Первая гибридная энергетическая магистраль
Российские специалисты создали и успешно испытали первую в мире гибридную энергетическую магистраль. Энергия в ней передается сразу в двух видах: потока жидкого водорода и электричества по сверхпроводящему силовому кабелю.
Создание новых типов линий электропередач – дело весьма актуальное, но не простое. Научный коллектив сотрудников Института нанотехнологий микроэлектроники (ИНМЭ) РАН, Всероссийского научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности (ВНИИКП) и Московского авиационного института предложил совершенно новую идею: кабельная линия энергопередачи, сочетающая сверхпроводник и хладагент, который не только поддерживает сверхпроводящее состояние кабеля, но является энергоносителем. Наконец эта идея доведена до опытного образца, где в качестве хладагента использован жидкий водород. Потери на поддержание низкой температуры в «водорических» (от hydricity = hydrogen+electricity) магистралях для передачи электроэнергии составляют десятые доли процента, а экологичность водородных технологий и подобранный с учетом низкой стоимости сверхпроводящий материал – дополнительные, но также весомые аргументы.
«Водород – один из наиболее эффективных энергоносителей, он имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлива. Но кроме этого водород обладает хорошими охлаждающими свойствами в жидком состоянии, и этот «бесплатный» холод в потоке водорода позволяет использовать сверхпроводящие кабели в криогенных магистралях для дополнительной передачи электричества, что значительно увеличивает плотность потока энергии», – комментирует участник проекта, заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП», доктор технических наук Виталий Высоцкий.
В качестве сверхпроводящего материала в проделанной работе использовались ленты диборида магния MgB2 (производства фирмы Columbus Superconductor, Италия). Этот низкотемпературный сверхпроводник с критической температурой ~39 К был открыт совсем недавно, в 2001 году. Для использования в водородной магистрали он хорошо подходит, в первую очередь потому, что может работать при температуре жидкого водорода, демонстрируя высокие сверхпроводящие свойства. Но, главное, его производство – дело достаточно простое и дешевое. По сравнению с известными высокотемпературными сверхпроводниками его цена в двадцать раз меньше.
Первый практический эксперимент был задуман как проверка идеи использования диборида магния для водородных энергетических магистралей. Важно заметить, что созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель – второй случай применения диборида магния на практике. Пока преимуществами этого материала успели воспользоваться только разработчики магнитов МРТ-сканеров.
Что касается устройства сверхпроводящего кабеля, то его основной токонесущий слой состоит из пяти лент диборида магния спирально уложенных на сердечник пучком медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина – около 10 метров. При этом внутри остаётся изолированный канал диаметром около 12 мм для течения охлаждающего жидкого параводорода (изомер водорода). Также параводород циркулирует и в полости между внешней оболочкой кабеля диаметром 28 мм и внутренней стенкой криостата диаметром 40 мм. В процессе работы были созданы макет гибридной энергетической магистрали (с рабочим давлением до 10 бар) для размещения сверхпроводящего кабеля, собственно сам сверхпроводящий кабель и токовые вводы. Испытания экспериментальной энергетической магистрали проводились на специализированном стенде Испытательного комплекса ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж).
«Необходимый сейчас порядок величины расстояний передачи электроэнергии составляет 3000-5000 км, а требуемая мощность – порядка 10 ГВт, – рассказывает о результатах испытаний Виталий Высоцкий. – В модельной магистрали, которую мы испытали, поток жидкого водорода в 200-220 г в секунду несет около 25 МВт мощности, плюс по сверхпроводящему кабелю идет электрическая мощность, в нашем случае это 50 МВт. Но ее легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент даже в нашей магистрали. В промышленной же магистрали, за счет увеличения тока, напряжения и объема потока водорода (увеличив диаметр трубы), можно пропускать гораздо более мощные потоки энергии».
По словам старшего научного сотрудника лаборатории Сверхпроводимости ФИАН, к.ф.-м.н. Юрия Ельцева, эта работа вызывает целый ряд положительных эмоций. Во-первых, создание гибридной магистрали является, по сути, новым видом практического применения сверхпроводников. Во-вторых, использование токонесущего элемента на основе диборида магния, с момента открытия сверхпроводимости которого прошло всего 10 лет, показывает, что этот материал – весьма перспективный и для других возможных применений в технике. В-третьих, этот пионерский эксперимент был сделан в России, а это значит, что потенциал российской науки не исчерпан, и мы вправе ожидать новых достижений наших ученых.
Возможность создания гибридных транспортных энергетических магистралей давно обсуждается во всем мире. В мае 2011 года в Потсдаме в Institute of advanced sustainability studies под руководством нобелевского лауреата Карло Руббиа состоялся симпозиум, на котором рассматривались возможности передачи потоков энергии порядка 10 ГВт на расстояния в тысячи километров. Был сделан теоретический расчет, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB2. Однако первая экспериментальная работа проведена в России.
На иллюстрациях: 1) экспериментальный макет гибридной энергетической магистрали; 2) экспериментальный образец силового сверхпроводящего кабеля: светлые полоски – сверхпроводник, остальные – слои медных проволок для защиты при коротких замыканиях.
