs veszély Nincs hatás LN2 helyettesíti az olajat
Esztétika
Biztonság
Kisebb költségek a távvezetékek és Kisebb költségek a a mágneses terek földalatti kábelek miatt kiküszöbölése miatt Nincs szükség új városi alállomásokra Nagyobb teljesítmény
Nincs hatás
Nagyobb megbízhatóság Kisebb valószínűség a kiesésekkel kapcsolatban.
ZÁK (a)
LN2 szigetelés helyettesíti az SF6 szigetelést
A meglévő hálózat Nincs hatás kapacitása megnő
Nincs hatás
Kisebb igény/szükség a nem esztétikus távvezetékek iránt
Motorok
Kisebb emisszió
Kisebb helyigény
Nincs hatás
Nincs hatás
Nincs hatás
Nincs hatás
Nincs hatás
Nincs hatás
Nincs hatás
Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges
Nincs hatás
Nincs hatás
Generátorok
Kisebb emisszió
Kisebb helyigény
Nincs veszély A vákuum helyettesíti H2-t.
Lendkerék
Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges
Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges
Kisebb tűzveszély, kevesebb mennyiségű szilárd tüzelőanyagfogyasztás.
(a) Zárlati áramkorlátozó 3
Víz
A. M. Wolsky, IEEE Power Engng. Review, 20, 6, 6 (2000)
19
A szupravezetős generátorok és motorok, a földalatti villamosenergia-átviteli kábelek, áramkorlátozók, energiatárolók a költséghatékonyságon túlmenően unikális előnyöket kínálnak a velük felépített energiarendszer számára. Nem véletlen, hogy a fenti előnyöket nyújtó komponenseket rendkívül intenzíven, jelentős forrásokat is igénybe vevően vizsgálják és fejlesztik minden, a témában releváns régióban, az Egyesült Államokban, Japánban, Európában, a Koreai Köztársaságban és Kínában. A magyarországi kutató-fejlesztő műhelyeknek ehhez a világtendenciához kell csatlakozni, saját eredményeinkkel – lehetőségeinkhez mérten – önálló, eredeti és jelentős tudományos és technikai hozzájárulásokat tenni a szupravezetős technológia nemzetközi és hazai ipari bevezetésének előmozdítása érdekében, a lehetséges magyar érdekek, elsősorban a magyar ipari termelés lehetőségeinek biztosítása érdekében.
20
4
MHS villamosipari alkalmazások – nemzetközi helyzetkép 4.1
Szupravezetős forgógépek
Világszerte számos kutatót és mérnököt foglalkoztat az MHS-alapú forgógépek megvalósítása eltérő tervezési koncepciók alapján. Ezekről adunk áttekintést a 4-1. táblázatban. (A 4-1.–4-4. táblázatokhoz felhasználtuk a 4forrást). Alapvető nézőpontból tekintve mind a tömbi, mind a huzal/szalagformájú kompozitok használhatók, általában vasmentes kivitelben, alkalmasint állandó mágnesekkel, vagy szupravezető állandó mágnesekkel. Mivel a szupravezetők alkalmazásának előnyei a hűtésigény miatt jelenleg a relatíve kisebb teljesítményekre korlátozódnak, ezért a gyártók figyelme a MW-nagyságrendű, a kereskedelmi forgalomban kapható szalagokból készített tekercseléseket felhasználó gépekre koncentrál. Előremutató kivétel az AMSC 36 MW teljesítményű hajóhajtó motorja. A szupravezetők váltakozóáramú veszteségei következtében – a gazdaságosságra is tekintettel – a legvonzóbb az egyenáramú tekercselésekben történő felhasználás, így szinkrongépek gerjesztő tekercseléseiben, 4-1. ábra. 4-1. táblázat Aktuális MHS forgógép fejlesztések Gyártó/ország
