Archive for Superkonduktor

High Temperature Superconducting (HTS) Generator

High Temperature Superconducting(HTS) Generator

Di dalam pemanfaatan bahan superkonduktor yang memiliki nilai hambatan terhadap energi listrik relatif kecil bahkan hingga nol sebagai bahan utama pada generator diharapkan dalam pengoperasian pada daya keluaran yang sama diperoleh nilai efisiensi yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan rugi-rugi tahanan jangkar, rugi-rugi inti dan bahan yang biasa timbul pada penggunaan generator konvensional tidak terjadi pada penggunaan generator berbahan superkonduktor.

Penggunaan High Temperature Superconducting(HTS) Generator memiliki beberapa kelebihan, antara lain:

  1. Effisiensi lebih tinggi mencapai 99 %
  2. Rugi-rugi daya lebih rendah 50 % daripada metode konvensional(Gambar 1)
  3. Konduktivitas 106 lebih baik dibandingkan tembaga
  4. Kerapatan arus 10 kali lebih besar dibandingkan belitan tembaga
  5. Mengurangi polusi
  6. Meningkatkan stabilitas jaringan listrik
  7. Mengurangi biaya pemasangan
  8. Ukuran yang lebih kecil dan berat yang lebih ringan

Gambar 1. Perbandingan Rugi-Rugi Daya Antara Generator Konvensional dengan HTS Generator(Southampton Unversity)

Generator dengan menggunakan HTS memiliki desain yang berbeda pada rotornya(Gambar 2) dikarenakan belitan yang digunakan pada rotor yang pada generator konvensional menggunakan tembaga diganti dengan material HTS, sementara untuk statornya tetap menggunakan desain konvensional.

Gambar 2. Rotor dengan HTS Solenoida (General Electric)

Pada saat sekarang ini, material HTS yang digunakan pada rotor generator HTS adalah YBCO dan BiSCCO. Dimana kedua material tersebut merupakan keramik yang pada suhu ruang bersifat sebagai isolator. Diantara kedua material tersebut BiSCCO merupakan material yang paling sering digunakan. BSCCO memiliki suhu kritis pada 77 °K dengan kerapatan arus sebesar 48 A/cm2.

Di dalam mendesain HTS generator(Gambar 3) ada tiga subsistem yang harus diperhatikan: 1) Rotor, 2) Pendinginan Rotor, 3) Stator. Secara fisik, HTS generator diharapkan mempunyai panjang separuh dan diameter duapertiga dari generator konvensional. HTS generator memiliki reaktansi sinkron rendah sekitar 0,28 pu, tetapi memiliki reaktansi transient dan sub-transient yang sama dengan generator konvensional. Secara keseluruhan efisiensi HTS generator dapat mencapai 99%, rugi-rugi terbesar(65%) ada pada belitan jangkar yang masih terbuat dari tembaga. Untuk konsumsi daya sistem pendinginan kryogenik mengkontribusi rugi-rugi 2% dari total rugi-rugi. Baik belitan rotor maupun stator menghasilkan harmonik yang minimum.

Gambar 3. HTS Generator(AMSC)

Referensi :

  1. Goddard, Kevin F, Bartosz Lukasik, and Jan K. Sykulski, Alternative Designs of High-Temperature Superconducting Synchronous Generators, IEEE trans. on appl. Supercond., vol. 19, no. 6, Dec. 2009
  2. http://www.amsc.com/products/htswire/2GWireTechnology.html
  3. B. Lukasik, K. F. Goddard, M. D. Rotaru and J. K. Sykulski, Kriging assisted design of a synchronous superconducting generator with YBCO windings, School of Electronics and Computer Science, University of Southampton SO17 1BJ, Southampton, UK
  4. Kalsi, Swarn S., Development Status of Superconducting Rotating Machines, IEEE PES Meeting, New York, January 27-31, 2002
  5. M.K., Al-Mosawi , Xu B., Beduz C, Goddard K., Sykulski J.K, Yang Y., Stephen N.G., Webb M., Ship K.S., and Stoll R, 100kVA High Temperature Superconducting Generator, Electrical Engineering Department, University of Southampton, Southampton, SO17 1BJ, UK.
  6. Joho, Reinhard, Highlight Of a Superconducting Generator Study, ALSTOM, Switzerland

