I superconduttori rappresentano uno dei fenomeni più significativi della fisica delle materie condensate: materiali che, quando raffreddati sotto una specifica temperatura critica, conducono l'elettricità con una resistenza elettrica esattamente zero. Questa straordinaria proprietà, unita alla capacità di espellere i campi magnetici, apre un percorso a sistemi di trasmissione di energia fondamentalmente più efficienti. In un'epoca di crescenti esigenze energetiche e obiettivi climatici urgenti, il potenziale per i superconduttori di eliminare le perdite resistive nelle reti elettriche promette di ridurre i costi operativi, riducendo i costi di distanza.

La scoperta e i fondamenti della superconduttività

La storia della superconduttività inizia nel 1911, quando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, poco dopo aver liquefatto l'elio, misurava la resistenza elettrica del mercurio solido.

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Proprietà elettriche dei superconduttori in dettaglio

Resistenza elettrica zero

In conduttori ordinari come rame o alluminio, gli elettroni disperdono impurità, vibrazioni reticolari (fonini), e altre imperfezioni, dissipando energia come calore. Questa dissipazione è la causa principale delle perdite di trasmissione che possono rappresentare 5-10 % dell'elettricità generata.

Diamagnetismo perfetto e l'effetto Meissner

Quando un materiale passa allo stato superconduttore, espando attivamente qualsiasi campo magnetico esterno dal suo interno (fornito che la resistenza del campo è sotto Hc]]). Questo non è semplicemente il risultato di zero resistenza; è una transizione di fase termodinamica. L'effetto Meisner rende un superconduttore magnetico un diamagnete perfetto: respinge le linee di campo e può levitare un trasporto permanente.

Tipo I e Type II Superconduttori

I campi di corrente magnetici e di tipo HLT (molti campi magnetici)[[6] [[f]]] [[f]]] [[f]]] [[f]]] [[f]]]][f[f]]]]][[f]]]] [[f]]]][[f]]]]][[[f]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[f]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

Densità della corrente critica

La capacità di un superconduttore di portare corrente è limitata dalla sua densità di corrente critica (J[LT:0]c]). Sopra questo valore, la forza di Lorentz sui vortici del flusso diventa abbastanza forte da liberare loro, causando dissipazione.

Applicazioni dei Superconduttori nella trasmissione di potenza

La proprietà a zero-resistance si rivolge direttamente a una delle inefficienze più persistenti della rete elettrica: perdite di riscaldamento ohmico. Sostituendo conduttori tradizionali in rame o alluminio con cavi superconduttori, le utility possono trasmettere molto più potenza per sezione trasversale, con perdite trascurabili, su lunghe distanze.

Cavi di alimentazione superconduttori

I cavi superconduttori sono l'applicazione più diretta per la trasmissione, che consiste in genere di una ex ferita (spesso rame o acciaio inossidabile) con nastri HTS, circondata da strati di isolamento elettrico (carta laccata impregnata di azoto liquido) e di un criostato per mantenere bassa temperatura. L'intero assemblaggio è raffreddato con azoto liquido circolante a 65–77 K (per HTS) o elio liquido a bassa temperatura 4.2&

I vantaggi principali includono:

  • Perdite basse di ultra. Le uniche perdite provengono da giunti disdetta resistivi, da stress dielettrico nell'isolamento, e dalla potenza del criocooler, in genere uno-dieci di quelli dei cavi convenzionali.
  • Alta densità di potenza. Un singolo cavo superconduttore può trasportare da tre a cinque volte la corrente di un cavo di rame convenzionale dello stesso diametro, riducendo la necessità di diritti di sovraccarico o spazio tunnel sotterraneo.
  • Migliorata la regolazione della tensione.[ L'impedenza della linea inferiore riduce la caduta della tensione lungo il cavo, migliorando la stabilità della griglia.

Diversi progetti pilota hanno dimostrato questa tecnologia. Ad esempio, il Albany HTS Cable Project[[] a New York ha operato un cavo HTS da 350 metri, da 34,5 kV per diversi anni. Il ] U.S. Department of Energy studies] ora si concentra su retrofitting corridoi metropolitani con cavi di cons di configurazione a

Limitatori di corrente di guasto Superconducting

Quando una guasto (corto corto) si verifica su una linea di trasmissione, le correnti di guasto possono raggiungere 10-20 volte il normale rating. Gli interruttori convenzionali devono essere sovradimensionati per gestire queste sovratensioni, e lo stress meccanico/termico può danneggiare l'apparecchiatura.

Superconduzione di stoccaggio dell'energia magnetica (SMES)

Poiché la bobina ha una resistenza zero, l'energia può essere iniettata ed estratta con un'efficienza di ciclo molto elevata (sopra 95 %) e una risposta estremamente rapida (millisecondi). Le unità SMES sono impiegate principalmente per migliorare la qualità dell'energia: oscillazioni di smorzamento, compensazioni per sag di tensione e frequenza di stabilizzazione nella presenza di corrente fluttuante

Trasformatori Superconduttori

I trasformatori convenzionali di potenza sono pesanti, riempiti di olio e soffrono di perdite di nucleo e di vento (di solito 1-3 % di potenza nominale). I trasformatori superconduttori, ferita con filo HTS e raffreddati da azoto liquido, possono essere 40–60 % più leggeri e hanno metà delle perdite. Inoltre, offrono un comportamento intrinseco di limitazione di errori perché le apparecchiature di avvolgimento prodotte in condizioni di classe superiore, proteggendo verso il basso

Superconduttori di macchine rotanti

I venti superconduttori possono essere utilizzati anche in motori e generatori, soprattutto per applicazioni su larga scala come turbine eoliche o propulsione navale. Sostituendo bobine HTS, la forza del campo magnetico nella macchina può essere raddoppiata o triplicata, producendo una densità di coppia molto più elevata. Questo riduce la dimensione e il peso del generatore per una data potenza nominale, un vantaggio critico nelle piattaforme eoliche offshore e nei vasi navali.

Sfide per la distribuzione di prodotti a larga diffusione

Nonostante i chiari vantaggi tecnici, la trasmissione di potenza superconduttiva affronta diversi ostacoli formidabili che l'hanno tenuto una tecnologia di nicchia piuttosto che un componente di rete mainstream.

Energia e Costo di Refrigerazione

I superconduttori scoperti richiedono un raffreddamento a temperature criogeniche. I superconduttori a bassa temperatura (LTS) operano intorno a 4.2 K, che richiedono un costoso elio liquido. I superconduttori ad alta temperatura (HTS) possono operare a 65–77 K utilizzando azoto liquido, che è più economico e più facile da gestire.

Materiale Produzione e Costo

I materiali HTS come YBCO (YBa2Cu3O7) e BSCCO (Bi2Sr2CaCu2O8) sono ceramiche fragili. Per produrre filo o nastro flessibile, questi materiali devono essere depositati in sottili film su substrati metallici con costi di buffer complessi. Il processo di produzione è lento, costoso, e deve raggiungere un'uniformità estremamente elevata per garantire elevati Jc[

Assemblee AC

Mentre i superconduttori trasportano DC con zero perdite, essi sperimentano la dissipazione dell'energia in corrente alternata (AC). Il campo magnetico in evoluzione provoca perdite di isteresi nei superconduttori e perdite di corrente eddy nel substrato metallico. Queste perdite sono una frazione di quelle in rame, ma aggiungono al carico di refrigerazione.

Collegamenti e terminal

Un cavo superconduttore deve passare a terminazioni resistive convenzionali a entrambe le estremità. Queste articolazioni devono gestire densità ad alta corrente, mantenere bassa resistenza di contatto e essere raffreddato. Le terminazioni scarsamente progettate possono diventare la fonte dominante di perdita o anche causare il riscaldamento locale che le cascate in una quench. Inoltre, i sistemi di protezione devono rilevare e gestire rapidamente le quenches per prevenire danni permanenti al superconduttore.

Prospettive e direzioni di ricerca

La ricerca continua su più fronti per superare le barriere e avvicinare la trasmissione di potenza superconduttiva alla realtà commerciale.

Superconduttori di temperatura ambiente

Il grail santo è un materiale che superconduce a temperatura e pressione ambiente. Nel 2023, una carta controversa ha rivendicato superconduttività della temperatura ambiente in un composto di idruro lutetio azotato vicino a 20.000 atmosfere.

Filo HTS di seconda generazione

I produttori stanno scalando la produzione di fili HTS di seconda generazione (2G) utilizzando deposizione laser a bobina e rivestimenti buffer avanzati. L'azienda SuperOx[[], ad esempio, ha dimostrato nastri REBCO lunghi chilometri con correnti critiche superiori a 500 A/cm-larghezza.

Dimostrazioni Grid-Scale

I governi e le utenze finanziano progetti dimostrativi più ampi per svalutare la tecnologia. I programmi di Resilienza Griglia hanno stanziato 48 milioni di dollari per le dimostrazioni di cavi superconduttori e di limitatori di guasto. In Europa, il progetto Best Paths ha implementato un cavo HTS di 1 km nella città tedesca di Essenva.

Sistemi ibridi e collegamenti superconduttori

Un viale molto promettente è l'uso di collegamenti DC superconduttori per interconnessione di parchi eolici offshore, parchi solari e intere a lunga distanza. I cavi DC HTS evitano completamente le perdite AC, e il costo del criostato può essere giustificato dal molto alto potere trasferito (diverse gigawatts). Un cavo HTS DC 320‐kV valutato a 10  GW è concettualmente fattibile e potrebbe sostituire le linee visive.

Conclusioni

Le proprietà elettriche dei superconduttori, la resistenza a zero DC, il diamagnetismo perfetto e le correnti critiche elevate, offrono un percorso trasformativo per la trasmissione di energia. I cavi superconduttori, i limitatori di corrente di guasto, lo stoccaggio di energia magnetica, i trasformatori e le macchine rotanti dimostrano tutti i guadagni di efficienza tangibili, la riduzione dell'impronta e una migliore affidabilità rispetto alla tecnologia convenzionale.