Перспективы снижения стоимости ВТСП проводов второго поколения
2009, Tом 6, выпуск 2
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
Современные керамические высокотемпературные сверхпроводники представляют собой весьма «капризный» материал с точки зрения возможности крупномасштабного производства проводов. Они хрупки, демонстрируют слабую стойкость к химически агрессивным средам, требуют создания специфической микроструктуры и высокой степени текстуры в материале – все это обуславливает достаточно сложную многоэтапную технологию производства проводов, и, соответственно, неприемлемо низкую производительность и высокую стоимость производства.
Выражение цены в единицах «доллар за килоампер-метр» ($/кА-м) является общепринятой мерой, которой может оцениваться удельная стоимость ВТСП провода (впрочем, как и всех остальных, например, традиционных медных или проводов на основе низкотемпературных сверхпроводников).
Анализ последних отчетов (см., например, материалы международ-ного семинара International workshop on coated conductors for applications (CCA-2008) [1]) ведущих производителей ВТСП проводов позволяет сделать определенные выводы о перспективах и пределах снижения стоимости этой продукции.
Большинство экспертов соглашаются, что широкое коммерческое применение ВТСП провода будут иметь только при условии снижения их цены ниже стоимости меди для силовых кабелей (порядка -60 за кА-м), т.е. в 5-20 раз меньше, чем сейчас. В этом случае можно надеяться «запустить» рынок, а дальнейшее снижение цены пойдет вслед за спросом и, следовательно, производством. Достичь этого результата можно двумя путями: во-первых, это снижение себестоимости единицы длины (метра) провода, в том числе за счет роста объема производства; во-вторых, повышением величины критического тока.
Рис. 1. Прогноз снижения стоимости 2G ВТСП проводов (по данным компании AMSC для условного провода «344» с током 200А) и начала их интенсивного коммерческого использования.
В настоящее время в мире наиболее перспективны-ми и продвинутыми считаются технологии производства ВТСП провод второго поколения (2G), заключающиеся в последовательном нанесении на металлические подложки (ленты) нескольких оксидных буферных слоев, чтобы обеспечить необходимую текстурированную основу для эпитаксиального роста ВТСП слоя (как правило, на основе YBCO). Далее обычно наносится тонкий защитный серебряный слой. Иногда наносятся дополнительно более толстые металлические стабилизирующие слои с обеих сторон провода, чтобы достигнуть требуемых электрических, тепловых и механических свойств.
Различные компании (в США – American Superconductor, SuperPower; в Японии – Fujikura, ISTEC, Sumitomo; в Германии – Bruker, Theva; в Корее - KERI) на конкурентной основе развивают собственные патентно защищенные методы получения ВТСП проводов второго поколения. Они надеются в ближайшем будущем получить преимущества на рынке за счет снижения удельной себестоимости и увеличения выхода качественной продукции.
Вклад в себестоимость производства может быть разделен на несколько составляющих: стоимость сырья и материалов, стоимость рабочей силы, капитальные затраты на оборудование, на сооружение зданий, текущие расходы на электроэнергию и воду.
Затраты на сырье определяются установившейся рыночной ценой единицы измерения материала, а также расходом этого материала на один метр готового провода. Сечение 2G провода определяется в основном подложкой и стабилизирующим слоем. Буферные слои очень тонкие и поэтому фактические затраты на материал буферных слоев не вносят существенного вклада в себестоимость провода. Сверхпроводящий слой может включать очень дорогие компоненты, поэтому его вклад в себестоимость существенен. Объемная доля применяемого защитного серебряного слоя мала, но это все же достаточно дорогой металл, отказаться от которого в технологии полностью невозможно.
Трудовые затраты могут быть минимизированы за счет автоматизации оборудования, и роста объема единичной партии продукции. В настоящее время хорошим показателем является производственный цикл, работающий с кусками ВТСП лент длиной до одного километра.
Оптимизация капиталовложений в оборудование по отношению к скорости выхода продукции крайне важна для уменьшения затрат на амортизацию в конечной цене провода. Скорость выхода в данном случае – это произведение линейной скорости движения ленты в процессах на число параллельных проводов, которые могут быть обработаны оборудованием. Скорость движения ленты зависит от геометрического размера зоны обработки и растет с увеличением величины этой зоны.
С ростом объемов производства соотношение между категориями затрат (структура цены) меняется. На рис. 2 показана структура цены, рассчитанная Sandia National Laboratories для 2G провода, полученного методом TFA-MOD, в зависимости от производительности процесса. В расчетах предполагалась величина удельного критического тока в 200 А на сантиметр ширины ленты, цена подложки в /м, при годовом производстве 1200 км/год. Видно, что, начиная с некоторой скорости, фактическая себестоимость ВТСП ленты определяется лишь расходами на материалы и рабочую силу. Поэтому перспективы снижения себестоимости при достаточно высоком уровне развития любой технологии в первую очередь зависят от цены применяемого сырья и материалов, причем наиболее важными здесь являются расходы на подложку, сверхпроводящий слой и стабилизирующее покрытие (составляющего в некоторых случаях до 40% от толщины провода), при небольшом вкладе стоимости серебра.
Рис. 2. Структура цены ВТСП провода в зависимости от производительности установки.
Наиболее существенные отличия в конкурирующих технологиях заключаются именно в материале подложки, а также способе нанесения сверхпроводящего покрытия. Текущие рекордные достижения (на осень 2008 г.) различных технологий представлены в таблице 1.
Следует отметить, что представленные рекордные достижения не оптимизированы по себестоимости и скорее представляют демонстрацию возможностей конкретного метода.
Более показательной является таблица 2, в которой компания Bruker попыталась оценить предел стоимости на материалы. Наиболее дешевым по подложкам является метод импульсного лазерного распыления (PLD), т.к. при этом можно использовать подложки из нержавеющей стали. Что касается ВТСП слоев, то здесь «чемпионом» по дороговизне является метод IBAD/MOCVD, поскольку здесь используется крайне дорогие металлоорганические соедине-ния, стоимость которых в малых партиях достигает -25 тыс. за кг. В результате себестоимость ВТСП покрытия достигает -70 тыс. за кг, а в расчете на 1 км ленты – до 0-1500. Более выигрышно смотрится сырье для метода лазерного напыления – обычные оксиды металлов, что дает цену ВТСП покрытия по материалу около 0. за кг, а в расчете на 1 км ленты – около . Метод RABiTS/MOD занимает промежуточное место, так как трифтороацетатные соли (TFA), используемые для производства MOD прекурсора сверхпроводящего покрытия, являются в целом менее сложными и более дешевыми, чем химикаты, используемые в конкурирующих МОCVD процессах.
Таблица 1. Рекордные достижения 2G ВТСП лент по различным технологиям производства (осень 2008 г).
Таблица 2. Минимальные затраты на материалы для ВТСП ленты (в €/км) по данным компании Bruker.
Здесь необходимо отметить, что метод лазерного распыления требует существенных расходов на текущее обновление элементов эксимерного лазера – газа и камер, так как они имеют ограниченный ресурс по числу импульсов. Следовательно, эти элементы фактически являются расходным материалом с затратами выше, чем затраты на материал подложки и ВТСП слоев. Так как лазерная техника совершенствуется, есть надежда на снижение этих расходов.
В целом, минимальная себестоимость ленты по IBAD/MOCVD процессу может составить до -30/кА-м, по RABiTS/MOD процессу – -25/ кА-м и по IBAD/PLD процессу – - 20/кА-м.