ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΙΤΣΑΡ ΑΚΗΣ ΓΙΩΡΓΟΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΦΑΡΜΑΚΑΣ ΧΑΡΗΣ ΑΕΜ: 4039 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2003
περιεχόµενα ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή στις εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας... 1.1. Γενικές εφαρµογές των υπεραγωγών. 1.1.1. Μαγνητικός τοµογράφος (Magnetic Resonance Imaging ή MRI). 1.1.2. SQUID (Superconducting Quantum interference Device)... 1.1.3. Υπεραγώγιµοι Super Colliders...... 1.1.4. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές petaflop... 1.1.5. Υπερυψηλής επίδοσης φίλτρα..... 1.1.6. Στρατιωτικές Εφαρµογές.. 1.1.7. Γενικές Εφαρµογές... 1.1.8. Τραίνα µαγνητικής αιώρησης (Maglev trains)..... 1.1.9. Υπεραγώγιµα καλώδια υψηλής θερµοκρασίας (HTS cables)... 1.1.10. HTS γεννήτριες. 1.1.11. HTS κινητήρες.. 1.1.12. Μαγνητική υπεραγώγιµη αποθήκευση ενέργειας (SMES)... 1.1.13. HTS Μετασχηµατιστές. 1.1.14. Περιοριστές ρεύµατος σφάλµατος (Fault Current Limiters, FCL)... 1.2. Εκτιµήσεις για την πορεία των υπεραγωγών. 1.3. Εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας σε συστήµατα µεγάλης ηλεκτρικής ισχύος... 1.4. Η ανακάλυψη της υπεραγωγιµότητας υψηλής θερµοκρασίας.. 1.5. Πλεονεκτήµατα υπεραγωγιµών πηνίων υψηλής θερµοκρασίας.... 1.6. Απαιτούµενη επίδοση και κόστος των HTS εφαρµογών ισχύος.. 1.7. Μεγάλα οφέλη από τη χρήση υπεραγωγών στο ηλεκτρικό σύστηµα ισχύος 1.8. Αναφορές κεφαλαίου 1.. σελ.1 σελ.2 σελ.3 σελ.3 σελ.4 σελ.5 σελ.5 σελ.6 σελ.7 σελ.7 σελ.8 σελ.8 σελ.8 σελ.8 σελ.9 σελ.9 σελ.9 σελ.10 σελ.12 σελ.12 σελ.14 σελ.17 σελ.19 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Υπεραγώγιµα καλώδια και αγωγοί υψηλής θερµοκρασίας 2.1. Εισαγωγή στα HTS καλώδια.. 2.1.1. Υποβρύχια καλώδια. 2.1.2. Τα πλεονεκτήµατα των HTS καλωδίων έναντι των συµβατικών 2.2. HTS καλώδια µεταφορών ισχύος.... 2.3. Η διείσδυση των ΗΤS καλωδίων στην αγορά. 2.4. Υψηλής θερµοκρασίας υπεραγώγιµα σύρµατα και ταινίες.... 2.4.1. Πρώτη γενεά υπεραγωγών.... 2.4.1.1. Επενδυµένες ταινίες Βισµούθιου- 2212 2.4.1.2. Βισµούθιο- 2223 2.4.2. εύτερη γενεά υπεραγωγών. 2.4.2.1. Επιφανειακά επιχρισµένη ταινία YBCO... 2.5. Αρχιτεκτονικές κατασκευής των HTS συρµάτων... 2.5.1. Πρώτη γενεά - ιαδικασία κατασκευής της πολύ - νηµατοειδούς σύνθεσης (MFC).Μέθοδος OPIT.. 2.5.1.1. Τύποι συρµάτων της AMSC.. 2.5.1.1.1. HTS High Current Density Wire.... 2.5.1.1.2. High Strength Wire. 2.5.1.1.3. Hermetic Wire. 2.5.1.1.4. CryoBlock TM Wire.. 2.5.2. εύτερη γενεά HTS συρµάτων-διαδικασία κατασκευής.. 2.5.2.1. ιαδικασία IBAD (Ion Beam Assisted Deposition).. σελ.20 σελ.21 σελ.21 σελ.22 σελ.23 σελ.25 σελ.26 σελ.26 σελ.26 σελ.26 σελ.28 σελ.29 σελ.29 σελ.30 σελ.33 σελ.34 σελ.35 σελ.38 σελ.39 σελ.40 σελ.40 ii
περιεχόµενα 2.5.2.2. ιαδικασία RABiTS (Rolling Assisted Biaxially Texture Substrates).. 2.5.2.3. Μέθοδος ΜΟD (Liquid metal-organic deposition) ή MOD... 2.6. Σύγκριση των πολυνηµατοειδών και των επιχρισµένων συρµάτων... 2.7. Στοιχεία για την εφαρµογή των HTS καλωδίων. 2.8. Τεχνικά χαρακτηριστικά καλωδίων. 2.8.1. Καλώδια θερµού διηλεκτρικού (Warm dielectric). 2.8.2. Καλώδια ψυχρού διηλεκτρικού (Cold dielectric, CD). 2.9 Σύστηµα ψύξης καλωδίων 2.10. Απώλειες των AC υπεραγώγιµων καλωδίων. 2.10.1. Θερµικές διαρροές.. 2.10.2. Αc απώλειες του αγωγού.... 2.10.3 Επαγώµενες απώλειες στο προστατευτικό µανδύα του καλωδίου. 2.10.4 ιηλεκτρικές απώλειες... 2.10.5 Απώλειες υδραυλικές και κυκλοφορίας του υγρού αζώτου... 2.10.6 Επαγόµενες απώλειες στη θερµική µόνωση... 2.10.7 Απώλειες συνδέσεων και τερµατισµών.. 2.10.8 Απώλειες ψύξης. 2.11. Απώλειες εναλλασσόµενου ρεύµατος(ac) στα HTS καλώδια.. 2.11.1. Μέθοδοι µέτρησης των Ac απωλειών.. 2.12. ΗTS καλώδια συνεχούς ρεύµατος. 2.13. Πειράµατα υπερρεύµατος σε HTS καλώδια.. 2.14. Πειράµατα κάµψης σε HTS καλώδια.. 2.15. Μηχανική σύγκριση µεταξύ των HTS καλωδίων και των συµβατικών καλωδίων και αγωγών µεταφοράς. 2.15.1.Σύγκριση µεταξύ των HTS καλωδίων και των συµβατικών υπόγειων καλωδίων στα 138kV... 2.15.1.1. Περιγραφή και περιορισµοί της ανάλυσης 2.15.1.2. Σύγκριση απωλειών ενέργειας των HTS και των XLPE καλωδίων.. 2.15.1.3. Υπολογισµοί κόστους ζωής για τα HTS και XLPE καλώδια 2.15.2. Σύγκριση µεταξύ HTS καλωδίων και συµβατικών εναέριων γραµµών στα 230κV. 2.15.2.1. Περιγραφή και περιορισµοί της ανάλυσης.. 2.15.2.2. Σύγκριση των απωλειών ενέργειας των HTS καλωδίων και των εναέριων ACSR γραµµών µεταφοράς 2.15.2.3. Εκτιµήσεις του κόστους κύκλου ζωής για τα HTS καλώδια και τις ACSR γραµµές µεταφοράς 2.16. Υπεραγώγιµοι υψηλής θερµοκρασίας οδηγοί ρεύµατος (HTS current leads)... 2.16.1. Τρις κατηγορίες εφαρµογών όπου οι HTS οδηγοί ρεύµατος αναµένονται να εισαχθούν γρήγορα... 2.16.1.1. LTS µαγνήτες υψηλού ρεύµατος (High Current LTS Magnets). 2.16.1.2.LTS µαγνήτες που ψύχονται µε αγωγή (LTS conduction cooled magnet) 2.16.1.3 HTS µαγνήτες που ψύχονται µε αγωγή (ΗTS conduction cooled magnet) 2.16.2. Τεχνολογίες των HTS οδηγών ρεύµατος 2.16.2.1. Bulk κεραµικοί οδηγοί ρεύµατος. 2.16.2.2. Μεταλλικού περιβλήµατος οδηγοί ρεύµατος.. 2.16.3. Χαρακτηριστικά των HTS οδηγών ρεύµατος. 2.16.3.1. Ιδιότητες των οδηγών ρεύµατος.. 2.16.3.2 Υπολογισµοί µεταφοράς θερµότητας στους HTS οδηγούς ρεύµατος.. 2.16.3.3. Χρόνος θερµικής καταστροφής (Burnout time).. 2.16.4. Οφέλη της χρήσης των HTS οδηγών ρεύµατος.. 2.16.5. Πρόσφατα παραδείγµατα τεχνολογίας ΗΤS οδηγών ρεύµατος. 2.16.5.1. CERN HTS οδηγός ρεύµατος.. σελ.43 σελ.45 σελ.47 σελ.52 σελ.53 σελ.53 σελ.55 σελ.57 σελ.58 σελ.58 σελ.59 σελ.59 σελ.59 σελ.59 σελ.59 σελ.59 σελ.59 σελ.60 σελ.61 σελ.62 σελ.63 σελ.66 σελ.69 σελ.69 σελ.69 σελ.70 σελ.73 σελ.78 σελ.78 σελ.79 σελ.80 σελ.84 σελ.85 σελ.85 σελ.86 σελ.86 σελ.86 σελ.86 σελ.87 σελ.88 σελ.88 σελ.89 σελ.90 σελ.91 σελ.92 σελ.92 iii
