<a href="https://www.swm.de/dam/swm/pressemitteilungen/2019/05/swm20190531-superlink.pdf">V Mnichově má být vybudováno</a> nejdelší vedení využívající vysokoteplotních <a href="https://oenergetice.cz/technologie/nad-supravodivosti-si-vedci-lamou-hlavu-jiz-sto-let-reseni-muze-nabidnout-obycejny-uhlik-ve-forme-grafenu">supravodičů</a> (HTS – High-Temperature Superconductors) na světě. Výhodou je možnost přenášet vysoké výkony téměř beze ztrát a vhodnost tohoto řešení do městských zástaveb. Supravodič speciálně optimalizovaný pro použití v kabelových vedeních vyvinula společnost Theva.
Konsorcium pěti partnerů plánuje v německém Mnichově vybudovat 12 km dlouhé vedení vysokého napětí za využití vysokoteplotního supravodiče. Partneři podepsali memorandum o porozumění a v současné době předkládají žádosti o financování. Jakmile bude učiněn závazek, začnou rozvojové práce.
<blockquote>„Chceme mnichovskou energetickou síť připravit na budoucnost. Abychom zároveň minimalizovali výstavbu hlavních rozvoden a dalších kabelových tras v městské oblasti, potřebujeme řešení, která lze snadno integrovat. Technologie HTS svým ekologickým aspektem vytváří inovativní ekonomickou a přijatelnou alternativu ke stávajícím systémům. Přenosová kapacita bude navýšena a navzdory využití malého počtu kabelových vedení budou přenosové ztráty udržitelně minimalizovány, a nám tak bude umožňěno dosáhnout cílů snižování emisí CO2 v odvětví sítí,“ uvádí Jörg Ochs, výkonný ředitel SWM Infrastructure.</blockquote>
Po úspěšném dokončení developerského projektu je záměrem vybudovat vedení vysokého napětí mezi hlavní rozvodnou Menzing a jižní částí německé metropole. To by znamenalo vytvoření zdaleka nejdelšího supravodivého vedení na světě. Předností využití  HTS technologie je extrémní kompaktnost linky ve srovnání s konvenčními kabely a nadzemními vedeními, jedná se tedy o ideální řešení pro městské zástavby s nedostatkem prostoru.
<blockquote>„Základní myšlenkou, která je důvodem, proč v nás tento projekt od samého počátku vyvolává takové nadšení, je přenést velmi vysoký výkon v Mnichově v co nejmenším prostoru a zcela ekologicky neutrálním způsobem. Tato konstrukce nevytváří elektrická ani magnetická pole a ani tepelně neovlivňuje zem. Zde chceme ukázat, že supravodivé kabely jsou průkopnickým technickým řešením pro budoucí energetické sítě metropolí,“ trvdí Robert Bach z Univerzity aplikovaných věd Jižního Vestfálska.</blockquote>
<h2>Co vlastně znamená supravodivý kabel?</h2>
<a href="http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_36_hts.html">Vysokoteplotními supravodiči</a> jsou například materiály na bázi oxidů <a href="https://oenergetice.cz/technologie/zpracovani-medi-od-mineralu-az-po-kabel/">mědi</a> kombinované se vzácnými kovy. Vysokoteplotní supravodiče jsou provozovány při teplotě okolo ‑200 °C, při které klesne jejich elektrický odpor téměř na nulu, čímž se zamezí tepelným, tzv. Jouleovým, ztrátám. K chlazení kabelů je využíváno dnes již běžně dostupného kapalného dusíku.
<figure id="attachment_9879" class="wp-caption aligncenter" style="width: 472px;"><a href="https://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/super-cable-3.jpg"><img class="size-full wp-image-9879" src="https://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/super-cable-3.jpg" alt="" width="472" height="314" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Naznačení struktury vysokoteplotního supravodivého kabelu. Zdroj: Nexans</figcaption></figure>
Při konvenčním způsobu vedení elektřiny na napěťové hladině 150 kV je nutné kvůli odvodu tepla z vodičů ukládat kabely do pásu země širokého alespoň 12 metrů. Supravodivost umožňuje snížit šířku tohoto pásu o 75 %.
Více o principu supravodivosti naleznete v jednom z našich předchozích článků: <a href="https://oenergetice.cz/elektrina/supravodivost-princip-a-vyuziti">Supravodivost – princip a využití</a>
<blockquote>„Supravodivý kabel, který nevytváří žádné elektromagnetické pole, bude chlazen v uzavřeném okruhu neškodným dusíkem. Tato kombinace bude tvořit jádro nejnovější technologie přenosu energie, která je také ekologicky neutrální,“ dodává Alexander Alekseev, technologický manažer ve společnosti Linde.</blockquote>
<h2>Výroba konkurenceschopných HTS kabelů</h2>
S první sériovou výrobou supravodičů v Německu se společnost Theva zaměřuje především na dosažení konkurenceschopnosti supravodičů s měděnými vodiči a tím proniknutí na trh s touto technologií.
<blockquote>„Úspěšné demonstrace kabelů HTS v síti probíhají po celém světě již několik let. Nyní, prakticky na našem prahu v Mnichově, jsme objevili aplikaci, pro kterou je použití supravodičů předurčeno: Přenos vysokého výkonu s minimálními ztrátami a minimálním dopadem na obyvatelstvo. Projekt má zároveň symbolický charakter a představuje rozhodující krok v komerční implementaci supravodivé technologie v síti,“ Werner Prusseit, ředitel společnosti Theva.</blockquote>
Konsorcium projektu zahrnuje společnosti  Theva, městskou energetickou společnosti Stadtwerke München, Linde AG, výrobce kabelů NKT, Univerzitu aplikovaných věd Jižního Vestfálska a Technologický institut Karlsruhe (KIT).
V současné době jsou HTSC kabely v menším měřítku využívány v několika zemích, většinou ale ne jako část vysokonapěťové soustavy. Jejich délka navíc nepřekračuje jeden kilometr. V roce 2009 byl takový kabel o délce 600 metrů instalován v New Yorku a v roce 2014 nahradil kilometrový supravodivý kabel 10kV vedení v německém Essenu.
Doposud světově největší projekt aplikace HTS plánoval německý provozovatel přenosové soustavy, společnost Tennet, v nizozemském městě Enschede. Od dvou až čtyř kilometrů dlouhého vedení však bylo <a href="https://www.tennet.eu/news/detail/superconducting-cable-in-enschede-too-costly/">z důvodu příliš vysokého investičního rozdílu oproti konvenčnímu řešení upuštěno</a>.
Úvodní fotografie: Rozvodna Menzing v německém Mnichově. Zdroj: SWM

Elektřina

V německém Mnichově bude vybudováno nejdelší supravodivé vedení na světě

Nad fenoménem supravodivosti, tedy stavu, kdy různé materiály dosahují téměř nulového elektrického odporu a dokáží vést elektrický proud v podstatě beze ztrát, si vědci lámou hlavu již sto let. Poslední objevy vědců nyní ukazují, že kromě běžně užívaných keramických materiálů <a href="https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181109150124.htm" target="_blank" rel="noopener">by řešení mohl nabídnout i obyčejný uhlík</a>, a to ve formě grafenu, který má potenciál stát se materiálem budoucnosti.
Uhlík je běžný prvek, který se hojně vyskytuje na celém světe. Čistý uhlík se může vyskytovat v různých formách, jako grafit či diamant, které mu zajišťují unikátní vlastnosti. V posledních letech vědci zaměřují svou pozornost stále častěji na grafen, který je svou strukturou podobný grafitu, ale na výšku měří pouze jediný atom. Unikátní, v podstatě dvourozměrná struktura tvořená atomy uhlíku nabízí řadu předností, ať už se jedná o vysokou pevnost či propustnost světla. Grafen je i vynikající vodič elektrické energie, avšak k supravodivosti má daleko. To by se nicméně mohlo v budoucnu změnit.
