Удивительное квантовое явление сверхпроводимости открыто сто лет назад. При низкой температуре электрическое сопротивление некоторых материалов падает до нуля, и ток проходит по проводам совершенно без потерь. Четверть века назад открыты так называемые высокотемпературные сверхпроводники, где это удивительное явление наблюдается при температуре жидкого азота, а не гелия, как прежде. Но материалы с высокотемпературной сверхпроводимостью очень хрупкие и крайней неудобны в обработке. Лишь в последние годы технологии доросли до использования высокотемпературной сверхпроводимости в энергетике. Но до сих пор длина сверхпроводящих кабелей не превышала сотен метров. И вот в середине октября пришло сообщение о заказе на 3 миллиона метров сверхпроводников, который южнокорейская компания LS Power разместила у компании American Superconductor.
Прокомментировать это сообщение о рекордном в мире заказе на сверхпроводящие кабели мы попросили доктора технических наук, директора научного направления по сверхпроводящим кабелям Всероссийского НИИ кабельной промышленности (ВНИИКП) Виталия Сергеевича Высоцкого.
- Откуда такая разница: Южная Корея закупает у American Superconductor 3 тысячи километров кабеля, а проложить собираются только 50 километров?
- Говорится о трех миллионах метров не кабеля, а исходной ленты. Тоненькая лента сечением 0,1х4 миллиметра способна нести ток до 100 ампер. Из этих лент делаются кабели, содержащие порядка 50 лент. Поэтому надо 3 миллиона метров разделить на 50 и получится около 50 километров. Эти сверхпроводящие ленточки делаются по очень сложной технологии напыления тонких пленок. Такая технология используется в электронике, но здесь пленку надо напылить на подложку длиной в сотни метров. Две компании в мире - American Superconductor и Superpower уже продают такие сверхпроводники. Мы их покупаем и испытываем, а для American Superconductor мы во ВНИИКП по заказу проводим исследования. Они поставляют нам исходный проводник, а мы делаем модельные кабели и изучаем их свойства.
- Как устроен типичный сверхпроводящий кабель?
- Упрощенно сверхпроводящий кабель устроен так. В центре обычно находится пучок медных проводов, диаметров около 20 миллиметров, который является несущим элементом. На этот элемент по окружности укладываются сверхпроводящие ленты, те самые, которые продает American Superconductor. Они укладываются спиралью, скручиваются под углом. Десятка два лент - это первый, как мы их называем по-научному, повив или слой. Поверх этого слоя укладывается второй слой сверхпроводящих лент с противоположным направлением скрутки. Затем накладывается изоляция от 6 до 12 миллиметров толщиной. Далее кладется еще примерно такое же количество сверхпроводящих лент - это так называемый сверхпроводящий экран. Поверх медный экранчик - это защита сверхпроводника. Этот кабель упаковывается в длинную гибкую трубу из гофрированной нержавейки. Причем труба эта двойная - внутренняя труба обмотана так называемой суперизоляцией, и между двумя трубами откачан воздух - это так называемая высоковакуумная термоизоляция. По внутренней трубе прокачивается жидкий азот. И вот сверхпроводящий кабель засовывается в этот криостат. Главная проблема - это надежная криогенная система, которая создает этот жидкий азот и качает его по длинному кабелю.
- А как обстоит дело с разработкой сверхпроводящих кабелей в России?
- С 2004-2005 года по инициативе РАО ЕЭС и под патронажем Анатолия Чубайса, за что мы ему благодарны, началась разработка высокотемпературных сверхпроводящих кабелей. В 2005 году была создана и в 2006 году испытана первая модель длиной 5 метров, в 2007 году по кабелю 30 метров, который был испытан в 2008-2009 годах. Кабели, естественно, делали мы, ВНИИКП. В сентябре 2009 года был изготовлен кабель 200 метров. В декабре прошли его приемочные испытания и сейчас идут ресурсные испытания в научно-техническом центре электроэнергетики в Москве на Каширском шоссе. И в конце следующего года этот кабель будет установлен на подстанции "Динамо", на Ходынском поле в Москве.
