[논문 리뷰] Cost Projections for High Temperature Superconductors

P. M. Grant, Thomas P. Sheahen|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 21.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 4인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전력 응용 분야를 위한 고온 초전도체(HTS)의 비용을 예측하며, 산화물-가루를 관에 넣는(OPIT) 방법과 코팅 도체 방법을 사용한 재료, 노동 및 자본 비용을 분석한다. 연구 결과, 은피복 Bi-2223 HTS의 $10/kAm 비용 목표는 현재 기술로는 달성할 수 없으며, 향후에도 실제 비용은 상당히 높게 유지될 것으로 나타났다.

ABSTRACT

It is generally argued that for high-temperature superconductors (HTS) to be cost-competitive in power applications, the wire will have to sell for about $10 per kiloampere meter ($10/kAm) for operation at 77 K (e.g., NbTi costs around $1/kAm and Nb3Sn around $8, each at 4.2 K). Given what is already known about the critical current performance of Pb-stabilized Bi-2223 (BSCCO), this cost target may be extremely difficult to realistically achieve for silver-sheathed BSCCO produced by the oxide-powder-in-tube (OPIT) technique. In this paper, we examine the cost of component materials, add reasonable estimates for labor and related costs, and arrive at a likely cost/performance (C/P) figure. We also estimate the capital cost of a factory to produce HTS conductor by a particular coated conductor method, and calculate the necessary production-output and performance parameters necessary to manufacture 10 km/yr of wire and its associated C/P. Our results indicate that the real C/P seen by the customer will remain substantially above this $10/kAm target for some time to come.

연구 동기 및 목표

• 생산 비용을 예측하여 고온 초전도체(HTS)의 전력 응용 분야에서의 경제적 타당성을 평가하기.
• 기존 제조 기술을 사용할 때 HTS 케이블의 $10/kAm 비용 목표가 달성 가능한지 평가하기.
• OPIT 및 코팅 도체 방법을 통해 HTS 도체를 생산하는 공장의 재료, 노동 및 자본 비용을 추정하기.
• HTS 케이블 연간 10km 생산을 위해 필요한 성능 및 생산 수준을 도출하기.
• 비용/성능(C/P) 비율을 기준으로 예측된 비용을 $10/kAm 기준과 비교하여 상용화 가능성 평가하기.

제안 방법

• 산화물-가루를 관에 넣는(OPIT) 기법을 사용한 은피복 Bi-2223(BSCCO) HTS 케이블의 구성 재료 비용을 상세히 분해한다.
• 노동, 부가비용 및 가공 비용에 합리적인 추정치를 적용하여 킬로암페어미터(kAm)당 총 생산 비용을 산정한다.
• 코팅 도체 HTS 생산을 위한 공장 건설에 필요한 자본 투자(장비 및 시설 설치 포함)를 추정한다.
• 목표 비용 수준을 달성하기 위해 필요한 생산 수준(연간 10km)과 임계 전류 성능을 계산한다.
• 비용/성능(C/P) 비율 프레임워크를 활용하여 예측된 비용을 $10/kAm 기준과 비교한다.
• 비용 모델링 및 가정을 위한 자료로 1998년 Applied Superconductivity Conference 발표 자료를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 OPIT 기반의 은피복 Bi-2223 케이블 제조 기술로 $10/kAm 비용 목표를 현실적으로 달성할 수 있는가?
• RQ2 산화물-가루를 관에 넣는(OPIT) 방법을 사용한 HTS 케이블 생산에서 주요 비용 요인은 무엇인가?
• RQ3 코팅 도체 HTS의 $10/kAm 비용 목표를 달성하기 위해 필요한 생산 수준과 성능 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 재료, 노동 및 자본 비용은 HTS 도체의 총 비용/성능(C/P) 비율에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 현실적인 공장 규모 생산 조건에서 HTS 케이블의 예상 비용/성능 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 현재 기술로는 OPIT 방법을 사용한 은피복 Bi-2223 HTS 케이블의 $10/kAm 비용 목표를 달성하는 것은 매우 어렵다.
• OPIT 처리된 HTS 케이블의 재료 비용 자체만으로도 상당히 높으며, 노동 및 부가비용을 추가하면 총 비용이 $10/kAm 기준을 초과한다.
• 코팅 도체 생산 공장의 자본 투자는 상당히 크며, 비용 목표를 달성하기 위해서는 높은 생산 수준과 성능 수준이 필요하다.
• 최적화된 생산 조건이라도 향후에도 고객이 실제로 볼 수 있는 실제 비용/성능(C/P) 비율은 $10/kAm보다 상당히 높게 유지될 것이다.
• 이 연구는 현재 제조 방법과 재료 비용으로는 $10/kAm 목표가 경제적으로 타당하지 않음을 결론 내린다.
• 분석 결과, 목표 비용에 도달하기 위해 재료 효율성 향상, 가공 수율 향상 및 규모 확대가 추가로 필요하다.