Gép 5 MW demo motor 8 MVA, 12 MVA szinkron kompenzátor
AMSC (USA) 40 MVA generátor tanulmányterv 36 MW hajóhajtó motor 8 MW szélgenerátor tanulmányterv GE (USA) LEI (USA) Reliance Electric (USA) IHI Marine, SEI (Japán) Doosan, KERI (Korea)
Siemens (Németország)
Converteam (Egyesült Királyság)
100 MVA áramszolgáltatói generátor 5 MVA homopoláris indukciós motor 5 MVA nagysebességű generátor 10,5 MVA generátor tanulmányterv 365 KW hajó meghajtó motor 2,5 MW hajó meghajtó motor 1 MVA demo generátor 5 MW motor (homopoláris) 400 kW demo motor 4 MVA ipari generátor 4 MW hajó meghajtó motor 200 kW bemutató 1,25 MVA vizigenerátor 500 kW demo generátor 8 MW szélgenerátor tanulmányterv
4
Fejlesztés éve 2004 2005/2006 (helyszíni teszt) 2006 2008 2010 2006 (felfüggesztve) 2008 2006 2008 2007 2010 2007 2010 2001 2005 (helyszíni teszt) 2010 2006 2010 2008 2010
M. Noe at al, Summary on Field Test Results of Superconducting Power, Equipment CIGRE SC D1 – COLLOQUIUM IN HUNGARY BUDAPEST 2009
21
4-1. ábra Szupravezetős (AHS) szinkron generátor felépítése5
Tömbi
MHS
alkatrészekkel
reluktancia-
(4-2.ábra),
hiszterézis-
és
(szupravezető) állandó mágnesű motorok készültek 500 kW teljesítényig.
4-2. ábra MHS tömbi reluktancia-motor kétféle lehetséges felépítése6
4.2
Szupravezetős kábelek
MHS anyagokat használó szupravezetős villamosenergia-átviteli kábel projektek indítására az 1990-es évek vége felé került sor. A jelenlegi és a jövőbeli MHS kábel projektekről a 4-2. táblázatban mutatunk be összefoglalást. Mindezen projekteket
5
I. Oishi, K. Nishijima, Summary of Development of 70 MW Class Model Superconducting Generator – Research and Develpoment of Superconducting for Electric Power Application, Cryogenics 42 (2002) 157-167 6 K. L. Kovalev, New types of Superconducting Electrical Machines and Devices with Bulk HTS Elements. State of Art and Future Development, Advanced Studies on Superconducting Engineering (ASSE) 2004, ed. I. Vajda and L. Farkas, Budapest
22
földalatti kábelekre vonatkoznak, az MHS kábelek jelenleg még nem versenyképesek a távvezetékekkel. 4-2. táblázat MHS kábel projektek Gyártó Furokawa Innost Sumotimo Ultera Sumitomo LS Cable Sumitomo Nexans Nexans Nexans Ultera Ultera Nexans LS Cable LS Cable Sumitomo
Hely/ország/év Yokosuka, JP, 2004 Yunnan, CN, 2004 Albany, US, 2006 Columbus, US, 2006 Gochang, KR, 2006 Gochang, KR, 2007 Albany, US, 2007 Hannover, D, 2007 Long Island, US, 2008 Spanyolország, 2008 New York, US, 2010 New Orleans, US, 2011 Amszterdam, Nl Long Island, US Gochang, KR, 2011 Seoul, KR Yokohama, JP, 2013
Sumitomo
TEPCO, JP
Ultera
Típus CD WD CD Triax CD CD CD CD CD CD Triax
Adatok 77 kV, 1 kA, 500 m, 1-ph. 35 kV, 2 kA, 33 m, 3-ph. 34,5 kV, 800 A, 350 m, 3-ph. 13,2 kV, 3 kA, 200 m, 3-ph. 22,9 kV, 1,25 kA, 100 m, 3-ph. 22,9 kV, 1,26 kA, 100 m, 3-ph 34,5 kV, 800 A, 30 m, 3-ph. 138 kV, 1,8 kA, 30 m, 1-ph. 138 kV, 1,8 kA, 600 m, 3-ph 10 kV, 1 kA, 30 m, 1-ph 13,8 kV, 4 kA, 240 m, 3-ph.
Triax
13,8 kV, 2,5 kA, 1700 m, 3-ph.
Triax CD CD CD CD
50 kV, 2,9 A, 6000 m, 3-ph 138 kV, 2,4 kA, 600 m, 1-ph. 154 kV, 1 GVA, 100 m, 3-ph 22,9 kV, 50 MVA, 500 m, 3-ph 66 kV, 200 MVA, 200 m, 3-ph.