περιεχόµενα 2.16.5.2. HTS οδηγός ρεύµατος του Fermi National Accelerator Laboratory (FNL). 2.16.5.3. HTS οδηγός ρεύµατος του Forschungszentrum Karlsruhe (FzK)... 2.17. Αναφορές κεφαλαίου 2.. σελ.93 σελ.93 σελ.94 3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Υπεραγώγιµες περιστρεφόµενες µηχανές υψηλής θερµοκρασίας... 3.1. Ανάπτυξη των υπεραγώγιµων περιστρεφόµενων µηχανών... 3.2. Γενικές αρχές περιστρεφόµενων µηχανών.. 3.3. Τοπολογία των HTS µηχανών... 3.4. ΗTS Γεννήτριες... 3.4.1. Οι HTS γεννήτριες στην παγκόσµια αγορά.. 3.4.1.1. ιείσδυση των HTS γεννητριών στην αγορά 3.4.2. Οι HTS γεννήτριες στο δηµόσιο ηλεκτρικό δίκτυο.. 3.4.3. ΗΤS γεννήτριες για προώθηση πλοίων... 3.4.4. Χαρακτηριστικά των µικρού και µεσαίου µεγέθους ΗΤS γεννητριών 3.4.4.1. Ονοµαστικά στοιχεία της SuperGenerator 3.4.4.2. Περιγραφή του σχεδίου της SuperGenerator. 3.4.4.3. Χαρακτηριστικά απόδοσης της SuperGenerator... 3.4.4.4. Συµπεράσµατα... 3.5. HTS κινητήρες. 3.5.1. Oι HTS κινητήρες στην αγορά. 3.5.2. Βιοµηχανικοί κινητήρες 3.5.2.1. ΗΤS κινητήρας 1000 hp 3.5.2.1.1. Τύλιγµα πεδίου του HTS κινητήρα 1000 hp.. 3.5.2.1.2. Ψυγείο Baseline.. 3.5.2.1.3. Συνιστώσες του ρότορα.. 3.5.2.1.4. Ανάπτυξη του στάτη... 3.5.2.2. HTS κινητήρας 5000 hp 3.5.2.2.1. Απόδοση των πόλων.. 3.5.2.2.2. Σύστηµα ψύξης του HTS κινητήρα 5000 hp.. 3.5.2.2.3. οκιµή του κινητήρα υπό κενό φορτίο... 3.5.2.2.4. οκιµή του HTS κινητήρα 5000 hp υπό φορτίο 3.5.2.2.5. Συµπέρασµα 3.5.3. ΗΤS κινητήρες για προώθηση πλοίων. 3.5.3.1. Περιγραφή σχεδίου HTS κινητήρα προώθησης πλοίου 25 MW... 3.5.3.1.1. Χαρακτηριστικά απόδοσης του HTS κινητήρα 25 MW 3.5.3.1.2. Τρόπος ανάλυσης του HTS κινητήρα 25 MW... 3.5.3.1.3. Αποτελέσµατα ανάλυσης της ηλεκτροµαγνητικής θωράκισης (EM shield). 3.5.3.1.3.1. Απόσβεση των ασύγχρονων πεδίων 3.5.3.1.3.2. Πεδία αρνητικής ακολουθίας.. 3.5.3.1.3.3. Αντοχή της ΕΜ θωράκισης σε σφάλµατα... 3.5.3.1.3.4. Λειτουργία σαν επαγωγικός κινητήρας... 3.5.3.2. Πλεονεκτήµατα στο σχεδιασµό και την λειτουργία των πλοίων µε τη χρησιµοποίηση HTS κινητήρων. 3.5.3.2.1. Σύγκριση στην απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων προώθησης 3.5.3.2.2. Σύγκριση στο µέγεθος στο βάρος και την ισχύ των HTS κινητήρων και των συµβατικών 3.6. HTS περιστρεφόµενοι σύγχρονοι πυκνωτές σελ.97 σελ.98 σελ.98 σελ.99 σελ.99 σελ.101 σελ.101 σελ.102 σελ.104 σελ.104 σελ.104 σελ.105 σελ.109 σελ.112 σελ.113 σελ.116 σελ.117 σελ.118 σελ.119 σελ.121 σελ.123 σελ.124 σελ.124 σελ.126 σελ.127 σελ.128 σελ.129 σελ.131 σελ.131 σελ.133 σελ.136 σελ.138 σελ.138 σελ.139 σελ.139 σελ.140 σελ.140 σελ.140 σελ.140 σελ.141 σελ.143 iv
περιεχόµενα 3.6.1. SuperVAR TM δυναµικός σύγχρονος πυκνωτής (SuperVAR TM Dynamic Synchronous Condensers).. 3.7. Αναφορές κεφαλαίου 3 σελ.143 σελ.146 4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Υπεραγώγιµοι υψηλής θερµοκρασίας µετασχηµατιστές ισχύος. 4.1 Εισαγωγή στους µετασχηµατιστές... 4.2. Πλεονεκτήµατα HTS µετασχηµατιστών. 4.3. ιείσδυση των HTS µετασχηµατιστών στην αγορά 4.4. ΗΤS µετασχηµατιστής 100 kva..... 4.4.1. Αποτελέσµατα µετρήσεων για τον HTS µετασχηµατιστή 100 kva... 4.5. HTS µετασχηµατιστής 500 kva. 4.6. HTS µετασχηµατιστής 1 MVA... 4.7. Αποτίµηση της απόδοσης ενός ΗΤS µετασχηµατιστή χρησιµοποιώντας τη µέθοδο πεπερασµένων στοιχείων... 4.7.1. Προδιαγραφές του HTS µετασχηµατιστή 4.7.1.1. HTS αγωγός ταινίας και ο πυρήνας... 4.7.1.2. Τυλίγµατα.. 4.7.2. ιευθέτηση των HTS τυλιγµάτων 4.7.2.1. Μαγνητική επαγωγική αντίσταση και επαγωγική αντίσταση διαρροής... 4.7.2.2. Ρεύµα κυκλοφορίας... 4.7.2.3. AC απώλειες.. 4.7.3. Ανάλυση του HTS µετασχηµατιστή σε µεταβατικό φαινόµενο... 4.7.3.1. Υπολογισµός ρεύµατος τυλίγµατος... 4.7.3.2. Υπολογισµός της θερµοκρασίας και της αντίστασης 4.7.3.3. Αποτελέσµατα ανάλυσης.. 4.8. Σύγκριση των HTS µετασχηµατιστών µε τους συµβατικούς.. 4.8.1. Περιγραφή και περιορισµοί της ανάλυσης... 4.8.2. Σύγκριση της ενέργειας απωλειών για τους HTS και τους συµβατικούς µετασχηµατιστές. 4.8.3. Υπολογισµοί κόστους κύκλου ζωής για τους HTS και τους συµβατικούς µετασχηµατιστές. 4.9. Παραµετρικές σχέσεις για τη σύγκριση της χρήσης ενέργειας και του κόστους κύκλου ζωής για τους HTS και του συµβατικούς µετασχηµατιστές... 4.10. Αναφορές κεφαλαίου 4.. σελ.147 σελ.148 σελ.150 σελ.150 σελ.152 σελ.154 σελ.155 σελ.157 σελ.161 σελ.161 σελ.161 σελ.161 σελ.163 σελ.163 σελ.164 σελ.164 σελ.165 σελ.166 σελ.166 σελ.167 σελ.169 σελ.169 σελ.169 σελ.172 σελ.174 σελ.175 5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Βελτίωση της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος µε υπεραγώγιµες συσκευές υψηλής θερµοκρασίας..... 5.1. Βελτίωση της ποιότητας ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο... 5.2. Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Flywheel... 5.2.1. Τεχνικά χαρακτηριστικά του Flywheel 5.2.2. Στοιχεία για ΗΤS Flywheel 300 Wh / 10 kw... 5.2.2.1. Σχέδιο σύλληψης του συστήµατος Flywheel. 5.2.2.1.1. Υλικό ασφαλείας. 5.2.2.1.2. H ηλεκτρική µηχανή κινητήρα / γεννήτρια του συστήµατος Flywheel.. 5.2.2.1.3. ΗΤS µαγνητικά έδρανα... 5.2.2.2. Αποτελέσµατα πειραµάτων για το ΗΤS σύστηµα Flywheel 300 Wh/10 kw... 5.2.2.2.1. Απώλειες του συστήµατος Flywheel.. σελ.176 σελ.177 σελ.178 σελ.183 σελ.186 σελ.186 σελ.188 σελ.188 σελ.189 σελ.190 σελ.190 v
περιεχόµενα 5.2.2.2.2. Ακαµψία των HTS µαγνητικών εδράνων... 5.2.3 Σύγκριση των απωλειών και του κόστους ζωής των UPS συστηµάτων µε ΗΤS Flywheel και µε µπαταρίες. 5.2.3.1. Περιγραφή και περιορισµοί της ανάλυσης 5.2.3.2. Σύγκριση απωλειών για τα Flywheel και τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας µε µπαταρίες... 5.2.3.3. Εκτίµηση κόστους κύκλου ζωής για τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας Flywheel και µπαταριών. 5.2.3.4. Παραµετρικές σχέσεις για την σύγκριση απωλειών για τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας Flywheel και µπαταριών.. 5.3. ΗΤS Υπεραγώγιµα συστήµατα αποθήκευσης µαγνητικής ενέργειας (SMES) 5.3.1. Προσπάθειες αποθήκευσης µαγνητικής ενέργειας στις Ηνωµένες Πολιτείες Αµερικής. 5.3.2. Προσπάθειες αποθήκευσης µαγνητικής ενέργειας στη Ιαπωνία.. 5.3.3. Προσπάθειες αποθήκευσης µαγνητικής ενέργειας στη Γερµανία 5.3.4. LTS SMES 5.3.5. HTS συστήµατα SMES. 5.3.5.1. Σχηµατισµοί HTS πηνίων για εφαρµογή στα συστήµατα SMES.. 5.3.5.1.1. ακτυλιοειδή πηνία (Toroidal Coils)..... 5.3.5.1.2. Ελικοειδή δακτυλιοειδή πηνία (Helical Toroids)... 5.3.5.1.3. οµοστοιχειωτά δακτυλιοειδή πηνία (Modular Toroids).. 5.3.5.1.4. Σωληνοειδή πηνία.. 5.3.5.2. Σχεδιασµός των ΗΤS πηνίων. 5.3.5.2.1. Επιλογή του σχήµατος του τυλίγµατος... 5.3.5.2.2. Βελτιστοποίηση του επιλεγµένου πηνίου... 5.3.5.2.3. Συµπεράσµατα βελτιστοποίησης του 200 kj HTS SMES.. 5.3.6. Συστήµατα D SMES (Distribute SMES) 5.3.7. Σύγκριση των συστηµάτων SMES, Flywheel και µπαταριών µολύβδου. 5.4. Περιοριστές ρεύµατος σφάλµατος (Fault Current Limiters, FCLs ή Current Controlers).. 5.4.1. Το πρόβληµα από τα ρεύµατα σφάλµατος 5.4.2. Τρόπος λειτουργίας των υπεραγώγιµων FCL... 5.4.3. Εφαρµογές των FCL. 5.4.3.1. Ο FCL στην κύρια θέση του ζυγού 5.4.3.2. Ο FCL στη θέση τροφοδοσίας... 5.4.3.3. Ο FCL στη σύνδεση δύο ζυγών. 5.4.4. Τύποι λειτουργίας των υπεραγώγιµων FCL. 5.4.4.1. Υπεραγώγιµος FCL αντίστασης σειράς. 5.4.4.2. Επαγωγικός HTS FCL (Inductive Limiter) 5.4.4.3. ΗΤS FCL τύπος γέφυρας... 5.4.4.4. Κορεσµένος DC επαγωγικός ΗΤS FCL. 5.4.5. Πλεονεκτήµατα των ΗΤS FCL. 5.4.6. Οι HTS FCLs στην αγορά. 5.5. Αναφορές κεφαλαίου 5 σελ.192 σελ.195 σελ.195 σελ.195 σελ.199 σελ.201 σελ.202 σελ.203 σελ.203 σελ.205 σελ.205 σελ.207 σελ.207 σελ.208 σελ.208 σελ.208 σελ.210 σελ.211 σελ.212 σελ.213 σελ.216 σελ.217 σελ.220 σελ.221 σελ.221 σελ.222 σελ.223 σελ.223 σελ.224 σελ.224 σελ.225 σελ.225 σελ.226 σελ.226 σελ.227 σελ.228 σελ.229 σελ.230 Γενικό Γλωσσολογικό Υπεραγωγιµότητας και Εφαρµογών Ισχύος σελ.232 Γενικό Γλωσσολογικό για HTS σύρµατα. σελ.239 vi
περιεχόµενα Παράρτηµα Ι Υπεραγωγοί Υψηλής Θερµοκρασίας.. Παράρτηµα ΙΙ Θεωρητική Εξήγηση Του Φαινοµένου Της Υπεραγωγιµότητας.. Παράρτηµα ΙΙΙ Σηµεία Σταθµοί για την Υπεραγωγιµότητα σελ.244 σελ.250 σελ.255 vii
κεφάλαιο 1 1.1 ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΥΠΕΡΑΓΩΓΩΝ Σύντοµα από τότε που ο Kamerlingh Onnes ανακάλυψε την υπεραγωγιµότητα, * οι επιστήµονες άρχισαν να ονειρεύονται πρακτικές εφαρµογές για το περίεργο και νέο αυτό φαινόµενο. Καινούργοι δυνατοί υπεραγώγιµοι µαγνήτες µπορούσαν να γίνουν πολύ µικρότεροι από ένα µαγνήτη µε αντίσταση, επειδή τα τυλίγµατα του θα µετάφεραν τεράστια ρεύµατα χωρίς απώλειες. Γεννήτριες µε υπεραγώγιµα τυλίγµατα θα παράγουν το ίδιο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας µε µικρότερες διαστάσεις και λιγότερες απώλειες από τις συµβατικές. Ο ηλεκτρισµός θα µπορούσε να διανεµηθεί χρησιµοποιώντας υπεραγώγιµα καλώδια και ενέργεια µπορούσε να αποθηκευτεί σε υπεραγώγιµα πηνία για µεγάλα χρονικά διαστήµατα χωρίς απώλειες, και όλα αυτά δε θα ήταν παρά µόνο η αρχή. Η πρόσφατη ανακάλυψη των υπεραγωγών υψηλής θερµοκρασίας (HTS) ** µας έχει φέρει ένα βήµα πιο κοντά στα όνειρα των επιστηµόνων. Οι αρχικές εφαρµογές των υπεραγωγών έγιναν µε υπεραγωγούς χαµηλής θερµοκρασίας (LTS) *** όµως τώρα όλο το βάρος έχει δοθεί στις εφαρµογές των HTS που έχουν το πλεονέκτηµα ότι το σύστηµα ψύξης τους είναι πολύ φθηνότερο από ότι για τα LTS, λόγω της χρησιµοποίησης υγρού αζώτου **** έναντι του υγρού ηλίου. Προς το παρόν οι εφαρµογές των υπεραγωγών υψηλής θερµοκρασίας περιλαµβάνουν κυρίως εφαρµογές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στη βιοµηχανία, στην ηλεκτρονική, στην ιατρική και στις µεταφορές. Ο πιο κάτω πίνακας 1.1 παραθέτει εφαρµογές των υπεραγωγών που χρησιµοποιούνται ήδη από τους καταναλωτές καθώς και τις εφαρµογές που θα δοθούν στο εµπόριο τα επόµενα χρόνια. Πίνακας 1.1 Κυριότερες εφαρµογές των υπεραγωγών [1] Εφαρµογή Επί του παρόντος Προσεχώς Ιατρική Μαγνητικός τοµογράφος Χ Βιοτεχνικός µηχανισµός Χ Ηλεκτονική SQUIDS Χ Τρανζίστορς Χ Συσκευές Josephoson Χ Junction Αισθητήρες Χ Επιταχυντές Χ σωµατιδίων Βιοµηχανικές Μαγνήτες ιαχωριστές Αισθητήρες και µετατροπείς Μαγνητική θωράκιση *Βλέπε Παράρτηµα II και Γενικό Γλωσσολογικό **Βλέπε Παράρτηµα III και Γενικό Γλωσσολογικό *** Βλέπε Γενικό Γλωσσολογικό **** Βλέπε Γενικό Γλωσσολογικό Χ Χ Χ Χ 2
κεφάλαιο 1 Εφαρµογή Επί του παρόντος Προσεχώς Παραγωγή ισχύος Κινητήρες Γεννήτριες Αποθήκευση ενέργειας Μεταφορά ενέργειας Μετασχηµατιστές και επαγωγές Πυρηνική Σύντηξη Μεταφορές Οχήµατα µαγνητικής αιώρησης (Maglev) Προώθηση πλοίων Πιο κάτω θα αναφερθούµε εν συντοµία σε µερικές από τις πιο πάνω εφαρµογές και µερικές που είναι ακόµη σε πρώιµο πειραµατικό στάδιο. Για τις εφαρµογές ηλεκτρικής ισχύος της υπεραγωγιµότητας θα γίνει και εδώ µια µικρή αναφορά αλλά ακολούθως θα γίνει εκτενέστερη ανάπτυξη. Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ 1.1.1. Μαγνητικός τοµογράφος (Magnetic Resonance Imaging ή MRI). Μια περιοχή όπου οι υπεραγωγοί µπορούν να διαδραµατίσουν ζωτικό ρόλο είναι στο επίπεδο του βιοµαγνητισµού. Οι γιατροί χρειάζονται αναίµακτα µέσα τα οποία θα τους πληροφορούν λεπτοµερώς τι συµβαίνει µέσα στο ανθρώπινο σώµα. Αυτό είναι εφικτό µε τον MRI. Ο MRI δηµιουργεί στο χώρο που βρίσκεται ο ασθενής ισχυρό σταθερό µαγνητικό πεδίο ~1Tesla. Αυτό το πεδίο δίνει ενέργεια στα άτοµα του υδρογόνου που υπάρχουν στο νερό και στους υδατάνθρακες του σώµατος. Μετά τα άτοµα αυτά αποδίδουν την ενέργεια αυτή σε µια συχνότητα η οποία µπορεί να ανιχνευτεί και να απεικονιστεί µετά από επεξεργασία µέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή τρισδιάστατα, το µέρος του σώµατος το οποίο µας ενδιαφέρει. Πιο κάτω φαίνεται η MRI ενός ανθρώπινου κρανίου. [5] Παρόλο που ο MRI ανακαλύφθηκε το 1940, πρόσφατα χάρις τους υπεραγωγούς έγινε ένα απαραίτητο ιατρικό εργαλείο. 1.1.2. SQUID (Superconducting Quantum interference Device). Το Korean Superconductivity Group (KRISS) έχει µεταφέρει τη βιοµαγνητική τεχνολογία ένα βήµα µακρύτερα µε την ανάπτυξη ενός ταλαντωτή SQUID για χρήση στη µαγνητοεγκεφαλοτοµογραφία. Τα SQUID είναι ικανά να αισθάνονται µια αλλαγή του πεδίου που είναι 100 εκατοµµύρια φορές µικρότερη από το πεδίο το οποίο κινεί τη βελόνα µιας 3
κεφάλαιο 1 πυξίδας. Με αυτή την τεχνολογία το ανθρώπινο σώµα µπορεί να εξερευνηθεί σε συγκεκριµένα βάθη χωρίς την ανάγκη ενός ισχυρού µαγνητικού πεδίου όπως αυτού που δίνει ο MRI. Η πιο κάτω εικόνα απεικονίζει ένα SQUID, του πιο ευαίσθητου τύπου ανιχνευτή που είναι γνωστός στην επιστήµη. Αποτελείται από ένα υπεραγώγιµο βρόχο µαζί µε δύο Josephson Junctions. * 1.1.3. Υπεραγώγιµοι Super Colliders. Οι υψηλής ενέργειας επιταχυντές δε θα είχαν γίνει ποτέ κατασκευάσιµοι αν δε χρησιµοποιούνταν υπεραγωγοί, λόγω των τεράστιων χρηµατικών κεφαλαίων που απαιτούσαν. Τώρα όµως χρησιµοποιώντας υπεραγώγιµους µαγνήτες είναι δυνατό να επιταχύνουµε υποατοµικά σωµατίδια κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι πρώτες ενέργειες έγιναν στην Αµερική, όµως τώρα γίνεται και κάτι ανάλογο στην Ευρώπη από τη CERN. [5] Τα δακτυλίδια του collider αποτελούνται από εκατοντάδες µαγνήτες όµοιους µε αυτό που φαίνεται στη εικόνα 1.3 και ενώνονται µεταξύ τους όπως οι κρίκοι σ ένα περιδέραιο. Μέσα στον κεντρικό σωλήνα που φαίνεται κινούνται τα σωµατίδια [6]. Η εικόνα 1.4 είναι παρµένη από υπολογιστή και κάνει ορατά τα µαγνητικά πεδία που παράγονται απ ένα µαγνήτη του Collider. Το πεδίο εστιάζεται στο κέντρο όπου η δέσµη των ιόντων ενός RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) ταξιδεύει. Η τροχιά της δέσµης καθορίζεται από το πεδίο των υπεραγώγιµων µαγνητών. [6] *Βλέπε γενικό Γλωσσολογικό 4
κεφάλαιο 1 1.1.4. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές petaflop. Το National Science Foundation µαζί µε τη NASA και DARPA και διάφορα πανεπιστήµια ερευνούνε σχετικά µε τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές petaflop. Το petaflop είναι χιλιατρισεκατοµµύρια µικρολειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Σήµερα τα γρηγορότερα συστήµατα υπολογιστών έχουν φθάσει ταχύτητες teraflop (τρισεκατοµµύρια λειτουργίες το δευτερόλεπτο). Ο γρηγορότερος είναι ο Cray X1 TM που τρέχει µε 52.4 teraflop το δευτερόλεπτο. Οι ερευνητές του TRW έχουν υπολογίσει ότι 100 εκατοµµύρια Josephson Junctions πάνω σε 4000 µικροεπεξεργαστές θα είναι απαραίτητα για να φθάσουν την ταχύτητα των 32 petabit. [5] Οι Josephson Junctions θα ενσωµατωθούν µέσα σε τρανζίστορ (FET) τα οποία θα γίνουν µέρος λογικού κυκλώµατος µέσα σε επεξεργαστές (εικόνα 1.6). Ακόµη πρόσφατα έχει παρουσιαστεί στο ινστιτούτο Weizmann στο Ισραήλ ότι τα µικρά µαγνητικά πεδία τα οποία διεισδύουν στους υπεραγωγούς τύπου II µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αποθήκευση και επανάκτηση πληροφοριών [5]. Έτσι λοιπόν δεν είναι υπερβολικό συµπέρασµα να πούµε ότι οι υπολογιστές του µέλλοντος θα κτίζονται µε βάση υπεραγώγιµες συσκευές. 1.1.5. Υπερυψηλής επίδοσης φίλτρα Στις βιοµηχανίες ηλεκτρονικών φτιάχνονται τώρα υπερυψηλής επίδοσης φίλτρα. Αφού το υπεραγώγιµο φίλτρο έχει σχεδόν µηδενική αντίσταση και για υψηλές συχνότητες, τότε πιο πολλά στάδια µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να πετύχουµε την επιθυµητή απόκριση συχνότητας. Αυτό µεταφράζεται στην ικανότητα να παίρνουµε τις επιθυµητές συχνότητες και να κόβουµε τις ανεπιθύµητες σε εφαρµογές όπως είναι η κινητή τηλεφωνία. [5] Οι παρεµβολές είναι παντού µε αποτέλεσµα να αυξάνει ο θόρυβος, να διακόπτονται τα τηλεφωνήµατα, να µειώνεται η ικανότητα χρησιµοποίησης δεδοµένων καθώς και η ταχύτητα αποστολής τους. Τα συµβατικά φίλτρα υστερούν σε σχέση µε τα υπεραγώγιµα τα οποία εµποδίζουν τις παρεµβολές και αυξάνουν την ικανότητα χρησιµοποίησης και την ταχύτητα δεδοµένων. 5
κεφάλαιο 1 Πιο κάτω φαίνεται ο SuperLing Rx 850 ένας front-end receiver για ασύρµατους σταθµούς τηλεπικοινωνιών. ο οποίος έχει HTS φίλτρο. 1.1.6. Στρατιωτικές Εφαρµογές. Οι υπεραγωγοί βρίσκουν πολλές εφαρµογές και στο στρατό. Συγκεκριµένα HTS SQUIDS χρησιµοποιούνται για την ανίχνευση υποβρυχίων και ναρκοπεδίων. Ακόµη πολύ µικρότεροι υπεραγώγιµοι κινητήρες από τους συµβατικούς κατασκευάζονται για τα πολεµικά πλοία. Στα µέσα του Ιούλη του 2001 [5] η American Superconductor παρέδωσε ένα 5000 hp κινητήρα φτιαγµένο µε υπεραγώγιµο σύρµα (εικόνα 1.9). Ακόµη ο στρατός ψάχνει τρόπο να χρησιµοποιήσει την υπεραγώγιµη ταινία ως ένα τρόπο για µειώσει το µήκος των κεραιών πολύ χαµηλών συχνοτήτων που εφαρµόζονται στα υποβρύχια. Κανονικά όσο χαµηλότερη είναι η συχνότητα τόσο µακρύτερη πρέπει να είναι και η κεραία. Όµως βάζοντας ένα πηνίο από σύρµα στην κορυφή της κεραίας τότε θα έχω την ίδια λειτουργία σαν να ήταν µακρύτερη. υστυχώς όµως βάζοντας το πηνίο αυξάνουν οι απώλειες του συστήµατος, αλλά όµως αν βάλω υπεραγώγιµο πηνίο τότε το πρόβληµα αυτό υπερπηδείται έτσι µπορεί να έχω πολύ µικρά µήκη κεραίας. Το Electronic Materials και το Devices Research Group του πανεπιστηµίου του Binmingham(UK) έχει εγγυηθεί ότι θα δηµιουργήσει τη πρώτη υπεραγώγιµη κεραία µικροκυµάτων. Τέλος η πιο ατιµωτική χρήση των υπεραγωγών είναι µε την ανάπτυξη ηλεκτροµαγνητικών βοµβών (E-Bombs). Αυτές οι βόµβες (εικόνα 1.10) θα µπορούν να χρησιµοποιούν ισχυρά µαγνητικά πεδία που θα παράγονται από υπεραγωγούς για να δηµιουργήσουν γρήγορους και µεγάλης έντασης ηλεκτροµαγνητικούς παλµούς (EMP) για να καταστρέψουν τον εχθρικό ηλεκτρονικό εξοπλισµό. Αυτές οι βόµβες µπορούν να ελευθερώσουν τεράστια ποσά ισχύος (2GW) στιγµιαία υπό την µορφή ηλεκτροµαγνητικού κύµατος καταστρέφοντας έτσι µε τα ισχυρά ρεύµατα που θα επαχθούν, κάθε ηλεκτρονική συσκευή. 6
κεφάλαιο 1 1.1.7. Γενικές Εφαρµογές. Υπεραγώγιµοι ανιχνευτές ακτίνων Χ και σούπερ γρήγοροι ανιχνευτές φωτός (εικόνα 1.11) έχουν αναπτυχθεί χάρις την έµφυτη ικανότητα των υπεραγωγών να ανιχνεύουν πολύ µικρές ποσότητες ενέργειας. Επίσης οι υπεραγωγοί ίσως πολύ σύντοµα να παίξουν το δικό τους ρόλο στις επικοινωνίες µέσο Internet. Το Φεβρουάριο του 2000 το Irvine Sensors Corporation έλαβε $1 εκατοµµυρίου για να κάνει έρευνα και να αναπτύξει µε τη βοήθεια υπεραγωγών µέγιστη ταχύτητα δεδοµένων για τις επικοινωνίες στα 160 GHz. [5] 1.1.8. Τραίνα µαγνητικής αιώρησης (Maglev trains). Η µαγνητική αιώρηση είναι µια εφαρµογή όπου οι υπεραγωγοί παρουσιάζουν άριστα αποτελέσµατα. Οχήµατα µεταφοράς όπως τραίνα, µπορούν να επιπλέουν πάνω σε δυνατούς υπεραγώγιµους µαγνήτες και ουσιαστικά να εξαφανίζουν την τριβή που παρουσιάζει το συµβατικό τραίνο µε της ράγες στο έδαφος. Ο υπουργός µεταφορών της Ιαπωνίας εξουσιοδότησε την κατασκευή πειραµατικής γραµµής για τοyamanashi Maglev η οποία άρχισε στις 3 Απριλίου 1997. ύο χρόνια µετά στις 14 Απριλίου 1999 το πειραµατικό όχηµα MLX 01 (εικόνα 1.12) έφθασε στην απίστευτη ταχύτητα των 547 χιλιοµέτρων την ώρα [5]. Πιο κάτω αναφέρουµε τις εφαρµογές των υπεραγωγών σε θέµατα ηλεκτρικής ισχύος τις οποίες θα περιγράψουµε λεπτοµερώς στα επόµενα κεφάλαια 7
κεφάλαιο 1 1.1.9. Υπεραγώγιµα καλώδια υψηλής θερµοκρασίας (HTS cables). Τα HTS καλώδια µπορούν να µεταφέρουν 3 ως 5 φορές µεγαλύτερη ισχύ από τα αντίστοιχα από χαλκό. Μπορούνε να µεταφέρουν ρεύµα µε αµελητέες απώλειες, έτσι εξοικονοµούµε χρήµατα. Ακόµη εξοικονοµούµε χώρο αφού µε πιο µικρό αριθµό HTS καλωδίων από τα αντίστοιχα συµβατικά µπορώ να στείλω την ίδια ισχύ. Η Αµερική και η Ιαπωνία κάνουν σχέδια να αντικαταστήσουν τα υπόγεια καλώδια χαλκού µε υπεραγώγιµα τύπου BSCCO τα οποία ψύχονται από υγρό άζωτο (εικόνα 1.13). Κάνοντας το αυτό θα µπορούν να µεταφέρουν µεγαλύτερη ισχύ. Ακόµη να αναφέρουµε ότι 250 λίτρες από υπεραγώγιµα καλώδια αντικατέστησαν 18 000 λίτρες από καλώδια χαλκού κάνοντας έτσι τεράστια εξοικονόµηση χώρου [5]. Μια ιδεατή εφαρµογή των υπεραγωγών είναι να τους εφαρµόσουν στη µεταφορά εµπορεύσιµης ισχύος στις πολιτείες. Όµως αυτό είναι πρακτικά αδύνατο λόγω του µεγάλου κόστους και της αδυναµίας ψύξης χιλιοµέτρων από υπεραγώγιµα καλώδια σε κρυογονικές θερµοκρασίες.παρόλα αυτά η Pirelli εγκατέστησε τρία 400 ποδών HTS καλώδια για το Detroit Edison ικανά να δίνουν 100 εκατοµµύρια watt ισχύ. Αυτό σηµειοδότησε την πρώτη φορά όπου ηλεκτρική ενέργεια πωλείται στους καταναλωτές του Αµερικανικού διχτύου µέσο HTS καλωδίων. [5] 1.1.10. HTS γεννήτριες. Οι γεννήτριες χρησιµοποιούν υπεραγώγιµα σύρµατα στη θέση των µαγνητών από σίδηρο. Είναι πιο αποδοτικές από τις συµβατικές, συγκεκριµένα η απόδοση τους είναι πάνω από 99%. Ακόµη το µέγεθος και το βάρος τους είναι το µισό σε σχέση µε τις αντίστοιχης ισχύος συµβατικές. Τα πιο πάνω χαρακτηριστικά τις κάνουν να είναι πιο επικερδής από τις συµβατικές. Η General Electric υπολόγισε ότι οι παγκόσµιες αγοραπωλησίες για τις υπεραγώγιµες γεννήτριες την επόµενη δεκαετία θα είναι $20 30 δισεκατοµµύρια δολάρια. [5] 1.1.11. HTS κινητήρες. Όπως και οι γεννήτριες έτσι και αυτοί φτιάχνονται από πηνία από υπεραγώγιµα υλικά. Είναι πιο αποδοτικοί και πιο µικροί σε µέγεθος από τους αντίστοιχους συµβατικούς. 1.1.12. Μαγνητική υπεραγώγιµη αποθήκευση ενέργειας (SMES). Η αποθήκευση ενέργειας έχει σκοπό τη σταθεροποίηση της ισχύος του δικτύου, ώστε να αποφευχθούν διακυµάνσεις του φορτίου, που έχουν οικονοµικές επιπτώσεις. Η ενέργεια αποθηκεύεται ως ενέργεια µαγνητικού πεδίου. Τα SMES έχουν το πλεονέκτηµα ότι αντιδρούν σχεδόν ακαριαία στις µεταβολές της ισχύος και ότι έχουν απεριόριστους κύκλους επαναφόρτισης. 8
