Kikuo Hayakawa, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
Materialen voor hoge-temperatuur supergeleiding (HTS) spelen een belangrijke en veelbelovende rol in toekomstige energietoepassingen zoals elektriciteitstransport en de ontwikkeling van nieuwe transformatoren. Deze toepassingen gaan aanzienlijke energiebesparing opleveren. Veel landen werken momenteel aan HTS-toepassingen. De Japanse overheid stimuleert R&D voor de volgende generatie toepassingen voor supergeleiding, zoals YBCO draden, banden, stroken en films en elektrische faciliteiten zoals transformatoren en kabels. Deze generatie moet in 2020 op de markt komen. In 2014 zal bovendien een start gemaakt worden met de bouw van de infrastructuur voor de nieuwe Japanse hogesnelheidstrein op basis van supergeleiding (MAGLEV). In 2027 hoopt men de trein definitief in gebruik te kunnen nemen.
Ontwikkeling van HTC
Supergeleidende magneten behoren tot de krachtigste elektromagneten op aarde. Zij worden bijvoorbeeld gebruikt in medische apparaten zoals MRI- en NMR-scanners en in massaspectrometers. Meestal is in deze toepassingen sprake van lage-temperatuur supergeleiders met op niobium gebaseerde verbindingen. Bij deze materialen treedt het weerstandloze transport van elektriciteit pas op bij de temperatuur van vloeibaar helium: 4,2 graden Kelvin oftewel -269 graden Celsius. Het noodzakelijke gebruik van helium om deze extreme temperatuur te bereiken vormt een belangrijk obstakel voor de grootschalige toepassing van supergeleiding, zoals elektriciteitstransport. Daarom zijn veel onderzoeksinspanningen gericht op hoge-temperatuur supergeleiders (HTS), koperverbindingen zoals Bi2Sr2Ca2Cu3Oy en YBa2Cu3Oy. Bij deze verbindingen volstaat het veel minder kostbare vloeibaar stikstof. Hoge tempratuur is relatief, want dit koelt tot 77 graden Kelvin/-196 graden Celsius. De eerste generatie HTS-materialen bestond uit metaalstrips met daarop gedeponeerd een laag van de bismuthverbinding Bi2Sr2Ca2Cu3Oy oftewel BSCCO. Het Japanse bedrijf Sumitomo Electric is er in geslaagd lange supergeleidende kabels te maken op basis van BSCCO strips. Het bedrijf is tegenwoordig een belangrijke producent van dit soort kabels. De tweede generatie supergeleidende stroken is is opgebouwd uit dunne lagen YBa2Cu3Oy oftewel YBCO. Dit materiaal heeft een langere levensduur en kan probleemloos in sterke magneetvelden worden toegepast. Het Amerikaanse AMSC, Philips-dochter SuperPower en het Japanse Fujikura zijn de belangrijkste ontwikkelaars en producenten van YBCO-stroken.
Het M-PACC project
Voor de commercialisering van toepassing van YBCO-gecoate strips ondersteunt het Japanse agentschap New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) sinds 2008 het Materials and Power Applications of Coated Conductors (M-PACC) project voor vijf jaar. Het projectbudget bedraagt 137 miljoen euro. Projectleider Dr. Yuh Shiohara is directeur-generaal van het International Superconductivity Technology Center (ISTEC) van het Superconductivity Research Laboratory. ISTEC is een publiek consortium van 43 bedrijven, waaronder Tokyo Electric Power Co., Fujikura en NEC. Het M-PACC project richt zich op de ontwikkeling van het productieproces voor supergeleidende YBCO-strips en de toepassing ervan in energieopslag, supergeleidende kabels en transformatoren. Van Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) wordt veel verwacht. SMES zal een rol gaan spelen in nieuwe elektriciteitsnetwerken en in de halfgeleiderindustrie, waar de behoefte aan stabiele stroomvoorziening groot is.
De eerste lage temperatuur supergeleidende SMES werd in 2003 geïnstalleerd bij een LCD-fabriek van Sharp. SMES zal tegen 2030 de CO2-uitstoot van elektriciteitsbedrijven naar verwachting met 1,7 miljoen ton verminderen. Het transportverlies aan stroom door toepassing van supergeleidende transformatoren en kabels wordt met zestig procent teruggebracht. De transportcapaciteit ligt daarnaast een factor drie hoger dan met koperen kabels.
Het M-PACC-project is een samenwerkingsverband van tien bedrijven, waaronder Fujikura en Chubu Electric Power en twintig universiteiten en onderzoeksorganisaties, zoals Kyoto universiteit, Tohoku universiteit en ISTEC. In 2013 begint het M-PACC-project met veldtesten bij elektriciteitsbedrijven. Het is de bedoeling dat de SMES-systemen in 2020 op de markt komen.
Figuur 1. Roadmap van het M-PACC project (Materials & Power Applications of Coated Conductors) (bron: NEDO/ ISTEC).
Tegelijkertijd stimuleert de onderzoekfinancieringsorganisatie JST een tienjarig fundamenteel researchproject voor veelbelovende HTS-toepassingen. Dit project startte in 2009 met SQUIDS, scheepsaandrijvingen, een compacte versneller, NMR-systemen en treintoepassingen. Bij dit initiatief zijn vijf universiteiten en R&D-organisaties betrokken: Kyushu universiteit, National Institute for Materials Science (NIMS) en vier bedrijven waaronder Hitachi en JEOL. Het budget bedraagt 41 miljoen euro.
Hogesnelheidstrein MAGLEV
De Shinkansen, de hogesnelheidstrein van Japan, dateert al van 1964. Japan is bijzonder trots op de veiligheid van deze trein die de afgelopen 45 jaar zonder grote incidenten heeft gereden. De nieuwste variant van deze trein, de N700 Nozomi, haalt een maximale snelheid van driehonderd kilometer per uur. De Shinkansen maakt per dag 340 ritten tussen de steden Tokio en Osaka en vervoert daarbij 380.000 reizigers. Om aan de vraag van reizigers te kunnen blijven voldoen zijn er nu plannen voor een nieuwste generatie Shinkansen op basis van supergeleidende magnetische levitatie(MAGLEV). Het Japanse spoorbedrijf Central Japan Railway Co. (JR Central) dat al meer dan twintig jaar onderzoek verricht naar hogesnelheidstreinen, doet het onderzoek en de testen voor MAGLEV.
De MAGLEV-trein zal aanvankelijk worden uitgerust met lage temperatuur supergeleidende materialen op basis van NbTi verbindingen, totdat er HTS-materialen beschikbaar komen. Een prototype van deze trein houdt het snelheidsrecord voor treinen, namelijk 581 kilometer per uur en heeft de snelste acceleratie in vergelijking met soortgelijke treinen.
Wanneer de regelgeving en testen voorspoedig verlopen zal de bouw van de MAGLEV-lijn in 2014 beginnen. In 2027 kan dan deze trein op een traject van 286 kilometer gaan rijden tussen Tokio en Nagoya dat in veertig minuten wordt afgelegd. In 2045 moet Tokio-Osaka (438 km) operationeel worden. JR Central is van plan om 260 MAGLEV-treinen per dag te laten lopen met een maximale snelheid van 500 kilometer per uur. Elke trein zal duizend reizigers gaan vervoeren. In vergelijking met vliegtuigen hebben dit soort nieuwe treinen slechts de helft van de energie nodig per reizigerskilometer. Omdat de MAGLEV-hogesnelheidstrein van Shanghai, de Transrapid, gebruik maakt van permanente magneten, zal de Japanse MAGLEV-trein waarschijnlijk de eerste supergeleidende hogesnelheidstrein ter wereld worden.
Figuur 2. Vergelijking van de prestaties van verschillende hogesnelheidstreinen betreffende versnelling en afremming. (bron: Central Japan Railway Company).
Internationale samenwerking
ISTEC werkt op dit moment samen met het Los Alamos National Laboratory (LANL) in de VS. ISTEC en LANL tekenden een samenwerkingsovereenkomst voor de uitwisseling van onderzoekers in 2008. De projectleider van het M-PACC project, dr. Shiohara, is bijzonder te spreken over de samenwerking met buitenlandse universiteiten en onderzoeksorganisaties. Met de EU is onlangs een nieuw samenwerkingsverband gelanceerd. Onderzoekers kunnen nog tot 17 november 2010 een onderzoeksvoorstel indienen. Het budget is 1,8 miljoen euro voor de EU en een gelijk bedrag voor Japan De programmacode is FP7-NMP-2011-EU-Japan (superconductivity).
Bronnen
NEDO – http://www.nedo.go.jp/.
ISTEC – http://www.istec.or.jp/.
JR Central – http://www.jr-central.co.jp/.
(*) De originele Engelse tekst van Kikuo Hayakawa is vertaald door collega’s van TWA-Tokio.