CD
66 kV, 5 kA
Furukawa TEPCO, JP CD 275 kV, 3 kA Sumitomo Chubu U, JP 2010 CD 10 kV, 3 kADC, 20 m, 200 m VNIIKP Moscow, RU CD 20 kV, 200 m Nexans Spanyolország CD 10 kV, 3,2 kA, 30 m, 1-ph. Triax = a három fázis külön-külön CD = cold dielectric (alacsony hőmérsékletű szigetelővel WD = warm dielectric (szobahőmérsékletű szigetelővel)
MHS anyag Bi 2233 Bi 2223 Bi 2223 Bi 2223 Bi 2223 Bi 2223 YBCO YBCO Bi 2223 YBCO YBCO meghatározás alatt YBCO YBCO YBCO YBCO Bi 2223 meghatározás alatt Bi 2223 Bi 2223 Bi 2223 Bi 2223
Az MHS-technológia egyik legígéretesebb alkalmazási területet az átviteli és elosztóhálózatokon alkalmazott MHS kábelek. A szolgáltatók szerte a világon egyre nagyobb igényt mutatnak az felhasználásukra. Annak ellenére, hogy az MHS kábelek még mindig drágák, de az MHS kábelek számos előnyeinek köszönhetően egyre közelebb kerülnek a kommercializáláshoz. Kiterjedt helyszíni vizsgálatok eredményei bizonyítják világszerte, hogy az alapvető műszaki kihívásokat sikerült leküzdeni és az üzemeltetés megbízhatóságára vonatkozóan jelentős és megerősítő tapasztalatok gyűltek össze. Mind ez ideig a leghosszabb helyszíni tesztet a Columbus-kábelen végezték, amely kiemelkedően megbízható és nagyszámú zárlatot viselt el meghibásodás nélkül. A Long Island projekt az első olyan alkalmazás, amely átviteli hálózat feszültségszintjén, valós hálózati körülmények között üzemel sikeresen.
23
4-3. ábra MHS kábelek és lehetséges alkalmazásuk
7
A jelenlegi projektek döntő többségben a CD (cold dielectric) tervezési koncepciót használják, amely a legjobban hasznosítja az MHS-kábelek előnyeit. A korábbi 1G kompozitokat felváltják a 2G burkolt vezetővel készített kábelek. Ezek előnyei tovább növelhetők, ha a kompozit nagyellenállású stabilizálóval rendelkezik, amely lehetővé teszi a kábel belső védelmét a zárkatokkal szemben (önkorlátozó kábel koncepció). A DC-kábelekkel kapcsolatos érdeklődés is növekvőben van, a HVDC kábelek terjedésével összefüggésben. A szupravezető ideális veszteségmentes tulajdonsága ebben az esetben teljes mértékben kihasználható. 4.3
Szupravezetős zárlati áram-korlátozó (ZÁK)
Az ideális korlátozó normál üzemállapotban zérus impedanciával rendelkezik, amely impedancia ugrásszerűen nő meg a kívánt értékre az első zárlati áramcsúcs kialakulása előtt. A zárlati áram megszűnte után a korlátozó rövid idő alatt képes visszatérni alapállapotába. Ez az alkalmazás tehát a zárlati áramot nem szakítja meg, hanem biztonságos szintre korlátozza. Az eszköz nem tartalmaz mozgó alkatrészt, az áram érzékelése, az áramkorlátozó működtetése a szupravezető anyaggal: gyűrűkkel vagy tekercsekkel, ezek állapot-átmenetével valósul meg. Amikor a szupravezetőben folyó áram eléri az aktiválási értéket, akkor a szupravezető anyag normál állapotba kerül. Ilyenkor a védendő hálózatba egy nagy értékű impedanciát (rezisztív típusnál ellenállást, induktív típusnál reaktanciát) kapcsol, ezzel korlátozza a zárlati áram nagyságát. Mivel mind az érzékelést, mind a beavatkozást a szupravezető végzi, az eszköz működése megfelelően gyors (2-3 ms). 7
Matthew McDermott, South Korea To Build World's Longest Superconductor Electric Distribution System (Science & Technology (alternative energy), 2009)
24
