Сотрудники из ИНМЭ РАН, ВНИИКП и МАИ в рамках реализации программы президиума РАН ”Фундаментальные основы развития энергетических систем и технологий, включая ВТСП“ создали и успешно испытали первую в мире гибридную энергетическую магистраль. Энергия в ней передается сразу в двух видах – в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по сверхпроводящему силовому кабелю.

Создание новых типов линий электропередач – дело весьма актуальное, но не простое. Представляемый научный коллектив предложил совершенно новую идею: кабельная линия энергопередачи, сочетающая сверхпроводник и хладоагент, который не только поддерживает сверхпроводящее состояние кабеля, но является энергоносителем. Эта идея доведена до опытного образца, в качестве хладоагента 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

Комментирует участник проекта, бывший сотрудник ФИАН, ныне заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО "ВНИИКП", действительный член Академии Электротехнических Наук РФ, доктор технических наук Виталий Сергеевич 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».

В качестве сверхпроводящего материала в проделанной работе использовались ленты диборида магния MgB2 (производства фирмы Columbus Superconductor, Италия /1/). Этот низкотемпературный сверхпроводник с критической температурой ~39 К был открыт совсем 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 я являлась целью первого практического эксперимента. Важно заметить, 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 их пучком медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина – около 10 метров. При этом внутри остаётся 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.

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

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» (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».

Комментирует работу старший научный сотрудник лаборатории Сверхпроводимости ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Федорович 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 ученых».

Обсуждение возможности создания гибридных транспортных энергетических магистралей ведется давно во всем мире. В мае 2011 г. в Потсдаме в Institute of advanced sustainability studies под руководством нобелевского лауреата Карло Руббиа состоялся 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 MgB2/2/. Однако первая экспериментальная работа была сделана в России. Это не может не радовать.

Ознакомиться со статьей по работе можно здесь - http://journals.ioffe.ru/pjtf/2012/06/p52-60.pdf.
Литература по теме:
1. Columbus Superconductor SpA, available at: http://www.columbussuperconductors.com/mgb2.htm

2. Rubbia C., “The future of large power electric transmission”, available at: http://www.iass-potsdam.de/fileadmin/user_upload/Rubbia_presentation.pdf

АНИ «ФИАН-информ»