Kirjoitin aiemmin haaveista tehdä suprajohtavaa sähköverkkoa.
Fingridin lehdessä [2009/1 (HVDC) Superverkko Eurooppaan?] olleen ansiokkaan artikkelin perusteella voi katsoa vertailua suprajohtavan sähköverkon asioihin.
Artikkelin mukaan ainakin 1000 km asti HVAC linjat ovat edullisempia tehdä ja ylläpitää, kuin vastaavan tehoinen HVDC yhteys. Break-even on kauempana, jos sielläkään. Kymmenien ja satojenkin kilometrien matkoilla HVAC on ehdottomasti edullisin tekniikka.
Artikkelissa mainitaan myös, että VSC tyyppisten HVDC linjojen verkkotekninen tehonsäätö vaatii runsasta reaaliaikaista dataliikennettä reunojensa välillä ja kun reunoja on paljon, tehonsäädön laskenta menee mutkikkaaksi. Merkittävä syy taitaa olla kylläkin VSC suuntaajien luonne syklokonverttereina, eikä inverttereinä.
Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid investoi vuodessa noin 100-200 miljoonaa euroa erilaisiin verkon parantamistoimiin, mm. uusiin linjoihin ja entisten päivittämiseen. Jos oletetaan 50 vuoden käyttöikä linjalle ja 100 miljoonaa euroa vuodessa investoinneiksi, kokonaisinvestoinnit tulevat olemaan luokkaa 5 miljardia euroa, jonka takaisinmaksuaikataulu on tyypillisesti alle 10 vuotta ja 40 vuotta linja antaa tuottoa (ylläpidolliset korjauskustannukset ovat melko pienet.)
Fingridin lehdessä [2009/1 (HVDC) Superverkko Eurooppaan?] olleen ansiokkaan artikkelin perusteella voi katsoa vertailua suprajohtavan sähköverkon asioihin.
Artikkelin mukaan ainakin 1000 km asti HVAC linjat ovat edullisempia tehdä ja ylläpitää, kuin vastaavan tehoinen HVDC yhteys. Break-even on kauempana, jos sielläkään. Kymmenien ja satojenkin kilometrien matkoilla HVAC on ehdottomasti edullisin tekniikka.
Artikkelissa mainitaan myös, että VSC tyyppisten HVDC linjojen verkkotekninen tehonsäätö vaatii runsasta reaaliaikaista dataliikennettä reunojensa välillä ja kun reunoja on paljon, tehonsäädön laskenta menee mutkikkaaksi. Merkittävä syy taitaa olla kylläkin VSC suuntaajien luonne syklokonverttereina, eikä inverttereinä.
Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid investoi vuodessa noin 100-200 miljoonaa euroa erilaisiin verkon parantamistoimiin, mm. uusiin linjoihin ja entisten päivittämiseen. Jos oletetaan 50 vuoden käyttöikä linjalle ja 100 miljoonaa euroa vuodessa investoinneiksi, kokonaisinvestoinnit tulevat olemaan luokkaa 5 miljardia euroa, jonka takaisinmaksuaikataulu on tyypillisesti alle 10 vuotta ja 40 vuotta linja antaa tuottoa (ylläpidolliset korjauskustannukset ovat melko pienet.)
Oletetaan että sähköasemat (106 kpl) ovat kokonaiskustannuksista noin 1/3 osa ja 14 000 kilometriä siirtolinjoja 2/3 osaa, päädytään lukuun että linjakilometri maksaisi noin 0.35-0.50 miljoonaa euroa - tai noin 5 000 euroa per km/vuosi.
Jotta sähköverkon resistiiviset häviöt olisivat motiivi lisätä rinnakkaista kaapelikapasiteettia, toteutuvan siirtomäärän resistiivisten häviöiden energiakustannuksen pitäisi olla 2-3 kertaa uuden linjan rakentamiskustannus jaettuna 10 vuoden ajanjaksolle, ottaen huomioon että kaapelin kylmänä pito maksaa sekin energiaa.
SuperGrid+nestevety = Ei onnistu
SuperGrid:ssä siirto on tasavirtaa ja se tarkoittaa tarvetta suuritehoisille DC-DC ja/tai AC-DC-AC muuntimille. Tehoelektroniikkaa tehdään nykyisin noin 90-95% hyötysuhteiseksi, kun muunnetaan sähköä muodosta toiseen. Kaksi 95% muunnosta peräkkäin antaa kokonaishyötysuhteeksi 90%, eli muunnoksen häviöt ovat 10%! Vertaa tätä nykyisen vaihtovirtajärjestelmän noin 3% kokonaishäviötasoon. Jotta hommassa on mitään mieltä, näiden muuntimien hyötysuhde pitää saada ainakin tasolle 99.75% jolloin kahden peräkkäisen muunnoksen jälkeen kokonaishyötysuhde on 99.5%. 20kV*25kA (= 500 MVA) muuntimen häviöt saavat silloin olla enintään 3.75 MW. Tämä on kuitenkin epätodennäköistä.
Tavallisesti lasketaan, että sähköverkon siirtohäviöt ovat noin 3% kokonaisvolyymistä. 10 GW volyymillä tämä tarkoittaa noin 300 MW. Tuosta ei saada SuperGridillä säästymään kaikkea, mutta arvioidaan että jos kolmannes olisi yli 20 kV tason häviöitä ja siitä kolmannes sallitaan uuden järjestelmän häviöiksi:: 33 MW. Tämä antaa ylärajan sille, paljonko jäähdytystekniikka saa kuluttaa tehoa: 33 MW/14 000 km = 2.4 kW/km. (Olettaen tietysti että tämä onnistuu yhdellä SuperGrid kaapelilla per Kantaverkon linjakilometri.)
Olen seurannut suurehkon suprajohtavan magneettijärjestelmän käyttöönottoa Sveitsissä, eikä se näytä kovin helpolta. Lisäksi koska yhdellä 20 kV DC / 25 kA kaapelilla saa kuljetettua vain 0.5 GW, tarvitaan 10 GW:n kuljettamiseen 20 rinnakkaista kaapelia joka tarkoittaa tehollisesti kantaverkkokilometrien lisääntymistä kertoimella 20, eli 14 000 km muuttuukin 280 000 kilometriksi kaapeleita.
Toki CERN:in LHC kiihdytin on erilainen laitos, kuin mitä noin 20 kV jännitteellä sähköä siirtävä tasavirtaverkko olisi, mutta kun katsoo miten paljon tuolla on ollut ongelmia kylmän ylläpidon kanssa ja erilaisissa Quench tilanteissa, ei kymmenet tuhannet kilometrit suprajohtavia kaapeleita ole mikään helppo juttu. CERNissä tavoite on "1 Quench per vuosi", eli noin 0.04 Quenchia/vuosi/kilometri.
Suomen Kantaverkon verkkokilometreissä tuo tarkoittaa joko:
- 280 000 km * 0.04 Quench / vuosi / km = 11200 Quench/vuosi = noin 31 per päivä!
- 1 Quench/vuosi / 280 000 km = 0.000 004 Quench/vuosi/km
Toinen iso este on hyvin kylmän vetynesteen tuotanto ja jakelu pitkin siirtoverkkoa - putkistoa. Ensin jossakin tuotetaan kaasua, sitten se jäähdytetään, jaellaan, pumpataan, jaellaan, muutetaan taas kaasuksi ja ehkä lopuksi vielä mitataan.
Olettaen että vetyä "poltettaessa" (polttokennolla) saadaan melkein sama energia, kuin vettä hajotettaessa vedyn tuotantoon on upotettu, häviöiksi joudutaan laskemaan kyseisen vetykaasun nesteyttämiseen tarvittava energia, sen pumppaamisen tarvitsema energia ja koskapa verkko on pidettävä kylmänä, niin lopulta vain pieni osa nestevirrasta saadaan valuttaa kuluttajille. Tilanne on hyvinkin analoginen sen kanssa, että kerrostalossa kuuman käyttöveden kanssa on koko talon läpi yltäviä silmukoita joissa kierrätetään lämmönvaihtajan kautta lämmintä vettä ilman että sitä kukaan käyttää - ihan vaan siksi että sitten kun joku sitä haluaa, käyttöpisteen läheisessä runkolinjassa on lämmintä vettä heti tarjolla.
Missä määrin verkkoa kylmänä pitävästä nestevirrasta voidaan ottaa vetyä ulos on erinomainen kysymys. Kaikkiaan verkon jäähdyttämisen energiakustannukset kilpailevat nykyisen korkeajännitteisen sähköverkon resistiivisten häviöiden muodostamien energiakustannusten kanssa.
HTS Suprajohdekaapelit nestetypellä
Nykyiset HTS suprajohdekaapelit on tavallisesti pakattu kryostaattiin joka ottaa ympäristöstä noin 1.5 kW/km (1.5 W/m) (State of the Art 2008), järjestelmärakentajilla on tavoite pienentää tuota tasolle 0.1-0.2 kW/km. Amsterdamilainen demo-järjestelmä näyttää olevan 134 kV/2.6 kA/3 vaihetta = 1054 MVA kolmivaihekaapeli jolla on pituutta 6 km. Sen pidempää ei saada jäähdytettyä kunnolla ja tuossakin linjan molemmissa päissä on 10 kW jäähdytystehoa, eli noin 3.3 kW/km. (Kaapelin päätyliitokset kuumaan maailmaamme tuovat noin 1-2kW lämpötehoa linjaan, mikä siis vastaa noin 0.3-0.6 km pitkän kryostaatin lämpövuota kaapelin kummassakin päässä.)
Tämän HTS jäähdytyksen suorituskyky on melkein kelvollinen ajatellessa tehobudjettia 2.4 kW/km.
Valitettavasti 70 Kelviniä on noin 4 kertaa helpompi jäähdytettävä, kuin 20 Kelviniä. Jos kaapelin termistä eristystä (kryostaattia) saadaan parannettua kertoimella 10, ollaan kuitenkin ihan käyttökelpoisissa lukemissa - ja ihan loistavissa, jos unohdetaan SuperGridin perusajatus käyttää ja jaella nesteytettyä vetyä ja käyttää noin 20 Kelvinin lämpötilassa suprajohtavaa materiaalia.
Muistamalla alussa mainittu kaapelikilometrien lisääntyminen kertoimella 20, jäähdytysbudjetti tiukkenee kertoimella 20 → 0.12 kW/km !
Tuplaamalla kryostaatin läpimitta (ja ympärysmitta ja lämpövuo), kryostaatin poikkipinta-ala kasvaa neliössä, eli sinne voidaan sijoittaa nelinkertainen määrä kaapeleita. Kasvattamalla kryostaatti yhden kaksinapaisen kaapelin mallista läpimitaltaan 1.5/2.0/2.5/3.0/3.5 kertaiseksi, sen sisään mahtuu 3/6/9/12/18 kappaletta kaapelipareja mutta ulkoinen lämpövuo pienenee kaapeliparia kohden 0.5/0.333/0.278/0.25/0.194 osaan. Tekemällä näistä 12 kaapeliparin versio (noin 6 GW), lämpövuo on silloin vieläkin noin 0.38 kW/km per kaapelipari. Lisäksi 6 GW kaapeli on verkon toimintavarmuuden kannalta aivan liian suuritehoinen yksittäisvikaantumispaikka.
Tarvitaan huomattavasti parempaa eristetekniikkaa, mieluiten sellaista joka ei tarvitse tyhjökammiota eristeekseen.
Kryostaatin sisärakenteille omat mielenkiintoiset ongelmansa aiheuttaa 25 kA tasavirran kulku vierekkäisissä kaapeleissa ja niiden keskinäinen veto-/työntövoima. Likiarvoistetaan johtimet äärettömän ohuiksi ja sijaitsemaan 0.1 metrin päässä toisistaan: Fm = 2* kA I2 / r → 2 * 125E6 A2 * 1E-7 N/A2 / 0.10 m = 1250 Newtonia/m. Todelliset kaapelit ovat kuitenkin lähempänä toisiaan, esimerkiksi 0.025 metriä, josta tulee noin 5.0 kN/m voima jokaista kaapelin pituusmetriä kohti.
Jos virrat ovat samaan suuntaan, voima hylkii kaapeleita toisiinsa nähden. Jos virrat ovat vastakkaisiin suuntiin, voima vetää kaapeleita toisiaan päin.
On teknisesti miellyttävämpää rakentaa kaapelinippu, jossa kaapelit kokevat keskenään lähinnä vetovoimaa, eikä rakenne pyri missään kohtaa repeämään riekaleiksi. Tiivein tällainen rakenne on neliömatriisi, jossa joka toinen johdin on plussaa ja joka toinen miinusta niin että vierekkäiset linjat kuljettavat virtaa vastakkaisiin suuntiin. Pareja täydessä putkikanavassa on 1/2/4/8/12/18/26, läpimittaa 2/3/4/6/7/8/9 yksikköä.
Jos kaapelin perusyksikköä lasketaan 25 kA virrasta 5 kA virtaan, yhden kaapelin tehonkuljetuskyky on "vain" 100 MVA, joka tarkoittaa että kaapeleita pitää olla enemmän. Toisaalta kaapelit ovat helpompia tehdä, kuljettaa, asentaa, jatkaa ja jäähdyttää. Lisäksi niiden keskinäiset Lorent-voimat ovat pienemmät.
Tekemällä kryostaatin kylmän kuoren sisälle omat jäähdytekanavat, ulkoa tuleva lämpövuo saadaan jäähdytettyä niin, että kryostaatin sisällä oleviin kaapeleihin kohdistuu erittäin pienet lämpövuot kuoresta. Tämä mahdollistaa pidemmät jäähdyteliitosvälit kaapeleille (30-50 km), kunhan kryostaattia jäähdytetään tarpeeksi lyhyin välein (10 km?)
Kokonaisjäähdytystehon tarve tuskin sittenkään pienenee, mutta hieman arvailuja:
Maahan kaivetaan 500-1000 mm läpimittainen teräsputki joka on sisältä kromattu kiiltäväksi (matala terminen emissio) ja suojataan ulkoa betonilla/muovilla. Se on kaasutiivis maakaasuputken tapaan, mutta sen sisältö pumpataan tyhjöksi. (1E-4 Bar, helppoa teollista ruuvikompressori/pumppua käyttäen.) Putken sisään rakennetaan kryostaatti joka on päällystetty ns. MLI:llä (multi-layer insulation) ja MLI:n sisällä oleva kryostaatin ulkopinta on kiiltävää.
Linjassa on noin kilometrin(?) välein kryostaatin ja kaapelien pituussuuntaisen lämpölaajenemisen puskurointirakenteet. Samoja paikkoja voidaan käyttää pitkittäisinä tyhjösulkuina, pumppauspaikkoina ja kryostaatin jäähdytteen syöttöpaikkoina. (CERNissä lämpökutistumissaumat ovat paljon tiheämmin.) Sopivalla modularisoinnilla myös sähkön ulosotto linjasta saadaan näihin samoihin moduleihin.
Yhdessä putkessa on sisällä yksi kryostaatti, jonka sisällä on useita kaapelipareja. Jos yksi suojaputki/kryostaatti vikaantuu, putken vieressä on 1-2 muutakin jotka pystyvät hoitamaan vikaantuneen kuorman.
Monikaapelisen yhdistelmän ulkopuolelleen tuottama pitkittäinen magneettikenttä kilpistyy lähinnä teräksiseen ulkoputkeen eikä tunnu merkittävänä kauemmas. Tuollaiseen 500 mm läpimittaiseen putkeen mahtunee noin 300mm läpimittainen kryostaatti, jonka sisään mahtuu 50 mm välein 16 kaapelia (8 kaapeliparia.) 1000 mm putkeen samanlaisia kaapeleita mahtuu noin 50-70 kaapeliparia.
Toinen optimointikohta on systeemin jännitteen laskenta tasolle 2 kV DC, jota voidaan muuntaa helpommalla tehoelektroniikalla. Tarvittava virta on tietysti 10 kertaa suurempi, kuin 20 kV DC:llä, mutta se ei oikeastaan ole niin iso ongelma kun kaapeleita on isoissa nippuryhmissä.
450 kV * 1.11 kA linjan siirtokapasiteetti on noin 3*500 MVA = 1500 MVA. Saman kapasiteettinen HST linja 2 kV DC:llä kuljettaa 750 kA virtaa @ 5 kA/kaapeli, joka tarkoittaa noin 150 kaapeliparia. Jännitteen korottamisella on etunsa, 20 kV DC siis saa jäädä -> 15 kaapeliparia.
Miten paljon jäähdytystä mahtaa tarvita noin 20 000 kilometriä 1000 mm putkeen asennettua kryostaattia? Entä 100 000 km 500 mm putkia? Jos jäähdytystarve saadaan laskettua tasolle 0.2 W/m, ensimmäinen tarvitsee noin 4 MW jäähdytyskapasiteettia, toinen tarvitsee noin 40 MW. Jos jäähdytystehon tarve on 1.5 W/m (nykyinen "state of the art"), niin tarvitaan noin 30 MW ensimmäiseen tapaukseen, joka on tiukoilla että se onnistuu. Lisäksi näiden kryostaattien ja kaapelien teko ja asennus on kallista puuhaa.
Ei se vaan auta vaikka olisi kuinka Hip and Cool juttu käyttää suprajohdeverkkoa sähkönsiirrossa, ei ainakaan nykyisillä eristetekniikoilla. Systeemien pääomakustannuksista puhumattakaan.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti