Явление сверхпроводимости, то есть свойство некоторых материалов приобретать при сверхнизких температурах нулевое электрическое сопротивление, было открыто почти сто лет назад. Но понадобилось много десятилетий, чтобы этот эффект смог стать основой начинающейся революции в электроэнергетике. Работы по созданию сверхпроводящих линий электропередач ведутся и в России.
Сверхпроводящие линии передач: как это сделано в России

Современные линии электропередач обладают хорошим КПД (порядка 97−98%), но потери в виде 2−3% все же отнимают определенное количество сгенерированной энергии. Часть ее уходит на «корону», часть теряется из-за эффекта перемагничивания в проводах или в трансформаторах. Шансом снизить потери казался эффект сверхпроводимости, но для поддержания проводника при сверхнизкой температуре в 23? K требовался гелий — вещество с очень низкой точкой кипения (4,215 K, или -268,94°С). Хладагент с более высокой, чем 27? К, точкой кипения невозможно было бы удерживать в жидком агрегатном состоянии. Однако гелий дорог, а криогенное оборудование, охлаждавшее газ до температур, близких к абсолютному нулю, не только дорого, но и слишком энергозатратно. Было очевидно, что экономически оправданную промышленную технологию в этих условиях не создать.

Пришествие азота

Однако в конце 1986 года исследователями корпорации IBM швейцарцем Карлом Мюллером и немцем Георгом Беднорцем был открыт эффект высокотемпературной сверхпроводимости, возникающий при 35? K в композитном керамическом материале под названием барий-лантан-медный оксид. «Высокая температура» там была весьма относительна, ведь 35? К — это -238°С. Однако труд Мюллера и Беднорца, отмеченный Нобелевской премией, задал научное направление, в рамках которого создавались проводники, где наблюдалась сверхпроводимость при все более и более высоких температурах. В какой-то момент количество перешло в качество, и для охлаждения проводника стало возможным использовать хладагент в виде жидкого азота с температурой кипения 77,4 К. Это уже было совсем другое дело! Для поддержания азота в жидкой фазе требовалось куда меньше энергии, а сам азот намного дешевле гелия, благо это главный компонент земной атмосферы. С этого момента в разных странах мира начались практические работы по созданию линий электропередач и электротехнических объектов на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Явление сверхпроводимости имеет практическое применение не только в энергетике. Оно играет важную роль в конструкции Большого адронного коллайдера, где для удержания протонных пучков используются 1634 сверхпроводящих магнита. Они работают при температуре 1,9 K. Космическая стужа!

Меньше напряжения!

Передаваемая по проводам мощность есть произведение силы тока на напряжение. То есть если повысить ток, ту же мощность можно передать с меньшим напряжением, и наоборот. Энергетики, передавая электроэнергию на большие расстояния, вынуждены идти по второму пути, то есть поднимать напряжение до сотен киловольт (кВ). Дело в том, что при заданном сопротивлении рост силы тока ведет к большим потерям мощности. Но если сопротивление исключить, то появляется возможность повысить плотность тока в сечении проводника (например, с 8 А на 1 мм2 до 250−700 А), а напряжение в ЛЭП понизить (например, с 750 до 20 кВ). А в чем польза снижения напряжения?

Дело в том, что генераторное напряжение ТЭЦ или АЭС имеет значения порядка 15−20 кВ. Для передачи мощности через воздушные или подземные линии необходимо повысить напряжение, скажем, до 750 кВ. Поэтому, прежде чем электроэнергия дойдет до нашей розетки (где, как мы помним, всего 220 В), ей предстоит преодолеть целый каскад понижающих подстанций, причем в начале этого каскада подстанции колоссального размера со сложным и дорогостоящим электротехническим оборудованием. Если же заменить ЛЭП, идущую от электростанции к мегаполису, сверхпроводящей линией, то ту же мощность можно передавать с генераторным напряжением — на 15 кВ, что значительно уменьшило бы количество понижающих ступеней на пути к потребителю и сделало бы ненужными гигантские трансформаторы. Но где же они, сверхпроводящие ЛЭП, соединяющие, например, Москву с Калининской АЭС? К сожалению, об этом пока можно только мечтать. Чтобы понять почему, стоит бросить взгляд на конструкцию линии электропередач на основе ВТСП.

