Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости EUCAS-2007
2007, Tом 4, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций
15-21 сентября 2007 года в Брюсселе состоялась восьмая международная конференция European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'07). Она проводилась в кампусе брюссельской выставки на фоне знаменитого Атомиума.
Европейская конференция EUCAS-2007 проводится раз в два года и является второй по величине и важности конференцией в области прикладной сверхпроводимости. На ней присутствуют ведущие специалисты отрасли со всего мира и обсуждаются самые новейшие достижения в области применения сверхпроводимости. Конференция в 2007 году – была восьмая по счету.
Всего в конференции участвовало 795 человек (572 участника, 173 студента, 30 участников выставки и 20 организаторов). Большинство участников было из Японии - 207 человек, так что конференция уже не столько европейская, сколько японская. Из Германии – 99, Великобритании – 55, Испании – 45, США – 42, Италии – 39 и из России – 37 человек. Правда, это те, кто приехал из России. Русскоговорящих же участников из дальнего и ближнего зарубежья было, похоже, раза в два – три больше. Присутствовали также исследователи из Израиля, Ирана, Кореи, и других стран. И, что странно, довольно мало китайцев.
Как всегда немного статистики.
Всего было представлено 770 пленарных, устных и стендовых докладов.
В отличие от конференции ASC (проводящейся только в США), на этой конференции основное внимание уделяется исследованиям и разработкам в области материалов, в частности, высокотемпературных сверхпроводников. Кроме того, меньше внимания было уделено сверхпроводящим магнитам (в связи с тем, что на две недели раньше EUCAS состоялась конференция по магнитным технологиям – 20th International Conference on Magnet Technology, Филадельфия, США). Видимо поэтому крупномасштабные применения сверхпроводимости заняли небольшое место в программе этой конференции.
Наибольшее внимание конференции в целом было уделено сверхпроводящим материалам – около 50% представленных работ. Крупномасштабным применениям сверхпроводимости было посвящено около 20% от всех представленных на конференцию докладов, и остальное (~30%) – сверхпроводящей электронике.
Основное внимание уделено длинномерным материалом 2-го поколения – как наиболее важному материалу для приложений (более 100 докладов), а так же материалам на основе соединения MgB2 (около 70 докладов), которые рассматриваются как весьма перспективные для будущих применений. Рассматривались самые разные аспекты приготовления подложек, допирования и приготовления длинномерных пленок.
Следует отметить продолжающийся интерес сообщества к практическим применениям сверхпроводимости в электроэнергетике. Открывающий доклад на конференции был посвящен именно проблемам сверхпроводящей электроэнергетики. Он был сделан проф. G. Grabtree из Аргоннской национальной лаборатории (США) и назывался «Transforming the Grid with Superconductivity». Этот доклад основывался на анализе растущих потребностей в электроэнергии и связанных с этим проблем. Анализ был сделан по заказу американского министерства энергетики http://www.sc.doe.gov/bes/reports/
Основные выводы доклада следующие:
Рис. 1. Потери энергии при производстве электроэнергии и ее передаче (по мнению проф. G. Grabtree, ANL, США).
Растущие требования на энергию и значительные общие потери при ее производстве и передаче электроэнергии (до 63%, см. рис. 1) приводят к необходимости глубокого преобразования энергосетей на основе сверхпроводимости. В свою очередь это приводит к необходимости решения проблем собственно сверхпроводимости, а именно:
· требуется дальнейшее увеличение плотности тока при значительном снижении цены на материалы;
· требуется лучшее понимание свойств вихревой решетки и механизма сверхпроводимости;
· необходим поиск новых материалов с более высокой температурой и меньшей анизотропией;
· необходима смена парадигмы – от интуитивного поиска новых сверхпроводников к их сознательному конструированию.
При этом может быть достигнуто главное: прорыв в фундаментальных исследованиях ведет к развитию старых и к разработке новых применений.
Более половины докладов по крупномасштабным применениям были посвящены применению сверхпроводимости в электроэнергетике – ограничители тока короткого замыкания, силовые кабели, электродвигатели (около 70 докладов). Сюда же можно отнести и часть докладов (около 30), посвященных потерям в сверхпроводящих устройствах и сверхпроводниках на переменном токе, поскольку это важный аспект работы сверхпроводящих устройств в энергосистемах. Таким образом, применения сверхпроводимости в электроэнергетике являются самым популярным направлением исследований среди крупномасштабных применений.
