В России создана первая в мире гибридная энергетическая магистраль

Сотрудниками из ИНМЭ РАН, ВНИИКП и МАИ в рамках реализации программы президиума РАН «Фундаментальные основы развития энергетических систем и технологий, включая ВТСП» была создана и успешно испытана первая в мире гибридная энергетическая магистраль, в которой энергия передается сразу в двух видах - в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по сверхпроводящему силовому кабелю.

По словам ученых, создание новых типов линий электропередач - дело весьма актуальное, но не простое. Представляемый научный коллектив предложил совершенно новую идею, которая заключается в следующем: кабельная линия энергопередачи, сочетающая сверхпроводник и хладагент, поддерживающий не только сверхпроводящее состояние кабеля, но и являющийся энергоносителем. Эта идея доведена до опытного образца, а в качестве хладагента был использован жидкий водород. Потери на поддержание низкой температуры в «водорических» (от hydricity = hydrogen+electricity) магистралях для передачи электроэнергии составляют десятые доли процента, а экологичность водородных технологий и подобранный с учетом низкой стоимости сверхпроводящий материал – дополнительные, но также весомые аргументы

По словам доктора технических наук Виталия Сергеевича Высоцкого (бывший сотрудник ФИАН, сейчас заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП»), водород является одним из наиболее эффективных энергоносителей, он имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлива, но кроме этого он 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.

В качестве сверхпроводящего материала в проделанной работе использовались ленты диборида магния. Этот низкотемпературный сверхпроводник с критической температурой ~39 К был открыт относительно недавно - 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 сравнительно прост в производстве и весьма дешев. По сравнению с известными высокотемпературными сверхпроводниками его цена в двадцать раз меньше. С учетом двух последних особенностей использование диборида магния весьма интересно для водородных энергетических магистралей. Проверка этой идеи являлась целью первого практического эксперимента. Отметим, что созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель явился 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 из пучков медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина – порядка 10 м. При этом внутри остается изолированный канал диаметром около 12 миллиметров для течения охлаждающего жидкого параводорода, который также циркулирует и в полости между внешней оболочкой кабеля диаметром 28 мм и внутренней стенкой криостата диаметром 40 мм.

Экспериментальный образец силового сверхпроводящего кабеля. Светлые полоски – сверхпроводник, остальные – слои медных проволок для защиты при коротких замыканиях

В процессе работы были созданы макеты 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» (г. Воронеж).

Экспериментальный макет гибридной энергетической магистрали

Виталий Высоцкий рассказывает о результатах испытаний: «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 ее легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент даже в нашей магистрали. В промышленной же магистрали, за счет увеличения тока, напряжения и объема потока водорода (увеличив диаметр трубы), можно пропускать гораздо более мощные потоки энергии».

По словам старшего научного сотрудника лаборатории Сверхпроводимости ФИАН, кандидата физико-математических наук Юрия Федоровича Ельцева, проведенная работа вызывает целый ряд положительных эмоций. Во-первых, создание гибридной магистрали является, по сути, новым видом практического применения сверхпроводников, а 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 ученых.

Источник: АНИ «ФИАН-информ»