Насколько хватит холодильника

ВТСП-кабель выглядит как труба сечением примерно 300 мм. Вдоль ее оси проложен формер — медный металлический каркас, по всей его длине наматывается ВТСП-лента (металлическая полоска с напылением оксидов), которая является проводником. На ленту накладывается специальная, выравнивающая электрическое поле бумага, потом еще каркасная медная лента для создания проводящего канала, в котором мог бы циркулировать жидкий азот. Вокруг — несколько слоев изоляции. Вся эта конструкция помещается в криостат — металлическую оболочку, куда закачивается хладагент. Кабель подсоединяется к стоящему на питающей станции криорефрижератору, или попросту холодильнику. Максимальная эффективная длина кабеля, обслуживаемая одной криомашиной, — всего 3,5 км. Если нужно передать мощность на большее расстояние, потребуются подпитывающие пункты, то есть дополнительные мощности криообеспечения. Нетрудно догадаться, что подобная система довольно дорога и к тому же энергозатратна. Все-таки 77 K — это -196°С, и для поддержания такого глубокого холода требуется работа мощных компрессоров, а КПД холодильных машин невысок. Схема ВТСП-кабеля Схема ВТСП-кабеля

Объединение подруг

Поэтому на сегодня все действующие в мире ВТСП-линии электропередач имеют очень малую протяженность, как правило, порядка нескольких сотен метров, и обладают ограниченной сферой применения. В основном это доставка мощности городскому потребителю с близстоящих электростанций и объединение энергосистем. С объединением энергосистем связаны первые опыты промышленного применения ВТСП-линий, например, в Дании. В настоящее время существует североамериканский проект Tres Amigas («Три подруги»), предусматривающий объединение энергосистем Канады, США и Мексики с помощью ВТСП-линий с номинальным рабочим напряжением 200 кВ, по которым будет передаваться 5 ГВт мощности. При использовании обычных технологий понадобились бы две линии постоянного тока напряжением 1600 кВ. Проект, правда, находится на стадии дополнительного технико-экономического обоснования, но все «железо» для Tres Amigas уже произведено и проходит ресурсные испытания.

Что касается передачи мощности от генерации к потребителю, то несколько ВТСП-линий уже действуют в США, Германии, Южной Корее, Японии. Например, в городе Олбани усилиями американских и японских специалистов создана линия, рассчитанная на напряжение 34,5 кВ при рабочем токе 800 А. При этом длина кабеля — всего 350 м.

Замкнуть кольцо

В России действующих ВТСП-линий пока нет, но работы в этой сфере ведутся. Как рассказали «ПМ» в компании «Россети», для которой развитие ВТСП-технологий — одно из направлений инновационного развития, в стране уже существуют опытные образцы, проходящие испытания под нагрузкой. Первый образец — 200-метровый кабель на 20 кВ переменного тока, который планируется установить на московской подстанции «Динамо». Другой — длиной 2,5 км, рассчитанный на напряжение 20 кВ уже переменного тока 2500 А — предназначен для соединения малого энергокольца Санкт-Петербурга. Сейчас объекты кольца работают в раздельном режиме и получают одностороннее питание. Но если их соединить с помощью ВТСП-линий, надежность энергосистемы повысится.

В деле развития ВТСП-технологий существует два основных направления. Первое — это совершенствование криогенной техники. Если повысить ее КПД с 45% до хотя бы 65−70%, можно значительно снизить энергозатраты на охлаждение азота. Работами в этом направлении в России занимается МАИ. В Курчатовском же институте совместно с японскими специалистами работают над созданием промышленных технологий на основе проводников, которые могли бы достигать сверхпроводимости в условиях более высоких температур, например 115? К. Именно повышение температуры сверхпроводимости, как считают в компании «Россети», и есть то магистральное направление науки, которое приведет к более широкому применению ВТСП-техники и сделает эти технологии более экономичными и доступными.

На сегодняшний день официально подтверждено, что самым высокотемпературным проводником является сероводород (203 К, -70°С). Но пока ВТСП-эффект проявляется лишь при огромном давлении в лабораторных условиях. Имеются также неофициальные сообщения об исследованиях в области ВТСП при комнатной температуре, но пока непонятно, соответствуют ли они действительности.

Смена эпох Со времен активного внедрения электричества в экономику и повседневную жизнь накопилось немало проблем.

Металлический провод Использование металлических проводников и устаревшая структура сетей приводят к потерям энергии.

«Умная» сеть Постепенно в мире начинается переход к «умным» сетям, которые управляются с помощью информационных технологий.

Новое поколение Особую роль в работе «умных» сетей будущего наверняка сыграют более совершенные, чем сейчас, ВТСП-технологии.

Статья «Холодное электричество» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2016).