実用期に入った高温超電導線の開発と...

1

実用期に入った高温超電導線の開発と応用製品への展開

公益社団法人 低温工学・超電導学会九州・西日本支部 10周年記念講演会@九州大学

2011年4月22日

佐藤謙一フェロー

住友電気工業株式会社

2九州・西日本支部の大学との共同研究

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

年

共同研究発表件数

1990年から高温超電導の共同研究を通じて、御指導を頂いています。誠に有難うございます。

80件

3

内容

• 材料の進展と世の中の動向• システム開発マグネット – コマーシャルモータ – プレコマーシャルケーブル – プレコマーシャル

将来と再生可能エネルギー

• 今後の方向

●：ビスマス系超電導線△：ｲｯﾄﾘｳﾑ系超電導線

10A 20A40A

110A

250A

臨界電流(A/4mm幅@77K)

300,000

2004

4高温超電導線：22年の歩み1988年：物質材料研究機構・前田博士らビスマス系超電導材料を発見

＜ビスマス系超電導線＞材料・線材化技術ともに日本発

1. 臨界電流が銅の250倍

2. 単長: ~2,000mが長く特性の均一性が良い

3. 機械的特性： 270~310MPa銅線と同等以上

4. コスト／パファーマンスに優れる10~15円/Am → 5円/Am（銅線：5~7円/Am)

・－－－2004年－－－加圧焼成法により工業製品化

・臨界電流x線材長さ

300,000Amは工業製品の要求（製品への応用適合性）

臨界電流(Ic)：抵抗ゼロで流すことの出来る最大の電流

5ビスマス系高温超電導線加圧焼成炉：CT-OP(ConTrolled Over Pressure)

圧力（300気圧）・温度（900℃）・雰囲気（酸素濃度）のトータルな制御

高温超電導材料（ｾﾗﾐｯｸｽ）の密度を100%に出来る

大気圧焼成(BSCCO) 加圧焼成(DI-BSCCO)

密度：～85% 密度：～100%

10μm異相・ボイド：大 異相・ボイド：小10μm

ビスマス系高温超電導線・多芯構造(幅4.2mm x 厚み0.22mm、0.9mm2)

臨界電流：250A（銅の250倍）

臨界電流（Ic） 100～110A 170～250A(600A/cm幅)

2倍

室温引張強度（Ic劣化開始） ＜100MPa ＞150MPa ＞1.5倍

単長 500m以下 2, 000m以上 4倍

ビスマス系超電導線の顕微鏡組織

6

高温超電導のメリット

①抵抗ゼロ＝ロスゼロ＝環境問題に貢献

＝2,000kg 10kg*

②高電流密度＝省資源、小型軽量、高性能化

*別途冷却のための道具立て必要.銅線の200倍の電流が流せる.

銅線 高温超電導線

7銅の国際価格上昇と需要拡大

日刊工業新聞 2011.1.19 & 2011.2.9

8広がる電化シナリオ

• 英国エネルギー気候変動省(DECC)

①電力供給の倍増と脱炭素化②各需要部門(暖房、運輸、産業)の相当なレベルの電化

• IEA-エネルギー技術展望(ETP)2010

CO2の大幅削減に向けて、最も優先すべきは①エネルギー効率の向上、で次は②電力の脱炭素化

電気新聞 2011.03.03

9超電導システムの実現へ

超電導線・機器↓

超電導システム

地球とエネルギー・環境技術

都市インフラと交通技術

暮らしとIT・ユビキタス技術

工場とモノ作り技術

医療とバイオ技術

250m/系統連系（横浜） 350m/系統連系(USA)

ﾏｲｸﾛ波ﾌｨﾙﾀｰ ｲﾝﾀｰﾈｯﾄﾃﾞｰﾀｾﾝﾀｰ

超電導EV 船舶モータ結晶引上装置

永久磁石評価

MAGLEV

MRI NMR

JR東海殿HP

NTT-F殿HP

NIMS殿HP東芝殿HP

ビレットヒータ(商業化)

ケーブル

10限流器/SMES/MRI/NMR/マグネット(◎:DI-BSCCO)Project Feature Top Type Bi Y Note

FCLToshiba 6.6kV 77K Resistive ● GridCESI 9.4kV 77K Resistive ◎ On goingNexans 12kV 77K Resistive ● GridZenergy 13/26/138kV 20K Saturated iron ● GridKERI/LSIS 22.9kV 77K Hybrid ● On goingInnoPower 35/220kV 77K Saturated iron ● GridSiemens 138kV 77K Resistive ● On goingSuperPower 138kV 77K Resistive ● On going

SMES KERI 0.6/2.5MJ 20K ● On goingMRI GE Limb size 27K Layer wound ◎ On going

Kyoto Univ 3T(Brain) 20K LHe free ◎ 2008-2012NMR KIT 20T 4K ● Homer II

NIMS 24.2T/1.05GHz 4K Layer wound ◎ 2007-2011NHMFL 22T 4K ● ● On going

Magnet Toshiba 1.4T 20K Helmholtz ◎ Single X’stalZenergy 1.8m long 30K Billet Heater ◎ CommercialSumitomo 8T 20K 200mm bore ◎ 2006Sumitomo 5T 20K 100mm bore ◎ Practical use

11超電導磁気式ビレットヒータ(Zenergy, Bultmann)

渦電流 ビレット(アルミ, 銅, 真鍮)

ビスマス系超電導コイル 鉄心

• 電力消費量50%削減(165kWh/ton-アルミ, ガス炉: 400kWh, AC誘導加熱: 285kWh)

• 均一加熱• 生産量25%アップ• 5台受注(3台稼働)

12B-Hカーブトレーサー(日本電磁測器)用 途

●B-Hカーブトレーサー自動車モータなどに使用の永久磁石の評価

（従来装置）φ10mmまで測定可・DCマグネット（±2T）・パルスマグネット（±12T）

（ビスマス系超電導マグネット）・DCマグネット（±5T） 40mm角程度まで測定可・0T→+ 5T→- 5T→0T/2分の磁場変化の高速化●交流磁場で永久磁石を消磁

永久磁石の高性能化（NdFeB)対応大型化・高保磁力化発生渦損を抑制

・モータに使用の永久磁石の消磁（モータ解体の容易化、磁石の再利用）・B-Hカーブ測定後の消磁

常電導マグネットでは対応困難

13B-Hカーブトレーサー(日本電磁測器)

●価格競争力高速励減磁性能メリット: 1T/6sec vs NbTi(1T/60sec)●今後同様用途への展開

5T-φ100mmの磁場空間

幅0.9m、高さ1.2m

今後の課題、市場性

20K冷凍機

14モータ/発電機(◎:DI-BSCCO)

Project Power Top Type Wire NoteBi Y

Motor Sumitomo 31kW 77K Radial ◎ 2008, EV

Kyoto Univ 50kW Induction ◎ ● 2009-, EV

Siemens 400kW 27K Radial ● 1999-2001, Ship

IHI 400kW 77K Axial ◎ 2007, Ship

Kawasaki 450kW(1MW) 30K Radial ◎ 2010, Ship

Kawasaki 20MW - Radial ◎ 2009-2013, Ship

Kawasaki 3MW 30K Radial ◎ 2010-2012, Ship

KERI/Doosan 1/4MW 27K Radial ● ● -2011, Ship

Siemens 4MW 27K Radial ● 2006-2010, Ship

AMSC 5MW 30K Radial ● 2002-2005, Ship

AMSC 36.5MW 30K Radial ● 2006-2009, Ship

Generator Southampton 100kW 77K Radial ◎ On going

GE 1.3MW 30K Induction ● 2007, Airplane

Siemens 4MW 27K Radial ● 2002-2006, Ship

Converteam 8MW - - ● -2012, Wind

AMSC 8/10MW - - ● 2007-, Wind

15

超電導モータ用冷却装置 IHI

超電導モータ

液体窒素冷却・高温超電導400kW船舶用モータ(IHI, SEI, Taiyo-Nissan, Nakashima Propeller, Niigata Power Systems, Hitachi, Univ of Fukui , Fuji Electric )

高温超電導モータの特徴: 小型、軽量化、高効率(CO2削減-10%以上)、

高トルク密度(18,000 Nm/m3)

Liq N2 Inlet/Outlet

Motor flame

Motor spindle

Power Cable Joint

Rotor (Field Coil)Permanent MagnetBack Yoke

Cryostat for Armature CoilHTS CoilFLC (Flux Collector)

タンデム連結した超電導モータ直結によるギアレス二重反転プロペラ更なる推進効率と燃費改善

161MW-クラス・船舶用モータ(川崎重工業、東京海洋大、海洋技術安全研究所、超電導機構、住友電工)

• 消費電力低減、小型化により配置の自由度が増すことから、より水の抵抗の少ない船型への改良が可能

• 約２０％の燃料低減が可能

• 液化天然ガス輸送船や将来の液体水素の輸送船に適用

• ３ＭＷ実用機の開発中

17超電導電気自動車

超電導電気自動車 第2号

超電導モータの高トルク、省エネ性能を自動車へ適用。第2号を試作。< 性能 >@2011.4.12：累積走行距離；675km

1. Max Speed 85km/h2. Max Torque 120Nm（1,500rpm）3. Max Power 31kw（3,100rpm）

超電導モータ燃費向上

低損失抵抗ゼロ

変圧器不要電池直列不要

小型・軽量

変速機レス大トルク

超電導モータ

大電流

低電圧 高信頼性

低Co2

燃費向上低損失抵抗ゼロ

変圧器不要電池直列不要

小型・軽量

変速機レス大トルク

超電導モータ

大電流

低電圧 高信頼性

低Co2

バス・トラックなど、定期運行し、Go/Stopの頻繁な用途に効果大きい

18ケーブル(交流、直流) (◎:DI-BSCCO)Area Project Voltage

kVCurrent

kALength

mSite Wire Stage Note

Bi Y R&D DemoJapan TEPCO/SEI 66 1 100 Lab ◎ ● Finished

Chubu (DC) 20 2 200 Lab ◎ ● In operationISTEC 66/154 5/3 15/30 Lab ● ● PlanYokohama 66 3 250 Grid ◎ ● Plan to Grid

USA Albany 34.5 0.8 350 Grid ◎ ● ● FinishedOhio 13.2 3 200 Grid ● ● In operationLIPA 138 2.4 600 Grid ● ● In operationHydra 13.8 4 200 Grid ● ● Plan

EU Denmark 30 0.2 30 Grid ● ● FinishedAmsterdam 50 3 6000 Grid ● PlanVNIIKP 20 1.4 200 Grid ◎ ● Plan to Grid

China Yunnan 35 2 33.5 Grid ● ● In operationLánzhōu 10.5 1.5 75 Factory ● ●

IEE/CAS(DC) 1.3 10 380 Factory ◎ ● Plan installKorea KEPCO 22.9 1.25 100 Lab ◎ ● In operation

DAPAS1 22.9 1.25 100 Lab ● ● In operationDAPAS2 154 3.75 30 Lab ● ● PlanGENI 22.9 1.25 500 Grid ● ● Plan to Grid

19高温超電導ケーブル

・従来の銅ｹｰﾌﾞﾙより、5~10倍の容量低電圧で大電流

・コンパクト既設の社会インフラ(管路)を活用出来る（総合経済性に優れる）

・環境対応型ケーブル・省エネ(50%以上の省エネルギー)・電磁障害(EMI)フリー・ 燃えない

・再生可能エネルギーにマッチした応用太陽光発電、風力発電(直流)都市・地中電力系統への適用：増容量と更新需要を省エネルギーで可能とする唯一の手段

洞道(2-3m直径) 30～70億円/km

管路(0.15m直径) 3～4億円/km

高温超電導ケーブル

銅ケーブル 高温超電導ケーブル

20

地中電力ケーブル・架空送電線開発の教訓

• 銅線の電力ケーブル新製品：試作から実線路導入まで10年から30年かかる

• ケーブルや架空線の価格は高くても総合的な顧客メリットにより、世界のユーザーに支持される

• 送電インフラの整備・スマート化が欧米や途上国での必須の課題

• 製品寿命の長いビジネスがDNA

21

100

200

300

400

500

019301920 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

電圧（kV）

年

銅を用いた電力ケーブル：試作から実線路まで

：実験線路または発電所内連携線

：実線路

500kV 新京葉豊洲線

500kV 本四連絡橋

275kV 南池上線275kV 枚方線

：試作

油浸(Oil-Filled)ケーブル

固体絶縁(CV)ケーブル

22

架空送電線の歴史からの教訓(ACSR – Aluminum Conductor Steel Reinforced)

• 1970’年代、日本の郊外の送電線の容量増加が深刻な課題

• 従来の送電線と同一直径、重量で2倍の増容量が可能な送電線： ACIR (Aluminum Conductor Invar Reinforced) を開発→既設の鉄塔を用いて、電線を張替るだけで増容量が可能

従来の鋼撚り線→低膨張係数のインバー(Fe-36%Ni)合金線へ（高強度化が必要であった）

従来の純アルミ線からAl-Zr合金へ（ Al3Zr微細析出による耐熱性大幅向上が必要であった）

23架空送電線と地中ケーブル

既設インフラ

特徴 導入実態

ｲﾝﾊﾞｰ電線vs.ACSR

・鉄塔 ・2倍容量, 3倍高価・同一サイズ、同一重量

・1981～: ACIR 6,000km・日本の電力会社で採用され、韓国、東南アジア、中近東、中国、欧州で採用。最近は、米国で注目。

超電導ｹｰﾌﾞﾙ

vs.OFｹｰﾌﾞﾙor CVｹｰﾌﾞﾙ

・洞道 or 管路

・5 – 10倍容量・コンパクト: ∼1/10・低ロス

・350m/34.5kV/800A 実系統連係(2006-2007、NY、Albany、SEI)・250m/66kV/3000A実系統連係(2011-2012、東電、SEI、ﾏｴｶﾜ)

総合経済性－高価な電線も鉄塔の建替・新設、用地の補償の費用によりcompensate

24Cool Earth-エネルギー革新技術計画

25

0

5

10

15

20

25

30

1940 1960 1980 2000

送配電ロス(%)

電力総需要：約1兆kWh/年→この約5%がロス→500億kWhの送配電ロス/年日本の地中送電線＝21,000kmすべてを超電導ケーブルに更新した場合、

400万トン CO2削減

日本における送配電ロス(電気事業連合会のデータを元にグラフ化)

高温超電導(HTS)ケーブルは不可欠！

従来の電線による送配電ロス

配電線

架空 3,948,159 km

地中 67,683 km

送電線

架空 146,241 km

地中 21,011 km

26

超電導ケーブル開発20年の歩み91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

超電導線

ケ｜ブル

東電共研・導体化

東電共研・要素技術

東電共研・実用性検証

米・Albany

横浜ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ2011年系統連系

長尺化(科学技術振興機構)

工業化技術 事業化

Hollow porcelain

FRP bushingCurrent lead

Electrical shielding

Epoxy resin unit

Insulation paperHTSC cable core

SC-NC joint

LN2

Thermallyinsulated layer

Oil

Hollow porcelain

FRP bushingCurrent lead

Electrical shielding

Epoxy resin unit

Insulation paperHTSC cable core

SC-NC joint

LN2

Thermallyinsulated layer

Oil

高機能化(METI)

27超電導・地中ケーブル（ＮＹ州）

ケーブル

端末

1年間の長期実証試験：電力網に接続し、電力を安定して70,000家庭へ供給(第1期：2006.7-2007.5, 第2期：2008.1-2008.4)

夏：＋４０℃ ～ 冬：－３０℃

土地代・工事代の削減

過酷環境下での信頼性

コンパクト化の実証

Albany市350mケーブル

ケーブルジョイントの実証

28Test site of Yokohama HTS Cable Project

大阪

Asahi Substation of TEPCOin Yokohama city

20km from Tokyo stationOutdoor type substation

高温超電導ケーブル実証・横浜プロジェクト(NEDO：住友電工、東電、前川、2007-2012)

東京

東京電力・旭変電所（横浜）

東京から20kmの地点送電変電所(60万kW)

2011~2012 ： 横浜 (東電); 日本ではじめて電力網に接続、 ~250m、 66kV、3,000A級

＜日本＞送電ロス低減(省エネ)、建設コスト削減、系統拡充＜外国＞電力網の近代化、増容量、低電圧化、変電所省略

29

東京電力における電力需要見通し●2006～2017年までの需要増加予測 1.0%電源設備増容量計画 2007: 7,563万kW→2017: 8,496万kW（＋933万kW）●需要増加に対応した流通設備拡充建設コストを抑えつつ、需要増加に対応した流通設備形成が必要対策候補の一つ：超電導ケーブルによる既設ケーブルのリプレース

●電圧系統の整理、経年した既設系統のリプレイス：約1,550km

150

230

超電導ケーブル

150

管路

既存ＣＶ

ケーブル

6008002100

340

水冷管

トラフ

洞道

～66kV超電導ケーブル

66kV開閉所

66kV

開閉所

684MW

684MW

500kV（既設管路収容）

銅ケーブルでの

拡充イメージ

超電導ケーブルでの

拡充イメージ

（洞道新設）

～

～

275kVケーブル

275kV変電所

275kV変電所

66kV

66kV

684MW

684MW

275kV～500kV

横浜プロジェクト背景

30世界初の200m HTS直流ケーブル

(2010.3, 中部大学)

山口教授20kV, 2000A, 200m ケーブル (DI-BSCCO)

ペルチェ素子による侵入熱低減

31

DC

DC

AC

直流超電導ケーブル

二次電池

風力発電(2030: 21GW)

既存系統

DC/DC

DC/DC

DC/ACDC/DC

需要地

原子力火力水力(202GW)

将来の再生可能エネルギー統合システム例

二次電池

2030年、74GWの再生可能エネルギー

低電圧・大電流低損失・省資源建設費低下

太陽電池(2030: 53GW, 2020: 28GW)

32太陽電池と組み合わせた超電導直流送電の検討

既設太陽電池規模

・20MW～60MW(33カ所)(Spain/19, 独/7,加/2, 韓国/2)

大規模太陽電池計画・20MW～600MW(11カ所)(米/6, 豪/1, チェコ/2,

Spain/1, 加/1)

超電導ケーブル最新技術

「超電導ケーブル開発の最新動向」、工業材料、第59巻、第1号(2011)38

33材料的な課題

• 材料の持っている性能を発揮させる• ドーピング、ピンニング• 新しい微視的な電磁気的評価手法の適用と微細組織

• 固体化学と反応過程の動的な解明(SPring-8, J-PARC)

応用製品を考える時、材料の原点に戻って更なる性能向上を追求する

34DI-BSCCO (Type H: 高Ic)

35

35

TypeAC “Slim size + Filament twisting” AC Loss reduction

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

TypeH TypeAC(8mm Twist）

Loss

(W

/kA

/m)

@ Parallel Field 0.07T, 50Hz

AC Loss reduction to ～1/3

DI-BSCCO (Type AC：交流用)

Type H

0.23mm

4.1 mmType AC0.18mm

2.4 mm

8mm pitch

36DI-BSCCO 機械的特性

37

• 超電導相の均一化Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-Oと6元素系材料である。３種類の超電導相(2223, 2212, 2201)と10種類以上の非超電導相(Ca,Sr-Cu-O, Ca-Pb-O etc )が出現する。

• 結晶粒の配向化ab面を超電導電子が流れる。c軸の向きをそろえる。 c軸長：～3nm

• 強い結晶結合密度100%

• ドーピングおよびピンニング点導入• 高い臨界温度

ビスマス系高温超電導線の臨界電流向上

38臨界温度(Tc)の向上：DI-BSCCO

東大・下山, FSST NEWS No.104 (2007)

As-synthesized

annealed in airor 20% O2

annealed in 1% O2and in air

Bi2223 Tape(DI-BSCCO)

Tc-onset~117.8 K

118

110

39Tc(K)と臨界電流

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

Position in length direction y

(mm)

She

et c

urre

nt d

ensi

ty

J(k

A/m

)

Position in width direction x (mm)0.0

5.0 10.0 1

5.0 20.0

50.0

40.0

30.0

20.0

10.0

0.0

Cor

e cu

rrent

den

sity

(A/m

m2 ) 600

500

400

300

200

100

0

Position in width direction (mm)-3 -2 -1 0 1 2 3

Cor

e cu

rrent

den

sity

(A/m

m2 ) 600

500

400

300

200

100

0

Position in width direction (mm)-3 -2 -1 0 1 2 3

Cross sectional viewCross sectional view

90KT ≅

線材中央部分では平均の約2倍の性能

41

実用化、商業化への展望

1. ビスマス系超電導線への信頼感が醸成されてきた→多くのユーザの声(Quality, Cost, Quantity, Delivery)

・ビレットヒータ、B-Hカーブトレーサ、各種モータ、MRI/NMR・ケーブル（Albany, 旭変電所, BNIIKP, 中部大, CAS）

2. 実規模プロトタイプ応用製品の稼働 → 商業製品化開始

・機器としてのメリットの実証・総合的な信頼性の獲得・周辺技術を含めた総合経済性の検証

3. エネルギー供給・利用の低炭素化重要技術との位置づけ（政策的な課題：2010年6月、グリーン・イノベーション）

4. 1,000 km/年、5円/Amへ

御静聴有難うございました！