ВТСП разработки в Германии
2008, Tом 5, выпуск 2
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки, ВТСП устройства
В конце февраля в Бонне прошел семинар ZIEHL (абревиатура расшифровывается как "Будущее и инновации в энергетическом оборудовании с применением ВТСП"), организованный объединением Supra. Созданное в прошлом году промышленное объединение Supra призвано, среди прочего, лоббировать интересы фирм разработчиков ВТСП технологий и привлекать в отрасль новые инвестиции. В состав объединения вошли фирмы Adelwitz Technologiezentrum (ATZ), Bruker BioSpin, European High-Temperature Superconductors (EHTS), ERT Refrigeration Technology, Evico, Nexans, NKT cables, PerCoTech, Stirling, Theva и Trithor. Доклады двухдневного семинара (большей частью, на немецком языке) расположены на сайте Supra (http://www.ivsupra.de/content/view/91/73).
На форуме были представлены доклады, посвященные ВТСП технологиям в самом широком смысле – от разработки материалов до применений и оценок экономического характера. Надо сказать, что Германия до сих пор является европейским лидером в этой области, хотя в 2000-х годах из-за скудной государственной поддержки немецкие фирмы переживали не лучшие времена. Но, может быть, лоббисткий потенциал Supra изменит ситуацию к лучшему. В докладе руководителя фирмы Theva Вернера Пруссайта указано на то, что в Германии сегодня наибольшая плотность фирм-разработчиков сверхпроводникового оборудования в мире. В этой заметке мы рассмотрим некоторые (не все) из докладов форума.
Дрезденская фирма EVICO (основана в 2004-м году) известна разработчикам ВТСП лент как чуть ли не единственный коммерческий производитель текстурированной подложки в мире. В 2007-м г. на EVICO установлена вертикальная печь (рис. 3) для текстурирующего отжига, позволяющая обрабатывать до 200 м ленты за один проход в режиме перемотки. Сообщается, что в 2008-м году длина производимых кусков достигнет 400 м. Фирма производит в основном ленты из популярного сплава никеля с 5 ат. % вольфрама, но дрезденская научная группа имеет большой опыт в разработке новых перспективных сплавов. Сейчас сообщается, что получена удовлетворительная текстура в сплаве никеля с 7,5 ат. % вольфрама, однако, о том, как этого достигли, информации нет. Температура Кюри у сплава такого состава составляет около 150 К, он очень прочный, однако, до последнего времени попытки текстурировать сплав с содержанием вольфрама более 5% были малоудачны. Заметим, что группа из Оак Рижда (США) также недавно сообщила о получении высокой степени текстурирования в сплаве Ni-9 ат. % W посредством тёплой (а не холодной) прокатки.
Фирма EHTS развивает технологию IBAD-PLD, разработанную в 90-х годах в группе Фрайхарда в Гёттингене. Результаты этой группы украшали все "рекордные" диаграммы несколько лет назад и на сегодня лучшим достижением фирмы являются 100 метров ленты с криттоком 253 А на 1 см ширины. Мировое лидерство в последние годы немцы уступили американцам и японцам. В докладе подчеркивается экономическая эффективность подхода IBAD-PLD, вопреки распространённому мнению о том, что эти методы – самые дорогостоящие из применяемых сегодня. Тем не менее, EHTS инвестирует в дальнейшее развитие своей технологии, устанавливает шестизонную установку для скоростного PLD и разрабатывает новую установку для IBAD. Оборудование должно позволить достичь скоростей от 35 до 75 м/час при длине производимой ленты до 2 км. EHTS производит также ВТСП провод 1-го поколения и поставила в 2007-м году 17 км провода для токовводов большого адронного коллайдера (LHC), а также 1100 ВТСП сборок для токовводов термоядерного реактора (ITER).
Известная немецко-французская фирма Nexans с недавнего времени также активизировалась в об-ласти изготовления проводов 2-го поколения. Технология основана на буферном слое La2Zr2O7, получаемом на подложках Ni-5%W методом MOD. После отжига при 1000oC получаются слои хорошего качества. В феврале получены первые 4 метра ленты с буферным слоем в новой установке в режиме лентопротяжки. Технология нанесения ВТСП также химическая – TFA-MOD, но серьёзных успехов у Nexans в этом направлении пока нет. ВТСП слои неплохого качества получены на буферах Nexans другими компаниями с использованием методов MOCVD (PerCoTech) и электронно-лучевого испарения (Theva). Планы на 2008-й год включают производство 10 м проводника 2-го поколения только своими силами с помощью метода MOD.
В прошлом году группой исследователей из Университета города Брауншвейга основана компания PerCoTech AG. В этом коллективе несколько лет работал автор настоящей заметки. Специализация новой фирмы состоит в использовании метода MOCVD для производства ВТСП 2-го поколения. Фирма тесно сотрудничает с Trithor и Nexans, производя для них буферные слои и ВТСП, а также ведет собственные разработки. На настоящее время на лучших образцах достигнуты плотности критического тока при 77К до 2 МА/см2. Продемонстрирована первая ВТСП-лента длиной 10 метров (в сотрудничестве с Nexans).