A ZÁK tehát egy önmagát vezérlő (teljesen automatikus) eszköz rendkívül gyors reakcióidővel, valamint normál üzemi körülmények közötti kis veszteséggel. Jelenleg világszerte számos ZÁK-projekt helyszíni telepítést és tesztelést valósít meg, melyek eredményeként az első kereskedelmi forgalomba kerülő eszközök hamarosan elérhetővé válnak. A jelen helyzetről a jelenleg futó jelentős projektekről adunk áttekintést a 4-3. táblázatban. Ezen az alkalmazási területen Magyarország jelentős nemzetközi pozíciókkal rendelkezik. 4-3. táblázat Fontosabb SCFCL projektek Ország/év1)
Típus
Adatok 2)
D/2004
rezisztív
12 kV, 600 A
CAS
Kína/2005
diódahíd
10,5 kV, 1,5 kA
CESI RICERCA CESI RICERCA Siemens/AM SC LSIS Hyundai/AMSC KEPRI
Olaszország/2005 Olaszország/2005 D/USA/ 2007 Korea/2007 Korea/2007 Korea/2007
3,2 kV, 220 A 0,6 kV, 270 A 7,5 kV, 300 A 24 kV, 630 A 13,2 kV, 630A 22,9 kV, 630 A
Innopower
C/2008
rezisztív rezisztív rezisztív hibrid rezisztív rez-hibrid DC előfeszített vas
fázis 3-f. 3-f. 3-f. 1-f. 1-f. 3-f. 1-f. 1-f.
35 kV, 90 MVA
3-f.
Toshiba
J/2008
rezisztív
6,6 kV, 72A
Nexans SC
D/2009
rezisztív
12 kV, 100 A
Zenergy Power
USA/2009
Zenergy Power
USA/2009
Nexans SC
D/2009
Innopower
Vezető társaság ACCEL / Nexans SC
DC előfeszített vas DC előfeszített vas
3-f. 3-f.
szupravezető Bi 2212 tömb BI 2223 szalag Bi 2223 szalag MgB2 huzal YBCO szalag YBCO szalag YBCO szalag Bi 2212 tömb Bi 2223 szalag YBCO szalag Bi 2212 tömb
12 kV, 1,2 kA
3-f.
Bi 2223 szalag
15 kV, 1,2 kA
3-f.
Bi 2223 szalag
rezisztív
12 kV, 800 A
3-f.
Bi2212 tömb
C/2010
DC előfeszített vas
220 kV, 300 MVA
3-f.
Bi 2223 szalag
ERSE
I/2010
rezisztív
9 kV, 250 A
ERSE
I/2010
rezisztív
9 kV, 1 kA
KEPRI
Korea/2010z
rezisztív
22,9 kV, 3 kA
AMSC / Siemens
USA/D/2012
rezisztív
115 kV, 1,2 A
3-f. 3-f. 3-f. 3-f. 3-f.
Rolls Royce UK/ rezisztív 11,5 kV, 400 A Areva + 5 partner, 2,5 kV, 24 A, UK+D+F+Hu induktív 1f köztük a BME VET 60kVA 1) a tesztelés éve 2) 3 fázisú rendszerek fázis-fázis feszültsége / 1 fázisú rendszer földfeszültsége sikeres helyszíni teszt vagy tervezett helyszíni teszt
25
Bi 2223 szalag YBCO szalag YBCO szalag YBCO szalag MgB2 huzal Bi2223 szalag és Bi2212 gyűrű
Látható, hogy a legtöbb projekt a rezisztív típusú ZÁK tervezési koncepciót részesíti előnyben és hogy a közelmúltban egyre több projekt használ 2G MHS huzalokat. Ez utóbbi főként amiatt előnyös, mert a normál állapotbeli ellenállása lényegesen nagyobb az 1G huzalokénál, így a korlátozási mérték lényegesen jobb, valamint 2005 óta megfelelő hosszúságban áll rendelkezésre. Tíz évvel a magashőmérsékletű szupravezetés felfedezése után már megjelent az első ZÁK alkalmazás egy svájci erőműben 1996-ban. A prototípusok és az elő kereskedelmi alkalmazások növekvő számban indultak és indulnak majd el a közeljövőben. A szupravezetős áramkorlátozó (önkorlátozó) transzformátor új és vonzó lehetőségnek tűnik a közép- és hosszú távú áramkorlátozó eszközfejlesztésben. A szupravezetős
zárlati
áramkorlátozó
transzformátornak
aktív
áramkorlátozási
funkciójuknak köszönhetően sok előnye van a hagyományos társaikhoz képest, és számos eszközt fejlesztettek és teszteltek. Ezek között található a BME közreműködésével egy EU-s projekt keretében fejlesztett ún. SLIMFormer pilot eszköz, amelynek fényképet a 4-4 ábrán mutatjuk be.
4-4. ábra SLIMFormer Pilot Plant a BME VET laboratóriumában8
I. Vajda et al, Slimformer - Self-Limiting Transformer Pre-prototype and Pilot Plant Design, Construction and Tests, ASC 2010, to be printed in IEEE Trans. App. Sup.
8
26
4.4
Szupravezető mágneses energia tárolás (SMES)
A legnagyobb előnye, szupravezető mágneses energiatárolású (SMES) rendszereknek a gyors feltöltés és kisütés (ezredmásodpercek alatt), valamint a magas hatásfok (legalább 98%) és a magas teljesítmény sűrűség. Ez teszi különösen értékessé a SMES-ek használatát a nagyteljesítményeknél (MW és annál nagyobb). Számos SMES eszközt dolgoztak ki a 10 MW-os teljesítmény szinteken legfeljebb 20 MJ energia kapacitásig, melyekről a 4-4. táblázat ad áttekintést. Régebben a legtöbb SMES rendszer alacsonyhőmérsékletű szupravezetőt használt az AHS anyagok elérhetősége és költsége miatt. Jelenleg az AHS SMES rendszerek kereskedelemben is elérhetőek és a sok sikeres üzembe helyezés megerősítette megbízhatóságukat. Ezen eszközök fejlesztésében jelentős előrelépés már nem várható a jövőben.
4-5. ábra AMSC SMES elvi felépítése9
Az első MHS SMES egy Bi2223 alapú 1G-s huzalt használt és jelentős kihívásokkal küzd, mindazonáltal az 1G-s huzalokat használó SMES alkalmazásoknak a gazdasági életképességeiket is bizonyítani kell.
9
R. Schöttler et al, Az ipari energia minőségének javítása szupravezetős energiatárolókkal, Elektrotechnika, 93, 9, 333-6, 2000
27
Vezető társaság FZ Karlsruhe AMSC F Z Karlsruhe Chubu Chubu KERI Chubu CAS CNRS KERI Chubu
Ország Németország USA Németország Japán Japán Korea Japán Kína Franciaország Korea Japán
Év 1997 2004 2004 2005 2005 2007 2007 2008 2009 2012
4-4. táblázat SMES projektek Adatok 320 kVA 2 MW, 2,6 MJ 25 MW, 237 kJ 1 MVA, 1 MJ 10 MVA, 21 MJ 750 kVA, 3 MJ 1 MVA, 19 MJ 0,5 MVA, 1 MJ 800 kJ 1 MJ 2 MJ (20K)
Szupravezető NbTi NbTi NbTi Bi 2212 NbTi NbTi NbTi Bi 2223 Bi 2212 Bi 2223 YBCO
Alkalmazás ingadozás ellensúlyozás hálózat stabilizálás áram modulátor feszültség minőség feszültség minőség hálózat minőség terhelés ellensúlyozás katonai alkalmazás hálózat stabilizálás
A jövő a SMES anyagait tekintve a 2G-s és a MgB2 huzaloké, mindkét anyag több vonzó költségperspektívát ajánl és nagy mechanikai szilárdsággal is rendelkezik. A fő kihívás, ami a SMES-eket illeti azonban mindmáig az energiasűrűség és az ár maradt. 4.5
Szupravezetős csapágyak és szupravezetős mágneses csapágyazású lendkerekes energiatároló rendszerek10
A lendkerekes energiatárolás számára új korszakot nyitottak az elektromágneses és szupravezetős csapágyak. Az ilyen megvalósításban a lebegő forgórész az állórésszel mechanikai kapcsolatban nincs, a közöttük fennálló erőhatások mágneses terek egymásra hatásából származnak. Szupravezetős csapággyal megkerülhető a mágneses csapágyak instabilitását kimondó Earnshaw-tétel. A II. típusú szupravezetők azonban sokkal többek, mint pusztán diamágneses anyagok, ugyanis képesek a mágneses fluxust csapdába ejteni „flux-trapping”. A csapdába ejtett fluxus pedig a térben rögzített nagyságú és irányú mágneses teret jelent, ami a mágneses tér bármiféle megváltozása (azaz a csapágy állandómágneses részének elmozdulása) esetén visszatérítő erőt gyakorol a mágneses térben tárolt energia minimumának visszaállítása érdekében. A szupravezetős csapágyak mechanikai működését a ’90-es években kezdték lendkerekes alkalmazás szempontjából komolyan vizsgálni.
