Badania Naukowe

Wysokotemperaturowe kable nadprzewodnikowe

opublikowany przez redakcja 14 marca 2016 0 komentarzy

Nowe materiały nadprzewodnikowe

Odkrycia z zakresu wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodnikowych stają się nie tylko obiektami medialnych wiadomości, ale coraz bardziej przenoszone są na obszar aplikacyjnych badań. O postępie w odkrywaniu nadprzewodnikowych materiałów świadczą coraz to nowe ich rekordowe temperatury krytyczne. Przypomnijmy słynne żartobliwe powiedzenie o przejściu od epoki brązu w nadprzewodnictwie do ery żelaza, co związane było z odkryciem i opanowaniem technologii tzw. nadprzewodników żelazowych, gdy w ciągu kilku miesięcy 2008 r. podwyższono temperaturę krytyczną o kilkadziesiąt kelwinów. Na przełomie lat 2006-2007 odkryto nadprzewodnictwo w związku żelaza LaOFeP o temperaturze krytycznej rzędu 4 K, w lutym 2008 r. podwyższono temperaturę krytyczną w związkach żelazowych LaFeAsO1-xFx do 26 K, natomiast w maju 2008 r. a więc po trzech miesiącach uzyskano rekordową temperaturę krytyczną w tych związkach równą 56 K dla związku Gd1-xThxFeAsO. Poprzednio dominowały przewody nadprzewodnikowe na bazie Nb3Sn w matrycy brązowej, co uzasadnia stwierdzenie o przejściu od epoki brązu do ery żelaza.

Sosnowski_rys_1

Rys. 1. Przekrój stabilizowanego przewodu nadprzewodnikowego z Nb3Sn w matrycy brązowej

Przykład przewodu Nb3Sn w matrycy brązowej, który właściwie można traktować jak kabel, ze względu na natężenie transportowanego prądu ponad 1 kA, pokazuje rysunek 1. Przewody o tak dużej przepustowości prądowej używane są następnie np. w elektromagnesach nadprzewodnikowych, jak pokazany na rys. 2 pracujący w ZIBj w Dubnie, w Rosji. Inny jest co prawda w tym przypadku sposób chłodzenia takiego przewodu, niż pokazanego na rys. 1, gdyż jak widać z rys. 2 jest tutaj stosowane chłodzenie wewnętrzne. O dalszym postępie w osiągnięciu coraz wyższych temperatur krytycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych świadczą z kolei doniesienia o uzyskaniu temperatury krytycznej 90 K w siarkodeuterze D2S pod ciśnieniem 164 GPa i temperatury początku przejścia rezystywnego rzędu 200 K w siarkowodorze H2S pod ciśnieniem 177 GPa. Rekordowa obecnie temperatura krytyczna stwierdzona w tym materiale przy przyłożeniu ciśnienia wynosi 203 K.

Sosnowski_rys_2

Rys. 2. Widok elektromagnesu nadprzewodnikowego Nuklotronu w ZIBJ o prądzie krytycznym rzędu kilku kiloamperów

O coraz szerszym zakresie występowania zjawiska nadprzewodnictwa wskazuje fakt, że ostatnio wykryto nadprzewodnictwo w izolatorach topologicznych, takich jak Sb2Te3, czyli w materiałach, w których w ogóle nie powinno występować nadprzewodnictwo. W izolatorach topologicznych nadprzewodnictwo zachodzi na powierzchni materiału, czyli na styku doskonałego izolatora zwykłego, jakim jest próżnia oraz nietrywialnego izolatora topologicznego z odwróconymi pasmami energetycznymi, jak może to mieć miejsce wewnątrz kryształu izolacyjnego. Powstałe odwrócenie pasm powoduje zanik przerwy energetycznej na powierzchni, co może prowadzić do powstania stożków Diraca w strukturze energetycznej i metalicznego przewodnictwa, a następnie lokalnie fazy nadprzewodzącej.

