Ứng dụng hiện nay của kỹ thuật siêu dẫn

Hầu như ngay sau đó, các công ty điện lực luôn tìm mọi cách để sử dụng hiện tượng này để tạo ra loại cáp điện thế hệ mới, nhỏ gọn, hết sức hiệu quả, có khả năng mang dòng điện cao. Tuy nhiên cho đến tận gần đây, yêu cầu làm lạnh vật liệu siêu dẫn xuống nhiệt độ cực thấp (khí hêli hoá lỏng) khiến ý đồ này trở nên phi thực tế do chi phí quá cao. Thực vậy, cho đến nay, việc sử dụng kỹ thuật siêu dẫn nhiệt độ thấp cho mục đích thương mại phần lớn chỉ giới hạn trong những trường hợp không còn cách nào khác, ví dụ như máy soi cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging MRI).Tình hình đã thay đổi từ giữa những năm 80 thế kỷ trước với việc phát hiện vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (high temperature superconductor - HTS). Các vật liệu này hoạt động ở khoảng -200oC, tức là nhiệt độ nitơ hoá lỏng, do vậy chi phí làm lạnh sâu (cryogenics) thấp hơn rất nhiều. Cho đến nay, tất cả trong kết cấu của các loại cáp HTS, phần tử mang dòng điện đều là những sợi gốc bismut. Tuy nhiên, các sợi này rồi đây sẽ được thay thế bằng các băng vật liệu HTS thế hệ 2, cụ thể là dây dẫn phủ (coated conductor CC) lớp vật liệu YBa2Cu3O7-x (YBCO), giá thành thấp hơn, nhờ đó cáp HTS sẽ có thể được sử dụng rộng rãi hơn.

Tháng 6 năm 2004, Cộng đồng châu Âu, trong khuôn khổ Chương trình khung thứ 6 về nghiên cứu triển khai công nghệ, đã có dự án nhằm xác định tính khả thi của loại cáp điện xoay chiều HTS có mức tổn hao thấp, sử dụng phần tử mang dòng điện là băng CC. Dự án này bao gồm công việc triển khai, chế tạo và thử nghiệm mẫu vật hoạt động được (functional model) là đoạn cáp một pha điện áp 10 kV, dòng điện 1 kA, dài 30 m, cùng với các đầu nối.

Ngoài tập đoàn Nexans, tham gia dự án còn có các đối tác khác từ Đức như European High Temperature Superconductors (EHTS), E.ON Energie, E.ON Engineering, Centre for Functional Materials (ZFW ở Gottingen); Tây Ban Nha như Viện khoa học vật liệu Barcelona (CSIC), Labein; Phần Lan (Trường đại học Tampere); Pháp (Air Liquide) và Slovakia (Viện kỹ thuật điện Bratislava). Uỷ ban châu Âu đang cấp ngân sách khoảng một nửa chi phí cho dự án kéo dài 3 năm này, mà theo dự kiến lên tới 4,47 triệu ơro (5,43 triệu USD).

Những vấn đề then chốt

Những vấn đề khoa học chính của Dự án Super3C là:

· Triển khai kết cấu mặt cắt ngang băng CC tối ưu, mục tiêu là chế tạo đoạn băng ngắn IBAD/HR-PLD (dài 1 m) có dòng điện tới hạn (Ic) 400 A/cm chiều rộng;

· Xác định công nghệ gia công mở rộng kích thước để có thể chế tạo các băng CC theo từng đoạn dài 100 m, dòng tới hạn là 75 A đối với băng rộng 4 mm;

· Triển khai thiết kế cáp và qui trình chế tạo cáp tương hợp với loại băng CC;

· Triển khai đầu cáp CC ngoài trời điện áp 10 kV;

· Chế tạo và thử nghiệm thành công mẫu vật hoạt động được bao gồm đoạn cáp CC một pha, điện áp 10 kV, dòng điện 1 kA, dài 30 m cùng với các đầu nối, mà theo dự kiến cần chế tạo khoảng 2 km băng CC;

· Xác định tính phù hợp của loại băng CC IBAD/HR-PLD với cáp xoay chiều;

· Xác định tính phù hợp của lớp YBCO phủ bằng phương pháp hoá học đối với cáp dòng điện xoay chiều.

Thiết kế cáp HTS

Cáp HTS (siêu dẫn nhiệt độ cao) thuộc loại điện môi lạnh yêu cầu phải được làm lạnh bằng nitơ lỏng dưới áp lực. Lõi cáp bao gồm sợi đỡ mềm dẻo, có dây dẫn HTS bao quanh bên ngoài được ngăn cách với màn chắn HTS bằng lớp cách điện điện môi quấn xếp chồng. Kiểu thiết kế này tạo nên dòng điện trong màn chắn có cùng giá trị nhưng ngược chiều với dòng điện trong dây dẫn. Kết quả là từ trường tạo ra bên ngoài cáp là không đáng kể. Từng pha riêng của hệ thống cáp này đều độc lập về điện và nhiệt với nhau. Do vậy, việc triển khai và thử nghiệm mẫu vật cáp hoạt động được, thiết kế cho các ứng dụng dòng điện xoay chiều sẽ cho các dữ liệu đầu ra như nhau, chi phí cho dự án sẽ hạ hơn, bởi vì thử nghiệm cáp dòng điện xoay chiều với ba pha độc lập.

Về chế tạo băng CC, công việc tập trung vào các tuyến công nghệ sau:

· Sử dụng thép không gỉ giá thành thấp làm băng nền (substrate tape);

· Lớp đệm hình thành theo hai trục tạo ra bằng phương pháp lắng đọng với sự trợ giúp của chùm ion (ion-beam assisted deposition IBAD);

· Màng mỏng YBCO tạo ra bằng phương pháp lắng đọng xung laser tần số cao (high-rate pulsed laser deposition HR-PLD)

· Các lớp mạch rẽ/bảo vệ tạo ra bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (physical vapour deposition PVD).

Các công nghệ IBAD và HR-PLD đều đã xác lập, tuy nhiên cần được mở rộng kích thước để có được chiều dài băng yêu cầu để chế tạo mẫu vật hoạt động được. Sở dĩ lựa chọn hai qui trình này là để đảm bảo chắc chắn có được sản phẩm băng CC để giao. Tuy nhiên trong tương lai, các kỹ thuật lắng đọng bằng phương pháp hoá học có thể sẽ là phương án thay thế hấp dẫn, đặc biệt đối với việc tạo lớp phủ YBCO bằng phương pháp lắng đọng. Để dung hoà hai yêu cầu là vừa đảm bảo chắc chắn có sản phẩm băng CC để giao, vừa chuẩn bị cho tình huống sau này khi các qui trình hoá học trở nên cạnh tranh, kế hoạch đề ra là sử dụng qui trình nhúng triển khai tại Nexans Super Conductors (Đức) trong khuôn khổ dự án Solsulet của châu Âu để tạo lớp lắng đọng màng mỏng YBCO trên 20% lớp nền đệm bằng YBAD chế tạo cho mẫu vật hoạt động được.

Mục tiêu đầu tiên sẽ là chứng minh được tính phù hợp của lớp YBCO lắng đọng bằng phương pháp hoá học đối với cáp dòng điện xoay chiều. Mục tiêu thứ hai là tạo cơ sở cho các công trình triển khai sau này nhằm xác định cách phối hợp tốt nhất các qui trình để giảm hơn nữa giá thành của băng CC, tức là của cáp CC.

Tiến độ dự án

Dự án Super3C hiện đang trong giai đoạn triển khai và đi đúng hướng. Bản thân công việc thiết kế cáp đã hoàn thành, công việc thiết kế đầu nối cũng đã xong. Chúng tôi (Nexans) hiện nay bắt đầu đặt hàng các bộ phận cấu thành quan trọng của phần đầu nối, cụ thể là thiết bị làm lạnh sâu (cryostat), trong khi đó EHTS (European High Temperature Superconductors) sắp sửa bắt đầu chế tạo băng HTS. Đây là phần quan trọng nhất trong dự án đồng thời cũng là một trong những phần mà chúng tôi quả thực chưa làm bao giờ bởi vì xưa nay chưa ai từng làm băng HTS dài đến như vậy (2 km).

Trước khi chế tạo cáp đúng yêu cầu của dự án, chúng tôi sẽ chế tạo thử đoạn cáp dài 30m với một vài băng HTS, để thử nghiệm ban đầu về điện áp và dòng điện. Vào quí đầu năm 2006 sẽ tiến hành thử nghiệm đoạn cáp chế tạo thí điểm này.

Super3C chỉ là một trong số nhiều dự án đang được thực hiện tại nhiều nơi trên thế giới nhằm rút kinh nghiệm thực tiễn về cáp HTS ứng dụng trong truyền tải điện. Ví dụ tại Albany (bang New York), SuperPower đang thực hiện dự án trị giá 26 triệu USD (có sự hỗ trợ của Cục Nghiên cứu triển khai năng lượng bang New York và Quĩ nghiên cứu siêu dẫn của Bộ Năng lượng Mỹ) mà mục tiêu là lắp đặt cáp phân phối siêu dẫn.

Nexans cũng tham gia, cùng với một số đối tác như American Superconductor, Air Liquide và Cục Điện lực Long Island, có sự hỗ trợ của Bộ Năng lượng Mỹ, vào dự án đường cáp liên kết dài nhất thế giới, 610 m, điện áp 138 kV, công suất gần 600 MVA. Đường cáp này sẽ được bàn giao vào năm 2006.

Ứng dụng cáp HTS

Do dây siêu dẫn đạt hiệu suất cao và có khả năng mang dòng điện lớn nên có thể có người nghĩ rằng cáp HTS có thể sử dụng làm đường dây trục trên lưới truyền tải, đưa điện năng đi xa, thay thế các loại cáp cao thế truyền thống. Có thể điều đó cuối cùng sẽ trở thành hiện thực, nhưng trước mắt và tương lai trung hạn, HTS cũng có thể tác động đáng kể khi sử dụng cho những đoạn đường dây ngắn (vài trăm mét đến vài kilomet) để đưa dòng công suất lớn qua những vùng mà không gian và lối vào là những vấn đề nan giải.

Cụ thể là các công ty điện lực thường gặp khó khăn trong việc xin cấp hành lang tuyến cho đường dây mới để đáp ứng nhu cầu phụ tải tăng trưởng tại những vùng dày đặc công trình xây dựng. Thay thế đường cáp truyền thống hiện có bằng đường liên kết HTS sẽ cho phép tăng công suất chuyên tải lên nhiều lần mà không cần tăng mặt bằng sử dụng.

Cũng có thể phát huy lợi thế nhỏ gọn của cáp HTS khi cần vượt qua một số loại trướng ngại, ví dụ như các con sông. Do vậy, thay vì phải khoan định hướng hoặc xây dựng đường hầm mới dành riêng cho cáp, có thể sử dụng các công trình hiện có, ví dụ như cầu hoặc đường hầm.

Nếu chỉ so sánh trực tiếp cùng một độ dài cáp như nhau thì đương nhiên cáp HTS do chế tạo phức tạp hơn sẽ đắt hơn nhiều so với cáp truyền thống. Tuy nhiên nếu xét về mặt công suất chuyên tải lớn và không gian yêu cầu nhỏ của cáp HTS thì hoàn toàn có thể thực hiện hệ thống cáp HTS hoàn chỉnh với chi phí tổng thấp hơn so với dùng cáp truyền thống.

Có một câu hỏi luôn được đặt ra đối với cáp HTS là Khi nào thì loại cáp này sẽ được bán trên thị trường? Giả thiết là các dự án đang triển khai hiện nay đều thực hiện thành công ở mức hợp lý thì có khả năng là sau 5 đến 7 năm, có thể là sớm hơn chút ít đối với các đường dây liên kết ngắn. Chắc chắn Super3C là một dự án đầy thách thức, đi đầu trong lĩnh vực công nghệ. Tuy nhiên với những tiến bộ mà chúng tôi đạt được, có thể thấy đội ngũ chúng tôi có đầy đủ nhân lực và kinh nghiệm cần thiết để đưa dự án đến thành công.

(Nguồn: TTKHCN)