מדוע המוליכים הם עתיד של העברת כוח

בכל שנה, מיליארדי דולרים בשווי חשמל נעלמים לאוויר דק.כפי שזורם דרך קווי שידור מסורתיים עשויים נחושת או אלומיניום, חלק מהאנרגיה הזו מתמיר חום בשל התנגדות חשמלית של החומר.עבור קווי חשמל למרחקים ארוכים, הפסדים אלה יכולים להגיע 8 עד 10 אחוזים מכלל האנרגיה המועברת על ידי ארה"ב לבדה, העלות השנתית של הפסדי קו מוערך ביותר מ-20 מיליארד דולר.

Superconductors מציעים פתרון רדיקלי: חומרים שמוליכים חשמל עם אפס התנגדות.כאשר מגניבים כראוי, חוט סופר-מוליכים יכול לשאת זרמים עצומים ללא יצירת חום.ההשלכות של העברת חשמל הן עמוקות.אם אנחנו יכולים לפרוס מוליכים על בקנה מידה, אנחנו יכולים למעשה לחסל את אובדן השידור, כפול או משולש את היכולת של מסדרונות קיימים, ולבנות רשת חשמל יעילה יותר.

מאמר זה חוקר את המדע מאחורי המוליכים העל, את היתרונות המעשיים שלהם להעברת חשמל, את המכשולים הנוכחיים לאימוץ נרחב, ואת המחקר המרגש שיכול להפוך אותם לטכנולוגיה מרכזית בעשור הבא.

מה הם Superconductors?

סופר-מוליכים הוא חומר שכאשר קר מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת (TearFLT:0ccioFLT:1), מאבד את כל ההתנגדות החשמלית.תופעה זו התגלה לראשונה בשנת 1911 על ידי הפיזיקאי ההולנדי Heike Kamerlingh Onnes, אשר צפה כי ההתנגדות של כספית ירד לאפס כאשר קרירה ל-4.2 ליטר (269 מעלות צלזיוס).

התנגדות אפס היא לא הנכס המגדיר היחיד.סופרבולים גם להציג את אפקט Meissner: הם לגרש שדות מגנטיים מהפנים שלהם. הגירוש הזה פירושו מגנטי יכול להטיס מעל סופר-מוליכים, הפגנה חזותית בולטת של התופעה.עבור שידור כוח, אפס התנגדות היא היתרון, אבל אפקט Meissner מאפשר גם אחסון אנרגיה מגנטי יעילה ומגרעות נוכחיות.

סוגים של Superconductors

המוליכים הם מחולקים באופן רחב לשתי קטגוריות בהתבסס על הטמפרטורה הקריטית שלהם:

  • (FLT:0)Low-temperature Superconductors (LTSIRLT:1) חומרים כמו niobium-titanium (NbTi) ו niobium-tin (Nb3Sn) הדורשים קירור ל- 4-10 K. הם נפוצים במכונות MRI, מאיצים חלקיקים וציוד מעבדה.
  • (FLT:0) מוליכים סופר-טמפרטורה גבוהה (HTSentisFLT) 1 - התגלה ב-1986, חומרים אלה (למשל, ytrium barium נחושת oxide, או YBCO) הופכים לסופר-מוליכים בטמפרטורות מעל 77 K, נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי הוא הרבה יותר זול וקל יותר לטפל מאשר helium, להפחית באופן דרמטי את צריכת חומרים של פחמן BROM (Ric) כמו חומרים נחושת נדיר של פחמן (Ric) כמו חומרים נחושת (Ricial)

מעמד שלישי, סופר-מוליכים ברזל, התגלה בשנת 2008 ויצר עניין בשל שדות קריטיים גבוהים ומנגנוני הזיעה הבלתי שגרתיים שלהם, אם כי יישומים מסחריים נותרו רחוק יותר.

מדוע משתמשים חשובים לעוצמה

כבלי חשמל לאונאליים משתמשים במוליכים נחושת או אלומיניום.גם עם העיצובים הטובים ביותר, מתכות אלה יש התנגדות לא אפסית.על קו שידור של 500 ק"מ, עד 10% מכוח הקלט הוא מתמוסס כמו חום.הפסד דורש שימושים כדי להוסיף יכולת דור נוסף, לבנות מתמירים גדולים יותר, ולהתקין ציוד קירור בתת היקף.

