Materiais Supercondutores para Aplicações em Equipamentos e Dispositivos Elétricos Alexander Polasek CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Supercondutividade Ímã permanente Supercondutor Resistência elétrica nula Repulsão de campos magéticos Evolução da Temperatura Crítica de Transição (Tc) Tc(K) Nitrogênio líquido (barato) Hélio líquido (caro) 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Hg-Ba2Ca2Cu2O8-X TI-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O YBa2Cu3O7-X La-Sr-Cu-O NbN Nb3Ge La-Ba-Cu-O Hg 1910 1930 1950 1970 1990 Supercondutores de Alta Temperatura Bednorz e Müller - Prêmio Nobel de 1987 IBM - Suíça Cobre X Fitas Supercondutoras J = 200 A / mm2 J = 2 A / mm2 International Superconductivity Industry Summit (ISIS) Aplicações no setor elétrico ISIS-10, Santa Fe, USA, 2002 Aplicações no Setor Elétrico Vantagens para o Setor Elétrico e para o Meio Ambiente: - maior eficiência energética - redução de tamanho e peso dos equipamentos - transformadores sem óleos isolantes Armazenadores de Energia Limitadores De Corrente 2010 2015 Transmissão Motores e Geradores 2020 2025 Cabos Stephen A. Gourlay - 2007 IEEE Council on Superconductivity 2030 Cabos Supercondutores Transportam 5-10 vezes mais corrente do que cabos convencionais: -aumentam a oferta em linhas congestionadas, sem a necessidade de ampliar ou construir galerias subterrâneas Albany Nova York Cabos Supercondutores Secure Super Grid Rede Elétrica de Manhattan Motores e Geradores Supercondutores • geradores eólicos, motores de propulsão para navios, motores de alta velocidade acoplados a turbinas a gás, etc. •eficiência > 96% •redução de tamanho e peso: -SUMITOMO (2005): 10 % do volume e 20 % do peso de um motor convencional ! Motor de propulsão de 36 MW (em desenvolvimento) Alstom / American Superconductor / Marinha Norte-Americana Armazenamento de Energia SMES (Superconducting Magnetic Storage System) - armazenam energia no campo magnético de uma bobina supercondutora - quando necessário, descarregam energia aumentando a estabilidade do sistema -podem armazenar de MW’s a GW’s - 2004 - American Superconductor forneceu sete unidades SMES para a rede elétrica de Wisconsin: - unidades móveis - trailers - cada unidade é capaz de prover : 3 MW durante 1 s Limitadores de Corrente de Curto-Circuito - Limitam picos de corrente com grande rapidez – evitam danos e prejuízos em subestações - transição entre o estado supercondutor e o normal Teste de limitador supercondutor - 1.2 MVA (ABB-Suíça) ACCEL e NEXANS - Alemanha Limitador 10kV / 10 MVA Instalado em uma subestação desde 2004 CEPEL Laboratório de Supercondutividade Projetos em andamento: -desenvolvimento de protótipo de limitador de corrente de curto-circuito - processamento e caracterização de materiais supercondutores CEPEL Laboratório de Supercondutividade I = 11 kA Sem limitador de corrente I = 5 kA t = 16 ms Com limitador de corrente P&D de fitas supercondutoras no CEPEL 35000 30000 32000 25500 30000 Jc (A/cm2) 25000 17000 20000 15000 7000 10000 5000 3000 0 Mar. 1996 Set. 1997 Mai. 1998 Jun. 1998 Jan. 1999 Mai. 2000 Evolução da densidade de corrente crítica Fita supercondutora produzida no CEPEL P&D de blocos supercondutores no CEPEL NEX-I NEX-II Bi-2.0 140 120 Ic (A) 100 80 60 40 20 0 -20 895 900 905 910 915 o 920 0.000 Susceptibilidade M agnética [em u/g] 160 Tc = 92 K -0.005 precursor bloco 1 bloco 2 bloco 3 bloco 4 bloco 5 bloco 6 -0.010 -0.015 -0.020 80 85 90 95 T [K ] Tmax ( C ) Corrente crítica (Ic) x Temperatura de processamento Medição da temperatura crítica (Tc) 100 Conclusões • Equipamentos e dispositivos supercondutores podem atender à crescente demanda por eficiência, estabilidade e confiabilidade do sistema elétrico • Comercialização em 2010-2020 • Mercado potencial de dezenas de bilhões de dólares / ano • O desenvolvimento e a implementação de equipamentos e dispositivos supercondutores no Brasil exige maior integração entre centros de pesquisa, universidades, indústrias e empresas do setor elétrico Materiais Supercondutores Bulk Fita de 1a geração produzida no CEPEL Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223) Fita de 2a geração Y-Ba-Cu-O (YBCO) Custo/Benefício de fitas supercondutoras Fitas: 1a Geração (Bi-2223) x 2a Geração (YBCO) Tsukamoto, Supercond. Sci Technol., 2004 Meta de custo/benefício do DOE / EUA – 10 US$ / kA.m Testes de elemento supercondutor NEXANS no CEPEL Corrente crítica (Ic) do módulo limitador ~ 280A, 77K (1mV/cm) Limitadores de Corrente Supercondutores •Limitadores de até 15kV/18 MVA já foram demonstrados com sucesso • limitadores para transmissão (138kV) encontram-se em desenvolvimento Limitador Resistivo Projeto CURL 10 Limitador 10kV / 10 MVA 2004 – ACCEL / NEXANS – Alemanha Testado em campo com sucesso • 600 litros de Nitrogênio Líquido • Potência dos cryocoolers = 1450 W: - perdas térmicas do criostato - perdas ôhmicas nos conectores de cobre Transformadores Supercondutores - Redução nas perdas totais - 30% - Redução em peso – 45% - maior capacidade de operação em sobrecarga -Não empregam óleo isolante (o nitrogênio líquido age como refrigerante e isolante) – reduz impacto ambiental e riscos de incêndio Exemplos de protótipos: ABB (1997) – 630 kVA ; 18,7kV/420V testado na rede elétrica de Genebra Oak Ridge National Lab, EUA (2003) – 5 MVA ; 24,9kV / 6,9kV Supercable Projeto de longo prazo – EPRI Substitui o LN2 por LH2 – Energia elétrica + Energia Química