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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