κεφάλαιο 1 1.1.13. HTS Μετασχηµατιστές. Οι HTS µετασχηµατιστές είναι πιο αποτελεσµατικοί και φιλικοί στο περιβάλλον από ότι οι συµβατικοί. Χρησιµοποιούν υγρό άζωτο για µόνωση και ψύξη αντί του λαδιού, έχουν µειωµένο βάρος και µέγεθος σε σχέση µε τους συµβατικούς, και ακόµη περιορίζουν αυτόµατα την εξάπλωση των επικίνδυνων ρευµάτων σφάλµατος, προσφέροντας έτσι σηµαντικά στην αξιοπιστία και στην καλύτερη αποδοτικότητα του συστήµατος. Επίσης οι HTS µετασχηµατιστές δεν παρουσιάζουν κίνδυνο φωτιάς και είναι αθόρυβοι σε σχέση µε τους συµβατικούς. [5] 1.1.14. Περιοριστές ρεύµατος σφάλµατος (Fault Current Limiters, FCL). Ένας υπεραγωγός επιδρά µε φυσικό τρόπο ώστε να περιορίζει τα υψηλά ρεύµατα, έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να προστατεύει το δίκτυο από διάφορες υπερτάσεις (π.χ. υπερτάσεις λόγω κεραυνών εσωτερικές υπερτάσεις, κ.α ).Οι FCL προσφέρουν: 1. Αυξάνουν την αξιοπιστία του συστήµατος. 2. Βελτιώνουν την ποιότητα ισχύος και µειώνουν τις απώλειες stand-by συστηµάτων. 3. ίνουν τη δυνατότητα στα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας να αυξήσουν την ισχύ λειτουργίας τους. Η Swiss-Swedish της ABB έχει πρόσφατα [5] ανακοινώσει την ανάπτυξη ενός 6.4 MVA FCL του πιο δυνατού σε ολόκληρο τον κόσµο. Αυτό που κάνει τους υπεραγώγιµους FCL να ξεχωρίζουν είναι η δυνατότητα τους να ανταποκρίνονται µέσα σε µερικά milli - seconds και να περιορίζουν χιλιάδες αµπέρ ρεύµατος. 1.2. Εκτιµήσεις για την πορεία των υπεραγωγών. Σύµφωνα µε τις εκτιµήσεις [5] του Ιουνίου του 2002 από το Conectus Consortium, η παγκόσµια αγορά υπεραγώγιµων προϊόντων αναµένεται να φθάσει τα $5 δισεκατοµµύρια δολάρια Αµερικής κατά το έτος 2010 και στα $38 δισεκατοµµύρια δολάρια το έτος 2020. Οι υπεραγωγοί χαµηλής θερµοκρασίας αναµένονται να συνεχίσουν να έχουν σηµαντικό ρόλο όπου χρειάζονται ισχυρά πεδία όπως στον MRI και ακόµη στην επιστηµονική έρευνα. Οι υπεραγωγοί υψηλής θερµοκρασίας αναµένονται να εγκατασταθούν στις νέες βιοµηχανίες. Το πιο κάτω γράφηµα της εικόνας 1.19 δίνει µια ζωηρή εικόνα των διαφόρων αγορών στις οποίες αναµένεται να συµβάλλουν οι υπεραγωγοί. Ακόµη έχει ειπωθεί [4] ότι η εισαγωγή των 9
κεφάλαιο 1 υπεραγωγών στη βιοµηχανία υπόσχεται να κάνει ότι έχει κάνει η οπτική ίνα στις τηλεπικοινωνίες. Νέες εφαρµογές των υπεραγωγών θα κάνουν την εµφάνιση τους µε την περαιτέρω αύξηση της κρίσιµης θερµοκρασίας. Οι υπεραγωγοί που ψύχονται µε υγρό άζωτο έδωσαν τη δυνατότητα στη βιοµηχανία να χρησιµοποιήσει την υπεραγωγιµότητα µε µεγαλύτερη ευκολία σε σχέση µε τους υπεραγωγούς που ψύχονται µε υγρό ήλιο. Έτσι λοιπόν µια πιθανή ανακάλυψη υπεραγωγών µε κρίσιµη θερµοκρασία ίση µε αυτή του περιβάλλοντος θα έχει τη δυνατότητα να φέρει τις υπεραγώγιµες συσκευές στην καθηµερινή µας ζωή. Η µελλοντική διείσδυση των υπεραγωγών στη καθηµερινή µας ζωή εξαρτάται επίσης και από τη βελτίωση στο πεδίο της κρυογονικής ψύξης. Καινούριες, υψηλής αποδοτικότητας µαγνητοθερµογονικής επίδρασης ουσίες όπως το γαδολίνιο πυρίτιο - γερµάνιο αναµένονται να µπούνε στην αγορά σύντοµα. Με τέτοια συστήµατα ψύξης θα διευκολυνθεί η χρησιµοποίηση των HTS υλικών. Παρόλα αυτά, χρονικά κενά, µεταξύ ανακαλύψεων και πρακτικών εφαρµογών είναι συχνά µεγάλα. Για παράδειγµα η ανακάλυψη του Laser στη δεκαετία του 1960, µόλις πρόσφατα έχει εκτιµηθεί η αξία του µε εφαρµογές όπως στην ιατρική, στις τηλεπικοινωνίες και στα compact disc players. Έτσι η γρήγορη ανάπτυξη στο πεδίο της υπεραγωγιµότητας κάνει τον καθένα να πιστεύει ότι οι εφαρµογές των υπεραγωγών περιορίζονται µόνο από τη φαντασία µας και το χρόνο. 1.3. Εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας σε συστήµατα µεγάλης ηλεκτρικής ισχύος. Όπως αναφέραµε οι εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας είναι πολλές, αν και ακόµη βρισκόµαστε στην αρχή. Επί του παρόντος όµως θα ασχοληθούµε µε τις εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας σε συστήµατα µεγάλης ηλεκτρικής ισχύος. Αυτές µπορούνε ουσιαστικά να χωριστούνε σε δύο κατηγορίες [2] : 10
κεφάλαιο 1 1. Υψηλού µαγνητικού πεδίου >1 Tesla εφαρµογές: Γεννήτριες, κινητήρες, αποθήκευση ενέργειας, Flywheel. 2. Χαµηλού µαγνητικού πεδίου < 1 Tesla εφαρµογές: Καλώδια µεταφοράς ενέργειας, µετασχηµατιστές ισχύος και περιοριστές ρεύµατος σφάλµατος (FCL). Στο επίπεδο διανοµής οι FCLs είναι κυρίως σε σχέδια χαµηλού µαγνητικού πεδίου <1 T µε µερικά FCL στο επίπεδο µεταφοράς και υπόγειας µεταφοράς να φθάνουν σε πεδία > 1Τ. Μερικές εφαρµογές χαµηλού πεδίου, όπως είναι οι µετασχηµατιστές και τα καλώδια µεταφοράς εκθέτουν το υπεραγωγό σε υψηλού επιπέδου συνθήκες εναλλασσόµενου ρεύµατος γραµµής αφού εισέρχονται απευθείας µέσα σε ένα AC σύστηµα. Γι αυτό αυτές οι εφαρµογές απαιτούν ένα υπεραγωγό σχεδιασµένο, ώστε να δέχεται ένα αποδεκτό ποσό απωλειών λόγω εναλλασσόµενου ρεύµατος. Ακόµη µερικά σχέδια FCL επίσης εκθέτουν τον αγωγό σε υψηλά εναλλασσόµενα πεδία ρεύµατος γι αυτό χρειάζονται αγωγούς µικρών απωλειών σε AC [2]. Σαν αποτέλεσµα των πιο πάνω περιορισµών που τίθεται ο υπεραγωγός οι εργασίες στις πιο πολλές εφαρµογές όπου το ac ρεύµα κυριαρχεί, είχαν παραγκωνιστεί µέχρι το 1980, όπου η θεωρία του ac αγωγού είχε αναπτυχθεί πιο ικανοποιητικά. [2] Τα καλώδια µεταφοράς εναλλασσόµενου ρεύµατος αποτελούν εξαίρεση λόγω του πολύ χαµηλού πεδίου (Hop< 0.1Τ) λειτουργίας τους και της ικανότητας να χρησιµοποιούν τη διαθέσιµη Nb 3 Sn αγωγό ταινία η οποία επιτρέπει στη µέγιστη συνιστώσα του πεδίου να είναι παράλληλη µε το επίπεδο της ταινίας. [2] Ο πίνακας 1.2 παραθέτει µερικά από τα µεγαλύτερα επιτεύγµατα ηλεκτρικής ισχύος τα οποία κατασκευάστηκαν και επιτυχώς δοκιµάστηκαν µεταξύ των ετών 1970 και 1990 χρησιµοποιώντας υγρό ήλιο, δηλαδή τεχνολογία LTS. Είναι ολοφάνερο από τον πίνακα και από τις αναφορές των πόλεων του, ότι οι µεγαλύτερες προσπάθειες στον κόσµο συγκεντρώνονται στις Ηνωµένες Πολιτείες και στην Ιαπωνία. [2] Πίνακας 1.2 Τα σηµαντικότερα επιτεύγµατα ηλεκτρικής ισχύος τα οποία κατασκευάστηκαν και επιτυχώς δοκιµάστηκαν µεταξύ των ετών 1970 και 1990 χρησιµοποιώντας υγρό ήλιο δηλαδή τεχνολογία LTS. Εφαρµογή Γεννήτρια ac Επιτεύγµατα (εµβέλεια, οµάδα) 20 ΜVΑ,GE; 50 MVA, Hitachi; 12 000 rpm, Westinghouse/USAF; 300 MVA, USSR; Αναφορά Smith et al 1975; Fujino 1983; SM:1983; Laskaris and Schoch1980;Glebov and Shaktarin 1983; Blaugh et al1974;edmonds 1979 Smith et al 1975, Appleton 1975 Κινητήρες 3 250hp, IRD England 1 000hp, US. Navy Καλώδια µεταφοράς AC 1 000 MVA,138/80KV BNL Forsyth and Morgan 1983 Μαγνητική αποθήκευση 30MJ, LANL-Bonnevill Power Rogers 1981; Rogers et al ενέργειας 1985 Περιοριστές ρεύµατος ~2ΜVΑ, 3KV, IRD England Raju and Bertram 1982 Μετασχηµατιστές 72 ΚVA, Kyushu Univ. Funaki et al 1988 Μαγνητοϋδροδυναµικά 6T, ANT CFTF Tullahoma Wang et al 1981 11
