universidade federal do paraná alexandre zandona ferreira estudo de utilização de ...

46 Pages·2015·1.27 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

ALEXANDRE ZANDONA FERREIRA

ESTUDO DE UTILIZAÇÃO DE SUPERCONDUTORES PARA A TRANSMISSÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA

CURITIBA
2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

ALEXANDRE ZANDONA FERREIRA

ESTUDO DE UTILIZAÇÃO DE SUPERCONDUTORES PARA A TRANSMISSÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA

Trabalho apresentado como requisito à obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista, no Curso de
Graduação em Engenharia Elétrica, Setor de
Tecnologia, Universidade Federal do Paraná.

Orientador: Prof. Dr. Odilon Luís Tortelli

CURITIBA
2015
RESUMO

Os fenômenos envolvidos nos conceitos de supercondutividade são conhecidos
desde o início do século passado, porém, a partir das últimas décadas, novas
aplicações vêm sendo pensadas. Com o crescimento acentuado da população
mundial, há um grande impacto no consumo total de energia de forma a tentar suprir
as demandas dessa crescente população. Novas tecnologias são, então,
desenvolvidas de forma a viabilizar essa demanda cada vez maior. Os
supercondutores fazem parte dessas novas soluções que são desenvolvidas. Embora
seja amplamente pesquisada ao redor do mundo, no Brasil, a supercondutividade e
suas aplicações ainda não são muito discutidas. Neste trabalho são introduzidos um
pouco dos conceitos de supercondutividade, além de serem apresentados dados que
sugerem a relevância de estudos e os aspectos que comprovam que a tecnologia é
promissora. São feitas, também, análises de seu estado da arte.

Palavras-chave: Supercondutividade. Supercondutores. Efeito Meissner.
Supercondutores a alta temperatura. Transmissão de energia elétrica.

.
ABSTRACT

The phenomena involved in the concepts of superconductivity are known since the
beginning of the last century, however, from the last decades, new applications are
being designed. With the strong growth of the world population, there is a large impact
on total energy consumption in order to try to meet the demands of this growing
population. New technologies then are developed in order to facilitate this growing
demand. Superconductors are part of these newly developed solutions. Although
widely researched around the world, in Brazil, superconductivity and its applications
are not much discussed. This paper introduces some of the concepts of
superconductivity, suggesting the relevance of studies and aspects that proves that
superconductivity is a promising technology. Analysis of its state of the art are also
made.

Keywords: Superconductivity. Superconductors. High Temperature Superconductors.
HTS. Meissner Effect. Power Energy Transmission.
SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 5
1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................... 7
1.1.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 7
1.1.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 7
1.2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 8
1.3 METODOLOGIA ................................................................................................... 9
2 A SUPERCONDUTIVIDADE ................................................................................ 11
2.1 TEORIA BCS ...................................................................................................... 13
2.2 O EFEITO MEISSNER ....................................................................................... 15
3 APLICAÇÕES NO SISTEMA ELÉTRICO ............................................................ 18
3.1 FIOS SUPERCONDUTORES ............................................................................ 19
3.2 CABOS SUPERCONDUTORES ........................................................................ 22
3.3 TRANSFORMADORES ...................................................................................... 23
3.4 MOTORES E GERADORES .............................................................................. 24
3.5 LIMITADORES DE CORRENTE ........................................................................ 24
3.6 MANCAIS MAGNÉTICOS .................................................................................. 25
4 PERDAS ELÉTRICAS NA TRANSMISSÃO ........................................................ 26
4.1 PERDAS ELÉTRICAS DO SIN ........................................................................... 26
4.2 PERDAS NAS LINHAS DE TRANSMISSÃO DA COPEL................................... 27
4.3 ANÁLISE ECONÔMICA DAS PERDAS ............................................................. 30
5 AVALIAÇÃO GERAL DOS SUPERCONDUTORES NA TRANSMISSÃO .......... 34
5.1 ASPECTOS TÉCNICOS ..................................................................................... 34
5.2 ASPECTOS AMBIENTAIS ................................................................................. 35
5.3 ASPECTOS ECONÔMICOS .............................................................................. 36
6 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 38
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 39
APÊNDICES ............................................................................................................. 43
5

1 INTRODUÇÃO

Descoberto em 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (FIGURA
1), o fenômeno da supercondutividade tem a sua importância cada vez mais
comprovada pelo desenvolvimento de novas tecnologias e materiais que já
possibilitam avanços em diversos âmbitos da engenharia e medicina. O trabalho de
Onnes tinha como objetivo medir a temperatura de liquidificação de gases, porém
através dele observou-se uma queda abrupta da resistividade elétrica do mercúrio
utilizado na instrumentação dos testes (TAYLOR, 2013). Supercondutividade foi o
nome dado ao fenômeno. Onnes foi agraciado pela descoberta, em 1913, com o
prêmio Nobel de Física.

FIGURA 1 – H. K. ONNES
FONTE: INTERNET (2015a).
6

H. K. Onnes observou, em sua descoberta, que, resfriando uma amostra de
mercúrio à temperatura de -270 ºC, através do uso de hélio líquido, o material
apresentaria uma resistência elétrica praticamente nula, inexistente. A descoberta da
supercondutividade motivou diversos estudos mundo a fora, sendo que no ano de
1933, Walther Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram uma outra propriedade dos
materiais supercondutores, o diamagnetismo. Os supercondutores, quando resfriados
à sua temperatura crítica (Tc), apresentavam o chamado efeito Meissner-Ochsenfeld
(FIGURA 2), expulsando o campo magnético de seu interior (AGUIAR JUNIOR, 2012).

FIGURA 2 – EFEITO MEISSNER-OCHSENFELD
FONTE: INTERNET (2015b).

A supercondutividade, desde a sua descoberta inicial no mercúrio, vem sendo
pesquisada em diversos outros materiais de forma a buscar temperaturas críticas
maiores. No ano de 1929, o supercondutor que apresentava o maior Tc era o Nióbio,
em 9,25 K. O Nióbio veio seguido, em 1941, pela liga Nióbio-Nitrogênio e pela liga
Vanádio-Silício, em 1953, a temperatura de 16 K e a 17,5 K, respectivamente
(BRANÍCIO, 2001). O uso e aplicação dos supercondutores ficava restrito ao âmbito
laboratorial devido à dificuldade de obter-se baixas temperaturas através do hélio
líquido. Até o ano de 1986, ano em que os supercondutores de alta temperatura, ou
High Temperature Superconductors (HTS), foram descobertos, o supercondutor que
apresentava o maior Tc era a liga de Nióbio e Germânio, a 23,2 K (BRANÍCIO, 2001).
Alex Mueller e George Bednorz descobriram ligas cerâmicas que
apresentavam o efeito supercondutor a temperaturas mais elevadas, os HTS, que se
utilizam de nitrogênio líquido ao invés de hélio líquido. A liga era constituída por
lantânio, bário, cobre e oxigênio (LaBaCuO), conhecida como LBCO e apresentava
temperatura crítica da ordem de 35 K. O LBCO motivou outras descobertas, como a
7

do BSCCO, a 107 K, e a do YBCO, a 92 K (AGUIAR JUNIOR, 2012). A possibilidade
do uso do nitrogênio simplifica os sistemas de refrigeração, além de possibilitar novas
aplicações comerciais, devido à sua abundância e baixo custo.
A supercondutividade é uma tecnologia que já vem sendo pesquisada a mais
de um século, porém, com a descoberta dos supercondutores de alta temperatura,
novas tecnologias são desenvolvidas e novas aplicações surgem. Este trabalho tem
como foco o estudo da tecnologia da supercondutividade e, especificamente, a
transmissão de energia através de cabos supercondutores.

1.1 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo fazer uma apresentação dos materiais
supercondutores, em especial, na sua utilização como parte do sistema de
transmissão de energia elétrica.

1.1.1 Objetivo Geral

Tem-se como objetivo geral, neste trabalho, a comprovação de que o estudo
dos supercondutores é relevante e que a aplicação dessa tecnologia no sistema
elétrico de potência é promissora.

1.1.2 Objetivos Específicos

Os objetivos específicos deste trabalho são:

 Analisar os fenômenos da supercondutividade.
 Apresentar as principais aplicações em sistemas elétricos.
8

 Realizar análises qualitativas e quantitativas das perdas elétricas no sistema
elétrico brasileiro.
 Avaliar qualitativamente a tecnologia de transmissão de energia elétrica com
supercondutores.

1.2 JUSTIFICATIVA

O contínuo crescimento da população mundial impacta em um maior consumo
de energia de forma a suprir as demandas dessa crescente população. Novas
tecnologias são, então, desenvolvidas de forma a viabilizar essa demanda cada vez
maior. Os supercondutores fazem parte dessas novas soluções que são
desenvolvidas.
Os investimentos em pesquisas de supercondutividade vem crescendo
progressivamente, com destaque nos países desenvolvidos, como Estados Unidos,
Japão e Alemanha, por exemplo. A FIGURA 3 nos dá o montante investido, na década
de 90, pelos países que estão, hoje, na vanguarda das pesquisas em
supercondutividade.

FIGURA 3 – POLÍTICA DE INVESTIMENTOS
FONTE: AGUIAR JUNIOR (2012).
9

O Brasil não apresenta iniciativas específicas para o desenvolvimento de
tecnologia de supercondutores, conforme podemos observar na FIGURA 4, onde os
Estados Unidos e os continentes europeu e asiático são responsáveis por quase a
totalidade dos centros de pesquisa em supercondutividade no mundo.

FIGURA 4 – DEMONSTRATIVO DA CONCENTRAÇÃO DOS CENTROS DE PESQUISA NO MUNDO
FONTE: AGUIAR JUNIOR (2012).

De forma a se buscar preencher nacionalmente uma lacuna de informações
sobre os assuntos envolvendo supercondutividade, este trabalho propõe o estudo dos
supercondutores. O foco deste trabalho será em especial nos supercondutores para
a transmissão de energia elétrica, visto que esse é um sistema vital ao sucesso de
todos os principais meios de produção do país.

1.3 METODOLOGIA

Inicialmente foram realizadas pesquisas bibliográficas de modo a se obter
informações sobre as tecnologias de supercondutividade. Foi, também, realizado um