Wysokotemperaturowe kriokable nadprzewodnikowe

Ten postęp w poszukiwaniach nowych materiałów nadprzewodnikowych zostaje systematycznie przenoszony na obszar zastosowań tych materiałów w tym w obszarze kriokabli nadprzewodnikowych, które wydają się być jednymi z najbardziej perspektywicznych zastosowań nadprzewodników wysokotemperaturowych. O ile pierwsze konstrukcje kriokabli nadprzewodnikowych, nie sprawdziły się głównie ze względów ekonomicznych, gdyż wymagały chłodzenia ciekłym helem, to nowe materiały nadprzewodnikowe oparte już na opisanych poprzednio nadprzewodnikach wysokotemperaturowych umożliwiają konstrukcję kriokabli bardziej ekonomicznych, chłodzonych ciekłym azotem. Pośrednią wersją jest propozycja konstrukcji kriokabla opartego na dwuborku magnezu MgB2, który jest tanim materiałem o przejściowej temperaturze krytycznej rzędu 35 K. Może on być chłodzony ciekłym wodorem, co umożliwia wykorzystanie takiego kriokabla zarówno do przesyłu energii elektrycznej, jak też transportu kriokablem samego paliwa jakim jest ciekły wodór, coraz powszechniej wykorzystywany w energetyce np. jako paliwo do pojazdów nowej generacji, materiału do ogniw.

Prace wdrożeniowe nad wysokotemperaturowymi kablami nadprzewodnikowymi rozpoczęły się na początku bieżącego stulecia jednocześnie w Europie, jak i poza nią. Wymienić można jako jedną z pierwszych konstrukcji 30 metrowy kabel zbudowany na Politechnice w Lyngby w Kopenhadze w Danii i przez dwa lata testowany tam. Kabel ten wykonany został z taśmy nadprzewodnikowej I generacji z materiału nadprzewodnikowego BiSrCaCuO o prądzie 2 kA. Podobną konstrukcję oddano do użytku w 2004 r. w chińskiej prowincji Yunnan w 2004 r. Był to kabel trójfazowy o długości 33 m, również 2 kA, pracujący pod napięciem 35 kV. O tempie rozwoju tej problematyki świadczy porównanie długości tego kabla z obecnie konstruowanymi, z których najdłuższy oddany do eksploatacji w 2013 r. w Essen w Niemczech ma długość 1000 m. Przenosi on prąd trójfazowy 2,4 kA pod napięciem 10 kV. Zbudowany został przez niemiecką firmę Nexans, która staje się jednym ze światowych liderów w tej nowopowstałej branży. Nexans zbudowała także 600 m kabel oddany w 2011 r. do eksploatacji w Long Island w USA w projekcie LIPA (Long Island Power Authority). Transportował on prąd o natężeniu 2,4 kA, pod napięciem 138 kV. Z kolei w Korei Południowej oddano w 2011 r. stumetrowy kriokabel o mocy 1 GVA. Zbudowany on został przez firmę LS Cable. 500 metrowy odcinek takiego kabla ta sama firma równolegle oddala do eksploatacji w Seulu. Z kolei japońskie Sumitomo Electric Inc. oddało do eksploatacji kabel nadprzewodnikowy o prądzie 5 kA i napięciu 66 kV pracujący w TEPCO. W Podolsku pod Moskwą skonstruowano 200 m kriokabel, natomiast ciekawe jest, że o ile wymienione kriokable pracowały przy prądzie przemiennym, to Sumitomo zbudowało w 2010 r. w Chubu w Japonii kriokabel przenoszący prąd stały o natężeniu 3 kA. Ma to duże znaczenie z punktu widzenia eksploatacji takiego kabla przy obniżonych stratach mocy. Należy jednak pamiętać, że oprócz strat zmiennoprądowych występują w kriokablach straty powstałe w połączeniach między przewodami związane z generacją wówczas ciepła Joule’a, straty dielektryczne, straty na przewodnictwo cieplne i powstałe przy pompowaniu cieczy kriogenicznej.