10
Kohári Zalán, Szupravezetős csapágyazású lendkerekes energiatárolók műszaki optimalizálása, PhD értekezés, BME VET 2010
28
4-6. ábra Az ATZ a MM és az EON közös fejlesztésében készülő lendkerekes energiatároló felépítése11
Már a kezdeti vizsgálatok is azt mutatták, hogy míg mechanikai csapágyak esetén a súrlódási együttható tipikusan 10-3 értékű, és aktív mágneses csapágyakkal sem érhető el 10-4 értéknél kisebb ekvivalens (azaz a működtetéshez szükséges villamos veszteségeket is magába foglaló) súrlódási együttható, addig szupravezetős csapágyakkal
e
veszteségek
igen
jelentősen
csökkenthetőek.
Laboratóriumi
körülmények között 3·10-8 súrlódási együttható értéket is mértek. A gyakorlatban kb. 2·10-6 ekvivalens (azaz a hűtőrendszer veszteségeit is figyelembe vevő) súrlódási együttható valósítható meg. Az
ilyen
különleges
csapágyazással
bíró
lendkerekes
energiatárolók
veszteségei tehát jelentősen csökkenthetők, a mechanikai súrlódási veszteségek teljesen megszűntethetők. A jelen lévő elektromágneses veszteségek mellett 0,1 %/óra energiaveszteségű lendkerekes energiatároló rendszer építhető, míg hagyományos csapágyakkal legalább 1 %/óra veszteséggel kell számolni Ezekkel az értékekkel, ha a forgó villamos gép hatásfoka legalább 96 %-os mind motoros és mind generátoros üzemben, valamint napi egy feltöltéssel és kisütéssel számolunk, az elérhető 24 órás energia hatásfok 90 % feletti. Ez nagyon ígéretes a korábban elérhető legfeljebb napi 68 %-os energia hatásfokhoz képest. A szupravezetős csapágyazás alacsony veszteségei mellett ugyanakkor fajlagosan sokkal kevésbé merev a hagyományos mechanikai vagy akár az elektromágneses csapágyakhoz képest. Ezt jól mutatja, az hogy az elektromágneses csapágyak jellemzően 20-30 N/cm2 erősűrűséget tesznek lehetővé, tipikusan 0,5 mm légrés mellett, míg szupravezetős csapágyak esetén ez az érték 13 N/cm2. Utóbbinál
11
Werfel, FN, Floegel-Delor, U, Rothfeld, R, et al. Flywheel Energy Storage System (FESS) with HTS Magnetic Bearings, http://www.theva.com/downloads/ldb/FLYWHEEL_ATZ.pdf
29
azonban az elérhető maximum erősen hőmérséklet és mágnes minőség függő, így a jövőben várhatóan nagyobb értékekről is hallhatunk. A várható pozitív eredmények alapján több nagy projekt (4-5. táblázat) is elindult, melyek célja a kezdetben néhány kWh-s szupravezetős csapágyazású lendkerekes energiatároló (SzuLET) építése volt szupravezetős csapágyazással. Magashőmérsékletű szupravezetőkkel az 1990-es évek elején kezdődtek meg a kutatások.