לעומת זאת, יש כבלים מורכבים, לעומת זאת, יש אפס התנגדות DC. in Changening הנוכחית (AC) מערכות, יש הפסד AC קטן בשל ההיסטריה וזרמים eddy, אבל זה בלתי אפשרי בהשוואה להפסדים מנוגדים בחושבה.עבור סעיף עיגול כבל מסוים, סופר-מוליכים יכול לשאת 3 עד 5 פעמים יותר מאשר נחושת ללא חימום יתר.

יתר על כן, כי כבלים על מוליכים פועלים במתחים נמוכים בהרבה עבור אותו כוח באמצעות לוח, הם יכולים לחסל או להפחית את הצורך של משתנים ו substations מסיבי.התוצאה היא תשתית קומפקטית יותר, יעילה, ופוטנציאל נמוכה יותר עלות בטווח הארוך.

יתרונות מרכזיים של superconductor- Based Transmission

ביטול אובדן אחריות

היתרון הברורה ביותר הוא יעילות כמעט מושלמת. קו כוח סופר-מוליכים יכול לשדר חשמל מחובת רוח או צמח סולארי מאות קילומטרים עם הפסדים רק דקה.בעולם השואף לפליטות אפס נטו, יעילות זו מתורגמת ישירות לצריכה אנרגיה ראשונית פחות ופליטות גזי חממה נמוכות יותר.

יכולת גבוהה יותר

כבלים מוליכים על-ידי שימוש יכול לשאת את המשקעים הנוכחיים 50 עד 100 פעמים גדול יותר מאשר נחושת.זה אומר שבנק טיהור תת-קרקעי קיים אשר מטפל כיום 200 מגה-וואט ניתן לשדרג כדי להתמודד עם 1,000 מגה-וואט פשוט על ידי החלפת הכבלים הקונבנציונאליים עם אלה על-מוליכים-על, בהנחה שמערכת הקירור מותקנת היא קריטית באזורים עירוניים צפופים שבהם התקנת קונדומים חדשים היא יקרת.

תשתיות קומפקטיות

מכיוון שכבלים מורכבים הם דקים יותר ויכולים להיות קרובים יותר יחד ללא התערבות תרמית, הם לוקחים פחות מקום.עבור קישורי כוח צוללות - כמו אלה המחברים פלטפורמות רוח מהחוף - כבל דק יותר מקטין את עלויות ההנעה והשפעת הסביבה.

שיפור יכולת הרשת

מוליכים את המגבלות הנוכחיות (SFCLs) יכול להגביל באופן מיידי את הזרם הגמג המתרחש במהלך מעגל קצר.בניגוד לפורצים קונבנציונליים שנפתחים לאחר מספר מחזורי AC, SFCLs לפעול בתוך מילימטרים, הגנה על ההופכים ולמנוע סדקים קלסרים.כאשר משולבים לתוך קווי שידור, הם לשפר את האמינות המערכת הכוללת.

יתרונות סביבתיים ובטיחות

כבלים מוליכים על-ידי מוליכים לא מייצרים שדה מגנטי חיצוני מעבר לכילה שלהם, והם אינם מחממים את הקרקע הסובבת או פולטים התערבות אלקטרומגנטית.בנוסף, כי הם פועלים במתחים נמוכים יותר, הסיכון לזעזוע חשמלי מופחת.

פרויקטים אמיתיים ופיילוט

העברת כוח על ידי Superconducting אינה תיאורטית בלבד.פרויקטים רבים הוכיחו את הטכנולוגיה בקנה מידה.

  • (FLT:0LIPA-1 (Long Island, ניו יורק) אנדרטל 1) - A 600 מטר, 138-kV HTS כבל הותקנו ונפעלו בהצלחה במשך מספר שנים, תוך שימוש עד 574 מגהוואט. פרויקט זה, במימון משרד האנרגיה האמריקאי, אישר את האמינות כבלי HTS בסביבה אמיתית.
  • (FLT:0)AmpaCity (Essen, גרמניה) אנדרל 1 ק"מ מערכת כבלים המוליכים על פני 1 ק"מ החליפה קו 110-kV קונבנציונלי במרכז העיר, שחרור המרחב והפחתת ההפסדים.
  • (FLT:0)Shanghai (סין)FLT:1 - A 1.2 ק"מ, 35-kV HTS כבל היה מחובר לרשת שנחאי בשנת 2021, ומספק כוח למשתמשי מגורים ומסחריים.
  • (FLT:0)JT-60SA (יפן)FIRLT:1), בעוד מתמקד במחקר היתוך, הפרויקט הזה משתמש במגנטים על-מוליכים-על שמדגים את האמינות של הטכנולוגיה הליבה בתנאים תעשייתיים תובעניים.

