超電導ケーブルとは？｜ケーブルを一桁細くするデータセンター給電と−200℃級の冷却技術 #46

超電導ケーブルは、液体窒素で冷やして電気抵抗をゼロにし、送電路の損失を従来の1/10以下に抑える技術だ。いま、ラック電力が増え続けるデータセンターの給電で試験が始まっている。本記事では、電力・冷却機器の技術者に向けて、ケーブルと、それを−200℃級に保つ冷凍機の技術を整理する。

目次

1. 超電導ケーブルとは｜液体窒素で冷やすと電気抵抗がゼロになる送電線

超電導とは、ある温度（臨界温度）以下で電気抵抗がゼロになる現象だ。かつては液体ヘリウム（−269℃）で冷やす金属系材料しかなかったが、1980年代後半に銅酸化物系の「高温超電導体」が見つかった。ビスマス系は約110K（−163℃）、イットリウム系は90K級で超電導になる。どちらも安価な液体窒素（沸点77K、−196℃）で冷やせる。

超電導ケーブルは、この線材を束ねた導体を、液体窒素が流れる断熱管の中に収めた構造をとる。抵抗による発熱がないため、細いケーブルで大電流を流せる。代わりに、外から入り込む熱を冷凍機で汲み出し続ける冷却システムが要る。超電導送電の実用性は、ケーブルと同じくらい「冷やす側」の効率と信頼性に左右される。

2. データセンター給電の壁｜ラック1MW時代に銅ケーブルが太くなりすぎる

超電導がデータセンターで注目される背景には、電力需要の急増がある。国際エネルギー機関（IEA）は、世界のデータセンターの電力消費が2024年の約415TWhから、2030年には約945TWhへと2倍超に増えると見込む。

問題は総量だけではない。AIサーバーの高密度化で、ラック1台あたりの電力が跳ね上がっている。米スタートアップのVEIR社は、ラック電力が約200kWから600kW、さらに1MWへと増えていくと見ている。建屋内の配電は低電圧・大電流のため、電力が増えるほど銅のケーブルやバスバー（板状の導体）は太く重くなり、配線スペースと発熱が制約になる。

Microsoftは2026年2月の技術ブログで、高温超電導を使えば電力ケーブルを「一桁小さくできる」と述べ、超電導で給電するラックの試作機を紹介した。確保した電力を「建屋の中でどう運ぶか」が、新しい技術課題になりつつある。

3. 実証の現在地｜石狩の直流送電、VEIRとMicrosoft、鉄道の営業運転

データセンターと超電導の組み合わせには、日本に先行例がある。北海道石狩市では、中部大学などが経済産業省の委託事業として、500mと1kmの2回線で超電導直流送電の実証を2010年代前半から行ってきた。2015年には、太陽光発電の直流電力を交流に変換せず、さくらインターネットの石狩データセンターの直流サーバーへ直接給電した。約6年の休止を経て2021年に再稼働し、冷却電力を除く送電ロスは従来の1/10以下と報告されている。

海外ではVEIR社が先行する。同社は2025年1月に7,500万ドルを調達し、出資者にはMicrosoftの気候変動対策ファンドも名を連ねる。2025年11月には、銅ケーブルに比べて設置スペースを約1/20にできる3MW級の低電圧ケーブルシステムを発表し、2026年のデータセンターでの試験運用を経て、2027年の商用化を目指すとしている。

長期運転の実績では鉄道が先を行く。鉄道総合技術研究所とJR東日本、伊豆箱根鉄道は、駿豆線の大仁駅構内に敷設した102mの超電導き電ケーブル（列車に電気を送るケーブル）で、2024年3月から営業列車への給電を続けている。長距離化に向けた接続技術と経済性の改善は今後の課題とされる。

4. 冷やす側の技術｜ネオン・ブライトン冷凍機が選ばれる理由

超電導ケーブルの冷却では、液体窒素を沸点より少し低い65〜70K程度まで冷やした「過冷却」状態で流すことが多い。気泡が出にくく、温度に余裕が生まれる。この温度帯でkW級の冷凍能力を出すのがブライトン冷凍機だ。

ブライトン冷凍機は、冷媒ガスを圧縮し、膨張タービンで膨張させるときの温度低下で冷やす。冷媒は気体のまま循環させるので沸点に縛られず、膨張のエネルギーを回収できるため大出力機ほど有利になる。

冷媒にはネオンが選ばれることが多い。ネオンは沸点が約27Kと低く、65K付近でも凝縮しない。そのうえ分子量が約20とヘリウムより重いため、ターボ圧縮機で高い圧力比を得やすい。国内では大陽日酸（日本酸素ホールディングス傘下）が、65Kで10.2kWの冷凍能力を持つネオン冷凍機を2016年に商品化した。前川製作所も、東京電力の旭変電所（横浜市）で国内初の超電導ケーブル実系統運転を行ったNEDOプロジェクトで、ネオン冷媒のブライトン冷凍機を開発した。海外でも産業ガス大手が同種のターボ・ブライトン冷凍機を手がけている。

5. 開発課題｜高速タービン・凍結回避・保守間隔

ブライトン冷凍機には、機械としての難しさが詰まっている。第一は高速回転だ。ネオンで必要な圧力比を得るには、羽根車を大きくするか回転数を上げるしかない。大陽日酸の10kW機は磁気軸受で軸を浮かせ、毎秒700回転（毎分4万2,000回転）で回す。接触部がないため摩耗せず連続運転に向くが、羽根車にかかる遠心応力が設計上の制約になる。

第二は温度の管理だ。冷やしすぎると、熱交換器の中で液体窒素が凍る（凝固点は約63K）恐れがあるため、冷却ループの構成に工夫が要る。ネオンも約30Kまで下げれば凝縮し、タービン出口で液化すれば異常振動の原因になる。

第三が保守間隔だ。送電設備は止められない。前川製作所は旭変電所の開発で、保守間隔を従来の8,000時間から3万時間に延ばす目標を掲げた。冷却システムの効率を示すCOP（投入電力に対する冷凍能力の比）は0.1前後かそれ以下で、冷凍能力1kWに10〜15kW程度の電力がかかる。超電導で減らした送電ロスを冷却電力が食わないよう、効率を上げる余地はまだ大きい。

6. まとめ｜超電導ケーブルの普及を決めるのは冷やす側の信頼性

超電導ケーブルは、石狩や鉄道の実証で「技術として動く」段階を越えた。データセンターでは、ケーブルを一桁細くできることが、ラックの高密度化に対する直接の解になりうる。

ただし、普及の鍵を握るのはケーブルより冷却かもしれない。止まらないこと、保守の手間が少ないこと、冷却電力が小さいこと。この三つが、超電導を電力インフラへ押し上げる条件になる。送電ロスの削減分を冷却電力が食い尽くさない設計は、どこまで詰められるだろうか。

本コラムは、これまでIBLCが蓄積してきた技術・市場に関する情報をもとに、IBLC専門家チームが独自の視点で整理・考察したものです。

▼【超電導送電・極低温冷凍機に関する調査】

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