Letos v dubnu vědci z amerického MIT ukázali, že za určitých podmínek je možné dosáhnout supravodivosti při využití dvou vrstev grafenu. Aby uhlík vykazoval supravodivé vlastnosti, musí být vrstvy grafenu natočené vůči sobě přesně o úhel 1,1 °. V tomto stavu dochází v elektronové struktuře grafenu ke vzniku plochých pásem, které jsou pro supravodivost nezbytné. Příprava takovéhoto materiálu ze dvou vrstev grafenu je nicméně velmi náročná, a není tak vhodná pro velkovýrobu.
Existuje však i jednodušší způsob, jak tato pásma zformovat, a to způsobem vhodným i pro velkovýrobu. Pro výrobu potenciálně supravodivého grafenu vědci využili karbid křemíku, tedy krystalickou sloučeninu uhlíku a křemíku. Krystal karbidu vědci zahřívali do té doby, než se křemík vypařil a zůstaly po něm pouze dvě vrstvy grafenu. Ty proti sobě sice nejsou nijak natočeny, ale leží přímo na sobě.
Tento materiál vědci prozkoumali pomocí fotometrické spektroskopie. Důkladnou analýzou pásové struktury grafenu vědci objevili oblast, které byla dříve přehlížena.
<blockquote>
&#8222;Jedná se o přehlíženou vlastnost velmi dobře prozkoumaného systému. Dříve se nevědělo, že se v takto jednoduchém, dobře známém systému nachází plochá oblast v pásové struktuře,&#8220; říká spoluautor studie Dmitry Marchenko.
</blockquote>
Tato plochá oblast je základním požadavkem pro supravodivost, ale pouze za určitých podmínek. Přestože materiál tvořený čistě ze dvou vrstev grafenu zatím všechny potřebné podmínky pro supravodivost nesplňuje, jeho úpravou pomocí atomů jiných prvků či působením elektrického napětí se situace může změnit.
Úvodní fotografie: Grafen je tvořen atomy uhlíky, které jsou uspořádány do tenké vrstvy o tloušťce jediného atomu. Autor: CORE-Materials

Technologie

Nad supravodivostí si vědci lámou hlavu již sto let. Řešení může nabídnout obyčejný uhlík ve formě grafenu

Již více než sto let lidstvo zkoumá jev zvaný supravodivost. Pod pojmem supravodivost se rozumí stav materiálu, při němž klade nulový odpor procházejícímu elektrickému proudu a zároveň ze svého objemu vytěsňuje magnetické pole. Teoretických aplikací této technologie existuje mnoho od elektrických vedení, přes možnost ukládání energie až po nové výrazně rychlejší způsoby dopravy a využití supravodivosti v silných magnetech. Jedná se o pouhou sci-fi technologii budoucnosti nebo je již možné ji běžně využít v praxi?
Objevem supravodivosti se do historie fyziky zapsal v roce 1911 nizozemský fyzik Heike Kamerlingh-Onnes, který zkoumal možnosti dosahování extrémně nízkých teplot a chování látek při teplotách několik stupňů nad absolutní nulou. Onnes ze svého experimentu s čistou rtutí zjistil, že poklesne-li ji její teplota pod tzv. kritickou teplotu (pro rtuť 4,2 K), skokově klesne její odpor stejnosměrnému proudu na neměřitelnou hodnotu.
<figure id="attachment_10053" style="width: 388px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-10053 size-medium" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/Superconductivity_1911-388x512.gif" alt="Záznam z Onnesova měření, které vedlo k objevu supravodivosti." width="388" height="512" /><figcaption class="wp-caption-text">Záznam z Onnesova měření, které vedlo k objevu supravodivosti.</figcaption></figure>
S vysvětlením supravodivosti přišlo až v roce 1957 trio vědců Bardeen, Cooper a Schrieffer. Zveřejnili teorií objasňující princip supravodivosti a podle počátečních písmen jejich jmen je pojmenována BCS.