Приведем некоторые, наиболее интересные данные по применениям сверхпроводимости в элек-троэнергетике.
Кабели
В настоящее время в мире ведется несколько крупномасштабных программ по разработке и предкоммерческому освоению сверхпроводящих силовых кабелей. Были представлены доклады по опыту эксплуатации кабеля длиной 350 м типа «три – в – одном» в г. Олбани (см. подробности в “Сверхпроводники в электроэнергетике”: т. 4, № 1 и т. 4, № 3). Кабель успешно работает с июля 2006 года. Один раз был перегружен десятикратным током на 0,2 сек в результате короткого замыкания в цепи и выдержал его без всяких вредных последствий. В мае 2007 года был остановлен для плановой замены 30-ти метрового участка на кабель на основе ВТСП 2-го поколения. Естественный отогрев кабеля занял три недели. Запуск в повторную эксплуатацию запланирован на конец 2007 года.
Также были представлены данные об эксплуатации триаксиального кабеля разработки компании ULTERA (рис. 2) – совместного предприятия компании Southwire (США) и NKT (Дания) (бюллетень: т. 4, № 3). Кабель успешно работает с августа 2006 года, испытан на перегрузку в 16,4 кА (при рабочем токе 3 кА). Надежность работы кабеля составляет 99,95%.
Рис. 2. Начальная часть «триаксиального» сверхпроводящего кабеля длиной 200 м установленного на подстанции Биксби в штате Огайо, США.
Проект LIPA все еще запаздывает, хотя кабель длиной 650 м уже устанавливается на Лонг Айленде.
Успешная работа по вышеупомянутым проектам дала толчок к обсуждению последующих проектов практически на коммерческой основе.
Консорциум ULTERA - Southwire (США) рассматривает установку кабеля длиной 1700 м, напряжением 13,8 кВ и мощностью 60 МВА в Новом Орлеане (США). Этот кабель способен заменить подземный кабель напряжением 230 кВ.
В Японии рассматривается несколько проектов сверхпроводящих кабелей с использованием базовой технологии компании Сумитомо (три в одном), но с увеличенными рабочими токами.
В обзорном докладе J-M.Saugrain из компании Нексанс (Франция) были сформулированы основные результаты по силовым сверхпроводящим кабелям. Успешно выполненные проекты доказали осуществимость и возможность использования силовых сверхпроводящих кабелей в энергосетях. Основные усовершенствования, необходимые для развития сверхпроводящих силовых ВТСП кабелей, следующие:
· переход от сверхпроводников 1-го поколения ко 2-му поколению*);
· увеличение токонесущей способности кабелей до 4-5 кА для увеличения единичной передаваемой мощности. Это потребует и соответствующей адаптации инфраструктуры энергосетей (трансформаторов и т.п.);
· увеличение длины сверхпроводящих кабелей.
К сожалению, до сих пор нет проектов длинномерных кабелей постоянного тока, в которых преимущества сверхпроводимости могли бы быть выявлены в наибольшей степени.
Таким образом, работы по сверхпроводящим силовым кабелям полным ходом трансформируются из научных разработок в коммерческую реализацию.
* Здесь автор настоящей заметки испытывает некоторые сомнения – настолько ли хороши уже сейчас сверхпроводники 2-го поколения для кабелей по сравнению со сверхпроводниками 1-го поколения. Автором был представлен на конференции доклад на эту тему, где было показано, что падение критического тока в сверхпроводниках 2-го поколения в параллельном магнитном поле гораздо сильнее, чем у сверхпроводников 1-го поколения. А именно параллельное поле является доминирующим в сверхпроводящих силовых кабелях. И пока что сверхпроводники 1-го поколения могут оказаться лучше для силовых кабелей.
Доклад вызвал заметный интерес и возбуждение особенно у разработчиков ВТСП - лент 2-го поко-ления. Хотя автор постоянно утверждал (и утверждает) что он ничего не имеет против 2-го поколения, просто для кабелей надо постараться разработать специальные ленты с малым падением критического тока в параллельном поле.