κεφάλαιο 1 1.4. Η ανακάλυψη της υπεραγωγιµότητας υψηλής θερµοκρασίας Η τεχνική ανάπτυξη και επίδειξη για όλες σχεδόν τις εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας ήταν σχετικά καλή µέχρι το τέλος της δεκαετίας του 1980. Οι συνθήκες της αγοράς στον τοµέα της ηλεκτρικής ισχύος ήταν ελαφρώς καλές σ όλο τον κόσµο, παρόλα αυτά υπήρχαν περιορισµένες ικανότητες των βιοµηχανιών για επένδυση σε νέα τεχνολογία. Ο δισταγµός για επένδυση σε νέα τεχνολογία το οποίο ήταν κάτι κοινό για τις Ηνωµένες Πολιτείες δεν ήταν όµως φαινόµενο καθολικό έτσι διάφορες ενέργειες ανάπτυξης της υπεραγωγιµότητας σε θέµατα ισχύος συνέχισαν να ανθίζουν. Η Ιαπωνία επίσηµα προώθησε το δικό της Super - GM πρόγραµµα το Σεπτέµβρη του 1987 µε το µεγαλύτερο βάρος να το δίνει στην ανάπτυξη υπεραγώγιµων γεννητριών και άλλων εφαρµογών ηλεκτρικής ισχύος των οποίων περίµενε να προσφέρει για πώληση στην κοινή αγορά κατά το τέλος του 20 ου αιώνα (Ogawa 1992). [2] Ήταν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου όταν έγινε η ανακάλυψη της υπεραγωγιµότητας υψηλής θερµοκρασίας (HTS), η οποία πρόσφερε το πλεονέκτηµα της ψύξης µε τη βοήθεια του υγρού αζώτου αντί του υγρού ηλίου. Τότε στις Ηνωµένες Πολιτείες υπήρξε µια απότοµη αναζωογόνηση του ενδιαφέροντος στις εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας µε το Department of Energy (DoE) και το Defense Advanced Research Agency (DARPA) να παίρνουν το πρωταγωνιστικό ρόλο για την έρευνα και ανάπτυξη των συστηµάτων ηλεκτρικής ισχύος. Το 1998 το DoE άρχισε το δικό του πρόγραµµα για την υπεραγωγιµότητα σε συστήµατα ηλεκτρικής ισχύος, του οποίου αρχικά η δουλειά έγινε στα εθνικά εργαστήρια και εστιάστηκε στην ανάπτυξη συρµάτων και ταινιών HTS υλικών για χρήση σε εξοπλισµό ηλεκτρικής ισχύος. Αυτό το πρόγραµµα του DoE αναπτύχθηκε και θεµελιώθηκε το 1993 µε το όνοµα Superconductivity Partnership Initiative (SPI) το οποίο βοηθά στην παγιοποίηση της βιοµηχανικής ανάπτυξης των συνιστωσών της ηλεκτρικής ισχύος χρησιµοποιώντας HTS υλικά. Το πρόγραµµα DoE, SPI εγκαινίασε τέσσερις βιοµηχανικού τύπου σχεδιασµούς που είναι κλειδιά για την ανάπτυξη της υπεραγωγιµότητας σε εφαρµογές ηλεκτρικής ισχύος: Αυτοί είναι: [2] 1. Επίδειξη ενός 2.4 kv Fault current limiter στο επίπεδο διανοµής από το Lockheed Martin. 2. Κατασκευή ενός 125 hp ac σύγχρονου κινητήρα από τη Reliance Electric. 3. Ανάπτυξη τεχνολογίας ac γεννήτριας από τη General Electric. 4. Ανάπτυξη ενός 115 kv καλωδίου µεταφοράς από την EPRI. 1.5. Πλεονεκτήµατα των υπεραγώγιµων υλικών υψηλής θερµοκρασίας. Τα πλεονεκτήµατα που προσφέρονται από τα HTS σύρµατα ή ταινίες σε σχέση µε τα συµβατικά LTS υλικά που βασίζονται στην ψύξη µε υγρό ήλιο µπορεί να µην είναι ολοφάνερα. Για µερικές εφαρµογές η επίδραση στην απόδοση της τεχνολογίας HTS που οφείλεται στη δράση της θερµοκρασίας του υγρού αζώτου µπορεί να είναι ασήµαντη σε σχέση µε τη LTS τεχνολογία που λειτουργεί στη θερµοκρασία υγρού ηλίου. Για παράδειγµα σε µια µεγάλη (>100 MVA) AC σύγχρονη µηχανή, η επίδραση στην απόδοση της µηχανής προέρχεται από την 25-50 φορές µείωση της κατανάλωσης της ισχύος του ψυγείου η οποία όµως δεν προσφέρει µεγάλο οικονοµικό όφελος, αφού ακόµη και εντελώς εξάλειψη της 12
κεφάλαιο 1 κατανάλωσης της ισχύος του ψυγείου µπορεί να δείξει µια βελτίωση στην απόδοση της µηχανής 0.02% για µια µηχανή 300 MVA (Blaugher 1996). Μεγαλύτερης σηµασίας από τη βελτίωση της απόδοσης είναι ότι η χρήση σε περιβάλλον υγρού αζώτου θα µπορούσε να οδηγήσει στη µείωση των χρηµατικών κεφαλαίων για το σύστηµα ψύξης και να µειώσει την πολυπλοκότητα του κρυογονικού σχεδιασµού. Ακόµη µεγαλύτερης σηµασίας µπορεί να είναι η σχεδιασµένη βελτίωση σε ολόκληρο το κρυογονικό σύστηµα σε σχέση µε την αξιοπιστία του. [2] Η απόδοση ενός HTS πηνίου σε περιβάλλον υγρού αζώτου θα δείξει απαράµιλλη σταθερότητα σε σύγκριση µε ενός LTS πηνίου. Αν ο χαλκός θεωρηθεί να είναι σταθεροποιητής για ένα HTS αγωγό η συγκεκριµένη θερµότητα απορρόφησης για τον αγωγό θα ήταν περίπου τρεις τάξης µεγέθους µεγαλύτερη από ένα συµβατικό LTS αγωγό µε σταθεροποιητή χαλκό. Έτσι ο HTS αγωγός θα ήταν χωρίς αµφιβολία πιο σταθερός ακόµη και για µια πιθανή µείωση του ρεύµατος λόγω της αύξησης της αντίστασης από το περίβληµα του χαλκού. Επίσης η κρίσιµη ροή της θερµότητας του υγρού αζώτου είναι µεγαλύτερη κατά µια τάξη µεγέθους από του ηλίου. Ο συνδυασµός αυτών των θερµικών ιδιοτήτων θα αυξήσει ακόµη περισσότερο τη σταθερότητα λειτουργίας για ένα πηνίο µε οξείδιο (ΗΤS) σε σύγκριση µε µια LTS κατασκευή. Έτσι θα είναι δυνατό να διατηρηθεί αδιαβατική σταθερότητα σε νηµατοειδή µεγέθη σε πολλές τάξεις µεγέθους µεγαλύτερες από ότι στους LTS αγωγούς. Αυτή η ικανότητα των HTS αγωγών να ανέχονται την κίνηση του αγωγού που οφείλεται στις δυνάµεις Lorentz µπορεί να βελτιωθεί και στους LTS αγωγούς (Blaugher). Αυτοί οι παράγοντες, ακόµη συµβάλουν στο τα HTS πηνία να είναι πιο ανεκτικά στις απώλειες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Η αύξηση της ανοχής σε ac είναι ακόλουθο αποτέλεσµα της ικανότητας να ανέχονται µεγαλύτερες θερµοκρασιακές µεταβολές κατά την διάρκεια των παροδικών µεταβολών του ac. Αυτό θα είναι κυρίως εφαρµόσιµο σε εφαρµογές ac σύγχρονων κινητήρων και γεννητριών. Αναφορικά µε το ac σε κατάσταση ισορροπίας που χρησιµοποιείται στις γραµµές µεταφοράς και τους µετασχηµατιστές θα εξακολουθεί να ζητά αγωγούς χαµηλής απώλειας σε ac για να ελαχιστοποιήσει το φορτίο που θα καταναλώνεται σε θερµότητα και να µεγιστοποιήσει έτσι την απόδοση λειτουργίας. Η µικρή βελτίωση στην απόδοση αυτών των εφαρµογών (0.1-0.2%) θα ανατραπεί αν οι υψηλές απώλειες σε ac εξαλειφθούν. [2] Βασικά τα πλεονεκτήµατα που προσφέρουν τα υλικά HTS στο ηλεκτρικό σύστηµα είναι [3] : Αυξηµένη απόδοση ενέργειας (µειώνει τις απώλειες). Μειώνει το µέγεθος του απαραίτητου τεχνολογικού εξοπλισµού. Μειώνει τις εκποµπές ακτινοβολίας (πιο φιλικό στο περιβάλλον). Αυξάνει τη σταθερότητα και την αξιοπιστία. Ελαστικότητα στη διαχείριση φορτίου και την αποστολή ηλεκτρισµού. Όλα αυτά τα ωφελήµατα από την χρήση HTS υλικών έχουν ένα κοινό αποτέλεσµα: Μικρότερες απώλειες ηλεκτρισµού και λιγότερη περιβαλλοντική ρύπανση. 13
κεφάλαιο 1 1.6. Απαιτούµενη επίδοση και κόστος των HTS εφαρµογών ισχύος. Ο πίνακας 1.3 συγκρίνει διάφορες εφαρµογές ηλεκτρικής ισχύος αναφορικά µε τις απαραίτητες επιδόσεις των HTS συρµάτων ή ταινιών για τα πρότυπα αλλά και για τα τελικώς, εµπορικά προϊόντα όπως αυτά που προσδιορίζονται για τη βιοµηχανία. (Το ρεύµα, το πεδίο, η απαραίτητη µηχανική αντοχή µπορούσε να εφαρµοστεί αντίστοιχα και για LTS αγωγούς). Οι θερµοκρασίες που είναι στο πίνακα εφαρµόζονται µόνο για HTS σύρµατα. Για LTS σύρµατα πρέπει να λειτουργούν για θερµοκρασίες 4.2 8 Kelvin. Η τελευταία στήλη του πίνακα 1.3 παραθέτει το επιθυµητό κόστος των HTS αγωγών σε $/kαm. Οι τιµές κόστους πηγάζουν από νεότερες παρατηρήσεις που δείχνουν ότι ένα υπεραγώγιµο πηνίο έχει κόστος το οποίο εξαρτάται µόνο από τις αµπεροστροφές, για δεδοµένο πηνίο ή καλώδιο, πράγµα που αποτελεί σοβαρό πλεονέκτηµα σε σχέση µε το συνηθισµένο αγωγό από χαλκό. Πίνακας 1.3 Εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας υψηλής θερµοκρασίας-απαιτήσεις επίδοσης βιοµηχανικών συρµάτων Εφαρµογή Α/Α Μεγάλος κινητήρας 1000 hp Kινητήρας 125 hp Γεννήτρια 100MVA Jc (A/cm) Πεδίο Τ Βιοµηχανικοί στόχοι των συσκευών Θερµοκρασία λειτουργίας(κ) Το παρόν κόστος για ένα σύρµα Bi, το οποίο έχει πολύ χαµηλότερα επίπεδα απόδοσης από ένα Nb 3 Sn, είναι τουλάχιστο 1 ως δύο τάξεις µεγέθους µεγαλύτερο από το κόστος για το Nb 3 Sn. Παρόλα αυτά το προς το παρόν ακριβό κόστος των HTS αγωγών δε θα περιορίσει τις προσπάθειες να κατασκευαστούν και να παρουσιαστούν διάφορες εφαρµογές οι οποίες 14 Ic (A) 10 5 2-4 25-77 100-500 Μήκος σύρµατος (m) Μηχανική τάσης % 1000 0.2-0.3 ιάµετρος περιέλιξης Κόστος $/κam 0.05 10 1.5 x 10 4 1 27 75-80 ~300-0.01 10-100 5 4-5 20-50 500-500- 0.2 0.1 10 x10 4 a 1000 1000 SMES (1MWh) 10 5 5-10 20-77 10 4 1000 0.2 1 2-5 Καλώδιο 10 4 100 0.4 2 c 10-100 µεταφοράς 10 5 <0.2 65-77 25-30 b Μετασχηµατιστής 10 4 1000 0.2 0.2 10 10 5 1400 FCL 10 4 40-77 10 3-10 5 3 10 4 α. Πυκνότητα ρεύµατος για κάθε HTS νηµάτιο ξεχωριστά. b. Ρεύµα για κάθε σύρµα ξεχωριστά (καλώδια διανοµής µε πολλαπλά σύρµατα απαιτούν ρεύµα γύρω στα 10 kα). c. Απαιτήσεις καλωδίου. Προς το παρόν το κόστος των συµβατικών LTS Nb-Ti συρµάτων είναι γύρω στα ~$2/kAm. Το Nb 3 Sn κοστίζει δύο ως πέντε φορές περισσότερο ανάλογα αν ο αγωγός είναι πολύνηµατοειδής ή ταινία. Το χαµηλότερο κόστος που παρατίθεται στο πίνακα 1.2 για τα συστήµατα HTS είναι $10/kAm.Η τιµή αυτή είναι περίπου ίση µε το κόστος του Nb 3 Sn και έχει γίνει αποδεκτό από τους ειδικούς των βιοµηχανιών για όλες τις εφαρµογές ηλεκτρικής ισχύος. [2]
κεφάλαιο 1 πρωτοεµφανίστηκαν σε πρόσφατες δοκιµές όπως: Μιας HTS γραµµής µεταφοράς (Scudiere 1996), ενός περιοριστή σφάλµατος ρεύµατος (Leung et al 1996) και ενός HTS σύγχρονου κινητήρα (Schiferl, Zhang, Shoykhet et al 1996, Schiferl, Zhang, Driscoll et al 1996). Η εµπορευµατοποίηση, δηλαδή η εµπορική τιµή για όλες τις εφαρµογές αυτές απαιτεί µια πιο χαµηλή τιµή, ώστε ο υπεραγώγιµος εξοπλισµός να γίνει συναγωνιστικός στο κόστος σε σχέση µε το συµβατικό µη υπεραγώγιµο εξοπλισµό (Βray 1995). Πίνακας 1.4 Σύγκριση των εφαρµογών ηλεκτρικής ισχύος µε τη χρήση υπεραγωγιµότητας σε σχέση µε τις συµβατικές τεχνολογίες Υπεραγώγι- µες εφαρµογές ηλεκτρικής ισχύος AC σύγχρονες γεννήτριες AC σύγχρονος κινητήρας AC υπόγεια µεταφορά ενέργειας FCL για µεταφορά και διανοµή Μετασχηµατιστές για µεταφορά και διανοµή SMES Επίδοση συστήµατος Βελτιωµένη στάσιµη και µεταβατική λειτουργία Καµία αλλαγή ιπλάσια ικανότητα µεταφοράς Μειώνει τα µεταβατικά ρεύµατα Αξιοπιστία και συντήρηση Υπερέχει Υπερέχει Υπερέχει Συγκρίσιµο µε διακόπτες ισχύος Απόδοση Μεγαλύτερη κατά 0.5-1% Μεγαλύτερη κατά 1-2% Λίγο καλύτερη Καλύτερη Καµία αλλαγή 2 Υπερέχει Ελαφρός καλύτερη κατά 0.1-0.2% 3 Βελτιώνει την ποιότητα ισχύος Χρόνος λειτουργίας Μεγαλύτερος Μεγαλύτερος Μεγαλύτερος Μεγαλύτερος από διακόπτες ισχύος Μεγαλύτερος Υπερέχει Καλύτερη Μεγαλύτερος Κόστος Εγκατάστασης 1 Ίσο ή µεγαλύτερο Μεγαλύτερο Μεγαλύτερο 2-10 φορές το κόστος των.ι Μεγαλύτερο Μεγαλύτερο 15
κεφάλαιο 1 1. Συµπεριλαµβάνει το κόστος µονάδας, τοποθέτηση και υποστήριξη συστήµατος, ψυγείο κ.τ.λ. σε σχέση µε το συµβατικό κόστος. 2. Μπορεί να χρειάζεται επιπρόσθετα στοιχεία όπως διακόπτες ισχύος ή περιοριστές ρεύµατος. 3. Χρειάζεται αγωγό χαµηλών ac απωλειών. Ο πίνακας 1.4 συγκρίνει τις παραµέτρους κλειδιά τις οποίες η εταιρία ηλεκτρισµού θα χρησιµοποιήσει για να εκτιµήσει την αγορά µιας υπεραγώγιµης συσκευής σε σχέση µε άλλες υπάρχουσες εναλλακτικές τεχνολογίες. Αυτός ο πίνακας συγκρίνει όλες τις εφαρµογές που έχουν σχέση µε την υπεραγωγιµότητα σε συστήµατα ηλεκτρικής ισχύος, µε αναφορά στην επίδοση του συστήµατος, την αξιοπιστία και τη συντήρηση, την απόδοση, το χρόνο και το κόστος λειτουργίας σε σχέση µε τις άλλες ανταγωνιστικές τεχνολογίες. Παρόλο που κάθε εταιρία ηλεκτρισµού θα προσεγγίσει τις ανάγκες της διαφορετικά και θα κάνει µια εκτίµηση µιας εφαρµογής σύµφωνα µε διαφορετικές προτεραιότητες, ίσως και µε άλλες παραµέτρους που δε βάλαµε στον πίνακα 1.4 όπως είναι η επίδραση στο περιβάλλον, για να πάρει µια απόφαση, αλλά παρόλα αυτά µερικές παράµετροι φαίνονται να είναι σηµαντικές για όλες τις δηµόσιες υπηρεσίες. Οι εταιρίες ηλεκτρισµού είναι υπερβολικά ευαίσθητες όσο αφορά το κόστος, έτσι το κόστος κύκλου ζωής είναι ένα από τα σηµαντικότερα στοιχεία της εκτίµησης τους για την εκλογή προϊόντος. Ακόµη οι απαιτήσεις λειτουργίας του υπεραγώγιµου εξοπλισµού πρέπει να ικανοποιούν το δικό τους τρόπο συντήρησης και παροχής εργασιών και έτσι πρέπει να είναι παρόµοιος µε τον τρόπο των υφιστάµενων εξοπλισµών τους. Επίσης η αξιοπιστία, το κόστος και χρόνος συντήρησης πρέπει να είναι συγκρίσιµος µε του εξοπλισµού που είχαν µέχρι τώρα. Οι δηµόσιες υπηρεσίες πρέπει ακόµη να είναι ικανές να χειριστούν το νέο υπεραγώγιµο εξοπλισµό γι αυτό πρέπει να γίνει εκπαίδευση του προσωπικού από ειδικευµένα άτοµα. Παρόλο που γίνεται αναφορά για βελτιωµένη αποτελεσµατικότητα µε τη χρήση υπεραγώγιµων συσκευών, το οποίο είναι γενικά κάτι το επιθυµητό, οι βιοµηχανίες κατασκευής υπεραγώγιµων συσκευών δεν µπορούν να προβλέψουν µε µεγάλη ακρίβεια την αξιοπιστία και τις ανάγκες συντήρησης των συσκευών τους, λόγω της ανεπαρκής πείρας, που έχουν αφού οι συσκευές αυτές είναι κάτι το εντελώς πρωτόγνωρο. Από τον πίνακα 1.4 είναι ολοφάνερο ότι οι εφαρµογές της υπεραγωγιµότητας προσφέρουν µεγαλύτερη ζωή λειτουργίας απ ότι οι αντίστοιχες συµβατικές. Αυτό οφείλεται στην αποσύνθεση της µόνωσης των αγωγών που οφείλεται στη θερµική γήρανση πράγµα το οποίο συµβαίνει σε αµελητέο βαθµό στις κρυογονικές εφαρµογές. Για παράδειγµα η µόνωση του υπεραγώγιµου δροµέα µιας γεννήτριας ή κινητήρα δε θα αποσυντίθεται, πράγµα που σηµαίνει ότι η συνήθης συντήρηση στα τυλίγµατα δε θα χρειάζεται κατά τη διάρκεια των 30-40 ετών λειτουργίας της µηχανής. Με την απουσία του φαινοµένου της θερµικής γήρανσης το κόστος ζωής βελτιώνεται ανάλογα µε την εφαρµογή. Το κόστος ζωής όπως εκτιµάται από τις υπηρεσίες περιλαµβάνει το κόστος της συσκευής, το κόστος εγκατάστασης, το κόστος λειτουργίας, το λεγόµενο κόστος συντήρησης και την ετήσια επιθεώρηση. Το σύνολο µετά εκτιµάται για ένα χρονικό διάστηµα ζωής 30-40 χρόνια. Η επιτυχία των εφαρµογών της υπεραγωγιµότητας εξαρτάται πολύ στο αν παρουσιάζουν κόστος κύκλου ζωής ίσο ή καλύτερο από τον αντίστοιχο των συµβατικών. 16
κεφάλαιο 1 Γενικά οι άνθρωποι των επιχειρήσεων ηλεκτρισµού αποδέχονται τις προβλέψεις για καλύτερη απόδοση και χαµηλότερο κόστος κύκλου ζωής της τεχνολογίας των υπεραγωγών και κατανοούν πλήρως το πλεονέκτηµα της µεγαλύτερης αξιοπιστίας και λιγότερης συντήρησης. Γι αυτό το λόγο τα πλεονεκτήµατα αυτά αποτελούν το κλειδί για την προτίµηση των υπεραγώγιµων από τις συµβατικές συσκευές. Οι υπεραγώγιµες συσκευές όµως προς το παρόν έχουν το µειονέκτηµα έναντι των συµβατικών ότι έχουν υψηλότερο κόστος αρχικής τιµής αγοράς. Όµως λόγω των λιγότερων απωλειών που παρουσιάζουν, η διαφορά στην τιµή σε σχέση µε το συµβατικό εξοπλισµό, θα αποσβεστεί σε γρήγορο χρονικό διάστηµα. 1.7. Μεγάλα οφέλη από τη χρήση υπεραγωγών στο ηλεκτρικό σύστηµα ισχύος. Η επίδραση και τα οφέλη από την ολοκληρωµένη εφαρµογή των υπεραγωγών στα ηλεκτρικά συστήµατα ισχύος µπορεί να υπολογιστούν µε µια απλή ανάλυση του κάθε τοµέα του ηλεκτρικού συστήµατος. Το ηλεκτρικό σύστηµα ισχύος µπορεί να παρουσιαστεί στο πιο κάτω διάγραµµα που αρχίζει από την είσοδο του καυσίµου, µετά τη µετατροπή της µηχανικής σε ηλεκτρική, ακολούθως απεικονίζει τη µεταφορά και διανοµή της ενέργειας και τέλος φθάνει στο τελικό καταναλωτή. Ο κύκλος µε τη χειρότερη απόδοση είναι η µετατροπή του καυσίµου σε θερµική ενέργεια ατµού και έχει 30-50% απόδοση. Για παράδειγµα το ηλεκτρικό σύστηµα των Η.Π.Α προς το παρόν χρησιµοποιεί ~32 Quads(Q) στη φάση καυσίµου και παραδίδει στο τελικό καταναλωτή µόνο ~10Q. Ας σηµειωθεί ότι ένα Quad ενέργειας (10 15 Btu) αντιπροσωπεύει ~$20 δισεκατοµµύρια δολάρια για λιανική πώληση µε χρέωση $0.07/kwh. [3] Όλοι ηλεκτρικοί κινητήρες υπολογίζεται ότι απαιτούν το ~64% της ηλεκτρικής ζήτησης στις Η.Π.Α. (Παρόµοια ποσοστά ισχύουν για το ηλεκτρικό σύστηµα κάθε χώρας) το οποίο είναι προς το παρόν 6.4Q. Οι µεγάλοι κινητήρες (>1000hp) έχουν το 50% της ολικής κατανάλωσης. Αν υποθέσουµε ουσιαστική εισαγωγή µεγάλων υπεραγώγιµων κινητήρων τα 17
κεφάλαιο 1 επόµενα 10-20 χρόνια, οι οποίοι έχουν βελτίωση απόδοσης ~2% (συµπεριλαµβανοµένου και του συστήµατος ψύξης), τότε το ηλεκτρικό κόστος θα µειωθεί και θα παρουσιάζει 0.1Q ή ~ $2 δισεκατοµµύρια / έτος εξοικονόµηση. Ένα ισοδύναµο ποσό ~ $2 δισεκατοµµύρια / έτος µεταφράζεται σε εξοικονόµηση καυσίµων και µείωση των εκποµπών απορριµµάτων για το δηµόσιο δίκτυο ή άλλους παραγωγούς ενέργειας. Στον τοµέα µεταφοράς και διανοµής, έχουµε οικονοµικό όφελος µε µια µείωση των απωλειών 7-10% χάρις τη χρησιµοποίηση τεχνολογίας υπεραγωγών κάτι το οποίο είναι πολύ ελκυστικό. Η εξοικονόµηση γίνεται κυρίως στο τοµέα διανοµής. Παρόλα αυτά προ το παρόν είναι πολύ δύσκολη η αντικατάσταση των παρόντων εναέριων γραµµών µε υπεραγώγιµα καλώδια σε ευρεία κλίµακα. Μια συµβατική εναέρια γραµµή στοιχίζει ~$100 000/µίλι ενώ ένα υπεραγώγιµο καλώδιο της ίδιας ικανότητας µεταφοράς στοιχίζει ~$1.5-2 εκατοµµύρια /µίλι. Έτσι λοιπόν η αναβάθµιση ή η αντικατάσταση του παρόντος δικτύου µε υπεραγώγιµα καλώδια θα οδηγήσει σε τεράστιους προϋπολογισµούς. Στην Αµερική υπολογίζεται ότι θα φθάσει τα $40 εκατοµµύρια / έτος µόνο για το σύστηµα µεταφοράς. Στον τοµέα µεταφοράς και διανοµής, οι δηµόσιες υπηρεσίες ηλεκτρισµού δείχνουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τις δυναµικές εφαρµογές των υπεραγωγών χρησιµοποιώντας υπεραγώγιµους FCLs (SCFCLs) και µετασχηµατιστές. Οι SCFCLs περιορίζουν τα ρεύµατα σφάλµατος σε πολύ µικρό χρόνο και σε πολύ µεγάλες εντάσεις έτσι που καµία άλλη τεχνολογία δεν µπορεί προς το παρόν να κάνει την ίδια δουλειά τόσο αποτελεσµατικά. Ακόµη πρόσφατες παρουσιάσεις HTS µετασχηµατιστών έχουν εντυπωσιάσει µε την οικονοµική και περιβαλλοντική επίδοση τους που είναι σαφώς ανώτερες από των συµβατικών. Μια ανάλυση µε τη χρησιµοποίηση HTS µετασχηµατιστών σ όλο το σύστηµα για ισχύς > 30MVA, έχει δείξει ότι µπορεί να µειώσει τις απώλειες διανοµής που είναι 4%- 5% κατά το µισό δηλαδή 2-2.5%. Ακόµη αυτή η µείωση αντιστοιχεί σε εξοικονόµηση ενέργειας και συγκεκριµένα στις Η.Π.Α. φθάνει τα 0.2 Q ενέργειας ή τα $4 δισεκατοµµύρια /έτος σε λιανική πώληση. Εκτός αυτών γίνεται εξοικονόµηση καυσίµων και µείωση των απορριµµάτων. Ας σκιαγραφήσουµε την καθαρή επίδραση της υπεραγώγιµης τεχνολογίας στα υπάρχοντα και στα µελλοντικά ηλεκτρικά συστήµατα ισχύος. Σαν ενδεικτικό και αντιπροσωπευτικό παράδειγµα θεωρούµε το ηλεκτρικό σύστηµα των Η.Π.Α. Η καθολική εγκατάσταση υπεραγώγιµων γεννητριών τα επόµενα 10-20 χρόνια θα οδηγήσει σε βελτίωση της απόδοσης γύρω στο 0.8% και προκαλέσει εξοικονόµηση ενέργειας 0.1Q. Στον τοµέα µεταφοράς και διανοµής, κυρίως λόγω της εγκατάστασης υπεραγώγιµων µετασχηµατιστών θα δούµε µια καθαρή µείωση των απωλειών µεταφοράς γύρω στο 2% που αντιστοιχεί σε 0.2Q εξοικονόµηση ενέργειας. Στον τοµέα κατανάλωσης µε τη χρήση µεγάλων υπεραγώγιµων κινητήρων θα δούµε εξοικονόµηση ενέργεια 0.1Q. Η συνολική ηλεκτρική εξοικονόµηση ενέργειας θα είναι 0.4Q που αντιστοιχεί σε ~$8 δισεκατοµµύρια / έτος σε τιµή λιανικού κόστους. Το ισοδύναµο της εξοικονόµησης ηλεκτρικής ενέργειας αντιστοιχεί σε εξοικονόµηση καύσιµων πρώτων υλών περισσότερο από 1.0 Q το οποίο µεταφράζεται σε εξοικονόµηση πάνω από $2 δισεκατοµµύρια / έτος. Επίσης η εξοικονόµηση 1.0 Q καυσίµων θα µειώσει τις εκποµπές απορριµµάτων. Συγκεκριµένα έχουµε 18