Tarkastaja: Yliassistentti Aki Korpela Julkaistu 5. lokakuuta 2007

1 MIKKO SÖYRINKI HENRIETTA ALHO LAURA OKSANEN JAAKKO MURTOMÄKI SMG-4050 ENERGIAN VARASTOINTI JA UUDET ENERGIALÄHTEET SUPRAJOHTAVAT TEHONSIIRTOKAAPELIT Seminaarityö Tarkastaja: Yliassistentti Aki Korpela Julkaistu 5. lokakuuta 2007

2 Sisällys Johdanto...3 1. SUPRAJOHTAVUUS...4 1.1. Teoria...5 1.2. Historia...6 2. SUPRAJOHDEMATERIAALIT...7 2.1. Korkean lämpötilan suprajohteet...7 3. SUPRAJOHDEKAAPELIN RAKENNE...9 3.1. RTD-kaapeli...9 3.2. CD-kaapeli...10 3.3. Jäähdytys...10 4. VERTAILUA PERINTEISIIN KAAPELEIHIN...12 4.1. Teho ja häviöt...12 4.2. Ongelmia...12 4.3. Kustannukset...13 4.4. Ympäristönäkökulma...13 5. YHTEENVETO...14 6. LÄHTEET...15

3 Johdanto Tässä työssä tutkitaan lähdemateriaalin perusteella suprajohtavien tehonsiirtokaapeleiden toimintaa ja ominaisuuksia. Suprajohtavien kaapeleiden valmistus on ollut teknisesti mahdollista jo kymmenien vuosien ajan. Erilaiset käytännön ongelmat ja pienistä valmistusmääristä johtuva korkea hinta haittaavat kuitenkin edelleen sen käyttöönottoa laajassa mittakaavassa. Keskeinen osa-alue on suprajohdemateriaalien kehitys. Kehitystyön seurauksena materiaalit saadaan suprajohtavaan tilaan yhä korkeammassa lämpötilassa. Jäähdytysjärjestelmät ovat merkittävä kustannuserä suprajohtavien tehonsiirtokaapeleiden valmistuksessa, jolloin jäähdytystarpeen väheneminen mahdollistaa teknisesti kevyempien ja monipuolisempien kaapeleiden valmistamisen, sekä säästöjä kustannuksissa. Eri käyttötarkoituksiin pyritään löytämään mahdollisimman hyvin sopivat kaapeliratkaisut. Esimerkiksi kolmivaihekaapeleille on vaiheiden sijoitteluun useita ratkaisuja. Johtimia ympäröivän jäähdytysaineen on myös päästävä virtaamaan, mikä asettaa omat vaatimuksensa kaapelisuunnittelulle. Kaiken kaikkiaan tehonsiirron näkökulmasta suprajohteiden ja kaapelitekniikoiden kehitystyöllä pyritään saavuttamaan pienempi häviöisempiä, kevyempiä, vähemmän tilaa kuluttavia ja kustannustehokkaampia kaapelointiratkaisuja.

4 1. SUPRAJOHTAVUUS Suprajohtavuus on tila, joka ilmenee tietyillä materiaaleilla kun niiden lämpötila laskee alle kriittisen pisteen. Tällöin niiden käyttäytymisessä tapahtuu kaksi asiaa. Sähköinen resistanssi laskee nopeasti nollaan ja materiaalista tulee täydellisen diamagneettista eli se ei päästä sisäänsä lainkaan magneettikenttää. Suprajohteen diamagneettisuutta kutsutaan myös Meissnerin ilmiöksi. [2] Suprajohtavia materiaaleja käyttäen voidaan sähköisen vastuksen puuttumisen ansiosta valmistaa tehonsiirtokaapeleita, joiden siirtokapasiteetti on kaapelin kokoon nähden huomattavan suuri. Magneettisten ominaisuuksiensa puolesta suprajohteita käyttämällä saadaan aikaiseksi huomattavan voimakkaita magneettikenttiä. Nykyään suprajohteita käytetäänkin useammin magneettien aikaansaamiseksi kuin tehonsiirron välineenä. Suprajohtavuuden säilyttäminen sovelluksissa ei ole kuitenkaan aina yksinkertaista. Suprajohtavuuteen nimittäin vaikuttavat lämpötilan lisäksi myös virrantiheys ja ulkoisen magneettikentän voimakkuus. Mikään näistä suureista ei saa ylittää rajaarvoaan mikäli suprajohtavuus halutaan säilyttää. Lämpötilan ja magneettikentän kriittiset arvot riippuvat vain käytettävästä materiaalista, mutta kriittinen virrantiheys muuttuu vallitsevan lämpötilan ja magneettikentän voimakkuuden funktiona. Tehonsiirtokaapeleilla kriittisin suure on normaalisti virrantiheys, joka rajoittaa ensimmäisenä siirrettävää tehoa. [4] Rajoitukset voidaan esittää kolmiulotteisena pintana, jossa pinnan sisäpuoli on suprajohtavaa aluetta ja ulkopuoli normaalijohtavaa. Matalan lämpötilan suprajohteille rajat ovat jyrkkiä, kun ne vastaavasti korkeammissa lämpötiloissa vaativat suuremman vyöhykkeen tilan muuttumiseen.

5 Kuva 1: Suprajohtavuutta rajoittavat tekijät 1.1. Teoria Ensimmäinen suprajohtavuuden toimintaa selittävä teoria oli ns. BCS. Nimi tulee kolmen keksijän nimien alkukirjaimista. Matemaattisesti tarkasteltuna tämä teoria on erittäin monimutkainen, joten tässä on tarkasteltuna vain toimintaperiaate pääpiirteittäin. Teorian mukaan johdemateriaalissa kulkevat elektronit vetävät positiivisia ioneja puoleensa muodostaen vääristymiä. [2] Kuva 2: Cooperin elektroniparin muodostuminen ja toiminta Kuva 3. Vääristymä vetää puoleensa ohikulkevia elektroneja varauksellaan, jolloin niistä muodostuu elektronipareja, joita kutsutaan Cooperin pareiksi. Virta kulkee suprajohteessa huomattavasti tavallista johdinta paremmin, koska sen kuljettajina toimivat elektroniparit yksittäisten valenssielektronien sijaan. Nämä Cooperin parit pystyvät muodostumaan vain matalissa lämpötiloissa, koska yhdistävä voima on niin pieni, että suuremmilla lämpötiloilla lämpövärähtely estää parien syntymisen.

Kaapelisovelluksissa käytetyt korkean lämpötilan suprajohteet toimivat kuitenkin yhtälailla, joten niiden toiminnalle on oltava erilainen selitys. Korkean lämpötilan suprajohteet on yleensä valmistettu yhdisteistä, joissa käytetty metalli on osittain yhdistyneenä happeen. Kun yhdisteen pitoisuudet valitaan sopivasti, saadaan aikaiseksi positiivisia ioneja. Ionit ovat elektronien kannalta aukkoja, joita pitkin ne pääsevät kulkemaan. Materiaali voidaan seostaa joko p- tai n-tyyppiseksi samaan tapaan kuin puolijohteilla. Vierekkäiset samanvarauksiset ionit eivät kuitenkaan yksinään tarjoa erityisiä johtavuusominaisuuksia. Kun materiaaliin nyt johdetaan virtaa niin etenevät elektronit työntävät elektroneja pois radaltaan seuraavalle ionille ja näin saavutetaan erinomainen virranjohtavuus. Tämän tyyppinen johtavuus voidaan saavuttaa aikaisempaa selvästi korkeammassa lämpötilassa ja siis myös tietyntyyppisille materiaaleille, jotka eivät huoneenlämmössä edes juuri johda sähköä. Korkean lämpötilan suprajohteiden toimintamekanismeja ei kuitenkaan täysin tarkasti tunneta. [2] 6 1.2. Historia Ensimmäisenä suprajohtavuuden sai aikaiseksi Hollantilainen fyysikko Heike Onnes vuonna 1911. Jo tätä aikaisemmin oli huomattu kappaleiden resistanssin laskevan lämpötilan laskiessa, kriittistä lämpötilaa ei kuitenkaan oltu vielä alitettu. Ensimmäiset suprajohdemateriaalit olivat niin sanottuja matalan lämpötilan suprajohteita. Ne vaativat noin 4 K tai alle lämpötilan saavuttaakseen suprajohtavan tilan. Tällaisia lämpötiloja saatiin aikaan käyttämällä jäähdyttämiseen nestemäistä heliumia. Matalan lämpötilan suprajohteet ovat yleensä materiaaliltaan metalliseoksia. Seuraava merkittävä askel otettiin 1933, kun Walter Meissner huomasi suprajohteiden hylkivän magneettikenttää. Ilmiötä kutsutaankin usein Meissnerin ilmiöksi keksijänsä mukaan. Seuraavina vuosikymmeninä tehtiin paljon tutkimusta korkeamman lämpötilan suprajohdemateriaalien kehittämiseksi. Ponnistelujen jälkeen tavoitteessa onnistuttiin vuonna 1986, jolloin keraamisia materiaaleja käyttämällä saavutettiin siihen asti korkeimman lämpötilan suprajohtavuus noin 30K:ssä. Materiaali oli keraaminen ja tähän käyttötarkoitukseen erikoinen, koska se ei huoneenlämmössä johtanut sähköä juuri lainkaan. Tästä tutkimus kehittyi nopeasti ja jo parin vuoden sisällä saatiin aikaan materiaali, joka oli suprajohtava lähes 80K:n lämpötilassa. Nyt jäähdytykseen pystyttiin käyttämään nestemäistä typpeä, joka on huomattavasti heliumia halvempaa ja helpommin käsiteltävää. [1] Korkean lämpötilan suprajohteet mahdollistavat käytön myös tehonsiirtokaapeleissa, joten niiden myötä sai alkunsa myös kaapeleiden kehitys. Nykyään kaapeleita on testikäytössä verkkoon liitettynä useita eri puolella maailmaa.[3] Suprajohtavuus on saavutettu laboratorio-olosuhteissa enimmillään 138K:n lämpötilassa, kehityksen jatkuessa edelleen. [1]

7 2. SUPRAJOHDEMATERIAALIT Tähän päivään mennessä suprajohtavia materiaaleja ja materiaaliyhdisteitä on keksitty liki 10 000, suurinta osaa materiaaleista ei kuitenkaan voida hyödyntää niiden teknisten ominaisuuksien vuoksi. Suprajohteet jaetaan tavallisesti matalan lämpötilan johteisiin (LTS) ja korkean lämpötilan johteisiin (HTS). Suprajohtimien yksi pääsovelluskohde on tällä hetkellä voimakkaat sähkömagneetit. Näihin käytettäviä kaupallisia materiaaliyhdisteitä ovat NbTi ja NbSn, jotka ovat LTSjohteita. Voimansiirtokaapelit ovat kuitenkin yksi tulevaisuuden HTS-sovellutuksista. [5] 2.1. Korkean lämpötilan suprajohteet HTS-materiaalit ovat keraamisia yhdisteitä toisin kuin LTS-materiaalit, jotka ovat metalliseoksia. Lisäksi niiden hilarakenne on levymäinen. Hauraista keraamisista materiaaleista ei pystytä valmistamaan taipuisaa johdinta, niinpä se valmistetaankin nauhamaiseksi ja sijoitetaan matriisimetallin sisään. Matriisimetallin tehtävä on kuljettaa pois lämpöä jota saattaa syntyä häiriötilanteissa sekä toimia virralle kiertotienä. Rakeinen kiderakenne voi muodostaa ns. blokkeja. Blokin sisällä rakeet muodostavat virralle hyvän kulkureitin, mutta blokista toiseen virran kulku on heikompaa. Keraaminen kiderakenne on myös hyvin anisotrooppinen, minkä vuoksi johteen sähkömagneettiset ominaisuudet riippuvat suunnasta. Magneettikentän tulisi olla suprajohdenauhan perustason suuntainen. ([5],[6],[8]) HTS-johteilla on korkea kriittinen lämpötila T, 85-110K, mikä mahdollistaa laitteen korkean toimintalämpötilan ja näin jäähdytyksen nestetypellä (77K). Lämpöeristyksen vaatimuksia voidaan vähentää nestetyppijäähdytyksessä. HTS-materiaalien etuja LTSmateriaaleihin nähden on huomattavasti suurempi stabiilisuus, mikä johtuu paitsi korkeammasta toimintalämpötilasta, myös suuremmasta lämpökapasiteetista sekä suuremmasta marginaalista toimintalämpötilan ja kriittisen lämpötilan välillä. HTSjohtimissa normaalialueen etenemiseen vaadittava energia on huomattavasti suurempi kuin perinteisillä LTS-johtimilla. [5] (Bi,Pb)SrCaCuO (lyhenne Bi-2223 tai BSCCO2223) on tällä hetkellä parhaiten kaapelikäyttöön soveltuva HTS-yhdiste. Bi-2223/Ag materiaalia myydään esikaupallisessa mielessä, varsinaisena kaupallisena tuotteena sitä hyödynnetään vain suprajohdemagneetin virransyötössä käytettävien virtajohtimien yhteydessä. Yhdisteen kriittinen lämpötila T on 110K. Bi-2223 valmistetaan nauhamaiseksi johteeksi hopeatai hopeaseosmatriisin sisään (Kuva 1). Bi-2223 nauha valmistetaan niin sanotulla Power In Tube-menetelmällä. Keraaminen jauhe pakataan hopea putkeen, jonka jälkeen se vedetään halkaisijaltaan <1mm johtimeksi, valssataan ja lämpökäsitellään korkean virran tiheyden saavuttamiseksi. Nykyisin valmistettujen nauhojen pituus on enintään 1km ja kuljetettava virrantiheys >10 ka/cm. ([4], [6])