Podle BCS teorie se při dosažení kritické teploty dokáží elektrony párovat &#8211; vytvoří Cooperovy páry &#8211;  a obsazují pouze jeden kvantový stav. Jsou tak schopny se látkou pohybovat bez odporu a vypuzovat vnější magnetické pole. Supravodivost fungující na tomto principu se nazývána konvenční supravodivost.
Teorie BCS ovšem nedokáže vysvětlit jev vysokoteplotní supravodivosti, která probíhá za teplot o 70 Kelvinů vyšší, tedy za teploty dnes běžně dostupného kapalného dusíku. Vysokoteplotní supravodivost je tak dodnes neobjasněným fenoménem, který ale otevřel dveře k širokým možnostem aplikací.
Několik vědeckých pracovišť ve světě dokázalo vytvořit i materiály supravodivé za pokojové teploty, bohužel supravodivost byla jen krátkodobým nestabilním jevem, který byl narušen i velice slabým působením magnetického pole. Vytvořit stabilní supravodič za pokojové teploty se zatím nepodařilo.
<h2>Supravodivé materiály</h2>
Konvenční supravodiče, nebo také supravodiče prvního typu jsou např. olovo, cín, indium, rtuť. Zajímavý je fakt, že kovy, které jsou za normálních podmínek nejlépe vodivé tedy měď, stříbro a zlato mezi supravodivé prvky nepatří.
Vysokoteplotní supravodiče nazývané také supravodiče druhého typu jsou sloučeniny kovů, slitiny a některé keramiky.
<figure id="attachment_10069" style="width: 200px" class="wp-caption alignright"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/YBCO-unit-cell-3D-balls.png"><img class="wp-image-10069" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/YBCO-unit-cell-3D-balls-371x512.png" alt="Struktura materiálu YBACU." width="200" height="276" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Struktura materiálu YBCO.</figcaption></figure>
Významnou roli hraje v supravodivých směsích oxid mědi, další nezbytnou součástí je dvojmocný kov, nejčastěji baryum a trojmocné kovy například ytrium, či některé lantanoidy. Příkladem takovýchto materiálů jsou LBCO, YBCO nebo 1-2-3 sloučeniny. Hlavním znakem takovýchto sloučenin jsou rovinné vrstvy oxidu mědi.
<h2>Možnosti využití supravodičů</h2>
<h3>Supravodivé magnety</h3>
Jednou z aplikací supravodivosti je využití supravodičů ve vinutích magnetických systémů. Výhodou supravodivých magnetů je mnohonásobně menší spotřeba energie na vytvoření magnetického pole ve srovnání s konvenčními technologiemi. Supravodivé magnety totiž spotřebovávají energii především na chlazení. Tyto magnety se využívají při řadě fyzikálních experimentů, nejznámější je jejich využití v částicovém urychlovači v CERNu.
Supravodivé magnety jsou také využívány v dopravních systémech <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Maglev">Maglev</a>. Vlaky Maglev jsou magneticky nadnášeny a pohybují se zcela bez kontaktu s podkladem, tedy bez tření a jedinou překážkou v pohybu je jim odpor vzduchu. Takovéto systémy mohou dosahovat rychlosti až 600 km/h.
<h3>Levitace</h3>
Supravodivá levitace funguje na principu elektromagnetické indukce a nulového měrného odporu supravodiče, tedy potlačení tepelných ztrát v supravodiči. Na povrchu supravodiče jsou indukované stínící proudy, které nejsou ničím tlumeny. Vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno a dochází k jeho deformaci. 
Když supravodivý materiál ochladíme pod kritickou teplotu, nedojde ke změně magnetického pole v oblasti supravodiče. Stínící proudy na jeho povrchu se nevybudí a magnetické pole zamrzne ve stavu, jaký byl před ochlazením. Pokud se následně jakkoliv změní vnější magnetické pole, vybudí se na povrchu supravodiče stínící proudy, které budou kompenzovat danou změnu.
<figure id="attachment_10117" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-10117" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/Tile_levitates_by_Meissner_effect.jpeg.jpeg" alt="Supravodivá magnetické levitace – tzv. Meissnerův efekt." width="1024" height="683" /><figcaption class="wp-caption-text">Supravodivá magnetické levitace – tzv. Meissnerův efekt.</figcaption></figure>
Tento princip lze využít ke konstrukci ložisek. Takovéto ložisko umístěné ve vakuu bude fungovat zcela bez mechanického tření, čehož se využívá v kosmických aplikacích, kde zároveň opadá i nutnost dodatečného chlazení vzhledem k teplotám blízkým absolutní nule.
<h3>Skladování energie</h3>
Další praktické využití nachází supravodivost v oblasti skladování energie. Jedná se o technologii Superconducting magnetic energy storage (SMES). Systém SMES dokáže skladovat energii v magnetickém poli, jenž se vytvořilo průtokem stejnosměrného proudu supravodivou cívkou. Supravodivost cívky je zajišťována kryogenní jednotkou, která se stará o chlazení, další částí systému jsou stabilizátor napětí a řídicí jednotka. Po nabití cívky dojde k vytvoření magnetického pole, jehož energie může být v cívce uchována neomezeně dlouho (za stálého chlazení). V případě nedostatku výkonu v síti je možné tuto energii do sítě okamžitě uvolnit. Součástí stabilizátoru napětí je usměrňovač a střídač, které způsobují ztráty energie 2-3 % při každém průchodu proudu. Jedná se tedy o nejefektivnější možnost jak ukládat energii. Účinnost SMES přesahuje 95 %.
<figure id="attachment_10074" style="width: 512px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/image026.jpg"><img class="size-medium wp-image-10074" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/image026-512x277.jpg" alt="Popis technologie supravodivé cívky, která nalézá uplatnění i v oblasti skladování energie. Zdroj: http://www.library.utoronto.ca/" width="512" height="277" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Popis technologie supravodivé cívky, která nalézá uplatnění i v oblasti skladování energie. Zdroj: http://www.library.utoronto.ca/</figcaption></figure>
V roce 2010 se uskutečnil projekt v oblasti praktického využití technologie SMES pod záštitou americké vlády. Společnost ABB ve spolupráci s předním výrobcem supravodičů společností SuperPower a Univerzitou Houston vyrobila prototyp zařízení o s kapacitou 3,3 kWh. Cílem tohoto projektu bylo prokázat zda je možné vyvinout zařízení s kapacitou 1 MWh, které by bylo konkurence schopné s dnešními bateriovými akumulátory.
V neposlední řadě lze také supravodivost využít pro vedení elektřiny v elektrizačních soustavách. Společnost Tennet plánuje uvedení do provozu <a href="http://oenergetice.cz/technologie/elektroenergetika/v-nizozemsku-postavi-nejdelsi-supravodive-vedeni-vn/" target="_blank">supravodivého kabelu,</a> na bázi vysokoteplotní supravodivosti v délce dvou až čtyř kilometrů.
V německém Essenu byl v loňském roce spuštěn prozatím nejdelší supravodivý kabel na světě o délce přesahující jeden kilometr. Jedná se o linku na napěťové hladině 10 kV. Za projektem stojí společnost RWE, na jejímž distribučním území se kabel nachází. Hlavním účelem tohoto projektu je snížit ztráty a náklady na údržbu i úspora prostoru, kterého je ve vnitřních oblastech měst nedostatek. Náklady na tento projekt byly 13,5 milionů euro, ze kterých 6 milionů byla státní dotace.
Reference:
ŠTENCEL, Martin.  SUPRAVODIVOST U TRANSFORMÁTORŮ. Praha, 2014. Dostupné také z: https://dspace.cvut.cz/bitstream/handle/10467/24129/F3-BP-2014-Stencel-Martin-prace.pdf?sequence=3. Bakalářská práce. ČVUT.
