Основной причиной, вызывающей потери мощности при передаче электроэнергии, является сопротивление проводов. В существующих сейчас линиях оно отлично от нуля. Но можно добиться нулевого сопротивления, если охладить провод ниже определенной температуры, которая зависит от конкретного материала. Это явление называется сверхпроводимостью. Кабели, использующие подобный эффект, могут значительно сократить потери энергии при передаче.
Наличие электрического сопротивления у проводящих жил кабеля проявляется в снижении напряжения на выходе линии относительно ее входа. Оно даже при соблюдении всех норм может достигать 6 %. Если предположить, что к линии подключена пассивная нагрузка и ее мощность пропорциональна квадрату напряжения, предельное значение потерь по мощности из-за сопротивления проводящих жил достигает 12 %. И это еще в случае, когда используется новый кабель, проложенный с точным соблюдением правил. В реальной жизни потери мощности при передаче могут быть и того больше. Естественно, в кабеле есть и другие потери, связанные с конечным сопротивлением изоляции. При передаче на переменном токе к ним прибавляются еще емкостные и индуктивные. Но потери от указанных факторов более чем вдвое меньше, чем потери из-за сопротивления токопроводящих жил.
Эффект сверхпроводимости
Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 г. Ученый охладил ртуть в жидком гелии до 3 K (-270 °C, далее мы будем придерживаться принятой у специалистов по сверхпроводимости шкалы температур по Кельвину), предполагая, что движение атомов в ней остановится и материал станет в итоге диэлектриком. Но вместо этого обнаружилось, что сопротивление упало до нуля. Далее измерения показали, что сопротивление ртути скачкообразно меняется до нуля при температуре 4,15 K — сейчас мы называем такой параметр точкой перехода в сверхпроводящее состояние. Годом спустя сверхпроводимость при охлаждении жидким гелием была обнаружена у свинца и олова.
Теория, объясняющая причины возникновения сверхпроводимости, была создана только в 30-50-х годах XX века. Большой вклад в ее создание внесли советские физики Виталий Гинзбург, Лев Ландау, Алексей Абрикосов и ряд других.
Практическое применение эффекта сверхпроводимости долгое время сдерживалось необходимостью охлаждать материал в дорогостоящем жидком гелии, который к тому же сложен в обращении. Известные до 80-х годов сверхпроводники имели точку перехода ниже или примерно равную температуре кипения жидкого гелия, равной 4,2 K.
Ситуация принципиально изменилась в середине 80-х годов, когда были получены сверхпроводники с точкой перехода выше 77,4 K — температурой кипения азота. Самым известным из них является YBCO (оксид иттрия-бария-меди), имеющий точку перехода 93 K. Сверхпроводимость данной керамики была обнаружена одновременно независимо двумя группами исследователей в Университете Британской Колумбии (Канада) и ФИАН им. П. Н. Лебедева (СССР). Позже были созданы и другие виды сверхпроводящей керамики.
Следует отметить, что жидкий азот является дешевым и весьма распространенным веществом, для обращения с которым требуется несложная профессиональная подготовка. Это открывает возможности для широкого применения YBCO и других аналогичных сверхпроводников. Поэтому инженеры называют вещества с точкой перехода выше 77,4 K высокотемпературными сверхпроводниками (в физике используется иное деление — к высокотемпературным относят сверхпроводники с точкой перехода выше 30 K).
При увеличении давления температура точки перехода повышается. Известный на момент написания статьи рекорд составляет 288 K (+15 °C), он достигнут для гидрида серы. Но происходит это при давлении 267 ГПа, что не дает возможность практического использования данного материала как проводника в электроэнергетике.
Конструкция сверхпроводящего кабеля
Только из сверхпроводящей керамики невозможно изготовить гибкий провод из-за механических свойств материала. Но поскольку при отсутствии сопротивления проводник не выделяет тепло, он может быть реализован в качестве тонкой пленки. Керамика наносится тонким слоем на основу, которой может являться медь, латунь, нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля.
Также неотъемлемыми элементами являются герметичная оболочка из гофрированной стали, удерживающая внутри жидкий азот, и внешняя термоизолирующая оболочка, не пропускающая тепло внутрь кабеля. Жидкий азот циркулирует по двум каналам — внутри кабеля и снаружи него. Прокачка жидкого азота в существующих сейчас кабелях происходит, как правило, в одном направлении. Для его циркуляции в обратном направлении дополнительно строится трубопровод.
Охлаждение посредством прокачки жидкого азота используется для кабельных линий длиной до 1,2 км. При большей длине кабеля по пути азот может перейти в газообразное состояние. Поэтому для более длинных линий, появление которых ожидается в будущем, планируется использовать двухконтурную систему охлаждения. Кабель заполнен жидким азотом, через него дополнительно проложена труба, по которой циркулирует охлажденный до низкой температуры газообразный гелий. Таким образом, гелий охлаждает азот до температуры, соответствующей жидкому состоянию.
Наиболее известные проекты
В 2000-х годах велись эксперименты по включению в обычные кабельные линии фрагментов сверхпроводящих кабелей. Также сверхпроводящими кабелями осуществлялись соединения внутри электрических подстанций. Во всех этих экспериментах длина сверхпроводящих линий не превышала 200 м.