Gyártók
4-5. táblázat SzuLET projektek Ország/Év
Tárolt energia
Fordulatszám
Argonne National Laboratory és Boeing
USA/2001
2,25 kWh
10,000 fpp
Argonne National Laboratory és Boeing
USA/2005
5 kWh
22,500 fpp
Chubu Electric Power és Mitsubishi Heavy Industry
Japán/1998
1,4 kWh
20,000 fpp
Chubu Electric Power és Mitsubishi Heavy Industry
Japán/2001
25 kWh
New Energy Development Organization
Japán/1999
0,5 kWh
30,000 fpp
New Energy Development Organization
Japán/2006
5 kWh/10 kW
11,250 fpp
Európa/2007
5 kWh/250 kW
Európa/2007
10 kWh
ATZ (Aldewitz Technologiezentrum), Magnet Motor és Eon DynaStore, RWE, Braunschweigi egyetem, Solvay, Nexans, IPHT Jena, ZFW Göttingen, RWE Piller és EUPEC
10,000 fpp
Ezen az alkalmazási területen is Magyarország jelentős nemzetközi pozíciókkal rendelkezik.
4-7. ábra MHS mágneses csapágyazású kisméretű lendkerekes energiatároló a BME VET laboratóriumában12 12
Z Kohari, I Vajda, Losses of Flywheel Energy Storages and Joint Operation with Solar Cells, Journal Of Materials Processing Technology 161:(1-2) pp. 62-65. (2005)
30
4.6
Elektromos szigetelések
Sok esetben a folyékony és gáz halmazállapotú nitrogén egyszerre, mint a hűtő- és dielektromos folyadékként játszik szerepet z MHS eszközökben. A tulajdonságai (átütési feszültség, villamos szigetelés, stb.) kiválóak, és össze lehet hasonlítani transzformátor olajjal, melyek alapján a közelmúltban elkészített szupravezetős erősáramú projektekben az elektromos szigetelési technikák szerepe egyre fontosabbá válik (úgy mint a 115 kV ZÁK-nál és a 138 kV kábelnél az USA-ban, a 154 kV ZÁKnál Koreában, vagy a 275 kV kábelnél Japánban). 4.7
Egyéb alkalmazások
A „nagyméretű” alkalmazások áttekintését az áramhozzávezetések, valamint két. a jövőben várhatóan kiemelkedő jelentőségű alkalmazás említésével és fényképének bemutatásával zárjuk. Az MHS-áram hozzávezetések (4-8. ábra) alkalmasak a szobahőmérsékletű és az alacsony hőmérsékletű vezetők összekötésére csekély hőtranszport mellett. Azt használjuk ki, hogy a szupravezető lényegében veszteségmentes villamos vezető és rossz hővezető.
4-8. ábra Áramhozzávezetések13 a) tömbi
13
b) szalagos
www.conectus.org
31
Szupravezető tekercseléssel ellátott mágnesesen lebegtetett vasút (MagLev) segítségével közel 600 km/h sebesség érhető el valós körülmények között.
4-9. ábra Japán AHS MAgLev14
A fúziós reaktorok TOKAMAK típusa szupravezető tekercsek alkalmazásával valósítható meg, 4-10. ábra. Ennek fejlesztésére világméretű összefogás volt szükséges.
