Köztestületi Stratégiai Programok. III. Energetikai kutatások. Adalékok a jövőképhez: a szupravezetők villamosipari alkalmazásai

Átírás

1 Köztestületi Stratégiai Programok III. Energetikai kutatások Adalékok a jövőképhez: a szupravezetők villamosipari alkalmazásai Dr. Vajda István Budapest, október 1

2 Tartalom 1 Bevezető 3 2 A szupravezető anyagok és alkatrészek releváns tulajdonságai az alkalmazástechnika szemszögéből Történeti háttér A szupravezető anyagok alkalmazás szempontú lényeges tulajdonságai A szupravezető anyagok releváns tulajdonságai Szupravezető kompozitok: huzalok és szalagok Alacsony és közepes hőmérsékletű szupravezető huzalok MHS szupravezető huzalok 9 3 Szupravezetős villamosipari alkalmazások áttekintése Az alkalmazások csoportjai A villamosipari alkalmazások osztályai Szupravezetős villamosipari eszközök: AHS től MHS ig AHS villamosipari alkalmazások A magashőmérsékletű szupravezetés felfedezésének hatásai Az MHS anyagokkal szemben támasztott követelmények és árak 15 4 MHS villamosipari alkalmazások nemzetközi helyzetkép Szupravezetős forgógépek Szupravezetős kábelek Szupravezetős zárlati áram korlátozó (ZÁK) Szupravezető mágneses energia tárolás (SMES) Szupravezetős csapágyak és szupravezetős mágneses csapágyazású lendkerekes energiatároló rendszerek Elektromos szigetelések Egyéb alkalmazások 31 5 Hazai feladatok Célkitűzés A teljesen szupravezetős integrált rendszer: a mikro/minierőmű koncepcionális terve 33 2

3 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) 2 CaCu 4 O 4-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 Nb 3 Ge kritikus hőmérséklete, T c = 23,2 K. A felfedezés hatásának érzékeltetésére megjegyzendő, hogy akkoriban a szupravezetős villamosipari technológia mindössze két anyagtípuson alapult, úgymint: NbTi, és az Nb 3 Sn, 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 év a szupravezetés születésének 75. évfordulója volt. Ez az év a hagyományos, alacsonyhőmérsékletű szupravezetés tudományában sikeres év volt. Éppen 25 év telt el az Nb 3 Sn felfedezése óta. Az Nb 3 Sn és a hozzá hasonló más, II. típusú anyagok nagy, akár 9 T erősségű mágneses terekben is igen nagy kritikus áramsűrűséggel bírnak 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 Nb 3 Sn 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) 2 CaCu 4 O 4-x csodálatos tulajdonságairól szóló dolgozatról (amely még a nyomdában volt), amelyet rövidesen olyan új anyagok felfedezése követte, amelyek T c értéke 100 K hőmérsékletnél is nagyobb. Az év márciusára a világ minden zugába eljutott a hír, miszerint Wu, Chu és munkatársaik sikeresen létrehozták az YBa 2 Cu 3 O 7-[delta] szupravezető anyagosztályt. A hír 3

4 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 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, 4

5 2 A szupravezető anyagok és alkatrészek releváns tulajdonságai az alkalmazástechnika szemszögéből 2.1 Történeti háttér A 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 év fordulópontot jelentett: ekkor fedezték fel az ún. magashőmérsékletű szupravezető (MHS) anyagokat 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 év újdonsága az ún. közepes hőmérsékletű szupravezető (KHS) MgB 2, 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

6 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 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 ábra Nb 3 Sn kritikus értékei (kritikus felület) E különleges tulajdonságok az ellenállásmentes vezetés (egyenáramok esetén), az erős diamágnesség, amely függ a külső tér nagyságától, (μ r (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

7 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 mm 3 -néhány cm 3 ) 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 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 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 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

8 valamint az 1G szalagok esetén a szálak általában téglalaphoz hasonlítanak (pl. 10 μm 100 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 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10- 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 YBa 2 Cu 3 O 7- (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 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 ábra Rutherford kábel (NdTi) A következőkben összefoglaljuk a legelterjedtebben használt szupravezető huzalok és szalagok tulajdonságait. 8

9 2.2.3 Alacsony- és közepes hőmérsékletű szupravezető huzalok A manapság használt két legfontosabb ötvözet a NbTi és a Nb 3 Sn. A NbTi kritikus hőmérséklete nulla külső mágneses tér (self-field) és nulla transzportáram mellett T c =9 K, az Nb 3 Sn-é T c =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 MgB 2 huzalokat igen intenzíven kutatják világszerte. Előnyei a relatíve egyszerű gyártási technológia, a kedvező ár/teljesítmény arány ($/kam), hátránya a legfeljebb K hűtési hőmérséklet, a viszonylag alacsony és a mágneses térre elég érzékeny kritikus áramsűrűség. MgB 2 -ből készült huzalok egyelőre nem kerültek jelentősebb alkalmazásba, ám a közeljövőben ezek elterjedése várható táblázat AHS anyagok kritikus hőmérséklete, és a hűtéshez használt anyagok forráspontja NbTi 9 K LHe 4,2 K Nb 3 Sn 18 K LH 2 20,4 K MgB 2 39 K LNe 27,1 K BISCO K LN 2 77 K YBCO 93 K LO 2 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 $/(ka m)). A kritikus áramerősség Nb 3 Sn-ra 3-3,5 ka/mm NbTi-ra 2-3 ka/mm 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 Nb 3 Sn huzalokra a 25 kw/m 3, ami 0,1-0,15 W/(kA m) értéknek felel meg. Rézre az ohmos ellenállásból adódó érték (1 mm 2 keresztmetszet esetén): W/((kA) 2 m) MHS szupravezető huzalok Magashőmérsékletű szupravezető huzalokból a két legelterjedtebben használt a már említett 1G (első generációs) BISCO-2223 (Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10- ) és a 2G (második generációs) YBCO (YBa 2 Cu 3 O 7- ) Az elterjedten használt huzal (wire) elnevezés nem pontos: valójában szalagok 9

10 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 $/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/cm 2. A kereskedelmi forgalomban kapható huzalok maximális megengedhető áramsűrűsége A/mm 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, j e ) szokás jellemezni: j e j c, ahol A szupra A total 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 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

11 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 hőmérséklet Kritikus mágneses mező Műszaki áramsűrűség (0 K) (saját mező) Bi-2223 szalag (1G) 110 K >100 T >10 ka/cm 2 (77 K) Bi-2212 huzal 85 K >100 T >10 ka/cm 2 (77 K) Bi-2212 tömb 85 K >100 T 2-3 ka/cm 2 (77 K) YBCO szalagok (2G) 90 K >100 T >10 ka/cm 2 (77 K) MgB 2 huzal 39 K 17 T >10 ka/cm 2 (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

12 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

13 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

14 3.3 Szupravezetős villamosipari eszközök: AHS-től MHS-ig 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 táblázat Az 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 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 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

15 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 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 Nb 3 Sn ára az előző ár 2 5-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 Nb 3 Sn árával egyezik meg, ami az ipari szakértők többségének véleménye szerint elfogadható az összes villamosipari alkalmazás szempontjából. A bisco vezető jelenleg a Nb 3 Sn 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

16 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

17 3-2. táblázat : MHS alkalmazások: MHS huzalokkal kapcsolatos követelmények ipari igények alapján 2 Alkalmazás Ipari célú felhasználáshoz (piaci bevezetéshez) szükséges becsült elérendő paraméterek J c A/cm 2 Indukció T T üzemi K I c, A Vezetőhossz. m Alakváltozás % Hajlítási sugár mm Ár, $/kam ZÁK , , Nagy motor (>1 000 LE) ,2 0, Motor (~ 100 LE) 1, Generátor (~100 MVA) (a) , SMES (~1 MWh) , Kábel <0, (b) 100 0, (c) Transzformátor , , Megjegyzések (a) Elemi szálak kritikus áramsűrűsége (b) Egy huzal kritikus árama; a kábel nagyszámú huzalt igényel, árama 10 ka nagyságrendű (c) Kábelre vonatkozó követelmény 2 D. Larbalastier, et al, Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany,WTEC Panel Report (1997) 17

