WoodheadPublishingSeriesinEnergy
1 Generatingpowerathighefficiency:Combinedcycletechnologyforsustainable energyproduction
EricJeffs
2 Advancedseparationtechniquesfornuclearfuelreprocessingandradioactivewaste treatment
EditedbyKennethL.NashandGreggJ.Lumetta
3 Bioalcoholproduction:Biochemicalconversionoflignocellulosicbiomass
EditedbyKeithW.Waldron
4 Understandingandmitigatingageinginnuclearpowerplants:Materialsandoperationalaspectsofplantlifemanagement(PLiM)
EditedbyPhilipG.Tipping
5 Advancedpowerplantmaterials,designandtechnology
EditedbyDermotRoddy
6 Stand-aloneandhybridwindenergysystems:Technology,energystorageand applications
EditedbyJohnK.Kaldellis
7 Biodieselscienceandtechnology:Fromsoiltooil
JanC.J.Bart,NatalePalmeriandStefanoCavallaro
8 Developmentsandinnovationincarbondioxide(CO2)captureandstorage technology
Volume1:Carbondioxide(CO2)capture,transportandindustrialapplications
EditedbyM.MercedesMaroto-Valer
9 Geologicalrepositorysystemsforsafedisposalofspentnuclearfuelsandradioactive waste
EditedbyJoonhongAhnandMichaelJ.Apted
10 Windenergysystems:Optimisingdesignandconstructionforsafeandreliable operation
EditedbyJohnD.SørensenandJensN.Sørensen
11 Solidoxidefuelcelltechnology:Principles,performanceandoperations
KevinHuangandJohnBannisterGoodenough
12 Handbookofadvancedradioactivewasteconditioningtechnologies
EditedbyMichaelI.Ojovan
13 Membranesforcleanandrenewablepowerapplications
EditedbyAnnarosaGugliuzzaandAngeloBasile
14 Materialsforenergyefficiencyandthermalcomfortinbuildings
EditedbyMatthewR.Hall
15 Handbookofbiofuelsproduction:Processesandtechnologies
EditedbyRafaelLuque,JuanCampeloandJamesClark
Developmentsandinnovationincarbondioxide(CO2)captureandstorage technology
Volume2:Carbondioxide(CO2)storageandutilisation
EditedbyM.MercedesMaroto-Valer
17 Oxy-fuelcombustionforpowergenerationandcarbondioxide(CO2)capture
EditedbyLigangZheng
18 Smallandmicrocombinedheatandpower(CHP)systems:Advanceddesign,performance,materialsandapplications
EditedbyRobertBeith
19 Advancesincleanhydrocarbonfuelprocessing:Scienceandtechnology
EditedbyM.RashidKhan
20 Moderngasturbinesystems:Highef ficiency,lowemission,fuel flexiblepower generation
EditedbyPeterJansohn
21 Concentratingsolarpowertechnology:Principles,developmentsandapplications
EditedbyKeithLovegroveandWesStein
22 Nuclearcorrosionscienceandengineering
EditedbyDamienFéron
23 Powerplantlifemanagementandperformanceimprovement
EditedbyJohnE.Oakey
24 Electricaldrivesfordirectdriverenewableenergysystems
EditedbyMarkusMuellerandHenkPolinder
25 Advancedmembranescienceandtechnologyforsustainableenergyandenvironmentalapplications
EditedbyAngeloBasileandSuzanaPereiraNunes
26 Irradiationembrittlementofreactorpressurevessels(RPVs)innuclearpowerplants
EditedbyNaokiSoneda
27 Hightemperaturesuperconductors(HTS)forenergyapplications
EditedbyZiadMelhem
28 Infrastructureandmethodologiesforthejustificationofnuclearpowerprogrammes
EditedbyAgustínAlonso
29 Wastetoenergyconversiontechnology
EditedbyNaomiB.KlinghofferandMarcoJ.Castaldi
30 Polymerelectrolytemembraneanddirectmethanolfuelcelltechnology
Volume1:Fundamentalsandperformanceoflowtemperaturefuelcells
EditedbyChristophHartnigandChristinaRoth
31 Polymerelectrolytemembraneanddirectmethanolfuelcelltechnology
Volume2: Insitu characterizationtechniquesforlowtemperaturefuelcells
EditedbyChristophHartnigandChristinaRoth
32 Combinedcyclesystemsfornear-zeroemissionpowergeneration
EditedbyAshokD.Rao
33 Modernearthbuildings:Materials,engineering,constructionandapplications
EditedbyMatthewR.Hall,RickLindsayandMerorKrayenhoff
34 Metropolitansustainability:Understandingandimprovingtheurbanenvironment
EditedbyFrankZeman
35 Functionalmaterialsforsustainableenergyapplications
EditedbyJohnA.Kilner,StephenJ.Skinner,StuartJ.C.IrvineandPeterP.Edwards
36 Nucleardecommissioning:Planning,executionandinternationalexperience
EditedbyMicheleLaraia
37 Nuclearfuelcyclescienceandengineering
EditedbyIanCrossland
Electricitytransmission,distributionandstoragesystems
EditedbyZiadMelhem
39 Advancesinbiodieselproduction:Processesandtechnologies
40
EditedbyRafaelLuqueandJuanA.Melero
Biomasscombustionscience,technologyandengineering
EditedbyLasseRosendahl
41 Ultra-supercriticalcoalpowerplants:Materials,technologiesandoptimisation
42
EditedbyDongkeZhang
Radionuclidebehaviourinthenaturalenvironment:Science,implicationsand lessonsforthenuclearindustry
EditedbyChristophePoinssotandHorstGeckeis
43 Calciumandchemicalloopingtechnologyforpowergenerationandcarbondioxide (CO2)capture:Solidoxygen-andCO2-carriers
PaulFennellandE.J.Anthony
44 Materials’ ageinganddegradationinlightwaterreactors:Mechanisms,and management
EditedbyK.L.Murty
45 Structuralalloysforpowerplants:Operationalchallengesandhigh-temperature materials
EditedbyAmirShirzadiandSusanJackson
46 Biolubricants:Scienceandtechnology
JanC.J.Bart,EmanueleGucciardiandStefanoCavallaro
47 Advancesinwindturbinebladedesignandmaterials
EditedbyPovlBrøndstedandRogierP.L.Nijssen
48 Radioactivewastemanagementandcontaminatedsiteclean-up:Processes, technologiesandinternationalexperience
EditedbyWilliamE.Lee,MichaelI.Ojovan,CarolM.Jantzen
49 Probabilisticsafetyassessmentforoptimumnuclearpowerplantlifemanagement (PLiM):Theoryandapplicationofreliabilityanalysismethodsformajorpowerplant components
GennadijV.Arkadov,AlexanderF.GetmanandAndreiN.Rodionov
50 Thecoalhandbook:Towardscleanerproduction
Volume1:Coalproduction
EditedbyDaveOsborne
51 Thecoalhandbook:Towardscleanerproduction
Volume2:Coalutilisation
EditedbyDaveOsborne
52 Thebiogashandbook:Science,productionandapplications
EditedbyArthurWellinger,JerryMurphyandDavidBaxter
53 Advancesinbiorefineries:Biomassandwastesupplychainexploitation
EditedbyKeithWaldron
54 Geologicalstorageofcarbondioxide(CO2):Geoscience,technologies,environmental aspectsandlegalframeworks
EditedbyJonGluyasandSimonMathias
55 Handbookofmembranereactors
Volume1:Fundamentalmaterialsscience,designandoptimisation
EditedbyAngeloBasile
56 Handbookofmembranereactors
Volume2:Reactortypesandindustrialapplications
EditedbyAngeloBasile
xvi WoodheadPublishingSeriesinEnergy
57
Alternativefuelsandadvancedvehicletechnologiesforimprovedenvironmental performance:Towardszerocarbontransportation
EditedbyRichardFolkson
58 Handbookofmicroalgalbioprocessengineering
ChristopherLanandBeiWang
59 Fluidizedbedtechnologiesfornear-zeroemissioncombustionandgasification
EditedbyFabrizioScala
60 Managingnuclearprojects:Acomprehensivemanagementresource
EditedbyJasDevgun
61 HandbookofProcessIntegration(PI):Minimisationofenergyandwateruse,waste andemissions
EditedbyJiríJ.Klemes
62 Coalpowerplantmaterialsandlifeassessment
EditedbyAhmedShibli
63 Advancesinhydrogenproduction,storageanddistribution
EditedbyAhmedBasileandAdolfoIulianelli
64 Handbookofsmallmodularnuclearreactors
EditedbyMarioD.CarelliandDanT.Ingersoll
65 Superconductorsinthepowergrid:Materialsandapplications
EditedbyChristopherRey
66 Advancesinthermalenergystoragesystems:Methodsandapplications
EditedbyLuisaF.Cabeza
67 Advancesinbatteriesformediumandlarge-scaleenergystorage
EditedbyChrisMenictas,MariaSkyllas-KazacosandTutiMarianaLim
68 Palladiummembranetechnologyforhydrogenproduction,carboncaptureandother applications
EditedbyAggelosDoukelis,KyriakosPanopoulos,AntoniosKoumanakosandEmmanouil Kakaras
69 Gasificationforsyntheticfuelproduction:Fundamentals,processesandapplications
EditedbyRafaelLuqueandJamesG.Speight
70 Renewableheatingandcooling:Technologiesandapplications
EditedbyGerhardStryi-Hipp
71 EnvironmentalremediationandrestorationofcontaminatednuclearandNORM sites
EditedbyLeovanVelzen
72 Eco-friendlyinnovationinelectricitynetworks
EditedbyJean-LucBessede
73 The2011Fukushimanuclearpowerplantaccident:Howandwhyithappened YotaroHatamura,SeijiAbe,MasaoFuchigamiandNaotoKasahara.Translatedby KenjiIino
74 Lignocellulosebiorefineryengineering:Principlesandapplications HongzhangChen
75 Advancesinmembranetechnologiesforwatertreatment:Materials,processes andapplications
EditedbyAngeloBasile,AlfredoCassanoandNavinRastogi
76 Membranereactorsforenergyapplicationsandbasicchemicalproduction
EditedbyAngeloBasile,LuisaDiPaola,FaisalHaiandVincenzoPiemonte
77 Pervaporation,vapourpermeationandmembranedistillation:Principlesand applications
EditedbyAngeloBasile,AlbertoFigoliandMohamedKhayet
78 Safeandsecuretransportandstorageofradioactivematerials
EditedbyKenSorenson
79 Reprocessingandrecyclingofspentnuclearfuel
EditedbyRobinTaylor
80 Advancesinbatterytechnologiesforelectricvehicles
EditedbyBrunoScrosati,JuergenGarcheandWernerTillmetz
81 Rechargeablelithiumbatteries:Fromfundamentalstoapplications
EditedbyAlejandroFranco
82 Calciumandchemicalloopingtechnologyforpowergenerationandcarbondioxide (CO2)capture
EditedbyPaulFennellandBenAnthony
83 CompendiumofhydrogenenergyVolume1:Hydrogenproductionandpuri ficiation
EditedbyVeluSubramani,AngeloBasileandT.NejatVeziroglu
84 CompendiumofhydrogenenergyVolume2:Hydrogenstorage,transmission,transportationandinfrastructure
EditedbyRamGupta,AngeloBasileandT.NejatVeziroglu
85 CompendiumofhydrogenenergyVolume3:Hydrogenenergyconversion
EditedbyFranoBarbir,AngeloBasileandT.NejatVeziroglu
86 CompendiumofhydrogenenergyVolume4:Hydrogenuse,safetyandthehydrogen economy
EditedbyMichaelBall,AngeloBasileandT.NejatVeziroglu
87 Advanceddistrictheatingandcooling(DHC)systems
EditedbyRobinWiltshire
ThisbookisdedicatedtomytwodaughtersSamanthaandLilliana, forprovidingmeapurposeinlife, and tomymotherandfather,forloveandencouragement,pastandpresent.
Preface
Thepurposeofthisbookistoprovideanoverviewoftheuseandimpactofhightemperaturesuperconductors(HTS)intheelectricpowergrid.Withchapterswrittenbya numberofdistinguishedtechnicalexpertsfromaroundtheworld,thebookupdatesa numberofearlierbooksandreviewsandintroducessomeimportantnewmaterialin thisrapidlydeveloping field.Thebookiswrittenatalevelgearedtowardthose withabasicscienceandengineeringbackground,professionalR&Dmanagersinenergytechnologycompanies,andacademic/governmentresearchers,withabasicfamiliaritywithMaxwellequationsandelectromagnetism.Thebookstartsoffwithabroad andintroductoryoverviewoftheelectricpowergrid,ofsuperconductivitybasics,and oftheuseandimpactofHTSinthegridstartingfromtheearlydaysofprojectssponsoredbytheUSDepartmentofEnergytothepresent-daysophisticatedinstallations aroundtheworld.Thischapterconcludeswithalookatfutureprospectsfor superconductor-baseddevicesintheelectricpowersector.
Thebooknextgivesanoverviewofsuperconductivityitself,includingbothlow temperaturesuperconductorsandHTS,andhowtheirproperties,particularlytheir magneticbehaviorandcurrentcarryingproperties,arebothsimilaranddifferent. Itissuggestedthatthereaderunfamiliarwiththephenomenonofsuperconductivity startoffbythoroughlyreadingChapter2,beforeproceedingtotheotherchapters.
Thenexttwochaptersthenleadthereaderthroughthefabricationprocessesofthe twotypesofHTSwiresmostwidelyusedinelectricpowerdevices,namelythesocalled(1) firstgeneration(1G)bi-oxidepower-in-tubetapesandroundwiresand (2)secondgeneration(2G)RE–Ba–Cu–Ocoatedconductors.
ThebookthenexaminesoneofthemostcommerciallypromisingHTSapplications forthepowergrid:powercables,includingtheirvariousdemonstrationprojectsand testsresults.Aspecialfeatureisanin-depthdiscussionoffault-current-limiting (FCL)cables,whichhavenotbeentreatedindetailinthetechnicalliteratureheretofore.FourseparatechaptersarededicatedtoHTScablesincluding(1)HTSthreephaseACcables,includingFCLcables,(2)HTSDCcables,(3)HTSgaseous Hecooledcables,and(4)cryogeniccoolingofHTScables.
ThebooknextexaminesavarietyofotherHTS-enableddeviceswhichbringnovel functionalitytotheelectricpowersector,including:HTSfault-currentlimiters,HTS motorsandgenerators,HTSSMES,andHTStransformers.Finally,thebook concludeswithabriefoverviewofHTS-basedprojectsinChina.
Thepowergridandtheimpact ofhigh-temperature superconductortechnology: anoverview 1
A.P.Malozemoff AMSC,Devens,MA,USA
1.1Introduction
Thisbookgivesacomprehensivedescriptionofthefascinatingandimportantwaysin whichsuperconductorscanimpact andareimpacting theelectricpowergrid.This chapterintroducesthebasics,includingthefollowing:Whatistheelectricpowergrid? Whataresuperconductors?Also,whyistheopportunityforsuperconductorsinthe powergridsoimportant?
Thischaptergivesanoverviewoftheelectricpowergrid,themajorchallengesit facesinthefuture,anditsmajorcomponents:overheadlines,undergroundcables, transformers,electricgenerators,reactivecompensators,voltageregulators,circuit breakers,andfaultcurrentlimiters.Itintroducessuperconductorsandtheirmajorpropertiesrelevanttoapplications:thetransitiontemperature,zeroresistance, fluxexclusion,criticalcurrent,andcritical fi elds.Finally,itdescribesbriefl ythestatusand prospectsforsuperconductorpowerequipment:alternatinganddirectcurrentcables, faultcurrentlimiters,transformers,rotatingmachinery,andsuperconductormagnetic energystorage.Overall,althoughchallengesrelatedtocost,reliability,standardization,andutilityindustryacceptanceremain,prospectsforbroadcommercialization ofsuperconductorpowergridtechnologyareincreasinglypromising.
1.2Overviewoftheelectricpowergrid
Letusstartwiththeelectricalpowergrid:Electricpowerisfundamentaltomodern civilization;itprovidesourlighting,runsourfactories,andpowersallourmotors, datacenters,andtelecommunicationsnetworks.Theelectricalgrid,orsimply “the grid,” istheinterconnectednetworkthatsuppliesthevastmajorityofelectricpower totheworld,cleanlyandconveniently—“atthe fl ipofaswitch” (Schewe,2007; Schneider,2010).
Thegridconsistsofalltheelectricallinksbetweengenerationanduse.Generators convertmechanicalenergy,suppliedfromturbinesfueledbyenergysourcessuchas fossilfuels,nuclearpower,andrenewableenergy,intoelectricpower,whichisthen
transmittedanddistributedtoelectricalloadsthroughoverheadlinesandunderground cables,supportedbytransformers,switchgear,andvoltageregulators.Thisvastarray ofsophisticatedequipmentiscontrolledbyacomplexcommunicationsandcontrol networkinvolvingsupervisorycontrolanddataacquisition(SCADA)systems,local andregionalcontrolcenters,and,increasingly,computerizedsystemsandcomponents formonitoring,controlling,operating,andprotectinggeneration,substation,transmission,anddistributionassets.Overlayingthisphysicalsystemisaneconomicandbusinessnetwork,aswellasagovernmentalandregulatorynetworkthatinmanycases extendsbeyondcustomerratetransactionsto financialandinformationexchanges acrossmultiplegridentitiesandtheirsupplyandsupportchains(Schneider,2010).
Fromanelectricalengineeringpointofview,thegridisagiantnetworkof impedances resistors,inductors,andcapacitors interruptedasnecessarybycircuit breakersandswitches.Powerlines,cables,transformers,androtatingmachinescanall bemodeledwithanequivalentcircuitconsistingofthesebasicelements.Electric currents fl owthroughthisnetworkinamannerdictatedbyKirchoff ’slaws(Boast, Hale,&Jones,1993).Increasingly,however,thereisadesiretocreateasmartgrid: usingmodernsensorandcommunicationtechnologytointroducetwo-way flowsof electricityandinformation,trackingthegrid’soperationdowntothecustomer’s site,infl uencingdemand,andintroducingnewtechnologiesthatcancontrollably adjustandsteerthecurrent flowinthegrid.Newdevices,oftenbasedonpower electronics(e.g., flexibleACtransmissionsystems,orFACTS),arebeingintroduced toprovidesuchcontrol.Asweshallsee,superconductorscanpotentiallycontribute hereaswell.
Theelectricpowergridboastsmanysuperlatives:itisperhapsthegreatestengineeringachievementofthetwentiethcentury.Spanningentirecontinents,thegridis theworld’smostextensivenetwork,arguablyeclipsedonlyrecentlybytheInternet. Itisthesinglegreatestpurveyorofenergy,supplyingalmostfourbillionmegawatthoursperyearintheUnitedStatesalone.Itisoneofthelargestandmostcapitalintensivesectorsoftheeconomy,withU.S.assetsofalmost$1trillion,yearlyU.S. electricbillsofmorethanaquarterofatrilliondollars,andthelargestarrayofcustomers,includingalmosteveryindustry,business,andhouseholdintheUnitedStates (AnnualEnergyOutlook,2012;Schneider,2010).
Itisusefultoreviewsometerminologyrightupfront(Schewe,2007).Mostofthe gridisdesignedtocarryalternatingcurrent(AC)power,withvoltageandcurrentthat oscillatesinusoidallyat60HzintheUnitedStatesand50HzinEuropeandwhichare conventionallydescribedintermsoftheroot-mean-square(rms)voltageandcurrent. Thepower P istheproductofrmsvoltage V timesrmscurrent I. Thepoweristypically deliveredinthreephases,eachseparatedbyone-thirdofacycle.MostACelectric powerintheUnitedStatesisgeneratedatrmsvoltagesuptoabout22kVbyelectric generators,isthen “steppedup” tormsvoltagesof138kV,345kV,orhigherfor transmissionacrosslongdistances,then “steppeddown” tolowervoltagesforlocal distributionuntil finallyitcanbesafelyusedinthefactory,orinthehomeatrms 120or208V.Althoughdefi nitionsdifferworldwide,herewecallrmsvoltagesbelow about1kV lowvoltage (LV),rmsvoltagesbetween1and35kVare mediumvoltage, rmsvoltagesfrom35to66kVare subtransmissionvoltage (sometimesthetransition
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview5
tohighvoltageistakentobe72.5kV),rmsvoltagesfrom66to345kVare high voltage,rmsvoltagesfrom345to1000kVare extrahighvoltage,andrmsvoltages above1000kV(1MV)are ultrahighvoltage.Forsimplicity,herewewillreferto circuitsoperatingatrmsvoltagesbelow66kVas distribution andcircuitsoperating above66kVas transmission.Transmissiongridscarrypoweroverlongdistances, acrossentirecontinentsifnecessary,andfeedthemorelocaldistributiongrids.
Thenight-timeviewfromtheNationalAeronauticsandSpaceAdministration (NASA)in Figure1.1 givesadramaticvisionoftheentireU.S.grid,bothtransmission anddistribution,throughitslightingloads.TheU.S.andCanadiangridsareprincipallydividedintothreemainthree-phaseACgridsor “interconnections,” each combiningtransmissionanddistribution,andoperatingout-of-phase(asynchronously) witheachother:theEasternInterconnection,theWesternInterconnection,andthe ElectricReliabilityCouncilofTexas(ERCOT).
Theoverallconceptoftheelectricpowergridanditsessentialcomponents overheadlines,cables,transformers,generators,andswitchgear weredeveloped bytheendofthenineteenthcentury,usingtraditional(conventional)copperand aluminumwirescoupledwithmagneticironalloysintransformersandgenerators. Althoughitscapabilityhasadvancedenormouslyovertime,thistried-and-true
Figure1.1 SatellitephotoofNorthAmericaatnightindicatesthescopeoftheelectricpowergrid andmainelectricpowerloadcenters.Redlinesdelineatethethreemaingridinterconnectionsin theUnitedStatesandCanada theEasternandWesternInterconnections,andERCOTcovering mostofTexas.Thethreeinterconnections,asynchronouswitheachother,meetattheyellowstar, nearClovis,NewMexico,locationoftheproposedTresAmigas SuperStation,arenewable energyhublinkingthethreeinterconnections(www.tresamigasllc.com).Areasofmajorwindand solarpowerareindicatedinorangecircles,witharrowssuggestingneededtransmissiontoload centers.(Compositediagrambyauthor,basedonNASAnight-timeview(geology.com/articles/ satellite-photo-earth-at-night.shtml).)
technologyisinsomesenseoveracenturyoldandhasprovidedpowerreliablyand economicallythroughoutthisperiod,evenascapacityandtotalloadhavegrown enormously.
Utilitiesfacemanyongoingchallengesintheirbusiness:maintainingreliableand economicservicewhilematchinggeneratingcapacitytoever-changingloads,dealing withinevitablepowersystemcontingenciesanddisruptions,adaptingtoacontinually changingmixofenergysources,coordinatingindependentpowerproducers, navigatingthecomplexregulatoryissuesthatdeterminetheeconomicsofgrid operation,and lastbutnotleast assuringprofi tabilityandaccesstocapitalfor systemmaintenanceandupgrades.Nevertheless,thefuturebringssomemajornew challengesthatwillrequiremorethanjustincrementalgrowthinthegrid.Thesechallengesincludemanyofthedriversforintroductionofsuperconductorpowerequipment,asweshallseebelow(Malozemoff,2012a):
1. Loadgrowthandsitingbarriers:The fi rstchallengestemsfromongoingdemandgrowth worldwide,especiallyinthedevelopingworld.EvenintheUnitedStates,wheretherate ofincreaseisslowing,demandforelectricpowerhasbeenestimatedinabasecaseto growfrom3.9billionkilowatt-hoursin2010to4.7billionin2035,anincreaseof morethan20%(AnnualEnergyOutlook,2012 ),andpossiblemassiveelectricvehicle usecoulddrivethesenumbersmuchhigher.Akeyissueisthatmuchofthisincrease isexpectedtooccurinmajorurbanareas,whichareincreasinglytheenginesof futureeconomicgrowth.Asweshallsee,addressingthiscriticallyneededurbanpower growthisbecomingaseveresitingchallengeforconventionalcopperandaluminum technology achallengesometimescalledthe “urbanpowerbottleneck,” achallenge thatcanbemetbysuperconductortechnology.Theloadgrowthandsitingchallengeis compoundedbythefactthatmuchofthetransmissionanddistributioninfrastructurein developedgridsaroundtheworldisnearingtheendofitsusefulspeci fi eddesignlife andwillneedtobereplaced.
2. Environmentalandsafetyissues:Thesecondmajorchallengearisesfromtheincreasing importanceofenvironmentalissues,suchaspollutionandclimatechange.Theseissuesput apremiumonimprovedef ficiencytominimizepollutionandcarbon-emittingwasted energy,creatinganopportunityforsuperconductorpowerequipmentifitcouldbeengineered tobesufficientlyefficient.Anotherproblemisthatthewidespreaduseofhighly flammableoil ascoolantanddielectricinconventionalpowerequipmentrisksoil-leakcontamination, fire, andexplosion thelatterofwhichisregrettablyalltoofrequentintransformers.Superconductorequipment,cooledbynonflammableliquidnitrogen,eliminatesthisproblem.Furthermore, majorrenewableenergysources,suchassolarintheU.S.SouthwestandwindintheUpper Plains,tendtooccurfarfromthemajorloadcentersevidentin Figure1.1.Asthesesources growinimportancetoreplacefossilfuelsandreducecarbonemission,moreefficientlongdistancetransmissionofpowerwillbecomeimportant;here, “lossless” directcurrent(DC)superconductorcablescouldbealong-termanswer.
Onespecialrenewableenergychallengearisesinoffshorewindpower.Offshorewindis typicallystrongerandsteadierthanonland,providingapotentiallyhugeandreliablenew sourceforcleanrenewableenergy.Yettoday,thefractionofwindpowercapturedfrom offshoreislessthan2%ofthetotalinstalledbasebecauseofincreasedinstallationand maintenancecostsofconventionaloffshorewindturbines.Higherpowerratings,intherange of10MWormoreatbladerotationratesof10 15rpm,couldsolvethisproblemby providingmoreoutputperturbineascomparedtoamaximumratingofabout5MWtoday, 6SuperconductorsinthePowerGrid
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview7
andconstructioncostspermegawattcouldbereducedaswell.Butuntildramaticallysmaller andlighter10-MWgeneratorsaredeveloped,thissolutionliesoutofreach;compact superconductorgeneratorsmayoffertheanswer.
3. Reliabilityandpowerquality:Increasedreliabilityandimprovedpowerqualityisanother majorrequirementforthefuture,driveninpartbythe “siliconization” ofindustry that is,bytheincreasingdependenceonmicroprocessorcontrol,whichissensitivetopower glitchesofevenmillisecondduration.Anotheraspectofthisproblemisthatasurbangrids grow,faultcurrents,whicharisefromshortcircuitsinthegrid,alsoincrease(forreasonsto bediscussedbelow).Insomegrids,thesearealreadyreachingsuchhighlevelsthattheyrisk wearingoutandevenburningoutgridcomponents.Weshallseehowsuperconductorfault currentlimiters(FCLs)canaddressthisproblem.Brownoutsorblackoutscanbetriggeredby excessivevoltagedropinanoverloadedgrid;thereducedimpedanceofsuperconductorgrid componentscanmitigatethisissue.
Economicsisadominantdriveringridoperation.Today’ sgridhassuppliedelectricpowercost-effectivelyaswellasreasonablyreliablyforoveracentury.For superconductorequipmenttosucceedinthegrid,itmustdolikewise.Infact,it mustdobetter.Totheextentthatsuperconductor-basedequipmenthasthe same functionalityasexistingconventionalequipment,itmustofferlowercost;atleast atpresent,thisisamajorchallenge.However,thekeytotheinitialpenetrationof superconductorequipmentinthegridisthe new functionalityandhigherperformanceitoffers,inmanycasesenablingsolutionsinaccessibletoconventional technology.
Next,wereviewtheprincipalcomponentsofthegrid,alongwithacloserlookat thespecifi cchallengestheyfaceinthefuture.
1.3Elementsoftheelectricpowergrid
1.3.1Long-distancelinks:overheadlinesandunderground
cables
Perhapsthemostfundamentalelementsoftheelectricpowergridareitslong-distance links,whichcanbeeitheroverheadlinesorundergroundcables(notethatwespecificallyuse lines foroverheadand cables forundergroundlinks; Bertholdetal.,1993). Theselinesorcablesconsistoflongconductorsorwiresarrangedinanappropriate confi gurationtohandletherelevantvoltage,current,andmechanicalstress.The first overheadelectricpowertransmissionwasachievedinGermanyin1882,andever highervoltagesweresteadilyintroducedthroughthetwentiethcentury,recentlyreaching1150kVinalocationinRussia.Overheadlines,withtypicallyaluminumwires suspendedfromwoodenormetaltowers,arecommonthroughouttheworld.Their costpermegawatt-mileislowandwillbetoughforDCsuperconductorlinksto beatunlessoverheadrights-of-wayaresuf ficientlycostlyandcanbeavoidedbya compactandhigh-powerundergroundsuperconductorcable.Alsofactoringintothis trade-offisthegrowingpublicresistancetooverheadlinesduetoaestheticissues andconcernsforpropertyvalues.
Conventionalundergroundcablesconsistofacentralor “phase” conductorat theircore,typicallywoundfrommultiplecopperwires,surroundedbyahighvoltagedielectricsuchascross-linkedpolyethylene(XLPE)andasecondcylindrical coaxialconductorwoundhelicallyfrommultipleindividualwires.Theassemblyis protectedwithanouterjacket.Undergroundcablesareparticularlyfavoredover overheadlinesinurbanandsuburbanenvironmentsbecauseoftheirlowerrightof-wayrequirementsandbecausetheyavoidweather-relateddamageandaesthetic concerns.
Theseconventionaloverheadlineandundergroundcabletechnologieshavebeen verysuccessful.Butwiththeincreasingpowerdemandsdescribedearlier,further improvementsarebecomingmorecritical,asdetailedhere:
1. Higheref ficiency:Today,approximately8%oftheU.S.grid’ salmosthalf-terawattof annualaveragepowerisestimatedtobelostinwastefulresistiveheatingbetweengeneratorandload.Thiswastedpowerisbothaneconomicandenvironmentalissue:Every1% gaininelectricalef fi ciencywouldtranslatetoanannualreductionincarbonemissionsof 30milliontons(assumingthecarbonemissionrateofacoal- fi redpowerstation; carbonify.com/carbon-calculator ).Conventionalcopperandaluminumtechnologies arefullyoptimizedandhavenowheretogoinloweringtheirresistivity,whereassuperconductorsofferapathtolowerlossandacorrespondingmitigatedenvironmental impact.
2. Voltagereduction:Itwouldalsobedesirabletodecreasetheoperatingvoltage V ofapowerlink, becausesafetyissuesandpermittingchallengesincreasedramaticallywithincreasingvoltage. However,atagivenpowerlevel P ¼ VI,decreasing V meanscarryingmorecurrent I, whichisnotpossibleinconventionalresistivewireswithoutincreasingtheloss,butitispossible withsuperconductors.
3. Addressingtheurbanpowerbottleneck:Asmentionedalready,thereisyetanother,perhaps moreserious,challengethatisbeginningtorearitsheadinlargerurbangrids.Safety, aestheticconsiderations,andconcernforadjacentpropertyvaluesareincreasinglypreventingtheuseofoverheadlines,especiallywithhighvoltage.Undercitystreets,theexisting denseundergroundinfrastructure,includingpower,water,gas,andtelecommunicationlines, ismakingitincreasinglydifficulttoaddnewpowercables,becausethesecablesgenerate heatandstrayelectromagnetic fields(emf)andsocannotbelocatedtooclosetootherundergroundinfrastructure.Altogether,theseproblemscreatethe “urbanpowerbottleneck,” makingitdifficulttobringadditionalpowertocitycentersandeventosomesuburbanzones.Yet, powerdemandsinlargecities,whichareincreasinglythehubsofeconomicactivity,are growinginexorably.Therefore,circumventingthisurbanpowerbottleneckisacentralissue forfutureworldeconomicgrowth.
AsweshallseeinChapters5 7,superconductivity,withitsdramaticallyreduced resistance,largecurrent-carryingcapacity(i.e.,highpowerdensity),andminimal environmentalimpact,hasthepotentialtoaddressallofthesechallenges.
1.3.2Powertransformers
Anotherkeyelementofthegridistheelectricpowertransformer,enablingahighly efficientincreaseordecreaseoftheACvoltage(Pandza,Girgis,&Shaw,1993).It operatesbasedontheprincipleofelectromagneticinduction(Faraday’slaw).Ina
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview9
typicalcore-typetransformer,twosolenoidalcoils,calledtheprimaryandsecondary, separatedbyadielectricinsulator,arewoundcoaxiallyaroundayokeconsistingofa soft(easilymagnetized)magneticmaterial,suchasiron.AnACrmscurrent I1,rms and voltage V1,rms intheprimaryarethentransformedtoanACcurrent I2,rms atvoltage V2,rms inthesecondary,withthevoltagesinproportiontotheratioofturnsintheprimaryandsecondarycoils.Totalpower P ¼ I1,rmsV1,rms ¼ I2,rmsV2,rms isconserved exceptforsmallresistiveandmagneticlosses;thus,currentisreducedasvoltageis increasedandviceversa.
Transformersareafamiliarsight smallpole-mountedtransformersormetalboxes ontheground,tofeedhomesandsmallcommercialandindustrialestablishments. Thelargerpowertransformersthatconvertbetweentransmissionanddistributionvoltagesarelocatedincarefullyprotectedandenclosedsubstations,alongwiththerelated switchgear,buswork,andreactivecompensation,whichcontrolgridoperation.Substationsarethekeynodesintheelectricpowergrid.
GeorgeWestinghouse’sdevelopmentofacommercialACtransformerwasthedecisivestrokeinmakingthegridwhatitistoday:analmostentirelyACgrid.Duringthelate 1880s,Westinghousewagedthe “WaroftheCurrents” withThomasEdison,whopromotedaDCgrid(Nichols,2006).Becausecurrentinalinkwithresistance R generates Jouleheatingloss I2R and R increasesinproportiontodistance,long-distancetransport ofpowerwithhighcurrentcanbehighlyinef ficient.Edisonlackedaneffectivewayto transformhisDCcurrenttohighvoltagesoastotransmithighpowerwithlowcurrent andkeepresistivelossdown.ByusingtransformerstoconvertACpowertohigh voltageandlowcurrentforlong-distancetransportandthentotransformthepower backtolowervoltageandhighercurrentforlocaluse,WestinghouseachievedmoreefficientpowertransportandsowontheWaroftheCurrents.Today’sgridusesthesame principle.DCispracticalmainlyforshortdistancesandiswidelyusedinelectronics, vehiclesystems,and “off-grid” powerinstallations.Inthepowergrid,DCisusedtoday onlyinundersealinksorspecialultra-longrunswhereexpensivepower-electronic voltagetransformation,initiallyfromACtoDCandthenultimatelybacktoAC,is justi fiable(seeChapters5(Section5.7.2),6,and7).
Asweshallsee,superconductorschangetheseconsiderationsinafundamental way.Bybringingwireresistancedowntonearzero,muchhighercurrentscanbetoleratedinlong-distancelow-voltageDCsuperconductorlinkswithoutsignificant I2R losses,andthiscouldgiveimpetustowideruseofDCinthefuture,particularlyforlong linkssuchasthosebringingrenewableenergyfromdistantsourcestothemainload centers.
Nevertheless,giventheexistinginvestment,itissafetosaythattheACgridishere tostay,andsoareACtransformers.Whatarefuturechallengesfortransformers?First, althoughconventionaltechnologyhasbeenhighlyoptimizedandlossesaretypically below2%ofthepowerrating,furtherlossreductionwouldbevaluable,particularly becauseasmanyas5 10transformerslieinthepathfromgeneratortoload(Pandza etal.,1993).Anotherissueisthatthetransformer’sinductiveimpedanceisoneofthe maincontributionstovoltagedropinthegrid;reducingthatimpedancewouldreduce voltagedropandhelptostabilizethegrid.Ironically,preciselybecauseitisadominant contributiontothegridimpedance,thetransformer’simpedanceisneededintoday’s
gridforlimitingfaultcurrents;therefore,anyreductioninimpedancemustcomewith somemeansoffaultcurrentlimiting,aswillbediscussedfurtherbelow.Another persistentproblemwithconventionaltransformersis firesandexplosions,which feedoffthedielectricandcoolingoil.AsweshallseeinChapter12,superconductors canhelpaddressalltheseissues.
1.3.3Electricgenerators
Yetanotherkeyelementofthepowergridistheelectricgenerator,alsodevelopedinthe nineteenthcenturybyFaraday,Tesla,andothers(Appleyard,Rosenberg,&Kirtley,1993). Itproduceselectricalenergyfrommechanicalenergy,typicallyfromrotationofa rotordrivenbyanyofanumberofenergysources,suchasasteamturbine, internalcombustionoffossilfuels,hydropower,orwindpower.Inatypicalcon fi guration,eitherpermanentmagnetsorcoilsontherotorgeneraterotatingmagnetic fi elds,whichinduceavoltage emforelectromotiveforce instator(orarmature) coilsconnectedtothegrid.
Whatarefutureneedsforgenerators?First,liketransformers,largeelectricgeneratorscanbehighlyefficient.However,withtheimmenseamountofelectricpower theygenerate,evenahalfpercentimprovementinefficiencycantranslatetosignificant savings.Inmanysituations,signifi cantlylighterandmorecompactmachinescould haveamajorimpact.Wehaveseenoneoftheseintheearlierdiscussionof offshorewindturbinegenerators.Inthe fieldoftransportationincludingships,trains, aircraft,andelectricvehicles,electri ficationisagrowingthemedrivenbyincreased efficiencyandfunctionality,andalighterandmorecompactgeneratorcouldleadto signi ficantadvantagesinpoweringtheextensiveelectricgridofshipsoraircraft. Heretoo,superconductorscanhaveamajorimpact(seeChapter10).
1.3.4Reactivecompensationandvoltageregulation
Fromanelectricalengineeringperspective,anidealACgridwouldbepurelyresistive, havingcurrentandvoltageperfectlyinphasethroughoutsoastomatchmostefficientlytotheresistiveloadsthatconsumethepower.Closeto40%ofthoseloads aremotors,bothlargeandsmall(AnnualEnergyOutlook,2012).Anothermajor loadsegment,closeto14%,comesfromlighting.Heaters,dryers,stoves,electronic devicesandcomputers,televisions,andcountlessotherdevicesconstitutetherest. However,theimpedanceofanACgridisnotpurelyresistive;itisinfactdominated byreactances thatis,eitherinductancesorcapacitancesoverwhichvoltageandcurrentare90 outofphase,withvoltageleadingcurrentoverinductanceandlagging overcapacitance.Inductancearisesparticularlywherecoilsarepresent(inrotatingmachineryandtransformers),butaninductanceperunitlengthcharacterizesalloverhead linesandcablesaswell.Capacitancearisesparticularlyincablesbetweenthecentral conductoranditscoaxialsheath.
Thenetgridimpedance acombinationofalloftheseresistances,inductances, andcapacitances causesavoltagedropfromthegeneratortotheload.Gridsare complexandcanhavemanydifferentconfigurations,suchasradial,looped,and 10SuperconductorsinthePowerGrid
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview11
meshed,withsubstationscontainingtransformersandswitchgearformingthenodes. However,atitsverysimplest,asshownin Figure1.2,thegridconsistsofanetAC voltagesource V (theemfofthecombinedelectricalgenerators),apredominantly inductivenetgridimpedancejX,andanetresistiveload R.jX and R formavoltage divider:ThelargerjX is,theloweristhevoltageover R, causingthevoltagedrop referredtoabove.
Ifthevoltageovertheloaddropstoofar,thegridbecomesunstable.Ofcourse, loadsrelyonacertainvoltageleveltooperateproperly.So,voltagedropmustbe limited,leadingtotheneedforavarietyofvoltageregulationdevices,including step-typevoltageregulatorsandtap-changingtransformers(Harlow&Shaw,1993), aswellasthereactivecompensationdevicesdiscussedlater.
Phaseshiftsarisingfromreactancesreducegridef fi ciencybecausegridcurrents becomelargerthannecessarytotransferagivenpowertotheload,andthisincreases I2R loss.Thisinef fi ciencyisoftencharacterizedbya “powerfactor” lessthan1 (Boastetal.,1993).Becauseinductanceandcapacitancehavecomplementaryeffects inshiftingthephase,gridef fi ciencycanbeimprovedby “reactivecompensation”— thatis,byintroducingadditionalequipmentsuchascapacitorbanksorlargecoil inductors tocompensatethegrid’sreactiveimpedanceandbringthepowerfactor closertounityonasteady-statebasis(Harlow&Shaw,1993;Kleeb,Grove,& Shaw,1993).
Changesinpowerdemand,increasinguseofintermittentrenewableenergy sourcessuchaswindandsolar,andtheunpredictablepowerinputsfromdistributed residentialorcommercialsourcescanshiftthepowerfactorduringtheday,andthe gridmusthandlethesechangesef fi ciently.Rapiddisturbancesfromshortcircuitsor inrushcurrentsofstartingmotorscanevenendangergridstability.AnimportantrelativelyrecentdevelopmentistheintroductionofFACTSor fl exibleACtransmission
Figure1.2 Apowergridisanetworkofimpedances(resistive,inductive,capacitive),including theloadsandimpedancesofitscomponents generators,transformers,transmissionand distributionlinesandcables.AccordingtoKirchoff’slaws,totalcurrent I ¼ V/Z ¼ V/(jX þ R) is drivenbythegeneratorvoltage V anddeterminedbythetotalimpedance Z,whichincludesboth load R andthemostlyinductivegridimpedancejX.Asisclearfromthe figure,jX mustbekept lowtopreventsignificantvoltagedropovertheload R.However,ifafaultcausesashortcircuit oftheload,jX isallthatislefttocontrolthecurrent;sohugecurrents I ¼ V/jX,calledfault currents,will flow.Sincecircuitbreakerstakesometimetoact,awaymustbefoundtolimit excessivelylargecurrentsandpreventdestructionofgridequipment.
Fault causes short circuit
systems;manyarebasedonpowerelectronics,enablingactiveandrapidcontrolof phaseandpowertransfer(Malozemoff,Kehrli,DiazdeLeon,&Kalsi,2004; Woodetal.,1993).StaticVARcompensators(SVCs)controllablyswitchinorout componentsofaninductororcapacitorbank,anddynamicsynchronouscondensers basedonrotatingmachineshaveacontrollableoutputreactance(Malozemoffetal., 2004).MorerecentFACTSsystemsincludeuni fi edpower fl owcontrollers(UPFCs), staticsynchronouscompensators(STATCOMs),anddynamicvolt amperereactive systems(D-VARs).
Theseactivedevicesareoneaspectofwhathasbecomeknownasthe smartgrid, whichinvolvestheincreasinguseoflocalsensorsandcommunicationstoimprove gridefficiencyandcustomerinteraction.Manyoftheissuesdescribedabovecould bemitigatedwithanewgenerationofpowerequipmentwithmuchreducedreactive impedance,namelyagenerationbasedoncompactsuperconductorsystems.Because transformersmakethesinglelargestcontributiontothegrid’simpedance,thedrivefor reducedimpedanceshouldstartwiththem.Superconductorscanalsobethebasisofa newgenerationofdynamicsynchronouscondensers(Malozemoffetal.,2004).Superconductormagneticenergystoragecouldproviderapidinjectionsofpowerin situationswhererealpoweriscriticaltogridstability(seeChapter11).
1.3.5CircuitbreakersandFCLs
Undernormaloperatingconditions,thecurrent I isdeterminedbythegeneralized Ohm’slaworKirchoff’sequation, I ¼ V/(R þ jX).Foreffi cientoperationasdiscussed previously,thegridimpedancejX iskeptsmallcomparedto R.However,iftheload impedanceisshort-circuitedasindicatedin Figure1.2,thegridcurrent I ¼ V/jX increasesdrastically.Thisisknownasa “faultcurrent.” Wheregridcurrentsinatransmissionordistributionlinkmaybeontheorderof1000A,faultcurrentscanreach tensofthousandsofamperesinadistributiongridandashighas60or80kAina transmissiongrid.Iftheyaretoolargeandallowedtocontinuetoolong,theyburn outgridequipment,whichcouldfurthercascadetowidespreadpoweroutages.Such adisastercanandmustbeprevented.