Model kriokabla nadprzewodnikowego

Nie bez przyczyny rozwój problematyki kriokabli nadprzewodnikowych ma miejsce w najbardziej uprzemysłowionych państwach. Wynika to z konieczności sprostania zaawansowanym technicznie wymogom ich konstrukcji oraz celowości zastosowań. O skali trudności wskazuje też fakt, że wysokotemperaturowe taśmy nadprzewodnikowe używane do produkcji kriokabla produkowane są praktycznie tylko w kilku firmach: taśmy 2 generacji YBCO produkowane są w przemysłowy sposób przez amerykańskie firmy American Superconductor (AMSC) i SuperPower, a w Europie przez European High Temperatures Superconductors EHTS, natomiast przewody I generacji BSCCO wytwarzane są komercyjnie między innymi przez Sumitomo Electrics Inc. w Osace w Japonii.

Sosnowski_rys_3

Rys. 3. Przykładowa architektura wykorzystania wysokotemperaturowego kriokabla nadprzewodnikowego w układach energetyki odnawialnej

Szczególnie obiecujące będą zastosowania kriokabla nadprzewodnikowego w układach energetyki odnawialnej (rys. 3), gdy ekologiczny, energooszczędny przesył energii poprawi ekologiczność całego rozwiązania. Pamiętajmy, że w rezultacie przepływu prądu przez kriokabel wytwarzane są pary azotu, który w 80% stanowi składnik powietrza, więc jest to ekologiczne urządzenie. Niskie straty mocy wpływają na oszczędności energii. Również zmniejszenie gabarytów, rzędu dziewięciokrotnie oznacza oszczędności użytych materiałów oraz umożliwi wprowadzenie kriokabla do obecnych kanałów linii energetycznych. Ma to szczególnie istotne znaczenie w obszarach wielkomiejskich, w takich aglomeracjach jak Nowy Jork, Tokio, ale także np. warszawska Starówka, gdzie nie ma możliwości budowy nowych kanałów podziemnych sieci energetycznych, a naziemne linie także nie wchodzą w grę, w tym ze względów estetycznych i ochrony krajobrazu.

Rys. 4 przedstawia skonstruowany przez autora model kriokabla, w którym zastosowano taśmy nadprzewodnikowe I generacji firmy EHTS Bruker, wykonane z nadprzewodnika wysokotemperaturowego BiSCCO. Widoczny tutaj jest kriostat plastikowy z izolacją termiczną i wysokonapięciową, w postaci doprowadzeń prądowych do kriokabla z izolatorami zabezpieczającymi przed przebiciem.

Sosnowski_rys_4

Rys. 4. Widok skonstruowanego modelu kriokabla z wysokonapięciowymi doprowadzeniami prądowymi

Widoczne na rys. 4 przepusty prądowe wyposażone są w izolatory wysokonapięciowe, gdyż kriokable nadprzewodnikowe używane mogą być w warunkach wysokich napięć, co podwyższa moc równą L = V·I przenoszoną przez kriokable. Izolatory doprowadzeń prądowych skonstruowane zostały w postaci zbioru pięciu talerzy wykonanych z teflonu, co poprawia ich właściwości izolacyjne, jak potwierdziły to przeprowadzone badania zwarciowe, wskazujące na ich odporność na udar wysokiego napięcia rzędu 30 kV. Rysunek 5 przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową skonstruowanego modelu kriokabla nadprzewodnikowego, w temperaturze ciekłego azotu.

Sosnowski_rys_5

Rys. 5. Zmierzona charakterystyka prądowo-napięciowa modelu kriokabla w temperaturze ciekłego azotu, T = 77 K.

Powyższy artykuł pokazuje rozwój problematyki wysokotemperaturowych kriokabli nadprzewodnikowych oraz przedstawia parametry skonstruowanego jego modelu demonstracyjnego.

Prof. J. Sosnowski

Instytut Elektrotechniki, NWM, 04-703 Warszawa, ul. Pożaryskiego 2

 

Warto zobaczyć

Zostaw komentarz