Kryogeeninen SuperGrid - miksi se tuskin toteutuu

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.)

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

Jälkimmäinen vaihtoehto tarkoittaa Quencien harventumista CERNin tavoitetasosta kertoimella 11200, joka tuntuu melkoiselta haasteelta!  Toisaalta ongelmana olisi vain tuo reilun neljännesmiljoonan kaapelikilometrin pitäminen kylmänä ja muutaman miljoonan suorajohtavan liitoksen laatu, eikä erilaiset kiihdyttimen toimintaan liittyvät hiukkassäteilyilmiöt, jotka heittelevät lämpöpiikkejä suprajohtaviin osiin.

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: F_m = 2* k_A 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.

Ilmanlaadun parannusta Kiinalaisittain

Mitä tekee tuo maailman toiseksi väkirikkain valtio, kun se ihan oikeasti haluaa saada parannettua ilmanlaatua?

• Kieltää 2-tahti moottorilliset laitteet
• Suosii sähköskoottereita tarjoamalla niille latauspaikkoja
• Rakentaa runsaasti vesivoimaa
• Rakentaa sähkönjakelun infrastruktuuria

"Kolmen rotkon pato" tuottaa kuumimman kesäkauden aikana 10-15 GW tehoa, josta 3000 MW tuodaan Shanghaihin maailman pisimpiin kuuluvalla 500 kV tasavirtalinkillä.

Vaikka kolmen rotkon pato ei enää tuotakaan kuin 3-4% Kiinan sähkönkulutuksesta aiemmin suunnitellun 10% asemesta kasvaneen kulutuksen takia, merkitsee 15 GW tuotanto kuuman kesäkauden aikana kuitenkin sitä, ettei ole tarve ajaa ihan niin montaa hiililauhdevoimalaa, kuin ilman sitä. Hiililauhdevoimalat toimivat kesäkuumalla myös huonommin, kun niiden "kylmässä päässä" lämpötila on +40C.

Itse asiassa Shanghain seudun pahaksi mainostettu Smog ei ollut ollenkaan paha keskellä heinäkuuta 2009.

Kaupungeissa kansa liikkui paljon sähköskoottereilla ja niille on myös tarjolla pysäköinti- ja latauspaikkoja useimpien työpaikkojen äärellä. Skootterin hinta on 1500-4500 Yuania, siis 150-470 euroa.

Seudulla matkustellessa olikin mielenkiintoista nähdä, miten junat olivat etupäässä sähkövetoisia ja nopeita! 150 km matka maksoi 31 Yuania business-luokassa. Kakkosluokan lippu oli 26 Yuania. (Eli noin 3.2 ja 2.7 euroa.) Junat tuntuivat myös kotimaisiin nähden leveämmiltä ja jalkatilaa oli runsaammin! (Tähän liittyy matkatavaroiden pito jalkatilassa, eikä hyllyllä.) Samoin junat olivat ilmastoituja ja tiedotetekstit pyörivät sekä Kiinaksi, että Englanniksi.

Kiinan seikkailullaan Insinörtti tietysti vilustui: Shanghain metrossa, jossa ilmastointi puhalsi +20C kylmää ilmaa ulkolämpötilan ollessa +40C...

HVDC Supergrid

Kirjoitin suprajohtavin kaapelein tehdystä SuperGrid verkkohaaveesta aiemmin.

Tämä nykyisin osattu ja siksi niin kovin epäseksikäs HVDC tekniikkaan perustuva systeemi on hieman erilaista. EU:ssa on kuitenkin juurikin tätä HVDC tekniikkaa pitkillä yhteyksillä. (Periaatteessa koko tuo keskinen manner-eurooppa on samaa taajuussäätöaluetta, mutta se koostuu silti useista erillisistä saarekkeista joita ei ole aivan pakko ajaa yhdessä.)

Teknisiä vaihtoehtoja on pari:

• Line Commutated Converter High Voltage Direct Current
• Voltage Sourced Converter HVDC

LCC-HVDC on näistä vanhempaa tekniikkaa, mutta sen toteuttamiseen tarvittavat tyristorikytkimet ovat hyvin hallussa ja AC/DC muuntoaseman häviöt ovat luokkaa 0.8% per asema. Tekniikka kaipaa myös synkronointia ja ohjausparametreja siirtämään jatkuvan tiedonsiirtoyhteyden linkin päiden välillä.

VSC-HVDC on uudempaa, IGBT transistoreja käyttävää tekniikkaa ja mm. suuremman kytkentätaajuuden takia siinä on LCC:tä suuremmat häviöt: noin 2.0% per asema. Tämä ei tarvitse jatkuvaa tiedonsiirtoyhteyttä linkin päiden välillä, vaan tulee toimeen ilmankin. Lisäksi VSC kykenee syöttämään tehoa jopa pimeään verkkoon, mihin LCC ei pysty.

Suomella on kolme tasasähköyhteyttä:

1. Fenno-Skan (Rauma-Forsmark) LCC-HVDC n. 550 MW, 400 kV
   
2. Estlink VSC-HVDC, 350 MW, 150 kV
   
3. Viipuri LCC-HVDC, 4x 350 MW, 85 kV

Työn alla on Fenno-Skan-2, joka on 800 MW 500 kV järjestelmä.


Miksi pitkiä yhteyksiä kannattaa tehdä tasavirralla, eikä vaihtovirralla?

Tähän on syynä linjassa kulkevan vaihtovirran reagointi ympäristön ja kaapelin ominaisuuksien kanssa.

Tämä reagointi on pitkittäisen kaapelin ominaisinduktanssin ja kaapelista sen naapureihin/ympäristöön olevien kapasitanssien vaikutusta. Kun suurjännitteisen vaihtovirran jännite muuttuu, kaapelin ja ympäristön välisen kapasitanssin sisältämä energia muuttuu. Tämä energiamuutos pitää syöttää jostakin ja se tunnetaan nimellä loisteho.

Loistehoa voidaan kompensoida sopivasti mitoitetuilla keloilla ja kondensaattoreilla (vaihtovirtatekniikassa termi: reaktanssi → laitenimi reaktori), jotka ovat resonanssissa 50 hertsillä linjan ominaiskapasitanssin kanssa. Käytännössä näitä kompensointisysteemejä tarvitaan vaihtosähköä siirtävillä meri- ja maakaapeleilla 50-70 km välein ja avolinjoilla 500-1000 km välein.

LCC-HVDC muuntoasema tuottaa yliaaltoja ja syö loistehoa noin puolet pätötehostaan, mutta onneksi molempia voidaan kompensoida erittäin korkealla hyötysuhteella tekemällä oikean kokoiset kelat ja kondensaattorit ilman että sitä energiaa pitää oikeasti tuottaa - pelkästään siirtää sitä hiukan ajallisesti.

Siinä missä vaihtovirtaverkko rajoittuu osittain linjaimpedanssin Z (noin 300 ohmia) ja jännitteen ansiosta: P = U²/Z, tasavirtalinkin ainoa rajoitus on linjan ohminen resistanssi. Puhutaankin termisestä rajasta: kuinka paljon systeemikomponenttien resistanssit saavat muuttaa virtaa lämmöksi. Tavallisesti rajoittava osa ei ole kaapeli, vaan linjan päissä olevat muuntimet.

Pääsääntönä voi pitää että kaikki isotehoiset merikaapelit ovat HVDC:tä. Muutamia poikkeuksiakin on: 130 kV AC linkki Ruotsista Ahvenanmaalle - se myös kenkkuilee kerran tai pari viikossa.

Jos Suomeen halutaan 2000 MW tuulivoimaa, joka tarkoittaa 30% optimistisella tehokkuuskertoimella joko että siitä saadaan noin 600 MW sähköä, tai että voimaloita pitää olla noin 6700 MW verran...

Huipputuulella (myrskyllä) systeemistä saadaan ulos 5000-6000 MW verran ja jos kaikki säätökelpoinen vesivoima on tuossa vaiheessa jo suljettu ja kulutusta ei ole riittävästi, silloin pitää joko alkaa sulkea tuulimyllyjä (eihän se käy!) tai sitten siirtää tehoa muualle, jossa on toivottavasti lisää suljettavissa olevaa säätövoimaa. Toisaalta viimeisen noin 10 vuoden aikana huippukuormatunnin aikana tuulituotantoa on ollut 4-40% asennetusta kapasiteetista — nykyinen muutama kymmenen MW asennettua kapasiteettia on käytännössä myös merkityksetön minkään kuorman palvelemiseksi.

Fenno-Skan ja Estlink -tyyppisiä yhteyksiä pitäisi olla ainakin 10 kertaa nykyinen määrä jotta tuulivoimaa saa laitettua verkkoon kaivattuja määriä vähemmin verkkostabiiliuden riskein. Niille tietysti kaveriksi järeitä pumppuvoimaloita. Suomen ja muidenkin maiden sisäisiä verkkoja pitää järeyttää että tällaiset isot ulkoiset siirtolinkit voivat ylipäätään toimia.

• https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/s-18.3200/luennot Sähkönsiirtojärjestelmät 1
• https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/s-18.3201/luennot Sähkönsiirtojärjestelmät 2

Sähköverkoksi kryogeeninen SuperGrid?

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:

• 5% kaapelit ja kryogeniikka
• 5% DC/AC muunninasemat
• 90% kaapelitunnelit ja vastaavat

Tunnelien teko on ehdottomasti kalleinta sen suuren työvoimavaltaisuuden vuoksi. Savimaahan vielä upottaa betonista tehtyjä tunnelielementtejä, mutta hinta kohoaa heti kun kalliota pitää alkaa louhia. Jokien alitukset/ylitykset pitää tehdä joko silloilla, tai tunneleilla. Tunnelissa tulee kyetä kulkemaan normaalikokoisella huoltoajoneuvolla ja sen katon pitää olla 2-3 metriä syvällä pintamaan alla. Käytännössä tunnelielementti on noin 6 metriä leveä, noin 5 metriä korkea ja noin 3 metriä pitkä betoninen suorakaideputki seinämävahvuuden ollessa 15-20 senttiä. Näin molemmille seinille saadaan korkeussuunnassa noin 4 metriä tilaa asentaa kaapeleita ja vielä mahtuu tekemään huoltoja. Tunneliputkien pitää olla vesitiiviitä ja/tai varustettu vedenpoistoin missä tarpeen. Teoriassa kaapeleita voisi kuopata pieneen betonikouruun kuten nyt tehdään 110kV ja 400kV kaapeleilla. Kaapeleita pitää kuitenkin jatkaa asennusoloissa, sillä mielivaltaisen pitkää kaapelia ei saa kuljetettua tehtaalta asennnuspaikalle. Mitä harvemmassa jatkoksia on, sitä parempi asennettu kaapeli on. Vaikka kaapelit olisivatkin maatäytteisessä betonikourussa, jatkosten pitää olla huollon tavoitettavissa.

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