sähköverkossa Yksikön toiminta, suprajohtavat materiaalit Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

DEE-54010 Suprajohtavuus sähköverkossa Yksikön toiminta, suprajohtavat materiaalit 1 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

The Role of Superconductivity for Power Sector 2 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation Superconductivity Highest current densities and zero DC resistance at high magnetic fields Impact on Power Applications Improved energy efficiency Application examples Loss reduction Generators 30-50 % Transformers 50-80 % Magnetic Heating ~ 50 % Magnetic Separation > 80 % HTS Current Leads 70-80 % HTS magnets > 90 % 3 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation Superconductivity Highest current densities and zero DC resistance at high magnetic fields Impact on Power Applications Improved energy efficiency Higher Power density Volume and weight Reduction Generators 30-50 % Transformers 30-50 % Cables > 50 % 4 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation Superconductivity Highest current densities and zero DC resistance at high magnetic fields Impact on Power Applications Improved energy efficiency Higher Power density New Technology Superconductivity facilities Superconducting fault current limiter Superconducting magnetic energy storage 5 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation Superconductivity Highest current densities and zero DC resistance at high magnetic fields Impact on Power Applications Improved energy efficiency Higher Power density New Technology Higher power quality Low impedance of sc power equipment High short-circuit capacity with FCL Fast compensation of disturbances with SMES 6 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation Superconductivity Highest current densities and zero DC resistance at high magnetic fields Impact on Power Applications Improved energy efficiency Higher Power density New Technology Higher power quality Environment friendly Liquid nitrogen (helium) Is used as cooling liquid + electrical insulation Easily available (nitrogen) Inflammable 7 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Motivation - Conclusions 8 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

DEE-54010 Suprajohtavuus sähköverkossa Introduction Laitoksen tutkimusperinne Historiallinen johdanto Mitä suprajohtavuus on? Suprajohtavat materiaalit Markkinat 9 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

10 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Superconductivity Research Demonstration Modeling + Experimental 11 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

SC Motor CERN 12 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

SC Magnet Projects in TUT, 1984 - LT SC Wiggler 1.st European HTS magnet for synchronous motor, synchrotron P = 1.5 kw at 20 K radiation 13 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

SC Magnet Projects in TUT, 1984 - SMES Research 5 kj HTS -SMES, T = 20 K 0.2 MJ Nb 3 Sn SMES, T = 10 K Conduction-cooled systems in UPS -application 14 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

SC Magnet Projects in TUT, 1984 - Electromagnetic characterization of Nb 3 Sn strands for ITER LTS SC separation magnet for industrial waste water purification 15 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

SHIFT Development of the construction technology of HTS magnets (SMES) (Electricité de France) SUPERPOLI The design of a 200 m 3-phase 20 kv/28 ka HTS power link (Nexans) ACROPOLIS Development of HTS tapes to minimize ac losses (FZK) SUPER3C Utilizing HTS thin films in power cables (Nexans) ALUHEAT New concept of Al induction heater (SINTEF) EuCARD Updating accelerator magnets (CERN) EU projects TUT as a partner 16 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Induction heater MgB 2 Magnetic field lines Shaft to motor Induced current Cryostat Rotation of billet HTS coil DC current Practically no losses in the conduction cooled superconducting coils Energy efficiency about 90 %, determined by the electric motor 17 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Sähkömagneetin historiaa William Sturgeon (1783-1850) 16 eristämätöntä Cu johdinkierrosta eristetyn hevosenkengän muotoisen rautatangon päällä. F = 16 x Mg Joseph Henry (1797 1878) Eristetty Cu johdin eristämättömän rautasydämen ympärillä. F = 35 x Mg 18 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Suprajohtavien magneettien esiinmarssi Kamerlingh Onnes (1853 1926) Suprajohtavuusilmiö (1911) B < 0.1 T (kriittiset suureet) John Hulm (1924 2004) A15 yhdisteet (1961) B > 10 T 19 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Woodstock, 1969 Bednorz Müller HTS! 1986 20 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Woodstock of Physics 1987: Thousands of physicists crowd a ballroom at the New York Hilton for a hastily arranged marathon session on high-temperature superconductivity. The event generates so much excitement that it is later referred to as the Woodstock of Physics. 21 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Magnet Technology in general LTS: Low Temperature Superconductor HTS: High Temperature Superconductor 22 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Superconductivity in Electric Network 23 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Superconductivity in Power Systems Common Statements * Electric utility has been operating without sc. for 100 years why now? * Is sc. reliable and maintainable? * Sc. needs some kind of cryogenic cooling. Is it suitable in power systems? * Sc. is for DC does it perform properly on AC? * Sc. is expensive. Is it economically feasible? 24 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Science of Superconductivity Solid-state Physicists Metallurgists Material Scientists Physicists Cryogenicists Engineers Why Superconductivity Exists? How shall I make a Magnet from this Superconductor? 25 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Heike Kamerling Onnes (1853-1926) Heliumin nesteytys 1908 Suprajohtavuusilmiö elohopealle 1911 Nobelin palkinto 1913 26 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Historic Notes 27 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Myth or Reality Myth: The blue boy messed up the measurement. Onnes considered the first results as a system isturbance. Reality: Gilles Holst did the measurements and Onnes made the historical notes himself. The blue boy Holst 28 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Superconductivity No resistivity! = 0 T < T c No magnetic B = 0 in sc. induction! material Meissner effect 29 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Kriittiset suureet T c B c J c 30 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Suprajohtavan käämin omaava kytkentä Kun I L I 0, kytkin 2 suljetaan di L dt 0 Magneetti on ns. kestovirtatilassa Virtajohdot voidaan irrottaa Lämpövuodot pienentyvät! 31 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Mikä siis on suprajohtava käämi? Ideaalinen induktanssi! R 0 I suuri J E L R Persistointi! W 1 2 L I 2 32 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Superconducting Materials Criterium Number Superconducting? ~ 10 000 T c > 10 K (B c > 10 T) ~ 100 J c > 1 GA/m 2 & B > 5 T ~ 10 In magnets ~ 1 Today the commercial superconductors in magnet applications are NbTi and Nb 3 Sn 34 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Practical Superconducting Materials LTS NbTi; T c ~ 10 K Nb 3 Sn; T c ~ 18 K HTS Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8+x ; T c ~ 85 K YBa 2 Cu 3 O 7-x ; T c ~ 90 K [Bi, Pb] 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x ; T c ~ 110 K MTS MgB 2 ; T c ~ 40 K 35 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Configuration of Superconducting Wires and Tapes NbTi; developed to very high level Nb 3 Sn, still potential to enhance J c Suitability for Energy Applications? Bi-2212 Bi-2223 MgB 2 36 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

NbTi Manufacturing Process 42 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Phase I of Manufacture - Mono 44 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Mono Rods 25 mm 2.5 mm 45 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Phase II of Manufacture - Multi 47 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen