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
Tmax ( C )
Corrente crítica (Ic)
x
Temperatura de
processamento
920
0.000
Susceptibilidade Magnética [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]
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