Учёные-маёвцы создали первую в мире гибридную энергомагистраль

Над созданием и испытаниями гибридной энергетической линии электропередачи трудились сотрудники из Института нанотехнологий микроэлектроники РАН, ОАО «ВНИИКП» и МАИ. Энергия, по замыслу авторов проекта, передаётся сразу двумя способами — в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по сверхпроводящему силовому кабелю.

Сверхпроводящие линии электропередачи — давняя мечта как учёных, так и «хранителей бюджета», ведь с их помощью можно сэкономить до 20% энергии, теряющейся сегодня при передаче на расстояния, говорится в официальном сообщении ВНИИКП. Однако в использовании сверхпроводников, несмотря на нулевое сопротивление и, вследствие этого, нулевые потери, возникают другие проблемы, связанные с поддержанием сверхпроводящего состояния, в первую очередь речь идет о поддержании необходимой для того или иного сверхпроводника низкой температуры.

Гибридные магистрали, в которых жидкий водород используется и как источник энергии и дополнительно, как охлаждающая среда сверхпроводника — пожалуй, почти идеальное решение, уверены разработчики. Потери на поддержание низкой температуры в «водорических» (от hydricity = hydrogen+electricity) магистралях для передачи электроэнергии составляют доли процента, а экологичность водородных технологий и подобранный с учётом низкой стоимости сверхпроводящий материал — дополнительные, но также весомые, аргументы.

Как прокомментировал заведующий отделения сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП», доктор технических наук Виталий Высоцкий: «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».

Согласно данным, опубликованным в статье по данной теме, 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 лишь 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, он довольно прост в производстве и его цена в 20 раз ниже по сравнению с известными высокотемпературными сверхпроводниками. С учётом двух последних особенностей использование диборида магния весьма интересно для водородных энергетических магистралей. Проверка этой идеи являлась целью первого практического эксперимента. Важно заметить, что созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель стал вторым случаем использования 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 их пучком медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина — около 10 м. При этом внутри остается изолированный канал диаметром около 12 мм для течения охлаждающего жидкого параводорода. 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» (Воронеж).

Рассказывая о результатах испытаний, Виталий Высоцкий отмечает: «Необходимый сейчас порядок величины расстояний передачи электроэнергии составляет 3000-5000 км, а требуемая мощность — порядка 10 ГВт. В модельной магистрали, которую мы испытали, поток жидкого водорода в 200-220 г/сек несет около 25 МВт мощности, плюс по сверхпроводящему кабелю идет электрическая мощность, в нашем случае это 50 МВт. Но её легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент даже в нашей магистрали. В промышленной же магистрали, за счёт увеличения тока, напряжения и объёма потока водорода (увеличив диаметр трубы), можно пропускать гораздо более мощные потоки энергии».

Разработку учёных прокомментировал старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Ельцев: «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 в котором прошло всего 10 лет, показывает, что этот материал является весьма перспективным и для других возможных применений в технике. В-третьих, этот пионерский эксперимент был сделан в России, показывая, что потенциал российской науки не исчерпан, и мы вправе ожидать новых достижений наших учёных».

Возможность создания гибридных транспортных энергетических магистралей во всем мире обсуждают давно. В мае 2011 года в Потсдаме в Institute of advanced sustainability studies под руководством нобелевского лауреата Карло Руббиа прошел 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 была сделана именно в России.

Фото: SmartGrid