פרויקטים אלה מראים כי כבלים על-מוליכים ניתן לייצר, מותקנים, מופעלים בתנאי רשת אמיתיים.החסמים העיקריים הנותרים עולים והצורך בתכנית תחזוקה רב-קולרית אמינה עבור מערכות קירור Cryogenic.

אתגרים שנשארו

עלויות קירור ומורכבות

גם עם מוליכים סופר-מדומים בעלי מזג אוויר גבוה קרירים על ידי חנקן נוזלי, המערכת ה Cryogenic מוסיפה הון והוצאות הפעלה.עבור קו שידור ארוך, מזמורים צריכים להיות ממוקמים כל 1 עד 5 קילומטרים כדי לשמור על הטמפרטורה.האנרגיה הנצרכים על ידי הקרירים האלה משקעים כמה מהתייעלות השידור.עם זאת, כאשר הקו הוא טעון במידה רבה (אשר אופייני לשידור), החיסכון נטו עדיין חיובי על ידי שיפורים באמינות זו הם איטי יותר.

עלויות ייצור ועלויות חומריות

חוטי HTS מיוצרים באמצעות תהליכים מורכבים של פילם דק או אבקת-ב-ב-ב-tube.הייצור הנוכחי מוגבל, שמירה על המחיר גבוה - לעתים קרובות 50 $ ל- קילו-מטר בהשוואה ל-$$$ ל-5 דולר עבור נחושת.כפי שביקוש עולה וקנה מידה הייצור, עלויות צפויים ליפול.מספר חברות, כולל SuperPower, AMSC, ו- פוג'יקורה, הרחיבו את יכולת הייצור של HTS שלהם בשנים האחרונות.

בעיות פיראטיות ומכניות

קרמיקה HTS רבים הם מתפתלים ויכולים לפצח אם הם סובלים ממתח או מתח מופרזים.זה הופך את הטיפול בכבלים והתקנה יותר עדין מאשר כבלים קונבנציונליים. עיצובים מתקדמים (למשל, כבל "CORC" - התנהגות על Round Core) פותחה לתת למוליכים על-על גמישות רבה יותר תוך שמירה על יכולת נוכחית גבוהה.

אובדן AC ב-Alternating Current

בעוד שכבלי המוליכים על-ידי DC כמעט אפס הפסד, מערכות AC מייצרות הפסדים זעירים בשל היסטריה מגנטית.הפסדים אלה הם בדרך כלל 0.1 עד 1% של כוח המועבר, אשר עדיין פחות מ-5 עד 10% של נחושת, אבל הם חייבים להיות מנוהלים.

מחקר ופרק דרך

חדר-המתחרים?

הגביע הקדוש של מחקר על-מוליכים הוא חומר שעובד בטמפרטורת החדר ולחץ הסביבה.ב-2023, צוות באוניברסיטת רוצ'סטר טען כי צפה מוליכות על-מוליכים בחנקן הלוטיומ hydrtium hydride ב-20 מעלות צלזיוס, אך התוצאה לא שוכפלה באופן עצמאי והייתה שנויה במחלוקת.

התקדמות בביצוע HTS Wire

קלטות REBCO מודרניות (מוליכים ממוחזרים) עכשיו להשיג זרמים קריטיים מעל 1,000 רוחב של סנטימטר ב 77 K. חוקרים דחפו את זה ליותר מ-2,000 A על ידי שיפור מרכזי סיכה - מגנים המנעולים קווים מגנטיים במקום. Flux pinning הוא קריטי כי זה מאפשר למוליכים העל לשאת זרמים גבוהים אפילו בנוכחות שדות מגנטיים חזקים.

עקבו אחרי Power Transformers

Transformers שנבנו עם HTS משב רוח הם קטנים יותר, קלים ויעילים יותר מאשר ההופכים הקונבנציונליים. A 10-MVA HTS הופך הוא בערך חצי משקל ונפח של עמית נחושת שלה. כמה אבטיפוס נבדק ביפן ובאירופה. פריסת הרחבה עשויה לכווץ את טביעות הרגל תת-קרקעית ולהקטין את ההפסדים הליבה.

