CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais

Rio de Janeiro - RJ

Materiais

Supercondutores

para Aplicações em

Equipamentos e

Dispositivos Elétricos

Alexander Polasek

Supercondutividade

Ímã permanente

Supercondutor

Resistência elétrica nula Repulsão de campos magéticos

Evolução da Temperatura Crítica de Transição (Tc)

Nitrogênio líquido(barato)

1910 1930 1950 1970 1990

Hg-Ba2Ca2Cu2O8-X

150140130120

110100

9080706050403020100

TI-Ba-Ca-Cu-O

Bi-Sr-Ca-Cu-O

YBa2Cu3O7-X

La-Sr-Cu-O

La-Ba-Cu-ONb3Ge

Hg

NbN

Tc(K)

Hélio líquido(caro)

Supercondutores de Alta Temperatura

Bednorz e Müller - Prêmio Nobel de 1987

IBM - Suíça

J = 2 A / mm2

J = 200 A / mm2

Cobre X Fitas Supercondutoras

Aplicações no setor elétrico

International Superconductivity Industry Summit (ISIS)

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

2010 2015 2020 2025 2030

Motores e GeradoresArmazenadores

de Energia

LimitadoresDe Corrente Transmissão

Cabos

Stephen A. Gourlay - 2007

IEEE Council on Superconductivity

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

Rede Elétrica de Manhattan

Cabos Supercondutores

Secure Super Grid

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

- 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

SMES (Superconducting Magnetic Storage System)

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

Com limitador de corrente

I = 5 kA

t = 16 ms

Evolução da densidade de corrente crítica

Fita supercondutora produzida no CEPEL

P&D de fitas supercondutoras no CEPEL

895 900 905 910 915 920-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

I c (A

)

Tmax

( oC )

NEX-I NEX-II Bi-2.0

P&D de blocos supercondutores no CEPEL

Corrente crítica (Ic)

x

Temperatura de processamento

Medição da

temperatura crítica (Tc)

Tc = 92 KTc = 92 K

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

BulkBulk

Fita de 1a geração produzida no CEPEL

Bi2Sr2Ca2Cu3Ox

(Bi-2223)

Materiais Supercondutores

Fita de 2a geração

Y-Ba-Cu-O (YBCO)

Custo/Benefício de

fitas supercondutoras

Meta de custo/benefício do DOE / EUA – 10 US$ / kA.m

Fitas: 1a Geração (Bi-2223) x 2a Geração (YBCO)

Tsukamoto, Supercond. Sci Technol., 2004

Corrente crítica (Ic) do módulo limitador ~ 280A, 77K (1V/cm)

Testes de elemento supercondutor NEXANS no CEPEL

Limitadores de Corrente

Supercondutores

Limitador Resistivo

•Limitadores de até

15kV/18 MVA já foram demonstrados com sucesso

• limitadores para transmissão (138kV) encontram-se em desenvolvimento

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

- 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

Transformadores Supercondutores

Supercable

Projeto de longo prazo – EPRI

Substitui o LN2 por LH2 – Energia elétrica + Energia Química