CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais

1. Materiais Supercondutores para Aplicações em Equipamentos e Dispositivos Elétricos Alexander Polasek CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ

2. Ímã permanente Supercondutor Supercondutividade Resistência elétrica nula Repulsão de campos magéticos

3. Tc(K) Hg-Ba2Ca2Cu2O8-X 150 140 TI-Ba-Ca-Cu-O 130 120 Bi-Sr-Ca-Cu-O 110 100 YBa2Cu3O7-X 90 Nitrogênio líquido (barato) 80 70 60 50 La-Sr-Cu-O 40 NbN Nb3Ge La-Ba-Cu-O 30 20 Hg 10 Hélio líquido (caro) 0 1910 1930 1950 1970 1990 Evolução da Temperatura Crítica de Transição (Tc)

4. Supercondutores de Alta Temperatura Bednorz e Müller - Prêmio Nobel de 1987 IBM - Suíça

5. Cobre X Fitas Supercondutoras J = 200 A / mm2 J = 2 A / mm2

6. Aplicações no setor elétrico International Superconductivity Industry Summit (ISIS) ISIS-10, Santa Fe, USA, 2002

7. Aplicações no Setor Elétrico Limitadores De Corrente Armazenadores de Energia Transmissão Motores e Geradores 2010 2015 2020 2025 2030 Cabos • Vantagens para o Setor Elétrico e para o Meio Ambiente: • maior eficiência energética • redução de tamanho e peso dos equipamentos • transformadores sem óleos isolantes Stephen A. Gourlay - 2007 IEEE Council on Superconductivity

8. 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

9. Cabos Supercondutores Rede Elétrica deManhattan Secure Super Grid

10. 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

11. Armazenamento de Energia SMES (Superconducting Magnetic Storage System) • 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

12. 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)

13. ACCEL e NEXANS - Alemanha Limitador 10kV / 10 MVA Instalado em uma subestação desde 2004

14. CEPELLaboratório de Supercondutividade • Projetos em andamento: • desenvolvimento de protótipo de limitador de corrente de curto-circuito • processamento e caracterização de materiais supercondutores

15. CEPELLaboratório de Supercondutividade I = 5 kA Sem limitador de corrente I = 11 kA Com limitador de corrente t = 16 ms

16. Evolução da densidade de corrente crítica P&D de fitas supercondutoras no CEPEL Fita supercondutora produzida no CEPEL

17. P&D de blocos supercondutores no CEPEL Tc = 92 K Corrente crítica (Ic) x Temperatura de processamento Medição da temperatura crítica (Tc)

18. 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

19. Materiais Supercondutores Bulk Fita de 1a geração produzida no CEPEL Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223) Fita de 2a geração Y-Ba-Cu-O (YBCO)

21. Custo/Benefício de fitas supercondutoras Fitas: 1a Geração (Bi-2223) x 2a Geração (YBCO) Tsukamoto, Supercond. Sci Technol., 2004 Meta de custo/benefício do DOE / EUA – 10 US$ / kA.m

22. Testes de elemento supercondutor NEXANS no CEPEL Corrente crítica (Ic) do módulo limitador ~ 280A, 77K (1mV/cm)

23. Limitadores de Corrente Supercondutores • Limitadores de até • 15kV/18 MVA já foram demonstrados com sucesso • limitadores para transmissão (138kV) encontram-se em desenvolvimento Limitador Resistivo

24. 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

25. Transformadores Supercondutores • - 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

26. Supercable Projeto de longo prazo – EPRI Substitui o LN2 por LH2 – Energia elétrica + Energia Química