8 Kuva 4: Kuva 1. Bi-2223/Ag nauhan periaatteellinen poikkileikkaus. Mainitut mitat ovat suuntaa antavia. BiSrCaCuO (lyhenne Bi-2212 tai BSCCO2212) on pystytty kaupallistamaan. Yhdisteestä pystytään valmistamaan sulavalumenetelmällä paksuja tuubeja ja tankoja, jotka soveltuvat hyvin suurvirran siirtoon, kun siirrettävä matka on lyhyt (<1m). Parhaimmillaan on pystytty siirtämään yli 10kA:n virtaa 77K:n lämpötilassa. Yhdisteen kriittinen lämpötila T on 85K. YBaCuO (lyhenne YBCO tai Y-123) on tutkituin HTS-yhdiste, jolla voidaan saavuttaa erittäin korkeita virrantiheyden arvoja 77K:n lämpötilassa. Yhdisteestä on kuitenkin pystytty valmistamaan vain ohutkalvotekniikalla yksikiteisiä substraatteja, mikä on rajannut sen käytön muutamaan neliösenttimetriin. Tästä johtuen yhdistettä käytetään pelkästään elektroniikassa. [4]

9 3. SUPRAJOHDEKAAPELIN RAKENNE Suprajohdekaapeleita on kahta eri mallia: RTD (Room Temperature Dielectric) ja CD (Cryogen Dielectric). Kummallakin on etunsa ja haittansa. [3] 3.1. RTD-kaapeli RTD-suprajohdekaapeli koostuu kehyksestä, suprajohdenauhasta, lämmöneristeestä, sähköisestä eristeestä, kuoresta ja jäähdytysjärjestelmästä. Kehyksen sisällä virtaava nestetyppi jäähdyttää ulkokuorelle kierrettyä suprajohdenauhaa, joka on spiraalimaisen muotoinen. Kehys tulee olla mekaanisesti vakaa, joustava, mahdollisimman ohut ja hyvä lämmönjohde ja lämpölaajenemisominaisuuksiltaan suprajohdenauhaa vastaava. Lämmöneristys saadaan aikaan kahden sisäkkäisen teräsputken välisellä tyhjiöllä. Tyhjiössä on useita supereristekalvoja, jotka on lämpöeristetty toisistaan polyesteriverkolla. Rakenteen ansiosta lämpövuodot jäävät hyvin alhaiseksi. Kuva 5: RTD-kaapelin rakenne. Sähköinen eristys voidaan toteuttaa polyeteenillä kuten perinteisissäkin kaapeleissa, jos eristys tapahtuu ympäristön lämpötilassa. Läpilyöntivaara minimoituu, jos eristeen sähkökenttä on homogeeninen. Tämä toteutetaan eristeen molemminpuolisilla metallikuorilla, joista ulompi on maadoitin.maadoitus eristetään PVC-kuorella armeerauksesta, joka on ympäristöolosuhteita vastaan suojaava metallipinnoitus. [5] RTD-kaapelien heikkoutena mainittakoon, että siirrettävä virta jää pienemmäksi kuin CD-kaapeleilla eikä useita vaihekaapeleita voida sijoittaa toistensa lähelle, sillä kaapelit aiheuttavat magneettikentän ympärilleen.

3.2. CD-kaapeli CD-kaapelissa suprajohdinta ympäröi sähköinen eristys, ja tämä on eristetty ympäristöstään magneettisesti suprajohtavalla pinnalla. Suprajohtavan pinnan päällä on vielä lämpöeristys. Magneettisen eristyksen vuoksi voidaan useita vaiheita sijoittaa lähekkäin saman kaapelin sisälle. Kolmivaihejohtimessa kaapelit voivat sijaita saman lämpöeristyksen sisällä mahdollisimman lähellä toisiaan. Vaiheet voidaan sijoittaa myös koaksiaalisesti toistensa sisälle, jolloin kaapelissa on vain yksi jäähdytysputki. Sähköisen eristeen täytyy kestää täysi vaiheiden välinen jännite, mikä rajoittaa virran määrää. Etuna voidaan todeta rakenteen optimaalisuus tarvittavan suprajohteen pieni määrä huomioiden. [3] 10 Kuva 6: CD-kaapeli, jossa vaihejohtimet lämpöeristyksen sisällä. Kuva 7: CD-kaapeli, jossa vaiheet sijoitettuna koaksiaalisesti. 3.3. Jäähdytys Suprajohtavat materiaalit täytyy jäähdyttää kriittiseen lämpötilaan, jotta ne voisivat toimia. Kriittinen lämpötila riippuu materiaalista. HTS-materiaalit (High-Temperature Superconductors) jäähdytetään toimiakseen suprajohtavassa tilassa tuntuvasti huoneenlämpötilaa alemmaksi, noin kahteensataan Kelvin-asteeseen. HTS-materiaali, riippuen käytetystä kaapelista, täytyy jäähdyttää 80 K:n lämpötilaan tai alle toimiakseen tyydyttävästi. Johtavuus paranee suprajohtavilla kaapeleilla lämpötilan laskiessa. 2kA:n kaapelin johtavuus paranee 5% yhtä Kelviniä kohden. Johteen jäähdyttäminen typen jäätymispisteen (63.3K) yläpuolelle on kannattavaa, jolloin nestetyppeä (LN2) voidaan kierrättää jäähdytysnesteenä. Tätä alemmissa lämpötiloissa voidaan käyttää jäähdytysaineena ainoastaan kalliita kaasuja, neonia ja heliumia, joten se ei ole taloudellisesti järkevää. [3] Jäähdytysjärjestelmään kuuluu nestetyppivarastoja, nesteyttimiä ja pumppuja. Nesteytinasemat sijaitsevat 5-10km välein. RTD-kaapelin sähköinen eriste on nestetypen lämpötilassa ja lämpöeriste on sähköisen eristeen ympärillä. Kaapelissa voidaan käyttää tavanomaisia eristemateriaaleja, jotka eivät toimi CD-kaapelin 77K lämpötilassa. RTD-kaapeli pystytään pienemmän massansa ansiosta jäähdyttämään

nopeammin. Kaapelissa vain lämpövuodot ja AC-häviöt joudutaan korvaamaan jäähdytyksellä. Vaiheen virta saa olla enintään 2-3 ka, sillä tätä suuremmilla virroilla eristeen metallikuoriin indusoituneet virrat nostavat kaapelin pintalämpötilan liian korkeaksi. Perinteisillä kaapeleilla virta rajoittuu 1,3 ka:in. CD-kaapelilla päästään helposti 8 ka:n virtoihin. [5] 11

12 4. VERTAILUA PERINTEISIIN KAAPELEIHIN 4.1. Teho ja häviöt Suprajohdekaapelilla pystytään siirtämään 2 6 kertainen teho verrattuna perinteiseen kaapeliin. Kokonaishäviöt mitattuna W/m vähenevät yli 60 % ja loisteho on pienempi. Esimerkiksi vaihtojännitteellä HTS-kaapelien avulla 200 MV tehon siirtämiseksi tarvitaan vain 20 kv jännitteinen kaapeli, kun perinteisellä kaapelilla jännitteen tulisi olla 90/150 kv. Tasavirralla suprajohdekaapelilla päästään vielä parempiin tuloksiin, kun 2000 MW:n siirtämiseksi riittää 50 kv jännite, kun normaalilla kaapelilla käytetään nykyään 500 kv jännitettä. Voimansiirtokapasiteetti voidaan RTD-kaapelilla, jonka eriste on huoneen lämpötilassa, kaksinkertaistaa ja kylmäeristeisellä CD-kaapelilla jopa kuusinkertaistaa. Tosin CD-kaapeliin tarvittavat vaiheita suojaavat suprajohdenauhat tekevät CDkaapelista 2-3 kertaa RTD-kaapelia kalliimman. [6] Suprajohdekaapeleissa häviöt koostuvat AC-häviöistä, lämpövuodosta eristeen läpi (vain RTD:llä), jäähdytysaineen virtauksen häviöistä ja liitoskohdissa syntyvissä häviöistä. Näiden kaikkien yhteisvaikutus on kuitenkin 25 % perinteisen kaapelin häviöistä. ([6]; [5] ) 4.2. Ongelmia Suprajohdekaapeleihin liittyvä teknologia on melko hankalaa ja kallista ja usein sen onkin vaikea kilpailla luotettaviksi miellettyjen konventionaalisten menetelmien kanssa, joita on kehitetty jo yli sadan vuoden ajan ja joilla on päästy hyvin optimoituihin kustannuksiin. Suprajohdetekniikkaan suhtaudutaankin hieman skeptisesti ja sähköyhtiöissä ja teollisuudessa ollaan varovaisia uuden teknologian käyttöön oton kanssa, kunnes se on todettu täysin luotettavaksi ja huomattavasti paremmaksi ja edullisemmaksi kuin perinteiset menetelmät. [4] Toistaiseksi HTS-johtimista on onnistuttu rakentamaan muutamien satojen metrien mittaisia kaapeleita, joten kokonaan suprajohteista siirtoverkkoa ei tulla näkemään vielä muutamaan vuoteen. AC-häviöt aiheuttavat aina lämpötilan nousua. Jos muutos normaalitilaan tapahtuu silloin, kun johteessa kulkee suuri virta, voi seurauksena olla raju lämpötilan kohoaminen, joka saattaa sulattaa johteen. Jotta suprajohdemateriaalista voidaan valmistaa kaapeli, on materiaalin oltava taipuisaa, lujaa ja yhtenäistä johdinta. Juuri sopivien valmistusmenetelmien

kehittäminen onkin yksi suurimmista haasteista uusien keraamisten suprajohteiden hyödyntämisessä. On myös hankalaa valmistaa koko kaapelin käyttöiän eli 30 40 vuotta kestävä eriste. Eristeen ei kuitenkaan tarvitse olla niin pitävä kuin LTS:sovelluksissa, joissa käytetään nesteheliumia HTS:n nestetypen sijasta. Näin voidaan lieventää eristykselle annettavia tiukkoja vaatimuksia. 13 4.3. Kustannukset Suprajohdekaapelit voitaisiin sijoittaa jo olemassa oleviin kaapelikanaviin vanhojen, perinteisten kaapelien tilalle. Näin saataisiin moninkertaistettua siirtokapasiteetti ilman huomattavia investointeja uusiin tunneleihin. Samalla siirtohäviöt pienenisivät merkittävästi.[6] Koska kriittinen virrantiheys suprajohdekaapeleissa on huomattavasti suurempi kuin perinteisesti käytetyissä kaapeleissa, voidaan suprajohdekaapelit rakentaa kompakteiksi. Tämä tarkoittaa säästöjä materiaaleissa ja tilassa. Kun myös jäähdytettävä massa pienenee, säästetään myös jäähdytyskustannuksissa. Kuitenkin karkeasti ottaen suprajohdekaapelit maksavat 3 8 kertaa enemmän kuin vastaavat ilmajohdot. Hinnat tulevat laskemaan materiaalien ja valmistustekniikoiden kehittyessä. Tällä hetkellä suprajohdekaapeleiden hintaa on vaikea arvioida, kun niitä ei vielä valmisteta massatuotantona. Nyt hinnat on asetettu melko pienien määrien perusteella. Lisäksi valmistusmenetelmiäkin on useita, joten hintojen yhteensovittaminen vertailukelpoisiksi on hankalaa. [4] 4.4. Ympäristönäkökulma Kun samoja tehomääriä voidaan siirtää pienemmillä kaapeleilla, säästetään myös tilaa. Kaupungeissa suprajohdekaapelit olisivat käteviä: Esimerkiksi Japanissa tilaa on säästettävä lähes kustannuksista riippumatta. Tämä onkin johtanut Japanissa suprajohdetekniikan innokkaaseen kehittämiseen. Myös luonnonkauniilla alueilla maisemia pilaavat avojohdot ja pylväsrakennelmat voitaisiin korvata suprajohdekaapeleilla. ([7], [6]) Lisäksi suprajohdekaapelien pintalämpötila vastaa ympäristön lämpötilaa, kun taas perinteisten kaapelien pintalämpötila voi olla jopa 90 C. Suprajohdekaapelien käyttö siis vähentää myös ympäristön lämpökuormaa. Perinteisissä kaapeleissa käytetystä öljyeristyksestä päästäisiin myös, kun siirryttäisiin suprajohdekaapeleihin. Öljyeristeisiin suurjännitekaapeleihin liittyy aina öljyvuodon riski, jolla voi olla hyvin ikävät seuraukset merenalaisen kaapelin ollessa kyseessä. [7]

14 5. YHTEENVETO Suprajohtavia voimansiirtokaapeleita ei vielä valmisteta kaupallisesti, mutta ne voivat tulevaisuudessa olla tärkeä HTS:n käyttösovellus. Työtä kuitenkin vielä riittää, jotta AChäviöt saadaan pienemmiksi ja kriittinen virrantiheys suuremmaksi. Suprajohdekaapeleita kuitenkin tarvitaan lähitulevaisuudessa, sillä nykyistä siirtokapasiteettia tulisi rajusti kasvattaa, kun väestö keskittyy edelleen kaupunkeihin asumaan. Lisäksi jos EU:n suunnittelema vapauttaa Euroopan sähköverkko vapaalle kilpailulle toteutuu, nykyinen siirtoverkon kapasiteetti ei riitä suuriin energian siirtoihin, kun sähköä halutaankin ostaa toiselta puolelta Eurooppaa. [6] Tarvitaan suuremman energiansiirtokyvyn omaavia kaapeleita. Kun suprajohdesovellusten hintakin laskee jatkuvasti uusien valmistusmenetelmien kehittämisen myötä, suprajohdekaapelit eivät välttämättä ole enää niin kaukana tulevaisuudessa. Silti niiden kaupallisen läpilyönnin ajankohtaa on vielä vaikea ennustaa.

15 6. LÄHTEET 6.1 WWW [1] http://superconductors.org/history.htm [2] http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/main_noflash.html [3] http://www.supercables.com/index.html [7] WTEC, Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany, 1997. Superconducting Power Transmission Cables Overview, [WWW] http://www.wtec.org/loyola/scpa/03_02.htm [8] http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/sa2710800/suprajohtavat_kaapelit- Maaranen.pdf 6.2 Kirjallisuus [4] Mikkonen, Risto, 2007. SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet, luentomoniste, TTY [5] Mikkonen, Risto, 2005 2006. SMG-4250 Suprajohtavuus sähköverkossa, luentomoniste, TTY [6] Mikkonen, Risto, 2001. Suprajohtavuuden hyödyntäminen sähköenergiaverkossa, Raportti 1-01, TTY 6. Kuvalähteet Kuvat 2 ja 3: http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/theory_noflash.html Kuva 4: [8] Kuvat 5-7: http://www.supercables.com/