Сверхпроводниковые ограничители тока
короткого замыкания СОТКЗ
Продолжается интерес к исследованиям и разработкам СОТКЗ, это все еще наиболее «модная» тема в применении сверхпроводимости в электроэнергетике. Однако новых реальных проектов, установленных в энергосистемах представлено не было.
Привлекла внимание работа H-P. Kraemer – очень добротная совместная разработка компаний Америкэн Суперкондактор (АМС) и Сименс. С использованием провода от АМС типа 344S (лента 2-го поколения армированная нержавеющей сталью) был успешно испытан однофазный токоограничитель резистивного типа с рабочим током 300 А и на напряжение 7,4 кВ. В этом токоограничителе используется параллельно-последовательное соединение нескольких модулей на основе ленты 344S. Проведены его успешные испытания. Этот токоограничитель может являться хорошим прототипом для более мощных устройств.
Ведется работа по разработке токоограничителя CURL-110 в компании Нексанс. Это развитие идей резистивного токоограничителя с объемными элементами на основе соединения Bi-2212 с использованием индуктивных катушек для ускорения перехода объемного элемента в нормальное состояние. Но такие токоограничители имеют большие потери в номинальном режиме.
Следует отметить наметившуюся тенденцию при разработке токоограничителей – последовательно с токоограничителем устанавливается быстродействующий выключатель, который ограничивает время перегрузки в токоограничителе. В свою очередь токоограничитель – снижая ток КЗ – облегчает работу выключателя. В работах из Кореи, Японии и России (ВЭИ) рассматривалась возможность автоматического запуска быстродействующего выключателя (например, вакуумного).
В Корее испытан токоограничитель (рис. 3) с прерывателем на ток 630 А и напряжение 22,9 кВ сделанный на базе тонких пленок YBCO.
Рис.3. Токоограничитель, Корея.
Было также представлено несколько докладов о сверхпроводящих двигателях и небольших (до нескольких кДж запасенной энергии) моделях ВТСП накопителей.
Другие вопросы применения сверхпроводимости и материалы
В области новых материалов следует отметить продолжающиеся разработки высокотемпературных сверхпроводников 2-ого поколения (длинномерные пленочные сверхпроводники на основе YBCO). Более 100 работ (то есть больше 30% от всех работ по материалам) было посвящено различным аспектам сверхпроводников 2-го поколения.
Однако коммерческие продажи пока ведут только две компании из США*.
Компания American Superconductor уже предлагает коммерческие продажи сверхпроводников 2-ого поколения с током в 70 А (так называемый 344 провод – трехслойный, 4,4 мм ширины) при единичной длине 40 м со сроком выполнения заказа 4-6 месяцев. Лента стабилизирована медью, однако, по желанию заказчика можно использовать другие армирующие или стабилизирующие элементы (нержавеющую сталь, латунь и т.п.). По словам сотрудников компании, работа по развитию производства и снижению цен идет по графику и к середине 2008 г можно ожидать двух-трехкратного снижения цен и приближения цен сверхпроводников 2-го поколения к ценам на сверхпроводники 1-го поколения.
Так же на рынок со сверхпроводниками 2-го поколения вышла компания SuperPower (США). Она предлагает широкий ассортимент лент 2-го поколения, как с медным стабилизирующим покрытием, так и без него и как минимум двух размеров – 4 мм и 12 мм. Производительность компании заметно более высокая, чем у American Superconductor и цены, соответственно, несколько ниже. В настоящее время эта компания является лидером рынка.
Большое количество работ (более 70-ти) посвящено соединению MgB2 с критической температурой Тc=39 К. Некоторые компании предлагают провода с плотностью тока в собственном поле порядка
105 А/см2 при температуре 20 К. Устройства из таких, сравнительно дешевых сверхпроводников, могут работать с использованием микро – охладителей (криокулеров) или в среде жидкого водорода.
Много докладов (более 110) было так же представлено по разработке проводов и лент на основе ВТСП проводов.
В целом конференция была хорошо организована и достаточно интересна и информативна. Поскольку она не столь огромна и громоздка как ASC, то есть возможность посетить большинство интересующих докладов. На ней присутствуют обычно практически все «нужные люди» (за исключением разве что американцев) как среди участников, так и на выставке. Кроме того, она ближе к нам и потому дешевле обходится получение информации. Что тоже важно.
* Коммерческую продажу ВТСП 2-го поколения осуществляет также европейская фирма Bruker Group.