Первая линия на основе сверхпроводящего кабеля, позволяющая передавать электроэнергию на относительно большие расстояния, была проложена в 2014 г. в Эссене (Германия). Длина линии составила 1 км, кабели для нее произвела французская компания Nexans.
На японском острове Хоккайдо в 2015 г. была запущена высокотемпературная кабельная линия длиной 500 м, по которой передается энергия от солнечной электростанции к дата-центру. Линия работает на постоянном напряжении +/-10 кВ, расчетный ток составляет 2500 А.
В 2021 г. на энергосистеме американского го-рода Чикаго был введен в строй «мост» на основе сверхпроводящей кабельной линии, соединивший две подстанции 12 кВ с целью повышения надежности энергоснабжения. Использовался кабель производства Nexans, о длине линии не сообщается. Максимальная сила тока, которая может протекать через кабель, составляет 3000 А, что позволяет передавать между подстанциями мощность до 62 МВА.
В декабре 2021 г. в китайском городе Шанхай была запущена сверхпроводящая кабельная линия длиной 1,2 км, соединившая две подстанции 220 кВ. Максимальный ток в линии составляет 2200 А. На момент запуска эта сверхпроводящая линия являлась самой длинной в мире.
В конце 2010-х годов рассматривался проект организации электроснабжения комплекса «Москва-Сити» через сверхпроводящие кабели производства российской компании «СуперОкс». По ряду причин этот проект так и не был реализован.
В апреле 2020 г. было анонсировано строительство в Санкт-Петербурге сверхпроводящей кабельной линии длиной 2,5 км. В ней будут использованы оригинальные решения: токопроводящие жилы из сплава висмута и серебра, а также двухконтурная система охлаждения.
Преимущества и недостатки
Помимо уже отмечавшегося нулевого сопротивления токопроводящих жил, сверхпроводящим кабелям свойственно такое преимущество, как быстрая и надежная защита от короткого замыкания естественным способом. При увеличении плотности тока через сверхпроводник выше определенного значения сверхпроводящие свойства теряются. Соответственно, при возникновении короткого замыкания сопротивление такого ка-беля резко возрастает, что предотвращает серьезные аварии на электрических сетях.
Самый большой недостаток существующих сейчас сверхпроводящих кабелей заключается в необходимости постоянного обслуживания. К кабелю подключаются криогенные установки, обеспечивающие циркуляцию и охлаждение жидкого азота. Кроме этого, требуется возведение обратного трубопровода для жидкого гелия. Публикаций о расчете экономики строительства и эксплуатации такого рода сооружений пока нет. Поэтому доподлинно неизвестно, могут ли на нынешнем этапе развития технологии дополнительные затраты на строительство и эксплуатацию окупиться только лишь за счет экономии электроэнергии.
Сверхпроводящая защита
Тем не менее существует применение эффекта сверхпроводимости в электроэнергетике, которое уже сейчас экономически выгодно. Речь идет об ограничителях силы тока на основе сверхпроводников. Эти ограничители представляют собой кусок сверхпроводящего провода, соединенный параллельно с резистором и включенный в разрыв силовой линии. При превышении определен-ной плотности тока, что характерно для короткого замыкания, сопротивление резко возрастает.
Резистор при этом берет часть нагрузки на себя (в нормальном режиме он замыкается накоротко сверхпроводящей перемычкой). Такой ограничитель тока срабатывает не более чем за 3 мс, спасая электросеть от серьезной аварии на период до того, когда начинает работать полноценная релейная защита. Никакая иная защита от короткого замыкания на высоковольтных электрических сетях не срабатывает столь быстро.
В России такие ограничители серийно выпускает компания «СуперОкс», они уже установлены на двух подстанциях 220 кВ в Москве и одной подстанции 110 кВ в Санкт-Петербурге.
Перспективы использования
Существующие и готовящиеся к вводу в эксплуатацию сверхпроводящие линии электропередачи в основном предназначены для связи между подстанциями на расстояние порядка 1-2 км. Плотность тока в сверхпроводящих кабелях может быть на порядок больше, чем в обычных, что позволяет использовать их в качестве соединений, обеспечивающих устойчивость функционирования электрической сети. Особенно это становится актуальным при переходе на ветряную и солнечную генерацию.
В более отдаленном будущем перспективным направлением считаются гибридные линии передачи энергии, сочетающие в себе трубопроводы для жидкого водорода и сверхпроводящие кабели. Поскольку водород находится в жидком состоянии при температуре ниже 20,3 K, можно использовать кабели из относительно дешевого сверхпроводящего материала диборида магния с точкой перехода 39 K. При этом дополнительных расходов на обслуживание кабелей не потребуется, поскольку будет задействована инфраструктура для транспортировки водорода. Осталось только массово внедрить трубопроводы для жидкого водорода, потому что пока транспортировка водорода по трубам происходит в основном в газообразной форме. Тем не менее, переход к транспортировке водорода в жидкой форме практически неизбежен, так как именно такой способ обеспечит гораздо большие объемы поставок. А значит, у сверхпроводящих линий электропередачи большой длины есть шанс на будущее.