SUPERKONDUKTOR

Pengertian dan Sejarah Superkonduktor

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Gambar 1. Kurva Perubahan Resistivitas (ρ) Terhadap Perubahan Suhu (T)

Pada umumnya sifat suatu bahan dapat dibedakan melalui resistivitas elektriknya seperti yang ditunjukkan pada Tabel I.

Tabel I. Perbedaan Nilai Resistivitas Suatu Bahan

Sifat Bahan

Resistivitas, ρ (Ω.m)

Contoh Bahan

Isolator

Tertinggi (1010-1012)

Plastik dan Karet

Semikonduktor

Tinggi (10-3-106)

Germanium

Konduktor

Rendah (10-8)

Emas dan Perak

Superkonduktor

Nol

Semua bahan yang berdasarkan CuO

Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4oK atau -269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan pada gambar 2.

Gambar 2. Kurva Hasil Pengamatan Onnes

Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 3. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.

Gambar 3. Efek Meissner

Superkonduktor yang terdiri dari bahan logam dan aloi dikenal sebagai superkonduktor konvensional. Helium cair yang mempunyai titik didih 4oK dipakai sebagai pendingin bahan superkonduktor. Oleh karena mahalnya harga helium cair, maka penyelidikan bahan superkonduktor konvensional dihentikan. Para saintis fisika tiada henti melakukan penyelidikan tentang superkonduktor, hal ini dibuktikan dengan berhasilnya menaikkan suhu transisi superkonduktor untuk bahan berbeda. Era helium cair sebagai pendingin superkonduktor telah berakhir dengan digantikannya nitrogen cair. Seperti diketahui bahwa nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor mempunyai titik didih 77oK dan harga yang relatif lebih murah. Penggunaan nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor dibuktikan dengan ditemukan bahan superkonduktor YBa2Cu3O7-δ dengan  suhu transisi, Tc = 92oK oleh grup riset di Univ. Alabama & Houston yang dikoordinasi oleh: Paul Chu dan K. Wu. (1987). Saat ini, bahan superkonduktor yang mempunyai suhu transisi tertinggi adalah bahan Hg-Ba-Ca-Cu-O dengan Tc = 140oK (Chu, C.W. et al. 1993). Oleh karena bahan berasaskan CuO (kuprum oksida) mempunyai suhu transisi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan superkonduktor konvensional, maka para saintis yang mengkhususkan penyelidikan di bidang superkonduktor sependapat untuk menyebut bahan superkonduktor yang berasaskan CuO sebagai Superkonduktor Suhu Tinggi (High Temperature Superconductor).

Gambar 4. Kurva Perkembangan titik kritis(Tc) Material Superkonduktor

Penggunaan Superkonduktor

Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 5. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.

Gambar 5. Maglev Train

Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sekitar 99% dengan ukuran jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat effisiensi sebesar 7000 dari segi tempat.

Di bidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.

 

Gambar 6. Road Map Harga dan Penggunaan HTS

 

Referensi :

  1. Xie, Yi-Yuan, V. Selvamanickam, Y. Chen, X. Xiong, Y. Qiao, A. Rar, D. Hazelton, K. Lenseth, R. Schmidt, A. Knoll, and J. Dackow, 2G HTS wire research effort for cost reduction, KEPRI-EPRI Joint Superconductivity Conference, Nov 16-19, 2009,  Daejeon, South Korea
  2. http://www.fisikanet.lipi.go.id
  3. Marlianto, Eddy, Studi Ultrasonik Pada Bahan Superkonduktor Suhu Tinggi, Universitas Sumatera Utara, 2008, Medan