Con il numero 42 di Agosto 2011 di questa Rivista, nell’articolo intitolato I primi 100 anni della superconduttività, gli autori hanno ripercorso la storia dello sviluppo dei superconduttori e accennato alle applicazioni in campo biomedico e nella ricerca di base (l’LHC del CERN). In questa seconda parte vengono esaminate le applicazioni nel settore della produzione di energia e in quello dei trasporti.
La fusione nucleare, il processo che avviene nel Sole e nelle stelle, potrebbe essere riprodotta sulla Terra per la produzione illimitata di energia. La fusione di nuclei di atomi leggeri (deuterio e trizio) libera infatti una grande quantità di energia senza creare né scorie radioattive né emissioni di gas serra. Per fondere insieme due nuclei bisogna però raggiungere temperature elevatissime per vincere la forza di repulsione coulombiana tra i protoni.
ITER – reattore per la fusione nucleare –
Allo scopo di dimostrare la produzione di energia elettrica mediante il processo di fusione nucleare, è in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia, il reattore ITER. Si tratta di un progetto strategico, con un costo complessivo di circa 13 miliardi di euro nell’arco dei dieci anni previsti per la sua costruzione, svolto nell’ambito di un accordo internazionale che vede coinvolti Europa, Giappone, Stati Uniti, Cina, India, Repubblica della Corea del sud e Russia. In ITER, la miscela deuterio-trizio viene riscaldata a 150 milioni di °C e, non esistendo nessun materiale in grado di resistere a queste temperature, il plasma ottenuto verrà confinato, mediante potenti campi magnetici, superiori a 5 T, al centro di una camera toroidale a forma di ciambella.
L’impiego di magneti superconduttori è indispensabile: l’uso di magneti resistivi assorbirebbe più energia di quanta verrebbe prodotta dal reattore. I materiali impiegati in ITER sono superconduttori a bassa temperatura critica (Nb3Sn e NbTi) mentre i materiali HTS saranno utilizzati per realizzare i discendenti di corrente. Il consorzio italiano ICAS (Italian Consortium for Applied Superconductivity), formato da ENEA, CRIOTEC Impianti e TRATOS Cavi, si è aggiudicato un contratto di fornitura di conduttori in Nb3Sn per i magneti toroidali (18 km) e poloidali (20 km).
ITER dovrà dimostrare di poter produrre più energia di quanta consumata per innescare e mantenere il processo di fusione nucleare. È prevista la generazione di oltre 500 MW di potenza per almeno 400 s a fronte di un consumo di 50 MW (con un fattore Q>10). In caso di successo, sarà avviata la costruzione dell’impianto DEMO che dovrà produrre 2 GW in modo continuativo e aprire la strada ai primi reattori a fusione commerciali entro il 2050.
Treni a levitazione magnetica
L’idea di un treno a levitazione magnetica che viaggia ad alta velocità tenuto sospeso da forze magnetiche risale agli anni Sessanta del secolo scorso. Si basa sul principio che campi magnetici di polarità opposta si respingono. I principali vantaggi dei treni MAGLEV (MAGnetic LEVitation), sono l’alta velocità, l’assenza di vibrazioni, la rumorosità contenuta e la minor manutenzione grazie all’assenza di contatto ruota-rotaia.
La multinazionale tedesca ThyssenKrupp ha realizzato il Transrapid che viaggia a oltre 400 km/h ed è già utilizzato in Cina per il collegamento dell’aeroporto di Shanghai con il centro della città. Il Transrapid utilizza però elettromagneti convenzionali, che avvolgono una rotaia ferromagnetica a forma di T, e richiede un sistema elettronico attivo per il controllo continuo della distanza tra la rotaia e l’elettromagnete.
In Giappone, la Central Japan Railway Company ha sviluppato, a partire dagli anni Settanta del secolo scorso, un treno MAGLEV con elettromagneti superconduttori. A differenza del Transrapid, il treno giapponese, che detiene dal 2003 il record mondiale di velocità massima pari a 581 km/h, non necessita di sistemi di retroazione attiva: i campi magnetici generati dai magneti superconduttori, posti sulla parte laterale delle vetture in movimento, inducono correnti elettriche in bobine metalliche poste lungo la linea, e conseguentemente campi magnetici, di verso contrario, che guidano e mantengono sospeso il veicolo a circa 10 cm dal suolo. La propulsione è realizzata mediante un motore sincrono lineare. I test necessari per completare le verifiche indispensabili per la messa in servizio commerciale sono in corso sulla linea sperimentale di Yamanashi di 42,8 km. Il tracciato dei test, in caso di approvazione del progetto, diventerà parte della linea ferroviaria che collegherà Tokyo e Osaka in meno di un’ora.
Settore elettrico
L’avvento dei superconduttori ad alta temperatura (HTS) e la conseguente semplificazione criogenica hanno indubbiamente contribuito a riaccendere le speranze di una maggiore diffusione delle applicazioni della superconduttività nel contesto dei sistemi elettrici per l’energia. L’implementazione di dispositivi superconduttivi nel settore elettrico potrebbe costituire un’opportunità concreta per aumentare la capacità di trasporto e migliorare l’efficienza e la flessibilità dei sistemi di trasmissione e distribuzione.
Per valutare il risparmio energetico conseguente all’utilizzo di un componente superconduttivo occorre tener conto che ogni watt dissipato a 77 K richiede un dispendio di energia del sistema di raffreddamento di 15 W mentre l’analoga dissipazione a 4,2 K ne richiede ben 500 W. Ciò rende evidente l’esigenza degli operatori del settore elettrico di poter disporre di superconduttori in grado di lavorare a temperature sempre più elevate.
Potenzialmente tutti i componenti di una rete elettrica possono essere sostituiti con analoghi componenti superconduttori, ma, in pratica, solo alcuni di essi hanno reali possibilità di essere utilizzati nella rete elettrica del futuro che sarà smart, in grado di ottimizzare i flussi di energia e interagire con le richieste di consumo. In diverse reti elettriche sono già installati cavi, trasformatori, generatori e limitatori di corrente superconduttori che permetteranno di verificare la loro affidabilità e valutarne la convenienza economica.
Cavi per il trasporto di energia elettrica
Si tratta sicuramente dell’applicazione più interessante per un materiale che vanta una resistenza elettrica nulla. Il cavo superconduttore permette di trasmettere una quantità di energia elettrica da tre a cinque volte maggiore di quella di un cavo in rame di pari dimensioni con una significativa riduzione delle perdite.
Il cavo superconduttore e il dielettrico sono posti all’interno di un tubo flessibile in acciaio in cui scorre l’azoto liquido; un’intercapedine esterna, in cui viene creato il vuoto, garantisce l’isolamento termico. Il cavo è composto di nastri superconduttori HTS (Bi-2223 o YBCO) in contatto con una struttura centrale in rame in grado di condurre la corrente elettrica alternata, per il tempo sufficiente a garantire l’apertura della linea, in caso si verifichi un guasto o il superamento delle condizioni critiche. Analisi tecnico-economiche mostrano che un cavo SAT può risultare competitivo, rispetto a un cavo convenzionale, per potenze superiori a 1 GVA.
Il cavo HTS presenta ulteriori benefici a livello di impatto ambientale e sicurezza in quanto è dotato di uno schermo superconduttore coassiale che garantisce l’assenza di campi magnetici nelle aree adiacenti rendendo nullo l’inquinamento elettromagnetico. Inoltre, la possibilità di trasmettere la stessa potenza con una tensione ridotta, permette di evitare uno o più stadi di trasformazione.
Si ritiene che i cavi SAT, grazie alle loro dimensioni ridotte, siano d’interesse soprattutto per la sostituzione e il retrofit di cavi in rame in aree densamente abitate, utilizzando tunnel o cavidotti già esistenti. In questo modo risulta possibile potenziare la capacità di trasporto della rete elettrica senza dover ricorrere a opere civili che comporterebbero costi notevoli e disagi per la popolazione.
La SuperStation, se approvata, verrà realizzata a Clovis nel New Mexico (USA) in un punto strategico distante poche miglia dalle reti di trasmissione occidentale, orientale e del Texas.
La connessione tra reti elettriche indipendenti e asincrone richiede la conversione in continua della tensione proveniente da una rete e in seguito la sua riconversione in alternata prima di immetterla nella rete adiacente. Il cavo superconduttore ha lo scopo di far circolare senza perdite la corrente elettrica nell’anello di collegamento delle stazioni di conversione AC/DC delle tre reti elettriche.
Limitatore di corrente
La tendenza a incrementare l’interconnessione delle reti elettriche per migliorarne l’affidabilità e l’aumento esponenziale dell’allacciamento di nuovi impianti da fonti rinnovabile conduce a un aumento dei valori delle correnti di corto circuito. Gli operatori della rete si trovano quindi nelle condizioni di limitare le interconnessioni per evitare gli investimenti necessari per il potenziamento della rete e la sostituzione degli interruttori di potenza con unità di taglia maggiore. L’uso di superconduttori permette la realizzazione di dispositivi innovativi basati sulla transizione «stato superconduttore-stato normale» quando la corrente elettrica supera il valore critico. Il limitatore di corrente superconduttivo (SFCL, Superconducting Fault Current Limiter) è ritenuto il dispositivo superconduttore con le maggiori prospettive applicative in quanto possiede caratteristiche funzionali non ottenibili con dispositivi tradizionali quali: limitazione istantanea e passiva della corrente in caso di guasto e impedenza trascurabile nelle condizioni nominali di esercizio.
Viceversa, il limitatore superconduttore induttivo non richiede il collegamento del componente a bassa temperatura con l’esterno. È costituito essenzialmente da un nucleo ferromagnetico con un avvolgimento primario in rame e un avvolgimento secondario superconduttivo chiuso su se stesso. Durante il funzionamento normale, la corrente indotta magneticamente nel superconduttore annulla il flusso magnetico nel nucleo, con una conseguente riduzione della sua induttanza; in caso di corto circuito, la corrente indotta nell’avvolgimento superconduttivo supera il valore critico con conseguente aumento dell’impedenza del dispositivo.
Il progetto più rilevante a livello europeo è ECCOFLOW, finanziato dalla comunità europea, coordinato da Nexans con il coinvolgimento di partner di diverse nazioni tra cui A2A e RSE per l’Italia. Il progetto prevede lo sviluppo e l’installazione in una rete di distribuzione di un limitatore di corrente trifase basato su nastri HTS a base di YBCO.
Generatore per turbine eoliche
Un’applicazione recente della superconduttività nel settore elettrico riguarda i generatori degli impianti eolici. La taglia attuale delle turbine eoliche arriva a 5 MW con altezze del palo superiori a 100 m e pesi della navicella (che contiene il generatore) fino a 500 tonnellate. Nei prossimi anni è previsto lo sviluppo di impianti eolici off-shore di taglia 10-20 MW con altezze della torre fino a 200 m e pesi della navicella di 1000-2000 tonnellate.
La disponibilità di nuove tecnologie in grado di ridurre il peso e le dimensioni del generatore è ovviamente di notevole interesse e l’uso della superconduttiva permette la realizzazione di generatori con pesi e ingombri ridotti del 30-40 % rispetto ai generatori tradizionali e la possibilità, non trascurabile, di evitare l’installazione della gearbox e connettersi in presa diretta alle pale eoliche.
Elettronica superconduttiva
Interessanti sono anche le possibili applicazioni dei superconduttori nel settore elettronico. La maggior parte dei dispositivi elettronici superconduttori è realizzata sotto forma di film sottili depositati su substrati isolanti.
Attualmente si riescono a ottenere film HTS di buona qualità che, raffreddati a 77 K, hanno una resistenza elettrica superficiale inferiore a quella del rame anche a frequenze molto elevate permettendo la realizzazione di dispositivi a microonde ad alte prestazioni quali filtri per la telefonia cellulare e antenne a bassa perdita.
L’elemento base dell’elettronica superconduttiva è però la giunzione Josephson la cui scoperta fu premiata anch’essa con il Nobel per la Fisica nel 1973. Consiste in due film superconduttori separati da uno strato sottile isolante. La caratteristica tensione-corrente di una giunzione Josephson è composta da due tratti distinti rispettivamente a tensione nulla e a un valore finito. Il dispositivo può commutare da uno stato all’altro in tempi estremamente rapidi e questo lo rende applicabile per elementi logici di calcolatori. L’insieme di due giunzioni Josephson è chiamato SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ed è un dispositivo estremamente sensibile per le misure magnetiche (dell’ordine di 10-14 T) utilizzato in magnetometri estremamente sofisticati per magnetoencefalografia, magnetocardiografia, geomagnetismo, ispezione della crosta terrestre per il rivelamento di giacimenti naturali di idrocarburi e rivelazione di difetti e impurezze magnetiche nei materiali.
Conclusioni
Cento anni fa nascevano i materiali superconduttori e da allora abbiamo assistito a continui progressi riguardanti la scoperta di nuovi superconduttori in grado di operare a temperature sempre più elevate e lo sviluppo di processi industriali per la fabbricazione di fili e componenti superconduttivi.
Nonostante le loro proprietà uniche e straordinarie, la necessità di doverli raffreddare a temperature molto basse (tra -200 °C e -270 °C) impedisce la diffusione su larga scala delle tecnologie superconduttive limitandone l’impiego a poche, seppur importanti, applicazioni (scanner per la risonanza magnetica e acceleratori di particelle).
Nel prossimo futuro vedremo però l’affermazione di nuove applicazioni della superconduttività: reattori a fusione nucleare per la produzione illimitata di energia, treni che sfrecciano a oltre 500 km/h senza alcun contatto con le rotaie, cavi in grado di trasportare grandi quantità di energia senza dispersione e dispositivi in grado di mitigare gli effetti dei guasti sulla rete elettrica.
Nulla vieta infine che possa prima o poi avvenire la scoperta del «superconduttore a temperatura ambiente» che, oltre a conquistare il premio Nobel e la prima pagina di tutte le riviste mondiali, rivoluzionerebbe gran parte delle attuali tecnologie e probabilmente anche la nostra vita quotidiana.
Sergio Zannella
(Ricerca e Sviluppo, Edison SpA; l’autore è anche Presidente del comitato tecnico CT 90 Superconduttività del CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano) e membro del Board internazionale di ESAS (European Society for Applied Superconductivity))
Lucio Rossi
(Professore presso l’Università degli Studi di Milano – Dal 2001 dirige il gruppo Magneti & Superconduttori per il progetto LHC del CERN di Ginevra)
Indicazioni Sitografiche
- Numero speciale di Physics World per celebrare i 100 anni della superconduttività http://physicsworld.com/blog/2011/04/celebrate_the_centenary_of_sup.html
- European Society for Applied Superconductivity: www.esas.org/
- Consortium of European Companies determined to use superconductivity: www.conectus.org/
- IEEE Council on SuperConductivity: www.ewh.ieee.org/tc/csc/
- A Teacher’s Guide to Superconductivity: www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html
- Superconductor information for beginners: www.superconductors.org/
- Progetto ITER: www.iter.org
- Progetto LHC: http://lhc.web.cern.ch/lhc/
© Pubblicato sul n° 43 di Emmeciquadro