18 Megjegyzések 3-3. táblázat A hagyomáyos és a szupravezetős villamos teljesítmény-alkalmazások összehasonlítása Alkalmazás A rendszer jellemzése Megbízhatóság és Hatásfok Üzemi élettartam Beruházási költség (a) karbantartás Szinkron generátorok Jobb statikus és Legyen azonos >0,5 1% Hosszabb Azonos vagy nagyobb dinamikus stabilitás Szinkron motorok Azonos Legyen azonos >1 2% Hosszabb Nagyobb Földalatti AC kábelek Kétszeres névleges Legyen azonos Kis mértékben nagyobb Hosszabb Nagyobb teljesítmény ZÁK Átviteli és elosztó hálózatokban Tranziens áramok (zárlati teljesítmény) csökkenése Legyen összehasonlítható megszakítókkal Nagyobb hatásfokú átviteli és elosztó hálózat Hosszabb, mint a megszakítóké A megszakítók árának 2 10-szerese Transzformátorok átviteli és elosztó hálózatokban Energiatárolás: SMES Energiatárolás: lendkerék (egyelőre rövididejű) Azonos (b) Javítja az energiaminőséget, kedvezőbb a forgótartalék, VAR AGC kompenzáció szempontjából Javítja az energiaminőséget, kedvezőbb a forgótartalék szempontjából Legyen azonos hagyományos transzformátoréval Legyen összehasonlítható más Á&E komponensekkel Legyen összehasonlítható más UPS rendszerekkel Kis mértékben, >0,1 0,2%-kal nagyobb (c) Legnagyobb hatásfokú tárolási technológia Lényegesen nagyobb energiatárolási hatásfok Hosszabb Hosszabb Hosszabb Nagyobb Nagyobb Nagyobb a. Magába foglalja az eszköz árát, a telepítés költségeit, valamint a rendszer működtetéséhez szükséges költségeket, mint pl. a hűtőrendszer árát. b. Kiegészítő komponenseket, mint pl. megszakítókat igényelhet. c. Kis AC veszteségű vezetőt igényel. 18

19 Kábel Transzformátor ZÁK (a) 3-4. táblázat: A szupravezetős villamosipari technológiának a környezetre, a biztonságra és az egészségre gyakorolt hatásai 3 Levegő Föld Tűz Víz Esztétika Biztonság Kisebb emisszió LN 2 eliminálja SF 6 használatát Kisebb emisszió, nagyobb hatásfok, kisebb meddőtelj. LN 2 szigetelés helyettesíti az SF 6 szigetelést Nincs szennyezés LN 2 helyettesíti az olajat Kisebb helyigény Nagyobb alállomási kapacitás A meglévő hálózat kapacitása megnő Nincs veszély LN 2 megszünteti az olajszivárgást Nincs veszély LN 2 helyettesíti az olajat Nincs hatás Nincs szennyezés LN 2 megszünteti az olajszivárgást Nincs hatás Nincs hatás Kisebb költségek a távvezetékek és a mágneses terek kiküszöbölése miatt Nincs szükség új városi alállomásokra Nagyobb teljesítmény Kisebb igény/szükség a nem esztétikus távvezetékek iránt Kisebb költségek a földalatti kábelek miatt Nincs hatás Nagyobb megbízhatóság Kisebb valószínűség a kiesésekkel kapcsolatban. Motorok Kisebb emisszió Kisebb helyigény Nincs hatás Nincs hatás Nincs hatás Nincs hatás Generátorok Kisebb emisszió Kisebb helyigény Lendkerék (a) Zárlati áramkorlátozó Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges Nincs veszély A vákuum helyettesíti H 2 -t. Kisebb tűzveszély, kevesebb mennyiségű szilárd tüzelőanyagfogyasztás. Nincs hatás Nincs hatás Nincs hatás Szél- és napenergia használata nagy mennyiségben lehetséges Nincs hatás Nincs hatás 3 A. M. Wolsky, IEEE Power Engng. Review, 20, 6, 6 (2000) 19