4-1. ábra ITER fúziós reaktor elvi felépítése15
14
http://www.maglev2000.com/today/today-03.html P. Komarek, The Present and Future of Power Application of Superconductivity, Advanced Studies on Superconducting Engineering (ASSE) 2004, ed. I. Vajda and L. Farkas, Budapest
15
32
5
Hazai feladatok 5.1
Célkitűzés
Nézetünk az, hogy a szupravezetők villamosipari alkalmazása megújítja az elektrotechnikát: fokozatosan, lépésről–lépésre bevonul a mindennapokba. Erre a folyamatra Magyarországon is aktívan és pozitívan kell reagálnunk, ha versenyhelyzetbe akarunk kerülni az új, feljövőben lévő technológiának a területén. Ezt a célt mindenképpen ki kell tűzni, hiszen a technológia fokozatos térnyerése tapasztalható és további térnyerés prognosztizálható. Meg kell tanítani a fiatalokat az egyetemen, és a cégeknél dolgozó és megfelelő befolyással rendelkező ipari szakembereket a technológia alapjaira és szükséges részleteire. A lényeges kritérium a szupravezetős alternatíva versenyképessége technikai és gazdaságossági értelemben. Elő kell készíteni a hazai ipart a külföldről átveendő új szupravezetős technológia adaptációjára. Meg kell alapozni a jövőbeni lehetséges hazai termelést, akár az egységek, akár a részegységek területén; Véleményünk szerint a résekbe illeszkedő (enabling technology) szupravezetős megoldásoknak van nagyobb esélye a piaci bevezetésre a közeli jövőben. Ezért a hazai alkalmazástechnikai kutató-fejlesztő műhely munkája elsősorban ilyen megoldások megvalósítására irányul. A magyar kutatóműhelyben a termékorientált K+F munka fókusza az MHS-alapú zárlati áramkorlátozó, valamint a szupravezetős mágneses csapágyazású lendkerekes energiatároló rendszer. Ezt egészíti ki az MHS forgógépekre és transzformátorokra iránuló elméleti és gyakorlati K+F. A szupravezetők villamosipari alkalmazásai által nyújtott előnyöket nézetünk szerint az ún. teljesen szupravezetős integrált rendszerekkel (all superconducting integrated system) lehet legjobban elérni és kiaknázni. Célkitűzésünk a megújuló energiákat hasznosító teljesen szupravezetős mikro/minierőmű létrehozása. 5.2
A teljesen szupravezetős integrált rendszer: a mikro/minierőmű koncepcionális terve
Nemzetközi szintű trend a 100–10,000 kW teljesítményű mikro- és minierőművek (mME) alkalmazása elosztott energiatermelés céljából. Ez a törekvés Európában is érvényes. Az mME-k egyik jelentős hátránya illetve hiányossága a centrális energiatermeléssel szemben, hogy a hatásfokuk alacsony. A hatásfok növelésének egyik rendelkezésre álló lehetséges megoldása a szupravezetők alkalmazása. 33
Az MHS–anyagok alkalmazása a villamosipari technikában ígéretes és jövőbe mutató megoldást kíván az energiarendszer egyes komponensei veszteségeinek, valamint a villamos gépek és eszközök méretének és súlyának csökkentésére. A szupravezetős mágneses energiatárolók és zárlati áramkorlátozók olyan eszközök, amelyeknek nincsen megfelelője a hagyományos technikában. A legnagyobb effektus azonban a szupravezetős integrált rendszerekkel, speciálisan a teljesen szupravezetős mME-kel (TSmME) érhető el, ezért a szupravezetők villamosipari alkalmazásának egyik ígéretes, a szupravezetésben rejlő előnyöket talán a legteljesebben kihasználó területe a több szupravezetős eszközből kialakított integrált rendszerek létrehozása. A TSmME az alábbi MHS-komponensek mindegyikét vagy többségét tartalmazzák:
generátor
zárlati áramkorlátozó
μSMES
szupravezetős csapágyazású lendkerekes energiatároló
transzformátor
motor(ok)
Az egész rendszer közös kriotechnikai környezetben működik, amelynek blokkvázlata az 5-3. ábrán látható.
34
TURBINA HŰTŐRENDSZER
7.
1.
SZABÁLYOZÓ RENDSZER
GENERÁTOR
3. 2. TRANSZFORMÁTOR ZÁRLATI ÁRAM
4.
KORLÁTOZÓ
5. LENDKERÉK
SMES
TERH.
6. MOTOROK
5-3. ábra A teljesen szupravezetős minierőmű blokkvázlata16
A teljesen szupravezetős rendszerek (TSR), mint a fejlesztése napjainkban válik szupravezetők villamosipari alkalmazásainak nemzetközi tendenciájává. Az egyedi szupravezetős eszközök (ESE) fejlesztésének szintjét meghaladva egyre több figyelem fordul a TSR–ek felé. A teljes rendszer addicionális technikai és gazdaságossági előnyöket biztosít az egyedi eszközök előnyeivel összehasonlítva, azokat meghaladva. A TSmME terve nemzetközi szinten eredeti, megvalósítása tudományos és gyakorlati szempontból egyaránt jelentős magyar teljesítmény lehet.
16
Vajda I, A Novel Approach to Large Scale Applications of Superconductivity: The Concept of an all Superconducting Mini Power Plant, International Journal of Modern Physics B 17:(18-20) pp. 37173721 (2003)
35
