CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de...
Transcript of CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de...
![Page 1: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/2.jpg)
Supercondutividade
Ímã permanente
Supercondutor
Resistência elétrica nula Repulsão de campos magéticos
![Page 3: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/3.jpg)
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)
![Page 4: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/4.jpg)
Supercondutores de Alta Temperatura
Bednorz e Müller - Prêmio Nobel de 1987
IBM - Suíça
![Page 5: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/5.jpg)
J = 2 A / mm2
J = 200 A / mm2
Cobre X Fitas Supercondutoras
![Page 6: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/6.jpg)
Aplicações no setor elétrico
International Superconductivity Industry Summit (ISIS)
ISIS-10, Santa Fe, USA, 2002
![Page 7: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/9.jpg)
Rede Elétrica de Manhattan
Cabos Supercondutores
Secure Super Grid
![Page 10: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/11.jpg)
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)
![Page 12: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/12.jpg)
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)
![Page 13: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/13.jpg)
ACCEL e NEXANS - Alemanha Limitador 10kV / 10 MVA
Instalado em uma subestação desde 2004
![Page 14: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/14.jpg)
CEPEL Laboratório de Supercondutividade
Projetos em andamento:
-desenvolvimento de protótipo de limitador de corrente de curto-circuito
- processamento e caracterização de materiais supercondutores
![Page 15: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/15.jpg)
CEPEL Laboratório de Supercondutividade
I = 11 kA Sem limitador de corrente
Com limitador de corrente
I = 5 kA
t = 16 ms
![Page 16: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/16.jpg)
Evolução da densidade de corrente crítica
Fita supercondutora produzida no CEPEL
P&D de fitas supercondutoras no CEPEL
![Page 17: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/19.jpg)
BulkBulk
Fita de 1a geração produzida no CEPEL
Bi2Sr2Ca2Cu3Ox
(Bi-2223)
Materiais Supercondutores
Fita de 2a geração
Y-Ba-Cu-O (YBCO)
![Page 20: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/20.jpg)
![Page 21: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/22.jpg)
Corrente crítica (Ic) do módulo limitador ~ 280A, 77K (1V/cm)
Testes de elemento supercondutor NEXANS no CEPEL
![Page 23: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/25.jpg)
- 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
![Page 26: CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062318/552fc150497959413d8e34c7/html5/thumbnails/26.jpg)
Supercable
Projeto de longo prazo – EPRI
Substitui o LN2 por LH2 – Energia elétrica + Energia Química