20 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

21 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 táblázatokhoz felhasználtuk a 4 forrást). 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 táblázat Aktuális MHS forgógép fejlesztések Gyártó/ország Gép Fejlesztés éve 5 MW demo motor 2004 AMSC (USA) 8 MVA, 12 MVA szinkron kompenzátor 2005/2006 (helyszíni teszt) 40 MVA generátor tanulmányterv MW hajóhajtó motor 8 MW szélgenerátor tanulmányterv MVA áramszolgáltatói generátor GE (USA) (felfüggesztve) 5 MVA homopoláris indukciós motor 2008 LEI (USA) 5 MVA nagysebességű generátor 2006 Reliance Electric (USA) 10,5 MVA generátor tanulmányterv 2008 IHI Marine, SEI (Japán) 365 KW hajó meghajtó motor ,5 MW hajó meghajtó motor 2010 Doosan, KERI (Korea) 1 MVA demo generátor MW motor (homopoláris) 2010 Siemens (Németország) Converteam (Egyesült Királyság) 400 kw demo motor MVA ipari generátor (helyszíni teszt) 4 MW hajó meghajtó motor kw bemutató ,25 MVA vizigenerátor kw demo generátor MW szélgenerátor tanulmányterv M. Noe at al, Summary on Field Test Results of Superconducting Power, Equipment CIGRE SC D1 COLLOQUIUM IN HUNGARY BUDAPEST

22 4-1. ábra Szupravezetős (AHS) szinkron generátor felépítése 5 Tömbi MHS alkatrészekkel reluktancia- (4-2.ábra), hiszterézis- és (szupravezető) állandó mágnesű motorok készültek 500 kw teljesítényig ábra MHS tömbi reluktancia-motor kétféle lehetséges felépítése 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) 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

23 földalatti kábelekre vonatkoznak, az MHS kábelek jelenleg még nem versenyképesek a távvezetékekkel táblázat MHS kábel projektek Gyártó Hely/ország/év Típus Adatok MHS anyag Furokawa Yokosuka, JP, 2004 CD 77 kv, 1 ka, 500 m, 1-ph. Bi 2233 Innost Yunnan, CN, 2004 WD 35 kv, 2 ka, 33 m, 3-ph. Bi 2223 Sumotimo Albany, US, 2006 CD 34,5 kv, 800 A, 350 m, 3-ph. Bi 2223 Ultera Columbus, US, 2006 Triax 13,2 kv, 3 ka, 200 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo Gochang, KR, 2006 CD 22,9 kv, 1,25 ka, 100 m, 3-ph. Bi 2223 LS Cable Gochang, KR, 2007 CD 22,9 kv, 1,26 ka, 100 m, 3-ph Bi 2223 Sumitomo Albany, US, 2007 CD 34,5 kv, 800 A, 30 m, 3-ph. YBCO Nexans Hannover, D, 2007 CD 138 kv, 1,8 ka, 30 m, 1-ph. YBCO Nexans Long Island, US, 2008 CD 138 kv, 1,8 ka, 600 m, 3-ph Bi 2223 Nexans Spanyolország, 2008 CD 10 kv, 1 ka, 30 m, 1-ph YBCO Ultera New York, US, 2010 Triax 13,8 kv, 4 ka, 240 m, 3-ph. YBCO New Orleans, US, meghatározás Ultera Triax 13,8 kv, 2,5 ka, 1700 m, 3-ph alatt Ultera Amszterdam, Nl Triax 50 kv, 2,9 A, 6000 m, 3-ph YBCO Nexans Long Island, US CD 138 kv, 2,4 ka, 600 m, 1-ph. YBCO LS Cable Gochang, KR, 2011 CD 154 kv, 1 GVA, 100 m, 3-ph YBCO LS Cable Seoul, KR CD 22,9 kv, 50 MVA, 500 m, 3-ph YBCO Sumitomo Yokohama, JP, 2013 CD 66 kv, 200 MVA, 200 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo TEPCO, JP CD 66 kv, 5 ka meghatározás alatt Furukawa TEPCO, JP CD 275 kv, 3 ka Bi 2223 Sumitomo Chubu U, JP 2010 CD 10 kv, 3 kadc, 20 m, 200 m Bi 2223 VNIIKP Moscow, RU CD 20 kv, 200 m Bi 2223 Nexans Spanyolország CD 10 kv, 3,2 ka, 30 m, 1-ph. Bi 2223 Triax = a három fázis külön-külön CD = cold dielectric (alacsony hőmérsékletű szigetelővel WD = warm dielectric (szobahőmérsékletű szigetelővel) 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

24 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

25 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 táblázat Fontosabb SCFCL projektek Vezető társaság Ország/év 1) Típus Adatok 2) fázis szupravezető ACCEL / 3-f. D/2004 rezisztív 12 kv, 600 A Nexans SC Bi 2212 tömb CAS Kína/2005 diódahíd 10,5 kv, 1,5 ka 3-f. BI 2223 szalag CESI RICERCA Olaszország/2005 rezisztív 3,2 kv, 220 A 3-f. Bi 2223 szalag CESI RICERCA Olaszország/2005 rezisztív 0,6 kv, 270 A 1-f. MgB2 huzal Siemens/AM SC D/USA/ 2007 rezisztív 7,5 kv, 300 A 1-f. YBCO szalag LSIS Korea/2007 hibrid 24 kv, 630 A 3-f. YBCO szalag Hyundai/AMSC Korea/2007 rezisztív 13,2 kv, 630A 1-f. YBCO szalag KEPRI Korea/2007 rez-hibrid 22,9 kv, 630 A 1-f. Bi 2212 tömb Innopower C/2008 DC 35 kv, 90 3-f. előfeszített MVA vas Bi 2223 szalag Toshiba J/2008 rezisztív 6,6 kv, 72A 3-f. YBCO szalag Nexans SC D/2009 rezisztív 12 kv, 100 A Zenergy Power Zenergy Power USA/2009 USA/2009 DC előfeszített vas DC előfeszített vas 12 kv, 1,2 ka 15 kv, 1,2 ka Nexans SC D/2009 rezisztív 12 kv, 800 A Innopower C/2010 DC előfeszített vas 220 kv, 300 MVA 3-f. 3-f. 3-f. 3-f. 3-f. Bi 2212 tömb Bi 2223 szalag Bi 2223 szalag Bi2212 tömb Bi 2223 szalag ERSE I/2010 rezisztív 9 kv, 250 A 3-f. Bi 2223 szalag ERSE I/2010 rezisztív 9 kv, 1 ka 3-f. YBCO szalag KEPRI Korea/2010z rezisztív 22,9 kv, 3 ka 3-f. YBCO szalag AMSC / Siemens USA/D/2012 rezisztív 115 kv, 1,2 A 3-f. YBCO szalag Rolls Royce UK/ - rezisztív 11,5 kv, 400 A 3-f. MgB2 huzal Areva + 5 partner, 2,5 kv, 24 A, Bi2223 szalag UK+D+F+Hu induktív 1 f köztük a BME VET 60kVA és Bi2212 gyűrű 1) a tesztelés éve 2) 3 fázisú rendszerek fázis-fázis feszültsége / 1 fázisú rendszer földfeszültsége sikeres helyszíni teszt vagy tervezett helyszíni teszt 25

26 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 ábra SLIMFormer Pilot Plant a BME VET laboratóriumában 8 8 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. 26

27 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 ábra AMSC SMES elvi felépítése 9 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,

28 4-4. táblázat SMES projektek Vezető társaság Ország Év Adatok Szupravezető Alkalmazás FZ Karlsruhe Németország kva NbTi ingadozás ellensúlyozás AMSC USA 2 MW, 2,6 MJ NbTi hálózat stabilizálás F Z Karlsruhe Németország MW, 237 kj NbTi áram modulátor Chubu Japán MVA, 1 MJ Bi 2212 feszültség minőség Chubu Japán MVA, 21 MJ NbTi feszültség minőség KERI Korea kva, 3 MJ NbTi hálózat minőség Chubu Japán MVA, 19 MJ NbTi terhelés ellensúlyozás CAS Kína ,5 MVA, 1 MJ Bi CNRS Franciaország kj Bi 2212 katonai alkalmazás KERI Korea MJ Bi Chubu Japán MJ (20K) YBCO 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 rendszerek 10 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