Table of Contents

Почему сверхпроводники — это будущее передачи энергии

Каждый год электричество на миллиарды долларов исчезает в воздухе. Поскольку ток течет по традиционным линиям электропередачи из меди или алюминия, часть этой энергии преобразуется в тепло из-за электрического сопротивления материала. Для линий электропередачи на большие расстояния эти потери могут достигать 8-10 процентов от общей передаваемой мощности. Только в Соединенных Штатах годовая стоимость потерь линий оценивается в более чем 20 миллиардов долларов. Эти отходы не просто экономический утечка - это также означает больше выбросов углерода, потому что коммунальные службы должны генерировать дополнительную мощность только для покрытия того, что потеряно.

Сверхпроводники предлагают радикальное решение: материалы, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением. При правильном охлаждении сверхпроводящий провод может нести огромные токи без генерации тепла. Последствия для передачи энергии глубоки. Если мы сможем развернуть сверхпроводники в масштабе, мы можем по существу устранить потери передачи, удвоить или утроить пропускную способность существующих коридоров и построить более устойчивую, эффективную электрическую сеть.

В этой статье исследуются научные основы сверхпроводников, их практические преимущества для передачи энергии, существующие препятствия для широкого распространения и захватывающие исследования, которые могут сделать их основной технологией в течение следующего десятилетия. [+]

Что такое сверхпроводники?

Сверхпроводник — это материал, который при охлаждении ниже определенной критической температуры (T]c] теряет все электрическое сопротивление.Это явление впервые было обнаружено в 1911 году голландским физиком Хайке Камерлингом Оннесом, который наблюдал, что сопротивление ртути упало до нуля при охлаждении до 4,2 Кельвина (−269 °C). Ниже этой критической температуры материал входит в отличное квантово-механическое состояние, когда электроны соединяются (пары Купера) и текут без рассеивания примесей или колебаний решетки — нормальная причина сопротивления.

Нулевое сопротивление не является единственным определяющим свойством. Сверхпроводники также проявляют эффект Мейснера: они изгоняют магнитные поля из своего интерьера. Это изгнание означает, что магнит может левитировать над сверхпроводником, поразительная визуальная демонстрация явления. Для передачи энергии нулевое сопротивление является главным преимуществом, но эффект Мейснера также позволяет эффективно хранить магнитную энергию и ограничители тока разлома.

Типы сверхпроводников

Сверхпроводники в целом делятся на две категории в зависимости от их критической температуры:

  • Низкотемпературные сверхпроводники (LTS) — Такие материалы, как ниобий-титан (NbTi) и ниобий-тин (Nb3Sn), которые требуют охлаждения до 4-10 К. Они распространены в машинах МРТ, ускорителях частиц и лабораторном оборудовании. Для передачи энергии стоимость охлаждения делает LTS экономически сложной для длинных линий, хотя они используются в некоторых демонстрационных проектах.
  • Высокотемпературные сверхпроводники (HTS) — Обнаруженные в 1986 году, эти материалы (например, оксид меди иттриевого бария или YBCO) становятся сверхпроводящими при температурах выше 77 К, точке кипения жидкого азота. Жидкий азот намного дешевле и проще в обращении, чем жидкий гелий, резко сокращая расходы на охлаждение. материалы HTS, такие как оксид меди стронция с висмутом (BSCCO) и оксид меди с редкоземельным барием (REBCO), в настоящее время находятся в центре внимания большинства исследований передачи энергии.

Третий класс, железные сверхпроводники, был обнаружен в 2008 году и вызвал интерес из-за их высоких критических полей и необычных механизмов сопряжения, хотя коммерческие приложения остаются далеко.

Почему сверхпроводники имеют значение для передачи энергии

Обычные силовые кабели используют медные или алюминиевые проводники. Даже при лучших конструкциях эти металлы имеют ненулевое сопротивление. Более 500-километровой линии передачи до 10% входной мощности рассеивается в виде тепла. Эта потеря требует от коммунальных служб добавления дополнительной генерирующей мощности, строительства более крупных трансформаторов и установки охлаждающего оборудования на подстанциях. Рост стоимости меди - теперь более 4 долларов за фунт - также повышает бюджеты проекта передачи.

Сверхпроводящие кабели, напротив, имеют нулевое сопротивление постоянного тока. В системах переменного тока (AC) наблюдается небольшая потеря переменного тока из-за гистерезиса и вихревых токов, но она ничтожна по сравнению с резистивными потерями в меди. Для данного поперечного сечения кабеля сверхпроводник может нести в 3-5 раз больше тока, чем медь без перегрева. Это означает возможность переоборудовать существующие подземные каналы или верхние коридоры с большей пропускной способностью без рытья новых траншей или строительства новых башен.

Кроме того, поскольку сверхпроводящие кабели работают при гораздо более низких напряжениях для той же пропускной способности, они могут устранить или уменьшить потребность в громоздких трансформаторах и подстанциях.

Основные преимущества сверхпроводниковой передачи

Устранение резистивных потерь

Наиболее очевидным преимуществом является почти идеальный КПД. Сверхпроводящая линия электропередачи может передавать электроэнергию от ветряной электростанции или солнечной электростанции на сотни километров с минимальными потерями. В мире, стремящемся к чистым нулевым выбросам, эта эффективность напрямую приводит к меньшему потреблению первичной энергии и снижению выбросов парниковых газов.

Более высокая мощность

Сверхпроводящие кабели могут нести плотность тока в 50-100 раз больше, чем медь. Это означает, что существующий подземный канал, который в настоящее время обрабатывает 200 мегаватт, может быть модернизирован для обработки 1000 мегаватт просто путем замены обычных кабелей сверхпроводящими, при условии, что установлена система охлаждения. Это повышение мощности имеет решающее значение в плотных городских районах, где установка новых каналов чрезмерно дорогая.

Компактная инфраструктура

Поскольку сверхпроводящие кабели тоньше и могут быть размещены ближе друг к другу без тепловых помех, они занимают меньше места. Для подводных силовых линий, таких как те, которые соединяют морские ветровые платформы с берегом, более тонкий кабель снижает затраты на прокладку кораблей и воздействие на окружающую среду.

Улучшенная стабильность сетки

Сверхпроводящие ограничители тока неисправности (SFCL) могут мгновенно ограничивать ток перенапряжения, возникающий во время короткого замыкания. В отличие от обычных выключателей, открывающихся после нескольких циклов переменного тока, SFCL действуют в течение миллисекунд, защищая трансформаторы и предотвращая каскадные отключения. При интеграции в линии передачи они повышают общую надежность системы.

Экологические и безопасные преимущества

Сверхпроводящие кабели не генерируют внешнего магнитного поля за пределами собственного удержания, и они не нагревают окружающую почву или не излучают электромагнитных помех. Кроме того, поскольку они работают при более низких напряжениях, риск поражения электрическим током снижается. Жидкий азот негорючий и нетоксичный, что делает систему охлаждения более безопасной, чем кабельные системы, заполненные маслом.

Real-World и пилотные проекты

Сверхпроводящая передача энергии не является чисто теоретической. Многочисленные демонстрационные проекты доказали эту технологию в масштабе.

  • LIPA-1 (Long Island, New York) — 600-метровый 138-кВ кабель HTS был установлен и успешно эксплуатировался в течение нескольких лет, неся до 574 мегаватт. Этот проект, финансируемый Министерством энергетики США, подтвердил надежность кабелей HTS в реальной сетевой среде.
  • AmpaCity (Эссен, Германия) — 1-километровая сверхпроводящая кабельная система заменила обычную линию 110 кВ в центре города, освободив пространство и сократив потери. Система работает с 2014 года.
  • Шанхай (Китай) — Кабель HTS длиной 1,2 км и 35 кВ был подключен к сети Шанхая в 2021 году, обеспечивая электроэнергией жилых и коммерческих пользователей. Китайские коммунальные службы также развернули сверхпроводящие ограничители тока разломов на нескольких подстанциях.
  • JT-60SA (Япония) — В рамках этого проекта, который был сфокусирован на исследованиях термоядерного синтеза, используются сверхпроводящие магниты, демонстрирующие надежность базовой технологии в сложных промышленных условиях.

Эти проекты показывают, что сверхпроводящие кабели могут быть изготовлены, установлены и эксплуатироваться в реальных условиях сетки. Основными остающимися барьерами являются стоимость и необходимость надежного многолетнего плана обслуживания криогенных систем охлаждения.

Проблемы, которые остаются

Затраты на охлаждение и сложность

Даже при высокотемпературных сверхпроводниках, охлаждаемых жидким азотом, криогенная система добавляет капитальные и эксплуатационные расходы. Для длинной линии электропередачи криоохладители должны размещаться каждые 1-5 километров для поддержания температуры. Энергия, потребляемая этими охладителями, компенсирует некоторые из приростов эффективности передачи. Однако, когда линия сильно загружена (что характерно для передачи), чистая экономия по-прежнему положительна. Продолжающиеся улучшения эффективности и надежности криоохладителя неуклонно снижают эти накладные расходы.

Стоимость материалов и производство

Провода HTS производятся с использованием сложных тонкопленочных или порошковых трубчатых процессов. Текущее производство ограничено, сохраняя высокую цену - часто от 50 до 200 долларов за килоампер-метр по сравнению с 1 до 5 долларов за медь. По мере увеличения спроса и увеличения масштабов производства ожидается снижение затрат. Несколько компаний, включая SuperPower, AMSC и Fujikura, расширили свои мощности по производству проводов HTS в последние годы.

Хрупкость и механические проблемы

Многие керамические изделия HTS хрупкие и могут трескаться при чрезмерном изгибе или натяжении. Это делает обработку и установку кабеля более деликатной, чем обычные кабели. Разработаны передовые конструкции кабеля (например, кабель «CORC» - проводник на круглом ядре), чтобы придать сверхпроводникам большую гибкость при сохранении высокой пропускной способности тока.

Убытки переменного тока

В то время как сверхпроводящие кабели постоянного тока имеют практически нулевые потери, системы переменного тока производят крошечные потери из-за магнитного гистерезиса. Эти потери обычно составляют 0,1-10% передаваемой мощности, что все еще намного меньше, чем у меди 5-10%, но ими необходимо управлять. Многоволоконные провода и витые нити помогают минимизировать потери переменного тока.

Последние исследования и прорывы

Комнатные сверхпроводники?

Священный Грааль исследований сверхпроводников — это материал, который работает при комнатной температуре и давлении окружающей среды. В 2023 году команда из Рочестерского университета утверждала, что наблюдала сверхпроводимость в легированном азотом лютециевом гидриде при 20 °C, но результат не был независимо воспроизведен и остается спорным. Другие материалы, такие как сероводород (H3S), становятся сверхпроводящими при −70 °C, но требуют экстремального давления. Несмотря на неудачи, гонка за сверхпроводником комнатной температуры продолжается, и любой успех радикально ускорит принятие в электросетях.

Достижения в производительности HTS Wire

Современные ленты REBCO (покрытые проводники) теперь достигают критических токов выше 1000 А на ширину в 77 К. Исследователи подтолкнули это к более чем 2000 А, улучшив центры зажима - дефекты, которые блокируют линии магнитного потока на месте. Зажим потока имеет решающее значение, потому что он позволяет сверхпроводнику нести высокие токи даже в присутствии сильных магнитных полей. Более высокие силы зажима означают, что проводник может работать при более высоких температурах или с более тонкими краями охлаждения.

Сверхпроводящие силовые трансформаторы

Трансформаторы, построенные с обмотки HTS, меньше, легче и эффективнее обычных трансформаторов. Трансформатор HTS 10-MVA составляет около половины веса и объема его медного аналога. Несколько прототипов были протестированы в Японии и Европе. Широкое развертывание может уменьшить следы подстанций и уменьшить потери ядра.

Суперпроводящие ограничители тока по умолчанию

SFCL теперь коммерчески доступны для сетей среднего напряжения. Они могут обрабатывать токи разлома 50 кА или более, ограничивая их безопасным уровнем в миллисекундах. Поскольку коммунальные службы сталкиваются с увеличением токов разлома из-за распределенной генерации и интеграции возобновляемых источников энергии, SFCL предлагают экономически эффективное решение, которое не требует восстановления подстанций с более высокими показателями выключателей.

Будущие перспективы и интеграция сетей

Глобальная электросеть претерпевает наиболее значительные преобразования с 20-го века. Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, часто расположены далеко от населенных пунктов, требуя длинных линий электропередачи. В то же время спрос на электроэнергию растет из-за электромобилей, тепловых насосов и цифровой инфраструктуры. Сверхпроводники уникально расположены для решения этих проблем.

В нескольких странах есть национальные дорожные карты для развертывания сверхпроводников. Южная Корея, например, стремится заменить 30% своей высоковольтной передачи сверхпроводящими кабелями к 2030 году. Государственная сетевая корпорация Китая построила 10-километровый сверхпроводящий кабель в Шанхае, который начал работу в 2023 году. Проект Европейского союза FASTGRID разрабатывает кабели HTS следующего поколения, которые дешевле и надежнее.

Особенно многообещающим является применение в городских районах, где подземные кабельные коридоры уже заполнены. Вместо того, чтобы копать дорогие новые туннели, коммунальные службы могут вытаскивать старые медные кабели и устанавливать сверхпроводящие в тех же каналах, увеличивая пропускную способность в 3-5 раз. Такие города, как Нью-Йорк, Лондон, Токио и Франкфурт, серьезно изучают этот подход.

Еще одна граница - это подключение оффшорных возобновляемых источников энергии. Крупнейшие в мире морские ветропарки расположены в 100-200 км от берега. Используя обычные кабели HVAC, потери передачи на этих расстояниях значительны, требующие дорогостоящих компенсационных станций. Высоковольтный постоянный ток (HVDC) уже используется, но HVDC со сверхпроводящими кабелями может еще больше повысить эффективность и уменьшить размер морских платформ. Подводные сверхпроводящие кабели были испытаны в Японии и Норвегии с многообещающими результатами.

Заключение

Суперпроводники представляют собой фундаментальный сдвиг в том, как мы можем поставлять электроэнергию. Устраняя резистивные потери, они обещают сделать сеть не только более эффективной, но и более надежной и экологически чистой. Основные препятствия остаются - в первую очередь стоимость охлаждения и цена провода HTS - но устойчивый прогресс в материаловедении и производстве снижает эти затраты. Пилотные проекты по всему миру доказали, что сверхпроводящие кабели работают в реальных условиях. В следующем десятилетии, вероятно, появятся первые коммерчески жизнеспособные крупномасштабные установки, первоначально в городских районах высокой плотности и для стратегических возобновляемых соединений.

Пока мир гонится за декарбонизацией, сверхпроводящая передача энергии предлагает мощный инструмент для раскрытия полного потенциала чистой энергии. Провод с нулевым сопротивлением больше не является лабораторным любопытством; это новая технология инфраструктуры, которая может изменить наш энергетический ландшафт.

Читать далее: