Tämän tarinan jatko-osa suhtautuu koko kryogeeniseen SuperGridiin epäillen.
Termi SuperGrid esiintyy kahdella merkityksellä. Euroopassa (EU:ssa) kyse on ns. perinteisestä HVDC verkosta joka kuljettaa isoja sähkötehoja korkeajännitteisten tasavirtalinkkien kautta - hyvin osattua epäseksikästä tekniikkaa jossa kysymys on lähinnä "montako rakennetaan". Tässä jutussa ei puhuta tuosta.
USA:ssa on hahmoteltu ajatusta jossa sähköverkon keskeinen runko koostuisi suprajohdekaapeleista, joita jäähdytetään nesteytetyllä vedyllä. Keskeinen ajatus on jaella nesteytetyssä muodossa vetyä ympäriinsä mm. autojen polttoaineeksi.
Tämä SuperGrid olisi tasavirtasysteemi, jossa noin 20kV jännitteellä toimitetaan tasavirtaa voimalaitoksilta käyttäjille noin 10GW teholla. (Useita rinnakkaisia 25kA kaapeleita.)
SuperGrid olisi myös 30-100 vuotta tulevaisuuteen, eikä lähimmän kymmenen vuoden juttu edes protoina. Varsinainen paikallinen jakeluverkko olisi edelleenkin noin 20kV AC systeemi ilman suprajohteita. Ainoastaan 110kV AC taso ja ylemmät korvattaisiin SuperGrid:illä.
Idean hehkuttajat katsovat suprajohtavan kaapelin käytön poistavan verkon ohmiset häviöt, mutta vastapainona saadaan AC/DC muunnosten häviöongelmat ja ylipäätään noiden muuntimien haastavuuden. Lisäksi vedyn nesteyttäminen vaatii energiaa, samoin kuin sen tuotanto.
Yllättäviä haasteita tulee näiden suprakaapelien ympärillä olevista DC-magneettikentistä. Jotta ne eivät leviäisi kovin laajalle, vastakkaissuuntaiset virrat pitää ajaa mahdollisimman lähellä toisiaan olevissa kaapeleissa.
Jos tekniikkana käytettävän peruskaapelin operatiiviseksi virraksi mitoitetaan vaikkapa 25kA, yksi kaapelipari kuljettaa noin 500MW. 10GW tarvitsee 20 kaapeliparia rinnakkain. Suomen nykyisen kantaverkon siirtokapasiteettiin tarvitaan 1-10 kaapeliparia per yhteys.
Käytännössä näiden kryokaapelien kannattaa olla ns. parikaapeleita koska saman virran pitää kulkea vastakkaisiin suuntiin ja on edullisempaa laittaa kaksi kaapelia yhden kryovaipan sisään, kuin tehdä kahdet kryovaipat. Systeemin jännite 20kV on melko pieni niin että sen tarvitsema kryogeenisessä lämpötilassa oleva sähköinen eristys on olematon verrattuna kokonaiseristyksen määrään. Arvataan tällaisen kaapelin ulkomitoiksi 100x150 milliä, alempana hahmotellun tunnelin molemmille seinille mahtuu silloin 150 millin korkeusvälein noin 25 kaapelia. Yhteensä tunneliin mahtuisi 50*500MVA = 25GW siirtokapasiteettia sijoittamalla kaapelit vain yhteen kerrokseen molemmille seinille. Tällainen duplex-kaapeli on myös helpompi kuopata maahan ihan yksittäisenä linkkinä ja vastaisi 3-vaiheista 110kV/1500A tai 400kV/420A yhteyttä.
Pitkillä yhteyksillä 3-vaihe linjan läpäisemä teho rajoittuu sen aaltoimpedanssin ansiosta, joka on noin Z=300Ohmia. Yhden linjan (vaihejohtimen) maksimi teho on silloin: P=U2/Z: 400kV = 533 MVA / 1300A, 220kV = 161 MVA / 730A, 110kV = 40 MVA / 370A, 20kV = 1.33 MVA / 66A. Laittamalla useita linjoja rinnakkain voidaan lisätä siirtokapasiteettia - toinen keino on lisätä linjaan induktiivista reaktanssia kompensoimaan linjan kapasitanssia.