- В сверхпроводящих кабелях нет потерь из-за электрического сопротивления. Но оправдывает ли экономия энергии затраты на сложную систему азотного охлаждения?
- Экономия электроэнергии - вопрос сложный и зависит от конкретного кабеля. Но когда нужно передавать мощности в сотни мегаватт и больше, сверхпроводящие кабели, которые надо охлаждать азотом и тратить энергию на это, все-таки дают некоторую экономию. Но главная экономия заключается в другом. Сверхпроводящие кабели способны передавать большую мощность при достаточно малых габаритах и, что очень важно, при низких напряжениях. Обычно электростанция дает напряжение 20 киловольт, это так называемое генераторное напряжение. Затем электроподстанция повышает его до 110 киловольт, энергия передается на высоком напряжении, другая подстанция в городе снижает напряжение до 20 киловольт и раздает потребителям. Повышать напряжение при передаче приходится потому, что омические потери энергии в проводах пропорциональны квадрату силы тока. Чтобы снизит потери надо ток уменьшить, а напряжение увеличить. Но в сверхпроводящем кабеле сопротивление равно нулю и потерь нет независимо от силы тока. Передавая ту же самую мощность от электростанции в город по сверхпроводящему кабелю на низком напряжении (20 киловольт), мы убираем две подстанции и экономим землю в городе. Или можно высоковольтную ЛЭП в городе с вышками и полосой отчуждения убрать и вместо нее проложить под землей сравнительно тонкие сверхпроводящее кабели. Это огромная экономия в инфраструктуре, земле и прочем. Главное - то, что мы называем «глубокие вводы в города». Вокруг Москвы достаточно много генерирующих мощностей но мало возможностей передать их внутрь города из-за инфраструктурных ограничений. Такая же проблема в Нью-Йорке. Там по обеим сторонам острова Лонг-Айленд стоят электростанции, а передать эту мощность внутрь острова нечем.
- А как обстоит дело с ремонтопригодностью сверхпроводящих кабелей? Ведь случайный разрыв нельзя просто так запаять.
- Да, здесь много скептиков, которые говорят, что это не для России - проедет пьяный дядя Вася на тракторе и повредит этот кабель. Но, понимаете, кабель не будет длиной сразу несколько километров. Бухту с таким кабелем было бы просто не провезти по городу. Кусок кабеля будет длиной где-то 400 метров. И если такой кусок повредили, то он убирается и ставится другой.
- Какие на сегодня наиболее значительные примеры внедрения сверхпроводящих кабелей?
- В данный момент в мире испытано три достаточно больших кабеля: 200 метров в штате Огайо, 350 метров на севере штата Нью-Йорк в городе Олбани и вот 600-метровый на Лонг-Айленде в Нью-Йорке. Готов к внедрению наш 200-метровый. 100-метровые кабели сейчас испытываются в Корее и там же делается 500-метровый кабель. Ну, а мы готовимся... про это я пока говорить по радио не буду, вот подпишем контракт, тогда скажем. Но мы превзойдем Корею, я надеюсь.
Обычные медные кабели могут пропускать ток не больше тысячи ампер и тоже требуют охлаждения. Сверхпроводящие легко передают 5 килоампер. До прошлого года рекорд силы тока в высокотемпературном кабеле - 10 тысяч ампер - держал Всероссийскому НИИ кабельной промышленности. Но сейчас лидерство перехватили китайцы, испытавшие кабель на 20 килоампер. Показателен пример Южной Кореи, где существует специальная государственная программа развития сверхпроводящих кабельных сетей. Каждый год на нее выделяется около 10 миллионов долларов. Все говорит о том, что в скором будущем нас ждет переход на сверхпроводящие кабели, по крайней мере, в узловых точках электроэнергетической инфраструктуры.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