Интересный доклад представила фирма Siemens. Siemens не имеет собственного производства ВТСП ленты, но активно участвует в проектах по созданию различного ВТСП оборудования. Так, в 2005-м году был создан 4 МВА генератор, для которого использовались ленты первого поколения производства American Superconductor. В прошлом году, уже на лентах 2-го поколения, создан прототип ограничителя тока мощностью 2 МВА. В докладе приводятся заслуживающие внимания оценки экономического характера. Указано, что при цене в 100 евро/кАм применения могут стать реальностью в областях, где использование ВТСП приводит к большому системному выигрышу – в генераторах, токоограничителях, в кабельных проектах. Широкого применения, с заменой меди в электротехническом оборудовании на ВТСП, можно ожидать только при цене в 10 раз меньше. Немаловажным является время поставки ВТСП провода (разумным считается срок 6 месяцев), гарантии производителя и надёжность поставок - разработчики должны быть уверены, что смогут в будущем приобрести такой же провод (или с лучшими характеристика-ми). В сумме, экономические показатели сегодня указывают на возможность создания прототипов, но не позволяют пока развернуть коммерческое производство ВТСП оборудования. Требования к ВТСП лентам не ограничиваются высоким криттоком, с него они только начинаются.
Фирма Nexans представила доклад по ВТСП-кабелям. Самый мощный на сегодня трёхфазный ВТСП кабель для проекта LIPA (138 кВ/2400А, 574 МВА) изготовлен именно Nexans. Это первый в мире кабель с передаваемой мощностью, сравнимой с таковой для стандартной линии электропередач на 380 кВ. Интересные данные приводятся по потерям в СП-кабеле: как видно из рисунка, основной вклад вносят тепловые потери, за ними следуют диэлек-трические (пропорциональные tanδ диэлектрика – ламинированного полипропилена) и гистерезисные потери. Компания Nexans является мировым лидером также в разработке гибких криостатов. Конструкция базируется на коаксиальных гибких трубах из нержавеющей стали. В пространстве между ними расположена фольга с отражающим алюминиевым покрытием и фиксаторы с низкой теплопроводностью. Пространство между сильфонами откачано до разрежения 10-5 мбар (согласно представленным на семинаре данным), все криостаты проходят тест на герметичность на гелиевом течеискателе.
Известная компания NKT cables GmbH, имеющая уже 9-тилетний опыт эксплуатации ВТСП кабелей, доложила о своих планах. Они связаны с трёхфазным кабелем Triax, рассчитанным на среднее напряжение от 10 до 72 кВ и мощностью до 400 МВА. Компания планирует реализовать 3 проекта - в Нью-Орлеане (1,7 км, 13 кВ, 64 МВА, заменяет существующую 220 кВ ЛЭП, введение в эксплуатацию в 2011), в Нью-Йорке (300 м, с использованием провода 2-го поколения с эффектом токоограничения) и в Амстердаме (6 км, 50 кВ, 250 МВА, заменяет существующий подземный кабель, 2012 год).
Доклад фирмы Converteam был посвящен аспектам применения ВТСП для мощных ветроэнергетических установок (ВЭУ), базирующихся в море. Согласно оценкам, для одного генератора мощностью 8 МВА (12 об/мин) понадобится около 250 км ВТСП провода. ВТСП материалы позволят заметно повысить КПД на малых оборотах за счет подключения генератора к ротору напрямую. Это важно, так как в современных ВЭУ редуктор является главной причиной поломок: в Финляндии в 1996-2004 гг. треть остановок ВЭУ были вызваны имен-но проблемами с редуктором. Существенно уменьшаются размеры и масса генератора. Естественно, есть и масса нерешённых проблем, но Converteam с надеждой смотрит в будущее. ВТСП-провод 2-го поколения для прототипа должна поставить фирма Trithor в 2010-м году.
Фирма Siemens демонстрирует большую заинтересованность в создании двигателей и генераторов. Первый проект связан с оборудованием для морских судов: в цели компании входит разработка малооборотного ВТСП двигателя 4 МВА/ 120 об/мин. Согласно планам, вес и объём ВТСП-двигателя должны сократиться более чем на треть по сравнению с традиционным двигателем, а КПД составить более 96% (для традиционного < 95%). Учитывая успешный опыт создания фирмой 4МВА ВТСП-генератора с КПД 98.7% и сокращением массы на 36%, эти цели видятся вполне достижимыми. Второй проект предусматривает разработку ВТСП генератора для электростанций. Фирма надеется с использованием ВТСП повысить КПД современного электрогенератора на 0,5% - до 99,5%. Для уменьшения потерь предполагается использовать ВТСП провод с транспозицией отдельных жил по схеме Рёбеля (Ludwig Roebel). Стратегия Siemens, как и в недавнем аналогичном проекте General Electric, основана на постепенной замене выходящих из эксплуатации мощностей на ВТСП оборудование.
На форуме представлена интересная разработка фирм Trithor и Bultmann - индукционный нагреватель с ВТСП катушкой для металлических слитков. Этот проект стартовал несколько лет назад, а сегодня фирмы производят оборудование мощностью от 0,5 до 2 МВт. В катушках используется ВТСП провод 1-го поколения производства Trithor. Бесконтактный разогрев блока диаметром 178 мм до температуры 450оС достигается всего за 4,5 минуты (ток в катушке 6 кА). Разогрев происходит очень равномерно, без поверхностного перегрева. При этом более 80% энергии уходят на разогрев детали – эффективность в 2 раза выше альтернативных методов! Такое оборудование находит применение, например, для разогрева алюминиевых заготовок перед протяжкой – именно так делают всем знакомый алюминиевый профиль.