עקבו אחרי Fault Current Limiters

SFCLs זמינים כעת מסחרית עבור רשתות בינוניות-התעסוקה. הם יכולים להתמודד עם זרמי אשמה של 50 kA או יותר, הגבלתם לרמה בטוחה במילי השניות.כפי ששימושים עומדים בפני זרמי אשמה גוברים בשל הדור המופץ ושילוב אנרגיה מתחדשת, SF מציעים פתרון יעיל עלות שאינו דורש שחזור תת-מערכת עם פריצות גבוהות יותר.

אפשרויות לעתיד ושילוב גריידי

רשת החשמל העולמית עוברת את הטרנספורמציה המשמעותית ביותר שלה מאז המאה ה-20.החידושים כמו רוח השמש ממוקמים לעתים קרובות רחוק ממרכזי אוכלוסייה, הדורשים קווי שידור ארוכים.באותו זמן, הביקוש לחשמל עולה עקב כלי רכב חשמליים, משאבות חום, תשתיות דיגיטליות.

במדינות מסוימות יש מפת דרכים לאומית לפריסת העל-התנהגות בדרום קוריאה, למשל, שואפת להחליף 30% מהתמסורת הגבוהה שלה עם כבלים על-מוליכים עד 2030.תאגיד של סין גרד הקים כבל של 10 ק"מ במשנחאי שהחל לפעול ב-2023.הפרויקט של האיחוד האירופי FASTGRID מתפתח הבא הדור הבא של כבלי HTS שהם זולים יותר וחזקים יותר.

יישום מבטיח במיוחד הוא באזורים מטרופוליניים שבו מסדרונות כבלים תת-קרקעיים כבר מלאים. במקום לחפור מנהרות חדשות יקרות, כלי רכב יכולים למשוך כבלים נחושת ישנים ולהתקין אלה על-מוליכים על באותו מישורים, עלייה של 3 עד 5 מעלות יכולת. ערים כמו ניו יורק, לונדון, טוקיו ופרנקפורט לומדים גישה זו ברצינות.

גבול נוסף מחבר אנרגיה מתחדשת בחו"ל.חוות הרוח היבשות הגדולות בעולם ממוקמות 100-200 ק"מ מהחוף.שימוש בכבלי HVAC קונבנציונליים, אובדן השידור במרחקים אלה הם משמעותיים, הדורשים תחנות פיצוי יקרות. High-voltage ישירות הנוכחי (HVDC) כבר בשימוש, אבל HVDC עם כבלים על-מוליכים יכול לשפר את היעילות ולצמצם את גודלן של פלטפורמות בחו"ל.

מסקנה

המוליכים מייצגים שינוי יסודי באופן שבו אנו יכולים לספק חשמל.על ידי חיסול הפסדים מנוגדים, הם מבטיחים להפוך את הרשת לא רק יעילה יותר, אלא גם אמין וידידותי לסביבה יותר.המכשולים העיקריים נשארים - בעיקר עלות קירור ומחיר חוט HTS - אבל התקדמות קבועה בחומרים מדעיים וייצור היא להביא את העלויות האלה למטה.

כמו העולם גזעים כדי להדהיר, העברת כוח על-ידי מוליכים מציע כלי רב עוצמה כדי לפתוח את מלוא הפוטנציאל של אנרגיה נקייה. חוט אפס-התנגדות הוא כבר לא סקרנות מעבדה; זוהי טכנולוגיה תשתית מתפתחת שיכולה לעצב מחדש את הנוף האנרגיה שלנו.

שם מקור:0.10.10.10.10

  • (ב) כרך ראשון (ב[[1924]]: [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]
  • משרד האנרגיה האמריקאי: ניהול כוח כבלים 1:1 - ניתוח של תרחישי פריסה ותחזיות עלות.
  • ועדת אלקטרו-טכנית הבינלאומית (IEC): מוליכות וכוח עתידי TransmissionFLT:1 - סיכום לא-טכני של סטנדרטים וסיכויים.
  • (הטבע:0) התקדמות בכבלים בעלי חלוף זמן גבוה (2021)FreaLT:1 - סקירה מדעית של ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית חוט.