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CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Departamento de Tecnologias Especiais Rio de Janeiro - RJ Materiais Supercondutores para Aplicações em.

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1 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

2 Supercondutividade Ímã permanente Supercondutor Resistência elétrica nulaRepulsão de campos magéticos

3 Evolução da Temperatura Crítica de Transição (Tc) Nitrogênio líquido (barato) Hg-Ba 2 Ca 2 Cu 2 O 8-X TI-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O YBa 2 Cu 3 O 7-X La-Sr-Cu-O La-Ba-Cu-O Nb 3 Ge Hg NbN T c (K) Hélio líquido (caro)

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

5 J = 2 A / mm 2 J = 200 A / mm 2 Cobre X Fitas Supercondutoras

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

7 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 Motores e Geradores Armazenadores de Energia Limitadores De Corrente Transmissão Cabos Stephen A. Gourlay 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 Rede Elétrica de Manhattan Cabos Supercondutores 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 - 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 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)

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 MVA (ABB-Suíça)

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

14 CEPEL Laboratório de Supercondutividade Projetos em andamento: - -desenvolvimento de protótipo de limitador de corrente de curto-circuito - - processamento e caracterização de materiais supercondutores

15 CEPEL Laboratório de Supercondutividade I = 11 kA Sem limitador de corrente Com limitador de corrente I = 5 kA t = 16 ms

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

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

18 Conclusões Equipamentos e dispositivos supercondutores podem atender à crescente demanda por eficiência, estabilidade e confiabilidade do sistema elétrico Comercialização em 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 Bulk Fita de 1 a geração produzida no CEPEL Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x (Bi-2223) Materiais Supercondutores Fita de 2 a geração Y-Ba-Cu-O (YBCO)

20

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

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

23 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

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 - 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

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


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