KULHÁNEK, Petr. Vysokoteplotní supravodivost. Bulletin 36/2004. Dostupné také z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_36_hts.html
Zdroj úvodní fotografie: http://www.extremetech.com/

Supravodivost - princip a využití

Nizozemská společnost <a href="http://www.tennet.eu/">TenneT</a>, která provozuje přenosové soustavy v Německu a Nizozemsku, plánuje instalaci dvou až čtyřkilometrového úseku vysokoteplotního supravodivého (HTSC &#8211; High-Temperature Super-Conducting) vedení, čímž se stane provozovatelem nejdelšího úseků supravodivých kabelů na světě. Jedná se o unikátní projekt bezztrátové technologie, jež se stane součástí nizozemské přenosové soustavy. Podzemní vedení bude zajišťovat přenos elektřiny na napěťové hladině 150 kV.
<blockquote>
&#8222;Pomocí tohoto projektu se chceme přiblížit požadavku dnešní společnosti, aby se v co největší míře nacházely vysokonapěťové linky pod zemí. Díky takovýmto supravodivým kabelům pro nás v budoucnu bude jednodušší začlenit vedení vysokého napětí do krajiny v městských oblastech,&#8220; prohlásil generální ředitel společnosti TenneT Mel Kroon.
</blockquote>
Celosvětově největší projekt HTSC kabelů se nyní nachází ve fázi výběru vhodné lokality. Podle současného plánu má být vedení uvedeno do provozu v červnu 2019. Výsledky tohoto projektu mají ukázat, zda je možné v budoucnosti tímto způsobem vést elektřinu i ve velkém měřítku.
<h2>Vysokoteplotní supravodivé kabely</h2>
V oblasti supravodičů se pod pojmem vysokoteplotní rozumí teplota okolo &#8211; 200 °C, což je teplota dnes již běžně dostupného kapalného dusíku. <a href="http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_36_hts.html">Vysokoteplotními supravodiči</a> jsou například materiály na bázi oxidů <a href="http://oenergetice.cz/technologie/zpracovani-medi-od-mineralu-az-po-kabel/" target="_blank" rel="noopener">mědi</a> kombinované se vzácnými kovy.
Tekutý dusík ochladí kabely na požadovanou teplotu, při které klesne jejich elektrický odpor téměř na nulu, čímž se zamezí tepelným tzv. Jouleovým ztrátám. Při konvečním ztrátovém způsobu vedení elektřiny na napěťové hladině 150 kV je nutné kvůli odvodu tepla z vodičů ukládat kabely do pásu země širokého alespoň 12 m. Supravodivost umožňuje snížit šířku tohoto pásu o 75 %.
<figure id="attachment_9879" style="width: 472px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/domains/oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/super-cable-3.jpg"><img class="wp-image-9879 size-full" src="http://oenergetice.cz/domains/oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/super-cable-3.jpg" alt="Naznačení struktury vysokoteplotního supravodivého kabelu. Zdroj: http://www.extremetech.com/" width="472" height="314" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Naznačení struktury vysokoteplotního supravodivého kabelu. Zdroj: http://www.extremetech.com/</figcaption></figure>
Na vývoji a implementaci HTSC kabelů spolupracuje Tennet s předními nizozemskými vědeckými institucemi. Výzkum především materiálové a technologické části je prováděn na univerzitách v Twente a  Delftu, podílí se na něm také Institut pro vědu a udržitelný rozvoj spolu s Eindhovenskou  technickou univerzitou.
Nyní je možné provozovat úseky supravodivých kabelů v délce pouze do čtyř kilometrů především kvůli nutnosti velkého zásobování chladícím médiem a ceně kabelů, která je ve srovnání s klasickými kabely třikrát vyšší. Předpokládá se, že rozšíření výroby kabelů a vylepšení metod chlazení umožní mnohem větší využití této technologie v budoucnu.
V současné době jsou HTSC kabely v menším měřítku využívány v několika zemích, většinou ale ne jako část vysokonapěťové soustavy. Jejich délka navíc nepřekračuje jeden kilometr. V roce 2009 byl takový kabel o délce 600 metrů instalován v New Yorku a v roce 2014 nahradil kilometrový supravodivý kabel staré 10kV vedení v německém Essenu.
Zdroj úvodní fotografie: http://www.superconductorweek.com/