電力・発電・原子力スレ - 1081280165

1：とはずがたり：2004/04/07(水) 04:36: 原子力発電は根本的な欠陥を持つのではないかという疑念を晴らせないで居る。
太陽光・風力など自然エネルギー活用型社会への移行を目指すスレ

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2422：とはずがたり：2014/07/13(日) 18:33:04: 電纜ネタ

2013年05月31日 15時00分更新
高効率送電が可能な「超電導ケーブル」
http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1305/31/news109.html

再生可能エネルギーの利用、発電、省エネ、需要の制御……これらは電力問題を解決し、より経済的な電力システムを作り上げるための重要な取り組みだ。今回はあまり顧みられることのない「送電」に注目し、超電導技術を使うとどこまで改善が可能なのかを紹介する。
[畑陽一郎，スマートジャパン]

　電力にはさまざまな課題がある。その1つが、「輸送時」にロスが生じることだ。電線を使って送電すると、電気抵抗のためにどうしても損失が生じる。遠くに送電すればするほど電圧が下がり、電力が熱に変わってしまう。これがロスの正体だ。

　送電ロスの悪影響は意外に大きい。20カ所の発電所があったとき、5％の送電ロスがあると、1カ所の発電が全く無駄になる計算だ。

　送電ロスを減らすにはどうすればよいだろうか。幾つか方法がある。そもそも送電しなけなければよい。電力を消費するすぐそばで発電する「地産地消」は効果的だ。この他、電力ケーブルを太くして電気抵抗を下げる、電力を高圧にして電気抵抗を減らす、このような取り組みが有効だ。

　電力ケーブルを太くする方法には限界がある。高圧鉄塔を幾つも並べる空中架電（架空送電）であればケーブルが重くなりすぎて切れてしまう。地中送電であれば配管の土木工事など設置費用がかさむ。そもそも都市部ではそれほど太い配管は設置できない。

　高圧送電はごく普通に使われている。発電所の発電機から得た電力をすぐに高圧に変換し、一次変電所まで高圧で送電するのはこのためだ＊1）。ただし高圧のままでは使いにくいので、消費地に近づくと、再度電圧を低くしている。

＊1）電力を送電するとき、電力損失は電流の値の2乗に比例する。電圧にはほぼ無関係だ。そこで、送電する前に電圧を高めて電流を絞る変圧処理を行う。

電気抵抗がゼロになればよい

　送電ロスを減らす方法がもう1つある。電気抵抗自体を減らせばよい。送電線には電気抵抗が最も低い銅を使っている。どうすればよいのだろうか＊2）。

　超電導を使う。超電導とは、金属や金属酸化物などを低温にしたときに電気抵抗がゼロになる現象をいう＊3）。当初は液体ヘリウムを使って得られるほどの極低温（－269℃）が必要だった。液体ヘリウムは高価であり、量産も難しい。1986年に高温超電導現象が発見されたため、現在では比較的安価に手に入る液体窒素（－196℃）の冷却で超電導現象を起こす材料が幾つも量産できるようになっている。

＊2）銀の方が0℃での電気抵抗は低いが、高価であり大量には使えない。
＊3）このため超電導材料でリングを作り、そこにいったん電流を流すと低温に保たれている限り、永久に電流が流れ続ける。

　そこで、そのような材料で送電ケーブルを作り、常時液体窒素で冷却すれば、電気抵抗ゼロの送電が可能になる。理想的なシステムだが、非常に高くつきそうに見える。実際のところはどうなのだろうか。

　「銅ケーブルの損失は送電した電力の5％程度だ。超電導ケーブルだとこれが0になる。ただし、冷却で2％分が必要だ。差し引き3％が浮くことになる」（古河電気工業研究開発本部パワー＆システム研究所超電導応用開発部伝送技術グループの八木正史氏）。

　超電導ケーブルは銅線よりも希少な元素を使う。ケーブル自体も高くつきそうだ。「ケーブルメーカーの目標は2020年に銅ケーブルと同じコストにすることだ。これは実現できると考えている」（八木氏）。
2423：とはずがたり：2014/07/13(日) 18:33:29: メリットはゼロ抵抗ではない

　電気抵抗をゼロにできる超電導ケーブル。家庭でも使えるのだろうか。「超電導ケーブルは高電圧小電流の送電に向いている。現在は一次変電所の出力側（66kV）に接続することを考えて開発が進んでいる。発電所の発電機の出力側につなげる用途も有望だ」（八木氏、図1）。

　超電導ケーブルは冷却しなくてはならないため、空中架電には向かない。一方、地中送電には最適な技術だ。都市中心部では空中架電が使えないため、地中送電が多用されている。もしある都市部で地区の電力需要が伸びていくことが分かったとしよう。地中送電用配管には余裕がないため、もう一度配管工事が必要だ。このような場合、超電導ケーブルであれば、より細い管でより大量の電力を送ることができる。銅ケーブルを置き換えるだけよく、長距離の配管を敷設する工事は必要ない。景観上の問題で空中架電ができない地区にも向く。超電導ケーブルはシールドされているため、電磁波放射がほぼゼロだという特徴もある。

実用化は可能なのか

　メリットばかりが見える超電導ケーブルだが、果たして実用化できるのだろうか。課題は3つある。コストと性能、信頼性だ。

　2020年の目標を実現するコスト低減の手法は3つあるという。まず冷却コストの低減、次にケーブルの製造コストを下げること、最後に実質的なコストを下げることだ。冷却コストを下げるにはより高効率な冷凍機を開発すればよい。

　ケーブルの製造コストはどうだろうか。「現在、連続生産で長さ1kmのケーブルを製造できる。これを長くするとともに歩留まりを上げることで製造コスト低減が可能だ」（八木氏、図2）。