Circuitbreakers,andtheswitchgearinwhichtheyarepackaged,areanessential elementofthegrid;theyarenecessarytostopfaultcurrents,aswellastoisolatesegmentsforrepairorserviceandtointroducenewinstallations(Johnson&Shaw,1993). Forthesepurposes,variouscircuitbreakershavebeendeveloped,fromsimplefusesto anarrayofresettingcircuitbreakerswithmechanicalcontactsopeninginagasor vacuumenvironment.Becauseofthehugecurrentsandelectricarcstheygenerate throughgasorvacuum,circuitbreakerdesignissophisticated,withsomeusingspecial dielectrics,suchassulfurhexafluorideforarcsuppression.Ofcourse,circuitbreakers themselveshaveratedlimitsforcurrentsundernormalandgridfaultconditions.
Amajorproblemisthatasagridgrowsandismeshedfurther,itsnetimpedance generallydecreases,andsotheeffectivefaultcurrentincreases.Asimplewaytosee thisistorecognizethatelectricalgeneratorshaveoutputimpedances,contributing tothetotalgrid ’simpedance.Aspowerdemandsincrease,moreelectricalgeneratorsareaddedtothegridinparallel,andasiswellknowninelectricalengineering, 12SuperconductorsinthePowerGrid
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview13
thenetimpedance Z ¼ 1=ðZ 1 1 þ Z 1 2 Þ ofparallelimpedances Z 1 and Z 2 isalways reduced.Asaresult,inmanycitiesaround theworld,faultcurrentsarenearing ratedlimitsofthecircuitbreakersthatp rotectthegrid.Thisinhibitsfurther growth,whichisabasicchallengeforgrowingurbangrids.AnFCLisneededto introducealargeimpedancequasi-instantaneouslywheneverthecurrentbecomes toohigh.Afuseissuchadevice,butathighpowers,theirreversibleopeningof suchafusecanbeanexplosiveevent,anditneedstobereplacedafterevery faulteventtoenableongoinggridoperation.Signi fi canteffortsarebeingmade aroundtheworldtodevelopautomaticallyresettingFCLsusingavarietyof technologies,suchaspower-electronic,magnetic,and,asweshallseeinthenext section,superconducting(seeChapters5(Section5.6),and9).
1.3.6Electricenergystorage
Itisnoteasytostoreelectricalenergydirectly;therefore,thegridhasbeendesignedto adjusttheoutputofitsgeneratorsrapidlytomeettime-dependentdemand.Yet,with theincreasingintroductionofintermittentrenewableenergysourcessuchassolarand windpower,thedesirabilityofelectricalenergystorageisincreasing.Uptonow,the mainenergystoragetechniqueshaveconvertedelectricalenergyintopotentialenergy (pumpedhydrostorage),highpressure(compressedgasstorage),orchemicalenergy (batteries).Becauseofrelativelyhighinef ficiencies,thesetechniquesarestillnot widelyused,althoughbatterytechnologyisadvancingrapidly.Amoredirectmeans ofelectricalenergystorageisincapacitorbanks.Now,superconductorsofferanew meansofelectricalenergystorage,intheloss-freecirculationofelectricalcurrentin acoil,generatingmagneticenergy;thisistheso-called superconductormagnetic energystorage (SMES seeChapter11).Thekeychallengeinthewideruseofthese moredirectstoragemeansiscost.
1.4Superconductivity
1.4.1Superconductormaterials
AswillbedescribedinmoredetailinChapter2ofthisbook,superconductorsare materialswithremarkableproperties,suchaszeroresistanceandmagnetic fluxexclusion(i.e.,diamagnetism)belowacertaintransitiontemperature Tc.Thousandsof materialsexhibitsuperconductivity(Chuetal.,2012),includingelementssuchas mercury(the firstonediscovered, Tc ¼ 4.2K),lead(7K),aluminum(1.2K),and niobium(9K);thewidelyusedalloysNbTi(10K)andNb3Sn(18K);the Tc record holderofthemetallicso-calledlow-temperaturesuperconductors(LTS)Nb3Ge (23K);organicmaterialswithanambient-pressure Tc recordholderofthisgroup, RbCs2C60 (33K);andcompoundssuchasMgB2 (40K),FeSe(8K),anddoped LaO FeAsoxypnictides(reaching52K).Sofar,theonlyfamilyofcompoundsto breachthe77Klevelatwhichliquidnitrogenboilsaretheartificiallysynthesized perovskite-likecuprates,suchasYBa2Cu3O7 (“YBCO,” 93K),Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Table1.1 Criticaltemperature Tc anduppercritical field Hc2 at4K forseveralsuperconductorscommerciallyavailableinwireform
SuperconductorMax Tc (K) Hc2,4K (T)References
NbTi10.315T.P.Sheahen(1994) Introduction toHigh-Temperature Superconductivity.Springer Nb3Sn18.329.5A.Godekeetal.,theuppercritical field of filamentaryNb3Snconductors, arXiv:cond-mat/0410463
Y1 xRExBa2 Cu3O7
Bi2 xPbxSr2Ca2 Cu3O10
MgB2
93168T.P.Sheahen(1994) Introduction toHigh-Temperature Superconductivity.Springer
110200T.P.Sheahen(1994) Introduction toHigh-Temperature Superconductivity.Springer
4029A.Gurevichetal.,veryhighupper critical fieldsinMgB2 producedby selectivetuningofimpurity scattering,arXiv:cond-mat/0305474
Note:Theuppercritical fieldsaremeasuredonpolycrystallinesamples.
(“BSCCO-2223,” 110K),andtheambient-pressure Tc recordholderHgBa2Ca2Cu3O8 (133K);thesearereferredtoas high-temperaturesuperconductors (HTS),althoughthe ironpnictidesandMgB2 areoftenincludedinthiscategory.Propertiesofseveralofthese materialsthatarecommerciallyavailableinwireformaresummarizedin Table1.1.
Liketheelectricpowergrid,superconductivityboastsmanysuperlatives.Superconductorsbringthemiraclesofthequantumworldtoamacroscopiclevel.Theirzeroresistanceisunequaledinnature.DCcurrentscancirculateinloopsofsuperconductor inde finitely.Thesuperconductororderparameterexhibitsaphaseandexistsinimaginaryspace,phenomenathatarecompletelyunintuitiveinourmacroscopicworld. Sensorsbasedonsuperconductorsarethemostsensitiveknowntoman(Braginski, 2012).VoltagesinducedbytheJosephsoneffectaresoprecisethattheyareusedfor voltagestandards(Harris&Niemeyer,2012).Keypropertiesofsuperconductorsthat arerelevanttoapplicationsinthepowergridaredescribedinthefollowingsections.
1.4.2TransitiontemperatureTc
Themainpracticaladvantageofsuperconductorswithhighsuperconductortransition temperatureovertheirlow-temperaturecounterpartsistoimproverefrigerationefficiency,therebyreducingcost.Refrigerationefficiencydropsrapidlywithdecreasing temperature.ThetheoreticalmaximumefficiencyisgivenbytheCarnotcoef ficient ofperformanceCOPcooling ¼ QC/Win ¼ TC/(TH TC);here, QC istheheatenergy
Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview15
removedfromacoldenvironmentattemperature TC tokeepitcoldand Win isthework energyappliedfortherefrigeration,exhaustingthewasteheatattemperature TH (Duband&Ravex,1998).Forexample,arefrigeratorcoolingtotheliquidhelium boilingpointof4.2Kandexhaustingtheheatatroomtemperature(300K)hasa CarnotCOPofonly1.4%,whileifitiscoolingtotheliquidnitrogenboilingpoint of77K,theCarnotCOPjumpsto34%.Practicalrefrigeratorsaremuchlessefficient thantheidealCarnotlevel,operatingatathirdtoatenthofthesevalues,whetherat heliumornitrogentemperatures.Nevertheless,thehigherCarnotCOPofliquid nitrogen,coupledwithitsabundantsupply,drivesproductioncoststoabareminimum:aliterofliquidnitrogencanbepurchasedatalowercostthanmanybottledwaters.Incomparison,increasingscarcityofliquidheliumsupplycoupledwithitsfar lowerCOPdrivesproductioncoststoapremium.
Thehugedifferencebetweentheefficiencyandcostofliquidheliumandliquid nitrogentemperaturerefrigerationexplainsmuchoftheenthusiasmgreetingthe 1987discoveryofHTScuprateswithtransitiontemperaturesabove77K.Working intheliquidnitrogenratherthanheliumrangeisparticularlycriticalforACpower gridapplicationssuchasACcables,FCLs,andtransformersbecauseACcurrents generateAClossesthatsignificantlyincreasethelow-temperatureinputheat QC andhencethecostofrefrigeration.Someapplications,suchastherotorsofsynchronousrotatingmachineryorDCcables,operateDC(orDCwithasmallACripple),and suchHTSsystemsaresometimesoperatedatintermediatetemperaturesfrom20to 40Ktobenefitfromimprovedcriticalcurrent(seebelow).Butevenfortheseapplications,ahigh Tc isofgreatvalueforthefollowingreason:Thelow-temperature speci ficheatofmaterialsgrowswithtemperatureas T3;itisalmost580timesaslarge at35Kascomparedto4.2K,andmorethan6000timeslargeat77K.Higherspecifi c heatenhancesthermalstabilitybecausetheheatdisturbancerequiredtoquenchsuperconductivitywillbecorrespondinglylarger.
Ofcourse,theidealsolutionwouldseemtobearoom-temperaturesuperconductor, butcountlessunsubstantiatedclaimsnotwithstanding,nosuchsuperconductorhasyet beendiscovered.Infact,evenifsuchasuperconductorwerediscovered,itsproperties wouldmostlikelynotbeviableforpowerapplications;aphenomenoncalledthermally activated fluxcreepislikelytosuppressthecriticalcurrenttounusablelevels (Malozemoff,2012b).Fortunately,presentlyknownHTScupratesworkverywellat 77K,asweshallseebelow;atthistemperature,refrigerationispracticalandnotsocostly.
1.4.3Zeroresistance
Thispropertyisofparamountimportance,openingupabreakthroughopportunityfor powergridefficiencybyeliminating I2R loss,thebaneofconventionalpowerequipment.Onemusthastentoaddthatsuperconductorsdogeneratelossesinthepresence ofACcurrents,thoughwithproperdesigntheseAClossescanbeminimized.Furthermore,the fluxcreepphenomenonmentionedaboveanddiscussedfurtherbelowgeneratesasmallvoltageinHTS,eveninDCoperation,butatleastintheliquidnitrogen temperaturerange,thiseffectissosmallthattheresultinglowresistanceisstillof tremendousvalue.
Thereisasecondrelatedandmajorpracticalimpactoflowresistancethatissometimes overlooked.LowresistanceenableshugeHTScurrentdensity(manyMA/cm2),orders ofmagnitudelargerthantolerableincopper,whichwouldmeltfrom I2R heatingat thislevel.Highcurrentdensityopensuptheabilitytodesignmorecompactsystems thancorrespondingconventionalones,enablinghighercapacitycables,lowerinductance transformers,andmorepower-denserotatingequipment.Whereversizeandweightare critical,superconductorequipmenthasasignificantadvantage.
1.4.4Fluxexclusion:theMeissnereffect
Magnetic flux f, measuredintesla-m(Schneider,2010)orwebers,isthemagnetic induction field B integratedoverthesurfacearea A throughwhichitpasses: f ¼ ʃBdA. Inaso-calledtypeIsuperconductor,theMeissnereffectexcludesmagnetic fl uxfromthebulkofthesuperconductorexceptinaverythinsurfacelayerofamagnetic(London)penetrationdepth(Tinkham,1996).Actually,mostusefulsuperconductorsareso-calledtypeIIsuperconductors,whichdoallowthepenetrationof flux throughthebulkofthematerial,butinaremarkableway:The fluxisquantized intolinearstructures(hencetheterminology “fluxlines”),eachcarryinga flux quantum f ¼ 2.07 10 15 Wb,withcurrentscirculatingaroundeach fl uxline(hence thealternatename “vortices”).Multiple fluxlinescanexistwithinasuperconductor, forminganarray,theso-calledAbrikosovlattice(Tinkham,1996),inwhichthey arespacedapartbythemagneticforcesbetweenthem.Inequilibrium,thisarrayisusuallyhexagonalintheplaneperpendiculartothe fluxlinesaxes.Thearray’sspatialdensityisproportionaltothelocallyaveraged B (i.e.,averagedovermultiple fluxlines).In fact,therearealmostalwaysobstaclestothepenetrationof fluxintosuperconductors, usuallyarisingfromdefectsthat “pin” the fluxlinestothesiteofthedefect.Theresult isthattypeIIsuperconductorscanactaseffectivescreensofmagnetic fi eldsifthose fi eldsarenottoolarge.
1.4.5Criticalcurrent
AnynetcurrentinasuperconductormustobeyAmpere’slaw,whichinitssimplest one-dimensionalformisgivenby m0J ¼ dB/dx,where m0,thepermeabilityoffree space,is1.257 10 6 H/m, J isthelocallyaveragedcurrentdensity, B isthelocally averagedmagneticinduction field,and x isthemeasureofposition(Tinkham,1996). Thismeansthatcorrespondingtoanynetcurrent,theremustexistagradientinthe locallyaveragedmagneticinduction field,henceagradientinthedensityofthe flux lines.Forcesproportionaltotheaveragecurrentdensitydrivethe fluxlinestoeven out(dB/dx ¼ 0)andbringthecurrenttozero,butthiscanbepreventedbypinning of fluxlinesatdefects.
Aslongas fluxlinesremaintrappedinthepinningpotentialwellslocatedatthe sitesofthesedefects,thevoltageremainszeroandthesuperconductorremainsin itssuperconductingstate.However,inthepresenceofa fl uxgradientcorresponding toanoveralllocalcurrentdensityvector J,anetforce J B,calledtheLorentzforce, actsonthe fluxlines;whentheLorentzforceexceedsthemaximumpinningforce,it
willdrivethe fluxlinesoutoftheirpinningwells,initiating fluxmotionandhence voltage(emf),accordingtoFaraday’slawemf ¼ df/dt.Thecriticalpointatwhich fluxlinesescapeoutoftheirpinningwellsdeterminesthecriticalcurrentdensity Jc ofthesuperconductor.Fromapracticalperspective, Jc isoneofthemostimportant parameters,defi ninghowmuchcurrentthesuperconductorcancarrywhileremaining initssuperconductingstate.
Itshouldbenotedthatbecauseofthethermallyactivatedhoppingof fluxlines knownas fluxcreep(Malozemoff,1991),theelectric fi eld E inHTSisnotprecisely zeroat finitetemperatureinthepresenceofcurrentdensity J.Typically E w Jn,where thepower n iscalledtheindexvalue,oftenintherangeof20 30,andthecriticalcurrentdensity Jc andcorrespondingwirecriticalcurrent Ic aredefinedbyanelectric field criterionof1 mV/cmorless,whichissuf ficientlysmalltoensureminimalpowerlossat andbelowthecriticalcurrentinpracticalapplications.Thusdefined,thecriticalcurrentdensityofHTSmaterialsisfoundtoincreaseroughlylinearlywithdecreasing temperature,incontrasttoLTS,whichshowmorecurvature;thedifferencecomes fromthelargerimpactof fluxcreepinHTS.Theindexvaluecanalsobeevenlower whenthesuperconductorishighlyinhomogeneous.
Atremendousamountofresearchhasbeendevotedtooptimizingdefectsinpractical superconductorstomaximize Jc.Whileprogressisongoing,the77Kengineeringcurrentdensity(Je)ofHTStape-shapedwiresbasedonmaterialssuchasYBCOand BSCCO-2223(i.e.,thecurrentdensityincludinganysubstrateandstabilizer)isalready morethantwoordersofmagnitudehigherthanthetypicalroom-temperatureoperating currentdensitiesofcopper,andhighenoughtoenablepracticaldevices.ThedevelopmentoftheseHTSwires,withalltherequiredelectricalandmechanicalproperties,is oneofthegreatachievementsofthe field,andtheyarenowcommerciallyavailable inconsiderablequantityfromavarietyofmanufacturersaroundtheworld.They andtheirfuturedevelopmentprospectswillbedescribedindetailinChapters3and 4.Asmentionedabove,thehighcurrentandpowerdensityofthesewiresenable powerequipmentwithdramaticallylowersizeandweightcomparedtothatbasedon conventionalcopperwire.Thisisamajoradvantageinmanyapplications.
Because Jc increaseswithdecreasingtemperature,asindicatedin Figure1.3, atrade-offwithrefrigerationcostarisesinoptimizingtheoperationtemperature.ParticularlyforsomeDCapplicationslikerotatingmachinery,theoptimumisoftenwell below77K(e.g.,inthe30 40Krange). Jc alsodependsstronglyonmagnetic field, asindicatedin Figure1.3,andonitsdirectionbecausetheHTSatomicstructureand resultingpropertiesarestronglyanisotropic.Thehighlynonlinearresistancethatrapidly developswhenasuperconductortransitionstoitsnormalstateascurrentisincreased abovethecriticalcurrentisapropertyofgreatvalueindesigningFCLs,becausethis transitionoccursveryrapidlyandinafail-safemannerwithoutanyexternalcontrol.
1.4.6Critical fields
Asuf ficientlyhighmagnetic fieldfullyquenchesthesuperconductororderparameter (Tinkham,1996).Togetherwiththetemperatureandcriticalcurrent,thisso-called uppercritical field Hc2 formsacriticalsurfaceinthespaceoftemperature,current, Thepowergridandtheimpactofhigh-temperaturesuperconductortechnology:anoverview17
Another random document with no related content on Scribd:
— Kyllä sinäkin taidat osata!
Anselmi ei vastaa mitään. Siihen se on aina päättynyt. Hän ei osaa mitään eikä ymmärrä mitään. Tuskin koskaan oppiikaan mitään. Mitäpä hänestä, Kaarretahon Anselmista.
Tuli takassa alkaa hiipua, mutta vanhin tyttö, paljaskinttuinen, lisää puita. Minuutin kuluttua hiillos taas leimahtaa täyteen liekkiin, ja huone käy valoisaksi. Olisi jo aika käydä levolle, mutta lapset istuvat ylhäällä, ovat aivan kuin odottaisivat vielä jotakin.
— Ylihuomenna loppuvat jauhot, ja mistä otat uusia?
— Ainahan noita ennenkin on kaiken lopuksi saanut.
— On. Mutta joskus tulee raja siinäkin.
Anselmi kynsäisee korvallistaan. Kaikki kirkonkylän kauppiaat on koettu, ja kesään on vielä pitkä matka. Mutta ei suinkaan sitä sentään nälkään…
Vaimo käy viemässä lehmälle jäkälää ja lypsää sen saman tien. Näkyy maitokin melkein tyhjiin vähenevän, joo, niin se on, että kun yksi loppuu, niin kaikki loppuu.
— Niinpä se, — myöntää Anselmi, — kovalle se joskus ottaa, mutta ainapa on selviydytty.
— Selviydytty! — tiuskaisee vaimo. — Kyllä on selviydytty. Puolikerjuuta ja puutetta on ollut koko tämä aika mitä yhdessä on oltu.
— No älähän nyt, eihän se nyt sentään, — rauhoittaa Anselmi ja naurahtaa välillä, vaikka mieli käy entistä alakuloisemmaksi. — Onpa tuota vissimmästi joskus ollut hauskaakin.
— Tphyi! Ettet häpeä!
Vaimo tiuskaisee entistä kimakammin ja viskaa lähinnä nuorimman lapsen luotaan, niin että se alkaa kimakasti kirkua.
— Älä nyt tuolla tavalla! — sanoo Anselmi ja hyssyttelee lasta luoksensa.
— Kyllä minä tuolla tavalla! Voi totisesti, kyllä minä joskus ajattelen, kuinka paljon parempi olisi, ettei sinua koskaan olisi ollutkaan.
Anselmia pökerryttää. Hän on sen kuullut kymmeniä, satoja kertoja. Se on aivan kuin mennyt hänelle veriin. Välistä hän uskoo, välistä ei. Nyt irvistää puute ja kurjuus joka nurkasta, ja nyt nuo sanat hänet lyövät. Mutta hän vetoaa kuitenkin.
— Kaipa se monasti surkeampaakin olisi ollut, ellei minua olisi ollut olemassa, — sanoo hän.
Kun ei ole sellaisia rahatöitä. Puulaakitkin kaikki tänä talvena seisahduksissa. Ja kun ei aina osaa oikeaan paikkaan. Tekisihän sitä, vaikka yötä päivää, kun olisi mitä tehdä.
Vaimo luo häneen julmistuneen katseen.
— Vai surkeampaa! — toistaa hän. — Vaivoin päästään sen surkeammiksi kuin mitä on oltu. Ja siinä sinäkin vain istut ja odotat syömistä.
Ei ole Anselmi Kaarretahon ajatusten kulku niitä kaikkein viisaimpia ja monimutkaisimpia. Nyt ne aivan kuin sekoavat ja tunkeutuvat toistensa päälle. Vai tässä hän istuu ja syö vielä ruoat lastensa suusta. Se vielä puuttuu.
— Ja ellei sinua siinä olisi, jatkaa vaimo, — niin kai kunnastakin jotakin annettaisiin, mutta ei suinkaan se kuntakaan kaiken maailman laiskureille, jotka eivät tee muuta kuin lapsia.
Siinäpä se oli. Ja nyt nuo lapset istuvat kyyröttävät kukin nurkassaan ja pelkäävät. Mutta Anselmi luo pitkän, kysyvän katseen vaimoonsa, ja äkkiä hänen ajatuksensa näyttävät selviävän.
— Olisiko tuo nyt sitten kovin paljon helpompaa, jos minua ei olisi?
— kysyy hän.
— Vielä häntä kyselet! Sano yksikään ilo, mikä sinusta on ollut?
Niin, mitäpä iloa hänestä todellakaan on ollut. Lyhty kädessä saat hakea etkä löydä.
Anselmi istuu kyyröttää paikallaan, mutta ajatukset näyttävät kokonaan pysähtyneiltä. Piippu kädessä sammuu, erämaan tuuli vinkuu nurkissa. Saattaa todellakin olla, ettei hänestä ole ollut mitään iloa, ja kenellepä sitä ylimalkaan olisi ollut. Saa siinä istua pienenä, käpertyneenä, samalla kertaa tylsänä ja hanakkana käymään mihin sotiviin tahansa, josta rahapennin sai! Tenavat pyytävät resuja ympärilleen ja ruokaa suuhunsa, mutt’ei ole mistä antaa. Mutta ellei häntä, työhön kykenevää miestä, olisi, niin kunta antaisi.
"Sano yksikään ilo, mikä sinusta on ollut?"
Aamuksi Anselmi Kaarretaho hirttäytyy vyöhihnaansa. Jumala, joka niin paljon antaa anteeksi, antaa kyllä myöskin tämän.
LIIAN MYÖHÄÄN
Se oli katsellut veikeästi Uulaa, se tangoitusinsinöörin tytär, katsellut, killistellyt ja nauranut niin, että poskikuopat olivat värähdelleet ja povi hytkynyt. Ne olivat viipyneet neljä päivää Uulan kotona, ennenkuin olivat jatkaneet matkaa Mutanivan kylään, kolmen peninkulman päähän. Insinöörin piti tangoittaa vasta rakennettavan maantien suunta, ja hän viipyi Mutanivan kylässä koko kesän. Niin ainakin oli vakuuttanut tekevänsä.
Eivät ne käymässä olevat insinöörit, metsäherrat ja maanmittarit tänne naisiaan haalanneet, mutta olipa tämä sen tehnyt. Oli kuin olikin. Kai oli tykännyt, että tytönkin piti nähdä maailmaa, ja arvellut, että kun hevosella pääsee puolitoistakymmentä peninkulmaa ja veneellä kymmenisen, niin jaksaa sitä kävellä siepotella muutaman peninkulman, levähdellen välillä. Jaksaa kuin jaksaakin, ja olipa jaksanut.
He olivat siis viipyneet neljä päivää, ja sen tyttären nimi oli Elna. Neljässä päivässä saattaa tapahtua paljon käänteitä ja asioita, etenkin jos ne ovat sattuakseen Niilan-Uulan kohdalle. Ja varsinkin, jos aika on sellainen, ettei aurinko mene mailleen.
"Rikkaita te olette, rikkaita", oli Elna sanonut. "Minä luulin, että te täällä asuisitte kodassa ja olisitte surkeita ja köyhiä ja ajaisitte porolla…"
"Eihän kesällä saata porolla ajaa", oli Uula naurahtaen keskeyttänyt.
"… mutta teillä on talot ja lehmiä navetassa", oli tyttö jatkanut välittämättä keskeytyksestä.
"Inarin puolessa on kyllä köyhiäkin", selitti Uula. "Kalalappalaiset ovat melkein järkiään köyhiä."
Katsokaa, Uulan isällä on kaksituhatta poroa ja uudistalo ja rahaa pankissa. Sen sai Elna tietää. Ja hän sai tietää senkin, että he olivat asuneet täällä vasta kahdeksisen vuotta ja että he olivat muuttaneet tänne Kaaresuannosta, jossa he olivat siirtyneet paikasta toiseen paimennellen laumojaan. No, onhan sitä olemista, kun Ibmel on armollinen eikä tule rutto eikä susia.
Isä-Niila istuu talonsa portailla, imeksii piippuansa ja katselee, kun hänen poikansa haastelee lantalaisneitosen kanssa. Hän, pieni, tihrusilmäinen ukko, ei ole tyytyväinen, ellei tyytymätönkään. Saa olla näin, mutta saa olla toisinkin. Hänen mieleensä muistuu tapaus kaukaisen nuoruuden päiviltä, jolloin Aslak Magga rakastui amtmannin tyttäreen. Se ei ollut hauska tapaus. — Mutta on siinä poikaa hänen ja Marja-vainajan pojaksi. Pitkä ja valkea kuin lantalainen ja nopea käänteissään.
"Uula", kärisee hän portailta. "Miehiäkin pitäisi tunturille mennä katsomaan."
"Kuka ne sieltä enää hakee", vastaa Uula, ja ukko huomaa itsekin puhuneensa aiheettomia. Hän köntystelee pirttiin eikä ajattele mitään. Heinäntekokin saa alkaa nousuviikolla.
Uula on kyllä nähnyt lantalaistyttöjä, ja herrasnaisiakin hän on nähnyt kirkolla, mutta tällaista, näin kaukaa etelästä tullutta, hän ei ennen ole nähnyt. Ei edes Tromsassa eikä Vesisaaressa.
Tämä panee Uulan talttumattomat veret liikkeelle, tämä outo tyttö, kaukaa tullut. Sen silmät hehkuvat kuin hiillos pimeässä huoneessa, ja sen posket punoittavat; kun se nauraa, niin sen hammasrivi kiiluu ja välkähtelee ja hymykuopat värähtelevät, ja kun se kävelee, niin sen varsi keinahtelee vallattomuuttaan, ja näyttää kuin ei jalka kävisi maassa ensinkään.
"No on siinä Uulalla katselemista", sanovat akat.
Uula ei vastaa mitään, mutta katse on totinen ja ilmaisee, että leikki on sattunut.
Seuraava yö oli uneton, ensimmäinen hänen eläissään. Hän makasi silmät selällään rankisessaan, kuunteli sääskien surinaa ja ihmisten hengitystä yörauhaisassa tuvassa, heittelehti kyljeltä toiselle ja ajatteli, että kahden seinän takana nukkui se toinen.
Aamulla, jo ennenkuin Sara-Kaija on noussut kahvinkeittoon, menee hän joelle ja pesee naamansa, vetää verkatakin ylleen ja panee siihen kullatut hopeasoljet ja -helat kimmeltämään. Hänessä asuu tajunta, jonka mukaan hänen täytyy tehdä niin.
"Sinä olet korea tänään, Uula", sanoo tyttö hänet nähdessään. "Oletko sinä usein noin?"
"Kirkolla ja vieraissa käydessä", vastaa Uula.
"Entä miksikä nyt?"
"Siksi, että meillä nyt on vieraita", vastaa Uula totuudenmukaisesti.
Uula oli taitavasti kiertänyt kysymykseen kätketyn silmukan, ja tyttö mukristi tyytymättömästi alahuultaan.
"Osaatte te täälläkin", sanoi hän, "osaatte totisesti".
"Mitä me osaamme?" kysyi Uula.
Nyt tyttö antoi katseensa seurata metsän vihreyteen katoavaa valkeaa jäkälikkökangasta ja huiskeli ahdistelevia sääskiä pois kasvoiltaan, antaen Uulan odottaa vastausta. Sitten hän äkisti kääntyi Uulaan päin, ja taas Uulan mieleen tuli vertaus hiilloksesta.
"Luulin, että olit minua varten koristanut itsesi", virkahti hän ohimenevästi. "Mutta mitäpä se olisi kannattanut."
Uulan täytyi punastua ja hämmentyä ja pusertaa esiin totuus.
"Olihan siinä vissiin sitäkin", myönsi hän.
Niin kuluu sitten tämä päivä ja yö ja huominenkin päivä, eikä Niilan-Uula saa mitään säällistä tehdyksi. Aurinko paistaa lekottaa korkealla, paahtaen valkoista kangasta, sääsket pörräävät raukeina ilmassa, ja metsän laidasta kantautuu pihamaalle havun ja valuvan pihkan tuoksua jollakin tavoin sekaantuen kuivamassa olevain poronlihain hajuun.
Niinkuin sanottu, ei Niilan-Uula saa mitään saaliista tehdyksi. Hänen nuori, kesytön verensä on joutunut liikkeeseen, ja hän kulkee
ympäri sieraimet vavahdellen ja silmänympärykset vaikeina katsellen siniseen usvaan häipyvien tunturien huippuja. Pienempi venekin pitäisi tervata, mutta tervaamatta se tällä kertaa jää; aika kuluu vain istuessa ja odottaessa. Uula tuntee olevansa tilassa, jolloin pian voi ruveta joikaamaan, vaikk'ei ole nähnytkään pirtua.
"Siitä kai on pitkä aika, kun äitisi kuoli?" kysyy se tyttö.
"Pitkä. Kuusi kesää. Hän oli Jouni Varangerin tytär", vastaa Uula, sanoen viime lauseen ikäänkuin jonkunlaiseksi selitykseksi ja hienolla ylpeydellä.
"Ja sinä kai olet tullut äitiisi?"
Uulalla on suora nenä, pieni suu, taivaansiniset silmät ja naisellisen pienet ja valkoiset kädet, viimeksimainitut muuten ominaisia koko hänen heimollaan.
"Niinhän ne sanovat", vastaa hän kotvan kuluttua. Ja sitten jatkaa ikäänkuin itsestään: "Minun äitini oli niinkuin kuva."
"Sen kyllä uskon", myöntää tyttö lämpimästi ja istuutuu lähemmäksi
Uulaa. "Eikö sinulle koskaan heittäydy ikäväksi täällä?"
"Ikäväksi!" huudahtaa Uula. "Tähän asti en ole osannut kaivata mitään.
Hyvä on niinkuin on."
Ja Uula yltyy kuvaamaan kesäistä tunturilla oloa ja talvisia retkiä, käyntejä Norjan puolella ja poroerotusta, joikaamista ja laulua, ja välillä pieniä matkoja isän kanssa seuroihin ja sananselitykseen ja kirkolle.
Tyttö katsoo itsensä oikeutetuksi kysymään, eikö Uulalla ole morsianta.
Uulahan tulee pian itse isännäksi.
Uula pusertaa huulensa yhteen ja katsoo eteensä. Hänelle on ajateltu ja hän itsekin on ajatellut Eerik Lensmanin Kadjaa. Mutta se on nyt vain ajateltu eikä hän puhu siitä mitään.
"Sattuiko?" kysyy tyttö kuoppien ilmestyessä poskille.
"En minä sellaista ole ajatellut", murahtaa Uula vähän kuin väkinäisesti. "Ennättääpähän sitä, ennättää hyvinkin. Ja mitäpä te sillä tiedolla?"
Tyttö hämmentyy, mutta hän on alamaista ja hyvin kirjansa lukenut ja hän katsoo itsensä oikeutetuksi sanomaan viattomalle ja vähän harkitsevalle luonnonlapselle, mitä parhaaksi näkee.
"Omaa parastasi minä vain", virkahtaa hän aivan kuin ohimennen. "Tarkoitan, että sinun pitäisi saada hyvä emäntä."
Sitten tyttö taas menee tiehensä, ja hänen vartensa keinahtelee vallattomasti, mutta Uula jää paikalleen kuin naulittu, ja hengitys kulkee läähättäen. Aurinko on korkealla, sääsket surisevat surunvoittoisesti, ja vesi pienessä joessa virtailee kuin väsyneenä pitkästä matkasta.
Rakennusmestari Kylmänen, isä-Niilan huonemies, joka erinäisistä syistä on paennut erämaahan ja elättää itsensä kaikenlaisella, pienellä kaupalla, metsästyksellä, kalastuksella ja huoneitten salvamisella, — kulkee ohi.
"Ääh, Uula-vietävä!" sanoo hän hienosesti tullen väkeville, joita on saanut insinööriltä. "Ääh, Uula-poika! Älä mieti suotta, älä mieti suotta!"
"Anna minullekin ryyppy!" sanoo Uula äkisti, tuntien että hänen ajatuksensa sekoavat.
"En anna! Hullummaksi vain tulisi. Älä usko naisväkeen!"
"Anna vaan. Rahassa maksan. Kaksinkertaisen hinnan."
"Hullu! Mikä viinakauppias minä olen. Kullakin omat murheensa."
Kylmänen lonkuttelee tiehensä Mutkaan päin. Asioilleen minne menee.
Mutta Uula jää istumaan paikalleen kiinteästi ja taukoamatta ajatellen
Elna-nimistä tyttöä, joka oli kuin taivaasta viskattu hänen tielleen.
Illansuussa tulevat saattomiehet Mutanivan kylästä insinööriä hakemaan, neljä laukunkantajaa ja yksi, joka kuului olevan nuorempi insinööri, pitkä, tummaverinen miehenroikale. Heti ensi näkemältä tuntee Uula vihaa miestä kohtaan ja pahoja aavistuksia. Pieni ja mitätön tuntee hän olevansa tuon pitkän roikaleen rinnalla.