Suomessa on ryhdytty sähkön jakelussa harrastamaan 400V kuluttajasähkön ja 20kV keskijänniteverkon välissä 1kV verkkoja. Toisin kuin 20kV, tuota 1kV sähköä voi kuljettaa samalla AMKA-kaapelilla kuin millä 400V kulkee. Tämä helpottaa keskijänniteverkon rakentamista. Nyt kun korkeamman jännitteen ansiosta virta on 40% jakelujännitteen tasolta ja siten ohmiset häviöt ovat vain 16% verrattuna siihen että jakelujännitettä toimitettaisiin saman runkoyhteyden matkan. 20kV:n keskijännitteellä virta on 2% jakelujännitteestä ja ohmiset linjahäviöt noin 0.04%.
Entä sitten muuntajahäviöt? SuperGrid:in ulottaminen jokaiseen niemeen ja notkoon ei todellakaan kannata. 100kV:tä pienemmille tasoille se on kyseenalaista. Joissain paikoissa on 50kV taso, mutta sen tarve on melko kyseenalainen. SuperGrid:in rakentaminen kaikkialle missä nyt on 100kV ja sitä suurempia jännitteitä on mahdollista, mutta melko hintavaa kun ympäri maata pitää tehdä Suomessakin luokkaa 20,000 km tunnelia, tai muuta maan alle kaivettua kaapelireittiä.
Kustannusten jakauma Stetson-Harrison menetelmällä:
Kokemukset CERN:in LHC kiihdyttimen suprajohdesysteemeistä eivät lupaa myöskään hyvää, mutta tasavirtajärjestelmiä on silti helpompi hallita, kuin perinteisiä korkeajännitteisiä vaihtovirtajärjestelmiä siirrettynä kryokaapeleihin. Suprajohteilla on kolme parametriä joiden ylitys aiheuttavat suprajohtavuuden menetyksen: kriittinen lämpötila, magneettikenttä ja virrantiheys. Suoralla kaapelilla magneetikentän ylitys on epätodennäköistä, mutta jäähdytyksen pettäminen on mahdollista. CERN:issä yhdessä kaapeliliitoksessa virrantiheys kasvoi pienellä alalla niin suureksi, että muutoin suprajohtavissa oloissa ollut liitos menetti osittain johtavuutensa ja virta keskittyi enemmän muihin osiin liitosta, jolloin virrantiheyden ylitysilmiö jatkui vyörynä ja kun koko liitos oli menettänyt suprajohtavuutensa, liitoksen hyvin pieni ohminen resistanssi kerrottuna systeemin virralla sulatti kaapelin. Kaikkiaan ilmiön alusta täydelliseen pelin menetykseen meni alle sekunti — 8.7kA virta aiheutti 1.0 voltin jännite-eron liitoksen yli 0.46 sekuntia ilmiön alkuhavainnosta: 8.9kW lämpöteho kaapeliliitoksessa... Alle 1 sekunti ilmiön alusta kaapeli oli jo sulanut poikki ja koko virta paloi valokaarella. Kaksi sekuntia valokaaren alusta kiehuvan heliumin paine nousi yli 20 Bariin ja kiihdyttimen kryogeeniset segmentit liikkuivat paineen takia murtaen betoniankkurinsa.
Ongelmia on silti kaikenlaisten transienttien vaikutuksista etenkin siihen, että hallintajärjestelmän pitää nopeasti tunnistaa kaapelin/liitosten muuttuminen ei-suprajohtavaan tilaan ja tehdä asialliset säädöt irrottaen vaurioitumassa olevan kaapelin ennen kuin se tekee karkuun ryöstäytyvää lämpenemistä ja polttaa itsensä / aiheuttaa kryogeenisen nesteen kiehahduksen ja sitä tietä kaapelin sisäisen räjähdysmäisen paineennousun. Cernin LHC-kiihdyttimen viimesyksyisen epäjohtavuuskatastrofin seurauksena kaikki kiihdyttimen suprajohtavat jatkokset varustetaan resistanssimittauksella joka mittaa jatkosta yhden nano-ohmin tasolla. Uudet mittarit ovatkin havainneet jo pari suprajohtavaa magneettia joiden sisällä on ollut noin 100 nano-ohmin resistanssi niiden ollessa toimintalämpötilassaan - tuottaen noin 7.6 Wattia lämpöä 8.7kA virralla, mikä on hirveä lämpökuorma 2K lämpötilassa! Toista löydettyä tapausta ei ollut vielä avattu tätä kirjoittaessani.
Suprajohdelinjan sisintä kaapelia on helpointa käyttää, jos se on eriste/suojakuorineen alle 150mm paksu ja toimitetaan isolla kelalla. Vastaavan läpimittaisia 110kV ja 400kV kaapeleita toimitetaan noin 1km pitkinä pätkinä jotka jatkoliitetään kentällä.
Ensimmäinen vaihtoehto on tehdä kaapeli jossa kuparinen tukimatriisi (kryojäähdytettä kuljettava putki) on alimittainen tilanteessa jossa suprajohdejatkoksen johtavuus muuttuu normaaliin tilaan. CERNin oppien mukaan tästä seuraa radikaaleja ikävyyksiä.
Toinen vaihtoehto on tehdä massiivikaapeli, jossa voi kuljettaa 25kA virtaa ohmisestikin ja josta pieni osa on suprajohdetta joka kykenee kuljettamaan saman virran ilman häviöitä. MMJ Cu kaapelilla pidetään sääntönä noin 6A/mm2: 25kA tarvitsee noin 4200mm2 kuparia - toisaalta koska kyseessä on hätätilanteen virtakuljetusmedia, voitaneen käyttää isompaa virtatiheyttä ja siten ohuempaa kuparia: 20A/mm2 mahdollistaa saman 1250mm2 kaapelilla → läpimitaltaan 40mm umpinaisella kuparilla. Sama poikkipinta putkena jota pitkin ajetaan nesteytettyä vetyä ja jossa on suprajohtavasta materiaalista tehty ulkokerros on tietysti isompi.. ja saattaa hyvinkin merkitä kaapelin ulkoiseksi mitaksi luokkaa 250-400 milliä. Siis kuin kaukolämpöverkon putkilinja, ei sellaista toimiteta kelalta, vaan pitkinä suorina pätkinä — ainakin ulkokuorta, ehkä sisin kaapeli on vielä toimitettavissa kelalla, mutta eristekuori on jo liian paksua — 4200mm2 poikkipinta-ala kuparia tulee joko hyvin paksuseinäisellä putkella (86/50mm, 19mm seinämä), tai isolla "ohutseinämäisemmällä" putkella (229/217 milliä, 6mm seinämä.) Kumpaakaan ei oikein voi toimittaa kelalla.
Suurehkoläpimittainen kupariputki on melko yksinkertaista tekniikkaa, kuin tekisi kaukolämpöputkia. Ongelmia on sitten suprajohtavan kerroksen jatkoksen rakentamisessa kenttäoloissa, samoin kuin kryogeenisten eristysten rakentamisessa, nestevedyn ulkopuolella kun on lämpöeristettä ja sen ulkopuolella nestetyppeä ja lisää eristeitä. Lisäksi kupariputken liitosten pitäisi olla tiivis korkeapaineiselle vetykaasulle.
Tällaisen linjan tekeminen on kallista ja ongelmana on nimenomaan lyhyenkin linjasegmentin tuhansien suprajohtavien liitosten jatkuvuuden verifiointi lämpötilassa joka on noin 250 Kelviniä korkeampi kuin toimintalämpötila. American Superconductor:in "344C" (YBaCuO alias "YBCO") lanka sietää 77K (nestetypen) lämpötilassa 90A virran 4.55 mm leveässä litteässä "langassa" (noin 90A/mm2). 229 mm läpimittaisen putken pinnalle mahtuu 158 lankaa joka kestää 14.2kA virran. Tarvitaan tuplasti laajempi pinta joka kestää 25kA, tai sitten tätä lankaa kahdessa kerroksessa. Magnesium-diboridi (MgB2) pienellä hiili-douppauksella 15K(*) lämpötilassa on kriittiseltä virraltaan yli 1000A/mm2 joka on yli 10 kertaa "YBCO" suprajohteisiin verrattuna. Lisäksi MgB2 on verrattain halpaa ainetta tehdä. Kriittinen virtatiheys mahtuisi "334C"-johteen kaltaisena helposti 50mm läpimittaisen putken ympärille, tosin sitten kuparin virtatiheyden pitää olla korkeampi että kyseessä olisi ylipäätään putki... (*: pikainen Arxiv.org selaus löysi MgB2:n ominaisuuksien mittauksia 5K ja 15K lämpötilassa, ei 20K. Tämä 1kA/mm2 kriittinen virta on arvioitu konservatiivisesti edellisistä; myöhempi selailu löysi 20K lämpötilassa 1kA/mm2 olevan saavutettavissa kahden Teslan (2T) magneettikentässä - jonka pitäisi riittää suorilla linjoilla.)
Edellä mainittu 77K lämpötila on paljon helpompi ylläpitää, kuin nestevedyn 20K, mutta se on tietysti keskitetystä vetytuotannosta haaveilevien unelmien pettymys. "Kaapelin" mekaanista jämeryyttä se ei tietenkään poista ja siitä seuraavia vaikeuksia asennuksessa.
Insinöörityötä tarvitsee mm. löytää keino, jolla "MgB2" suprajohteesta ja sitä tukevasta kupariputkesta saadaan kenttäasennuksessa taivuteltavissa oleva rakenne. Umpinainen metalli ei oikein ole hyvä ja ongelmia on erityisesti jatkoliitosten alueella.
Mitä tehdä tuolla kryogeenisen kylmällä vedyllä?
Kaapelien pito kylmänä edellyttää kryogeenisen kylmää nestevirtausta, eli sitä on ajettava jatkuvasti ja melkoisella paineella pitkin verkkoa. Ehkä kaapeli koostuisi kahdesta kryogeenisesta vyöhykkeestä, ulompana nestetypen lämpötila ja sisempänä nestevedyn. Lopputavoite olisi kuitenkin jaella vetyä käyttökohteisiin, kuten tankkausasemille ja ehkä jopa käyttökohteisiin jossa sitä joko poltettaisiin hapen kanssa lämpöä tuottaen, tai ajettaisiin polttokennoon jonka toisena osapuolena olisi ilman happi. Nestevedyllä, kuten vedelläkin, on suurin ominaislämpökapasiteetti nesteen höyrystyessä, joten parhaiten systeemi jäähdyttää ollen neste+kaasu seos, tai siis annettaessa nesteen höyrystyä matkallaan.
Kuinka paljon kryogeenisesta nestevirrasta päästään vuotamaan käyttökohteisiin ja kuinka paljon pitää kierrättää ympäriinsä pitämässä kylmyyttä yllä? Hyvä kysymys, mutta siihen ei löydy helppoa vastausta. Jos jäähdytettä kierrätetään silmukassa samaan tapaan kuin taloissa keskuslämmitystä, paluusuunnassa pitää olla riittävä virtaus että senkin jäähdytys tapahtuu riittävällä teholla. Toinen vaihtoehto on, että paluusuunta on vain eristetty ylimääräisen jäähdytteen paluuputki, ei suprajohtava kaapeli. Tässä ollaan tietysti pulmassa että kryogeenisesti eristetty paluuputki on yhtä kallis kuin suprajohdekaapeli.