　実質的なコストとは何だろうか。超電導ケーブルは銅ケーブルとは違って、太い金属に電流が流れるのではない。電流が流れるのはわずか1μm（1000分の1mm）という薄い層だ。この厚さを2倍にできれば、送ることができる電流の量がほぼ2倍になる。2本必要な送電ケーブルが1本で済む計算になる。これが実質的なコスト低減の意味だ。

　ところで、なぜそれほど薄い層を使って送電しているのだろうか。これには理由がある。

　そもそも現在最も実用化に近いのはビスマス（Bi）を使った超電導ケーブルだ＊4）。住友電気工業は1986年からビスマスケーブルの開発を進めており、1.5kmの長尺化にも成功している＊5）。ビスマスケーブルは圧延工程で製造できる。複数のローラーの間に金属を通して細く長くする、製鉄などでも使われている工程だ。圧延工程は製造コストが低く、大量生産に向く。

＊4）金属酸化物であるBi2Sr2Ca2Cu3O10を使う。
＊5）同社は2000年の段階で100m長のビスマス系ケーブルを使った10万kW級の長期課通電試験に成功している。2009年には線材の出荷長さが100kmを超えた。

　しかし、ビスマスには2つの欠点がある。1つ目はビスマスが磁場に弱いことだ＊6）。超電導状態は磁場がなければ安定だが、強い磁場を受けると失われてしまう。「送電ケーブルが強い磁場を受けることはないため、直接問題にはなりにくい。ただし、ビスマス技術をコイルやマグネットに向けて広げていこうとするときに制約になる。具体的には変圧器や電力貯蔵、MRI（核磁気共鳴画像法）だ」（八木氏）。いずれも強い磁場が発生する。

＊6）企業が送電ケーブルを中心に事業戦略を立案しているのであれば、磁場の問題は欠点にはならない。
2424：とはずがたり：2014/07/13(日) 18:33:49: >>2422-2424
　2つ目の欠点は、ビスマス材料が銀との複合材料として使われていることだ。「断面積当たり70％もの銀を使っている。このまま銅と同じコストに持っていくには工夫が必要だ」（八木氏）。

　ビスマスの欠点を重く見た企業はビスマス系に代わる材料であるイットリウム系材料の開発に軸足を移している。イットリウム系材料は磁場に強い。温度などの条件にもよるが、1桁以上強い磁場に耐える。さらに銀の使用量を減らすことができる。現在は数％の銀を使っているが、これを0にもできるという。

　最大の課題は製造手法にある。イットリウム系材料では圧延工程が使えない。金属のように延びる性質がないからだ。そこで、クロムとニッケル合金からできたテープ状の基板材料の上に、中間層＊7）を作り込み、その上にイットリウム系材料を気相または液相で加えて薄膜を形成している。半導体の製造プロセスと多少似た工程だ。このため、膜厚を増やすほどイットリウム系材料の結晶品質が落ちやすい。これを防ぐ技術開発が重要だ。

＊7）中間層の役割は、上に載せるイットリウム系材料が正しい向きに結晶化すること（配向）を助けるためだ。

イットリウム系はどこまで来た

　2番手の材料として開発が進むイットリウム系材料。3つの課題のうちの2つ、性能と信頼性はどこまで向上できているのだろうか。国内では、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクト「イットリウム系超電導電力機器技術開発」＊8）の下に複数のメーカーが開発を競っている。

＊8）実施期間は2008～2012年。目的は66kV、5kA大電流ケーブルと、275kV、3kAの高電圧ケーブルの開発と検証だ。さらに上位のプロジェクトとして「高温超電導ケーブル実証プロジェクト」（2007～2013年）もある。

　古河電気工業は2013年1月、中国瀋陽市の瀋陽古河電纜での実証試験結果を発表した。同社は超電導送電としては世界最高水準にあるという275kV、150万kVAの送電を可能とする高温超電導ケーブルの他、新たに開発した電力機器との接続部にあたる気中終端接続部と中間接続部を用いた。システムの全長は30mだ（図3）。

　実証試験では、30年相当の加速試験として長期課通電を実施し、ケーブルや接続部の健全性を確認できたとする。同社は66kVよりも高圧の分野でもイットリウム系超電導ケーブルを利用できるめどが立ったとした。

　2013年5月には同じくNEDOのプロジェクトに参加する国際超電導産業技術研究センターと住友電気工業、フジクラが性能と信頼性に関する実証実験・試験の結果を発表した。いずれもイットリウム系材料を使ったものだ。

　住友電気工業は15m長の66kV三芯一括型ケーブルを使い、自社の課通検証試験設備で、5kAの通電を確認した。これは世界最大級だという。送電容量は570MVAに達する。150mmの標準的な管路（地下送電）に適用できる。さらに冷却効率を考慮した後に送電損失を従来の3分の1に低減できた。具体的には交流損失が1相当たり2W/mだ。加えて、30年間の運用に相当する加速条件で長期課通電試験を実施してシステムの健全性を確認した。

　フジクラは自社の66kV級超電導ケーブル（図5）を利用した全長約20mの試験線路を構築し、世界最大の臨界電流（500A/cm）を利用して、住友電気工業と同じ5kAの通電に施工。5kA次の損失は1相当たり1W/m以下だという。同社の現行のケーブル（154kV、6000MVA）と比較して冷却効率を考慮した送電損失が4分の1になったという。

　各社のイットリウム系の技術開発状況を見ると、2番手とはいえ、ビスマス系に次ぐ性能を実現できていることが分かる。今後はイットリウム系ケーブルの大容量化、コンパクト化、長期信頼性向上、低損失化に向けた研究開発が続く。