"Lähdöksikö se nyt heti panee?" kysyy isä-Niila.
"Lähdöksipä tietenkin. Yötä myöten on helpompi kulkea."
"Niinpä vainkin. Ei ahdista kuumuus."
Uula katselee ajatuksettomasti, kun vieraat säälivät tavaroitaan kokoon. Menoa se nyt on, menoa pitkiksi ajoiksi. Hänen sydäntään
alkaa ahdistaa, ja tuntuu kuin kurkkuun nousisi itkuntapaista.
Suurin, kuivin silmin tarkkaa Uula pakkaamistoimitusta. Ei puutu, ei pukahda. Tuntuu niinkuin pitäisi hänen jotakin puhua, sanoa jotakin leikkisää, niinkuin tapa on, mutta hän ei keksi mitään, katsoo vain, ja ajatukset tekevät mitä tahtovat. Se nuorempi insinööri puhelee Elnalle, ja tämä vastailee, milloin ylimalkaisesti ja ohimennen, milloin pysähtyen ja nauraa puuskahtaen.
Viimein Uula huomaamatta hiipii ulos. Ei tahdo olla sitä lähtöä näkemässä.
Mutta samassa on siinä se tyttökin.
"Oikein ikävä täältä on lähteä", sanoo hän.
"Aika on sentään kulunut niin hyvin."
Uulalla ei ole mitään sanomista.
"Aika on kulunut niin hyvin", jatkaa tyttö ja naurahtaa sitten: "Myönnä pois, että sinunkin tulee ikävä!"
"Mikä ettei tulisi", tokaisee Uula karusti.
"Kas vaan, kun olet rehellinen. Mutta sillähän siitä pääset, kun tulet katsomaan."
"Ei kehtaa."
"Kyllä kehtaa. Ja hyvästi nyt! Näkemiin!" Hän tarttuu Uulan vastahakoiseen, tottumattomaan käteen ja puristaa sitä niin, että toisen kasvoille nousevat veret.
"Et sinä osaa kunnollisesti puristaa kättä-, naurahtaa hän taas ja tarttuu molemmin käsin Uulan käsiin.
"Näin sen pitää tapahtua", sanoo hän. "Ja muista nyt sitten."
Uulasta tuntuu, kuin hän sulaisi siihen paikkaan. Silmiin nousee ikäänkuin kimmeltävä verho, sydän takoo, ja kun hän havahtuu, on tyttö poissa ja edessä aurinkoinen, laakea pihamaa ja valkosalvoksinen talo. Uula kirahtaa itsekseen ylläpitääkseen miehuuttaan ja kävelee sitten hitaasti poispäin, metsään.
Neljässä päivässä ehtii siis tapahtua paljon asioita, ja tästä kaikesta on nyt kulunut kaksi viikkoa. Ja aika on vieläkin sellainen, ettei aurinko mene mailleen.
Niilan pirtissä nukutaan, mutta poika, Uula, vaeltelee teillä, joista hän ei soisi jälkeenpäin mainittavan.
Hän on miettinyt ja palanut kaksi viikkoa, nyt hän vaeltelee, tosin levottomuus sydämessä, mutta määrätietoisesti.
"Niinhän sinä kuljet kuin unissasi, poika", oli isä sanonut.
Uula oli miettinyt, miettimästä päästyäänkin miettinyt. Mikä hän oikein oli? Mitä hän suotta ajatteli ja vaivasi itseään? Jos joku arvaisi, niin nauraisi. Veneenkin oli Paulus jo ehtinyt tervata. Mutta ajatuksistaan hän ei päässyt minnekään, vaan vietti unettomia öitä ja turtuneita päiviä.
Niilan talosta vie kaltainen polku Mutanivan kylään. Pihamaalta se painuu kiveliöön, jota ei käsi eikä leimauskirves vielä ole koskettanut, katkaisee sitten Sorkojan, jonka yli pääsee kahlaamalla, nousee
vaaralle, pudotakseen heti Päiväsen niitylle, ja kulkee pitkin tunturin rinnettä, kunnes aavan ja metsikön takaa pilkistävät Mutanivan talot.
Tätä tietä vaeltaa Uula Niilanpoika, milloin kiihkeästi ajatellen ja kuvitellen, milloin havahtuen, milloin tahdottomasti kuin unissaankulkija. Hänen täytyi näillä tuntein kulkea tämä tie, että sekin oli suoritettu.
Tuntuu kuin suuri luonto olisi pysähtynyt katsomaan Uulan kulkua. Aurinko on vetäytynyt jonnekin tunturin taa, se valaisee, mutta se ei lämmitä, sen olemassaolon tuntee, mutta paljain silmin sitä ei saata katsella. Keskiyö on jo sivuutettu. Sääskien kesän kestävä surina sulautuu luontoon, korva on siihen jo niin tottunut, että se havahtuu vasta kun surina hetkeksi taukoaa. Puiden latvat kimmeltävät auringon valossa, mutta maajalassa on kosteata ja tuoksuvaa, jotakin kalmalta tulevaa ja aavistelevaa.
Ja Uula painaltaa eteenpäin, luuvartinen leuku pompahtelee kupeella ja helat välkähtelevät, kun auringonvalo aukeoilla niihin sattuu. Askeleet risahtelevat, risut taittuvat, silloin tällöin sipaisee neljäntuulen lakki, punasinikeltainen, riippuvaa oksaa, ja kulkija vetää kärsimättömästi päänsä syrjään. Merkillisillä teillä kulkee Niilan perillinen.
Yksinäinen hairahtunut poro risahduttaa puita metsikössä. Uula havahtuu ja kuuntelee, vaistomaisesti käsi tapaa leukunvartta, mutta silloin tömähtelevät ja napsahtelevat poronkoparat jo kaukana kankaalla, yhä ja alati edeten.
Yksinäinen poro pysähdyttää hetkeksi Uulan ja ravistelee hänen ajatuksiaan. Hän huomaa hommansa hulluuden, mutta jatkaa kuitenkin matkaansa.
"Saahan tuota mennä", sanoo hän itsekseen.
"Siihen ei kukaan pysty sanomaan mitään."
Sillä hänen silmissään väikkyy eräs kuva, joka kiihdyttää hänen vauhtiaan, ja hän on tuntevinaan erään kädenpuristuksen, joka ajatellessakin pyörryttää. Saahan mennä, kukaan ei ole kieltänyt.
Mutta käsketty on. Ylösnousun ajaksi hän ehtii perille, jos näin jatkaa.
Aurinko alkaa jo säteillä ja levittää lämpöä. Sääsket käyvät virkeämmiksi ja ahdistelevat kasvoja ja käsiä, mutta Uula ei sitä huomaa. Hän vain kulkee kulkemistaan niinkuin jonkun alkuvoiman liikkeellepanemana.
Metsässä alkaa elää ja soida. Aamutuuli humisee puiden latvoissa, siellä täällä alkavat linnut liverrellä, ja valo- ja varjopaikat käyvät syvemmiksi. Tuntuu, niinkuin olisi seuraa, vaikka kulkeekin yksin. Päiväsen kohdalla ei seeskulkijan muisto vistota eikä herätä kaukaista kammoa. Sivuilleen katsahtamatta hän kulkee sen ohi. Hiukan sivu puolimatkan alkaa polku tehdä nousua tunturin rinteelle, nousee hitaasti, verkalleen ja kierrellen koivuvyöhykkeeseen ja jatkuu sitten eteenpäin pysytellen vyöhykkeen ja kaljun rajoilla, tuontuostakin tehden pienen syrjähypyn puolelle ja toiselle.
Näillä tienoin on matkamiehen tapa levätä, mutta Uulalla ei ole aikaa sellaiseen. Kenties siihen on syynä pelko, että matka keskeytyy, että hän siinä istuessaan alkaisi järkevästi harkita asioita. Tai kenties muut vaistot, jotka vain toinen luonnonlapsi kykenee tajuamaan.
Uula jatkaa siis matkaansa. Raitis tuuli virkistää hänen hiestyneitä kasvojaan ja antaa lisää vauhtia hänen askelilleen. Minne hän katsookin, leviää vain silmänkantamattomia aapoja ja metsiä, jokiuoma tuolla ja täällä, tuntureita, joista etäisimmät ikäänkuin häipyvät sinervään savuun.
Viimein hän saavuttaa korkeimman kohdan, polku alkaa hiljalleen viettää, ja kaukana etäisyydessä näyttää Mutaniva uivan päivänpaisteessa.
Silloin Uula viimeisen kerran pysähtyy ja empii. Silmät harrillaan tuijottaa hän niittyjen keskellä välkähtelevää kylää ja vakuuttaa itselleen, ettei hänellä ole siellä mitään tekemistä. Mutta samalla kylän näkeminen häntä myöskin kiihoittaa ja hän tuntee, että vaikka hän onkin syöksymäisillään kuiluun, ei hän kuitenkaan saata olla sitä tekemättä. Vielä tunti, kenties hiukan enemmän, ja hän saattaa nähdä sen tytön ja haastella hänen kanssaan.
Uula ei rupea erittelemään, mikä tunne se on, joka juoksuttaa häntä pitkin metsiä, ja tuskinpa hän osaisi sitä tehdäkään, mutta kun hänen on pakko mennä, niin hän menee. Kylläpähän sitten selviää.
Mutanivan kylässä ovat aikaisimmat jo jalkeilla, ja Uula pakottautuu huolettoman näköiseksi, kun saapuu kylätielle ja lähestyy taloja. Insinööri kuuluu asuvan Keski-Mellassa.
"Aikaisinpa sitä Niilan-Uulaa pyöritellään", sanoo kahvinkeittopuuhissa oleva emäntä, kun Uula asettuu penkille. "Yötä myötenkö tulit?"
"Yötä."
"No mikä se niin juoksutti?"
Uula ei vastaa. Yksi ja toinen mies ilmestyy rankisesta ja alkaa äänettömänä kenkiä.
Viimein Ville, talon poika, saa itsensä valmiiksi ja sytyttää tupakan.
"Niin että sulhasmiehenäkö se Uula oikein", sanoo hän hymyillen ja vetää pitkän sauhun.
Uula punastuu korvalehtiä myöten, murahtaa jotakin ja katselee kenkiensä kärkiä, mutta emäntä purskahtaa nauramaan.
"Mikäpä siinä on", puhuu hän sitten, "vaikk'ei se insinööri taida siitä oikein tykätä".
Uula kuuntelee joka hermo vireessä, ja hänen sisimpäänsä hiipii hiljainen ilo.
"Tyttö täällä vikisi ja valitti sitä ikäväänsä” jatkaa emäntä tietämättä Uulan mielenailahteluista, vikisi ja valitti, kun ei ollut samanikäisiä, mistäpä niitä, kun kaikki meidänkin pojat linjalla, — mikään ei kelvannut, ja viimein insinööri kyllästyi ja antoi metsäherran mukana palata veneellä alas. Toissa päivänä kai se oli tai maanantaina. Sanoi se röökynä, että teillä oli kuulemma niin mukava olla, mutta insinööri sanoi, että kyllä hän ne konstit tuntee vanhastaan."
Siinä nyt istui Uula Mellan pirtin penkillä. Kahvi kuohuu yli, sekoittaen lemullaan ummehtuneen hien hajun, ja aurinko paistaa korkealla.