Termi SuperGrid esiintyy kahdella merkityksellä. Euroopassa (EU:ssa) kyse on ns. perinteisestä HVDC verkosta joka kuljettaa isoja sähkötehoja korkeajännitteisten tasavirtalinkkien kautta - hyvin osattua epäseksikästä tekniikkaa jossa kysymys on lähinnä "montako rakennetaan". Tässä jutussa ei puhuta tuosta.
USA:ssa on hahmoteltu ajatusta jossa sähköverkon keskeinen runko koostuisi suprajohdekaapeleista, joita jäähdytetään nesteytetyllä vedyllä. Keskeinen ajatus on jaella nesteytetyssä muodossa vetyä ympäriinsä mm. autojen polttoaineeksi.
Tämä SuperGrid olisi tasavirtasysteemi, jossa noin 20kV jännitteellä toimitetaan tasavirtaa voimalaitoksilta käyttäjille noin 10GW teholla. (Useita rinnakkaisia 25kA kaapeleita.)
SuperGrid olisi myös 30-100 vuotta tulevaisuuteen, eikä lähimmän kymmenen vuoden juttu edes protoina. Varsinainen paikallinen jakeluverkko olisi edelleenkin noin 20kV AC systeemi ilman suprajohteita. Ainoastaan 110kV AC taso ja ylemmät korvattaisiin SuperGrid:illä.
Idean hehkuttajat katsovat suprajohtavan kaapelin käytön poistavan verkon ohmiset häviöt, mutta vastapainona saadaan AC/DC muunnosten häviöongelmat ja ylipäätään noiden muuntimien haastavuuden. Lisäksi vedyn nesteyttäminen vaatii energiaa, samoin kuin sen tuotanto.
Yllättäviä haasteita tulee näiden suprakaapelien ympärillä olevista DC-magneettikentistä. Jotta ne eivät leviäisi kovin laajalle, vastakkaissuuntaiset virrat pitää ajaa mahdollisimman lähellä toisiaan olevissa kaapeleissa.
Jos tekniikkana käytettävän peruskaapelin operatiiviseksi virraksi mitoitetaan vaikkapa 25kA, yksi kaapelipari kuljettaa noin 500MW. 10GW tarvitsee 20 kaapeliparia rinnakkain. Suomen nykyisen kantaverkon siirtokapasiteettiin tarvitaan 1-10 kaapeliparia per yhteys.
Käytännössä näiden kryokaapelien kannattaa olla ns. parikaapeleita koska saman virran pitää kulkea vastakkaisiin suuntiin ja on edullisempaa laittaa kaksi kaapelia yhden kryovaipan sisään, kuin tehdä kahdet kryovaipat. Systeemin jännite 20kV on melko pieni niin että sen tarvitsema kryogeenisessä lämpötilassa oleva sähköinen eristys on olematon verrattuna kokonaiseristyksen määrään. Arvataan tällaisen kaapelin ulkomitoiksi 100x150 milliä, alempana hahmotellun tunnelin molemmille seinille mahtuu silloin 150 millin korkeusvälein noin 25 kaapelia. Yhteensä tunneliin mahtuisi 50*500MVA = 25GW siirtokapasiteettia sijoittamalla kaapelit vain yhteen kerrokseen molemmille seinille. Tällainen duplex-kaapeli on myös helpompi kuopata maahan ihan yksittäisenä linkkinä ja vastaisi 3-vaiheista 110kV/1500A tai 400kV/420A yhteyttä.
Pitkillä yhteyksillä 3-vaihe linjan läpäisemä teho rajoittuu sen aaltoimpedanssin ansiosta, joka on noin Z=300Ohmia. Yhden linjan (vaihejohtimen) maksimi teho on silloin: P=U2/Z: 400kV = 533 MVA / 1300A, 220kV = 161 MVA / 730A, 110kV = 40 MVA / 370A, 20kV = 1.33 MVA / 66A. Laittamalla useita linjoja rinnakkain voidaan lisätä siirtokapasiteettia - toinen keino on lisätä linjaan induktiivista reaktanssia kompensoimaan linjan kapasitanssia.
Suomessa on ryhdytty sähkön jakelussa harrastamaan 400V kuluttajasähkön ja 20kV keskijänniteverkon välissä 1kV verkkoja. Toisin kuin 20kV, tuota 1kV sähköä voi kuljettaa samalla AMKA-kaapelilla kuin millä 400V kulkee. Tämä helpottaa keskijänniteverkon rakentamista. Nyt kun korkeamman jännitteen ansiosta virta on 40% jakelujännitteen tasolta ja siten ohmiset häviöt ovat vain 16% verrattuna siihen että jakelujännitettä toimitettaisiin saman runkoyhteyden matkan. 20kV:n keskijännitteellä virta on 2% jakelujännitteestä ja ohmiset linjahäviöt noin 0.04%.
Entä sitten muuntajahäviöt? SuperGrid:in ulottaminen jokaiseen niemeen ja notkoon ei todellakaan kannata. 100kV:tä pienemmille tasoille se on kyseenalaista. Joissain paikoissa on 50kV taso, mutta sen tarve on melko kyseenalainen. SuperGrid:in rakentaminen kaikkialle missä nyt on 100kV ja sitä suurempia jännitteitä on mahdollista, mutta melko hintavaa kun ympäri maata pitää tehdä Suomessakin luokkaa 20,000 km tunnelia, tai muuta maan alle kaivettua kaapelireittiä.
Kustannusten jakauma Stetson-Harrison menetelmällä:
- 5% kaapelit ja kryogeniikka
- 5% DC/AC muunninasemat
- 90% kaapelitunnelit ja vastaavat
Kokemukset CERN:in LHC kiihdyttimen suprajohdesysteemeistä eivät lupaa myöskään hyvää, mutta tasavirtajärjestelmiä on silti helpompi hallita, kuin perinteisiä korkeajännitteisiä vaihtovirtajärjestelmiä siirrettynä kryokaapeleihin. Suprajohteilla on kolme parametriä joiden ylitys aiheuttavat suprajohtavuuden menetyksen: kriittinen lämpötila, magneettikenttä ja virrantiheys. Suoralla kaapelilla magneetikentän ylitys on epätodennäköistä, mutta jäähdytyksen pettäminen on mahdollista. CERN:issä yhdessä kaapeliliitoksessa virrantiheys kasvoi pienellä alalla niin suureksi, että muutoin suprajohtavissa oloissa ollut liitos menetti osittain johtavuutensa ja virta keskittyi enemmän muihin osiin liitosta, jolloin virrantiheyden ylitysilmiö jatkui vyörynä ja kun koko liitos oli menettänyt suprajohtavuutensa, liitoksen hyvin pieni ohminen resistanssi kerrottuna systeemin virralla sulatti kaapelin. Kaikkiaan ilmiön alusta täydelliseen pelin menetykseen meni alle sekunti — 8.7kA virta aiheutti 1.0 voltin jännite-eron liitoksen yli 0.46 sekuntia ilmiön alkuhavainnosta: 8.9kW lämpöteho kaapeliliitoksessa... Alle 1 sekunti ilmiön alusta kaapeli oli jo sulanut poikki ja koko virta paloi valokaarella. Kaksi sekuntia valokaaren alusta kiehuvan heliumin paine nousi yli 20 Bariin ja kiihdyttimen kryogeeniset segmentit liikkuivat paineen takia murtaen betoniankkurinsa.
Ongelmia on silti kaikenlaisten transienttien vaikutuksista etenkin siihen, että hallintajärjestelmän pitää nopeasti tunnistaa kaapelin/liitosten muuttuminen ei-suprajohtavaan tilaan ja tehdä asialliset säädöt irrottaen vaurioitumassa olevan kaapelin ennen kuin se tekee karkuun ryöstäytyvää lämpenemistä ja polttaa itsensä / aiheuttaa kryogeenisen nesteen kiehahduksen ja sitä tietä kaapelin sisäisen räjähdysmäisen paineennousun. Cernin LHC-kiihdyttimen viimesyksyisen epäjohtavuuskatastrofin seurauksena kaikki kiihdyttimen suprajohtavat jatkokset varustetaan resistanssimittauksella joka mittaa jatkosta yhden nano-ohmin tasolla. Uudet mittarit ovatkin havainneet jo pari suprajohtavaa magneettia joiden sisällä on ollut noin 100 nano-ohmin resistanssi niiden ollessa toimintalämpötilassaan - tuottaen noin 7.6 Wattia lämpöä 8.7kA virralla, mikä on hirveä lämpökuorma 2K lämpötilassa! Toista löydettyä tapausta ei ollut vielä avattu tätä kirjoittaessani.
Suprajohdelinjan sisintä kaapelia on helpointa käyttää, jos se on eriste/suojakuorineen alle 150mm paksu ja toimitetaan isolla kelalla. Vastaavan läpimittaisia 110kV ja 400kV kaapeleita toimitetaan noin 1km pitkinä pätkinä jotka jatkoliitetään kentällä.
Ensimmäinen vaihtoehto on tehdä kaapeli jossa kuparinen tukimatriisi (kryojäähdytettä kuljettava putki) on alimittainen tilanteessa jossa suprajohdejatkoksen johtavuus muuttuu normaaliin tilaan. CERNin oppien mukaan tästä seuraa radikaaleja ikävyyksiä.
Toinen vaihtoehto on tehdä massiivikaapeli, jossa voi kuljettaa 25kA virtaa ohmisestikin ja josta pieni osa on suprajohdetta joka kykenee kuljettamaan saman virran ilman häviöitä. MMJ Cu kaapelilla pidetään sääntönä noin 6A/mm2: 25kA tarvitsee noin 4200mm2 kuparia - toisaalta koska kyseessä on hätätilanteen virtakuljetusmedia, voitaneen käyttää isompaa virtatiheyttä ja siten ohuempaa kuparia: 20A/mm2 mahdollistaa saman 1250mm2 kaapelilla → läpimitaltaan 40mm umpinaisella kuparilla. Sama poikkipinta putkena jota pitkin ajetaan nesteytettyä vetyä ja jossa on suprajohtavasta materiaalista tehty ulkokerros on tietysti isompi.. ja saattaa hyvinkin merkitä kaapelin ulkoiseksi mitaksi luokkaa 250-400 milliä. Siis kuin kaukolämpöverkon putkilinja, ei sellaista toimiteta kelalta, vaan pitkinä suorina pätkinä — ainakin ulkokuorta, ehkä sisin kaapeli on vielä toimitettavissa kelalla, mutta eristekuori on jo liian paksua — 4200mm2 poikkipinta-ala kuparia tulee joko hyvin paksuseinäisellä putkella (86/50mm, 19mm seinämä), tai isolla "ohutseinämäisemmällä" putkella (229/217 milliä, 6mm seinämä.) Kumpaakaan ei oikein voi toimittaa kelalla.
Suurehkoläpimittainen kupariputki on melko yksinkertaista tekniikkaa, kuin tekisi kaukolämpöputkia. Ongelmia on sitten suprajohtavan kerroksen jatkoksen rakentamisessa kenttäoloissa, samoin kuin kryogeenisten eristysten rakentamisessa, nestevedyn ulkopuolella kun on lämpöeristettä ja sen ulkopuolella nestetyppeä ja lisää eristeitä. Lisäksi kupariputken liitosten pitäisi olla tiivis korkeapaineiselle vetykaasulle.
Tällaisen linjan tekeminen on kallista ja ongelmana on nimenomaan lyhyenkin linjasegmentin tuhansien suprajohtavien liitosten jatkuvuuden verifiointi lämpötilassa joka on noin 250 Kelviniä korkeampi kuin toimintalämpötila. American Superconductor:in "344C" (YBaCuO alias "YBCO") lanka sietää 77K (nestetypen) lämpötilassa 90A virran 4.55 mm leveässä litteässä "langassa" (noin 90A/mm2). 229 mm läpimittaisen putken pinnalle mahtuu 158 lankaa joka kestää 14.2kA virran. Tarvitaan tuplasti laajempi pinta joka kestää 25kA, tai sitten tätä lankaa kahdessa kerroksessa. Magnesium-diboridi (MgB2) pienellä hiili-douppauksella 15K(*) lämpötilassa on kriittiseltä virraltaan yli 1000A/mm2 joka on yli 10 kertaa "YBCO" suprajohteisiin verrattuna. Lisäksi MgB2 on verrattain halpaa ainetta tehdä. Kriittinen virtatiheys mahtuisi "334C"-johteen kaltaisena helposti 50mm läpimittaisen putken ympärille, tosin sitten kuparin virtatiheyden pitää olla korkeampi että kyseessä olisi ylipäätään putki... (*: pikainen Arxiv.org selaus löysi MgB2:n ominaisuuksien mittauksia 5K ja 15K lämpötilassa, ei 20K. Tämä 1kA/mm2 kriittinen virta on arvioitu konservatiivisesti edellisistä; myöhempi selailu löysi 20K lämpötilassa 1kA/mm2 olevan saavutettavissa kahden Teslan (2T) magneettikentässä - jonka pitäisi riittää suorilla linjoilla.)
Edellä mainittu 77K lämpötila on paljon helpompi ylläpitää, kuin nestevedyn 20K, mutta se on tietysti keskitetystä vetytuotannosta haaveilevien unelmien pettymys. "Kaapelin" mekaanista jämeryyttä se ei tietenkään poista ja siitä seuraavia vaikeuksia asennuksessa.
Insinöörityötä tarvitsee mm. löytää keino, jolla "MgB2" suprajohteesta ja sitä tukevasta kupariputkesta saadaan kenttäasennuksessa taivuteltavissa oleva rakenne. Umpinainen metalli ei oikein ole hyvä ja ongelmia on erityisesti jatkoliitosten alueella.
Mitä tehdä tuolla kryogeenisen kylmällä vedyllä?
Kaapelien pito kylmänä edellyttää kryogeenisen kylmää nestevirtausta, eli sitä on ajettava jatkuvasti ja melkoisella paineella pitkin verkkoa. Ehkä kaapeli koostuisi kahdesta kryogeenisesta vyöhykkeestä, ulompana nestetypen lämpötila ja sisempänä nestevedyn. Lopputavoite olisi kuitenkin jaella vetyä käyttökohteisiin, kuten tankkausasemille ja ehkä jopa käyttökohteisiin jossa sitä joko poltettaisiin hapen kanssa lämpöä tuottaen, tai ajettaisiin polttokennoon jonka toisena osapuolena olisi ilman happi. Nestevedyllä, kuten vedelläkin, on suurin ominaislämpökapasiteetti nesteen höyrystyessä, joten parhaiten systeemi jäähdyttää ollen neste+kaasu seos, tai siis annettaessa nesteen höyrystyä matkallaan.
Kuinka paljon kryogeenisesta nestevirrasta päästään vuotamaan käyttökohteisiin ja kuinka paljon pitää kierrättää ympäriinsä pitämässä kylmyyttä yllä? Hyvä kysymys, mutta siihen ei löydy helppoa vastausta. Jos jäähdytettä kierrätetään silmukassa samaan tapaan kuin taloissa keskuslämmitystä, paluusuunnassa pitää olla riittävä virtaus että senkin jäähdytys tapahtuu riittävällä teholla. Toinen vaihtoehto on, että paluusuunta on vain eristetty ylimääräisen jäähdytteen paluuputki, ei suprajohtava kaapeli. Tässä ollaan tietysti pulmassa että kryogeenisesti eristetty paluuputki on yhtä kallis kuin suprajohdekaapeli.
- MIT TechReview: Europe Backs Supergrids (Joulukuu 2008), englanniksi
- Airtricity Supergrid esitys, englanniksi
- Superconducting SuperGrid workshops, (2002, 2004) University of Illinoi at Urbana-Campaign
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti