Новости портала

Гибридная транспортировка энергии с использованием сверхпроводящих кабелей

Виталий Сергеевич Высоцкий - доктор технических наук, директор научного направления - зав. отделением «Сверхпроводящие и криорезистивные провода и технологии их производства» во ВНИИКП, в рамках летней энергетической школы СКОЛКОВО 2021, провел доклад о передовой разработке передачи энергии, а именно гибридной транспортировке энергии с использованием сверхпроводящих кабелей.

Виталий Высоцкий представил одну интересную идею, связанную с транспортировкой энергии при помощи сверхпроводящих кабелей и химических носителей.

«Энергия может производиться в одном месте, а потребляться может достаточно далеко. Ее надо передать энергоносителями, обычно это сжиженный газ, нефть, электричество», - отметил Виталий Высоцкий.

Почему энергию нужно передавать на огромные расстояния?
Как отметил спикер, если покрыть солнечными панелями всего лишь несколько процентов площади пустыни Сахара, в которой более 300 солнечных дней в году, то произведется достаточно электроэнергии, чтобы покрыть потребность всего человечества. Но потом ее надо передать на несколько тысяч километров.

С другой стороны, наша Восточная Сибирь богата ресурсами, в том числе и нефть, и газ. Там может сразу производиться электричество.

«И было бы очень здорово замкнуть энергетическое кольцо в Юго-восточной Азии», - поделился докладчик.

Как передавать большие мощности энергии?

В докладе Виталий Высоцкий также рассмотрел с точки зрения плотности потока мощности вектор Пойнтинга. Если брать газопровод “Северный поток” первая нитка, то в нем плотность потока порядка единиц мегаватт на см2.

При рассмотрении дальних линий электропередач постоянного тока (большие башни, рассчитанные на огромные киловольты), мы понимаем, что плотность потока энергии в них всего лишь 20 Ватт насм2. Это на 5 порядков меньше, чем у газопровода.
Но в России уже есть сверхпроводящие кабели, которыми мы успешно занимаемся. В таком кабеле поток мощности очень высокий, но мешает необходимость охлаждения. Сверхпроводимость работает только при очень низких температурах. И у такого кабеля поток мощности будет десятые доли мегаватт на см2. Хотелось бы увеличить поток.

В России есть водородное топливо; оно имеет самую высокую теплотворную способность. В жидком состоянии - это прекрасный охладитель, у него самая высокая теплота испарения из всех криогенов: вдвое больше, чем у азота. Это самое экологичное топливо, так как при сгорании образуется просто вода. Это отличный диэлектрик и его тоже хорошо можно передавать в жидком виде, при температуре 20-27 Кельвинов. Было отмечено, что XXI век рассматривают, как век водородной энергетики, об этом постоянно идут разговоры.

«Дармовой холод уже есть, так и хочется туда поместить сверхпроводник», - поделился Виталий Сергеевич.

Возникает идея объединения

Далее доклад коснулся Австрало-Японский проекта. На угольных месторождениях в Австралии производится водород. Он в жидком виде по трубам, длиной 80 км и передается на берег. Можно в эти трубы поместить сверхпроводник. Идея эта очень давняя, однако экспериментов так и не было.

Команда Российских энтузиастов это исправила: если мы хотим передать энергию жидким водородом, как химическое топливо и сверхпроводящим кабелем, как электроэнергию, нам понадобится гибридная транспортно-энергетическая магистраль. Российскими учеными был поставлен реальный эксперимент и сформулированны задачи:

  1. Выбрать подходящий сверхпроводник;
  2. Сделать из него сверхпроводящий кабель;
  3. Разработать и сделать криогенную магистраль с токовыми вводами;
  4. Поместить кабель внутрь криостата и подсоединить;
  5. Отвезти на полигон, где есть жидкий водород;
  6. Провести испытания.

Главной целью которого стала необходимость понять, что такое магний бор 2 (MgB2) и как с ним работать. А также как работать с водородом и получить экспериментальные данные по таким транспортным системам.


Эксперимент №1

Испытатели начали с выбора сверхпроводника. Несомненно, всем интересно использовать высокотемпературные сверхпроводники, они имеют высокие параметры, но они имеют и высокую стоимость, но в 2001 года был открыт сверхпроводник диборид магния (MgB2), у которого высокие параметры при температуре жидкого водорода и, самое важное - он в несколько раз дешевле других сверхпроводников. Был закуплен сверхпроводник в Генуе и началась работа.

Конструкция кабеля

В экперименте использовалась лента компании Columbus superconductor (Италия). Далее был собран криостат с токовыми вводами. Испытания были проведены в АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (АО КБХА) в городе Воронеж. Это место, где испытывают практически все Российские жидкостные ракетные двигатели, в том числе на водороде. В то время это было единственное место в России, где был доступен жидкий водород.

В результате экспериментов было доказано, что диборид магния технологичен и может использоваться для промышленного изготовления кабелей, также он обладает хорошими сверхпроводящими параметрами. Виталий Высоцкий сделал акцент на том, что это был первый сверхпроводящий кабель из диборида магния, чтобы там ни говорили в ЦЕРНе.
Водородно-транспортный криостат со специальными токовыми вводами вполне работоспособен. Был разработан и испытан сверхпроводящий кабель длиной 10 метров, с током 2000-2600 Ампер. Далее получены данные по гидродинамике.

В результате при потоке водорода 250г/сек. по линии транспортировалась мощность около 30 МВт, а кабель, при токе в 2.5кА. и проектируемой мощности 20кВ, передает еще 50мВт. Итого = 80МВт всего при пяти лентах (можно было уложить 10-15 лент сверхпроводящего материала).
Получилось, что в небольшом кабеле, диаметром 10см, можно транспортировать 150-180 мВт энергии. При этом плотность потока энергии = 3МВт на см2. Это сравнимо с крупнейшими газотранспортными магистралями. За проделанную работу исследователи были награждены премией правительства России.

 

Ученые решили двигаться дальше и испытать более длинную линию. Эксперимент №2

В ходе следующего эксперимента была взята та же лента, но уже более компактный кабель. Были проложены 6 лент, кабель длиной 30м произвели на промышленной установке. При этом была использована стандартная кабельная изоляция высокого напряжения.
Самое главное в новом эксперименте - наличие криостата. Длина его тоже была 30м,и он имел гибкие соединения. Каждые 10м криостата имели разные схемы криостатирования. Первая секция повторяла систему криостата из первого эксперимента. Вторая - состояла из активно испарительного криостатирования с дополнительным путем для азота, который понижал температуру. Третья секция была устроена обычным способом - жидкий водород, окруженный жидким азотом.

Криостат был смонтирован на платформе так, чтобы его можно было увезти на обычном грузовике. Эксперимент проводился там же, на Воронежском полигоне.
Было проведено испытание, измерены критические токи сверхпроводимости в зависимости от температуры. Тогда впервые в мире в жидком водороде было испытано высокое напряжение. Было получено 50кВ - это значит, что по стандартам, можно работать на напряжении 25кВ. Отсюда следует вывод, что передаваемая электрическая мощность будет до 80мВт.

Активная система криостатирования позволила на длине 10м понизить температуру водорода. Получилось, что система, которая потребляет 1-2% потока энергии от главного канала, позволяет очень намного улучшить криостатирование, и тем самым, увеличить расстояние между рабочими станциями дополнительного охлаждения.
Испытания 30 метрового образца тоже прошли успешно: получили токи до 3200 Ампер, продемонстрировали преимущества активного испарительного криостатирования. Впервые в мире проведены высоковольтные испытания на напряжениях 50кВ, подтвердившие высокие диэлектрические свойства.

Химическая мощность - до 60мВт, электрическая мощность - до 75мВт, суммарно = 135мВт. Плотность потока энергии = около 2 мВт на см2, и предполагается, что она может стать еще выше.

«Ггибридные линии выглядят весьма эффективно и перспективно. Это единственный в мире реальный эксперимент “в железе”, - отметил Виталий Сергеевич


О сжиженном газе

Если говорить о сжиженном природном газе, то Россию опережают Китайские коллеги. Сжиженный газ имеет температуру 80-90 Кельвинов, а критический ток сверхпроводников второго поколения начинается от 92 Кельвинов. Но сверхпроводник Bismuth-2223 (Bi-223)из первого поколения, имеет критическую температуру 110 Кельвинов. Китайские специалисты разработали сложный криостат и доказали, что можно сделать гибридную энергетическую линию с криостатом для сжиженного природного газа. Китайская линия длиной 10м = 10кВ, 1кА. Критический ток сверхпроводникового кабеля = 1690А при 90,6 Кельвинов, и 885А. при 100 Кельвинах. Скорость транспортировки жидкого топлива превысила 15 л/мин.

При температуре 88-100 Кельвинов прошло 10 часовое испытание на прохождение тока. При температуре 92-100 Кельвинов было проведено 2-х часовое испытание на устойчивость к постоянному напряжению 18,5 кВ.

По словам докладчика, это выдающееся достижение. Результаты этой работы были опубликованы в сентябре 2020 года.

Выводы
Подводя итог, Виталий Сергеевич отметил, что линии мощностью в десятки гигаватт - это вызов для энергетики XXI века и перечислил основные перспективы:

  • Возможное решение будущего - гибридные энергетические линии, когда объединяется поток химического топлива и электрические линии.
  • Использование сверхпроводника дибарида магния и жидкого водорода в качестве криогенного вещества, как минимум, удваивает поток энергии.
  • Возможность создания таких линий подтверждена экспериментами. Были проведены токовые и высоковольтные испытания.
  • Система активного испарительного криостатирования продемонстрировала достаточное снижение тепла в канале жидкого водорода с возможностью увеличения единичной длины криостатов.
  • Мощность потока достигает единиц мегаваттов на квадратный сантиметр и может быть увеличена.
  • Продемонстрирована возможность создания гибридных линий сжиженным природным газом.
     

Таким образом, гибридные системы передачи энергии с жидким водородом или природным газом и сверхпроводящими кабелями стали нашей реальностью!

«И не бойтесь водорода, он по крайней мере в 3-4 раза менее взрывоопасен, чем пары бензина, которым вы заправляете свои машины каждый день», - завершил презентацию Виталий Высоцкий.

▶Видеоверсию доклада вы можете посмотрть здесь.

 



 

После доклада была проведена сессия вопрос-ответов, где Виталий Высоцкий также принял участие

Вопросы задавал Алексей Хохлов - руководитель направления «электроэнергетика» Московской школы управления «Сколково»

- Концепция передачи электроэнергии совместно с трубопроводом жидкого водорода обсуждается уже давно, но что мешает более ускоренному внедрению в практику, какие основные барьеры препятствуют этой технологии?

- Идея создать гибридную линию передачи энергии, создать синергию двух вариантов, существует уже давно. Но ранее обсуждалась передача электроэнергии не с водородом, а с жидким природным газом, но он недостаточно холодный для современных сверхпроводников. Также, Виталий призвал не бояться водорода, да, он взрывоопасен, но он ровно в четыре раза менее взрывоопасен, чем пары бензина. 

Когда в 2011-2012 годах проводили эксперименты, они впервые в мире объединили водород и сверхпроводимость, причем применили новейший сверхпроводник на основе диборида магния, который имеет критическую температуру около 40 Кельвинов. Самое важное, что он в несколько раз дешевле высокотемпературных сверхпроводников. Оказалось можно с помощью трубы диаметром 10 сантиметров, передать энергию, эквивалентную огромным полутораметровым трубам газопроводов. Российские инженеры были готовы взяться за разработку такого рода трубопровода, даже за небольшие деньги. В то время был создан “научно-технический задел” на будущее. Такого рода проекты делаются не на “завтра”, а на “послезавтра”. Сейчас, когда интенсивно пошли разговоры о водородной энергетике, когда стало ясно, что водород надо производить и передавать, а передавать его очень удобно в жидком виде, и не сложно технически. То тут наши идеи и разработка может оказаться востребованной.

- Будет ли сложности в синхронизации на участке потребления водорода и электрической энергии?

- Это не проблема, так как водород можно без проблем “перелить” в другие емкости для транспортировки или хранения, а электроэнергию отправить напрямую потребителю. Это два независимых источника энергии, которые просто доставляются по одному каналу. Это удобно для доставки водорода, ведь его охлаждают до 20 Кельвинов, он хороший охладитель, его сложно испарить. И для сверхпроводящих линий нужны подобные низкие температуры. Совмещаем две линии передачи энергии, и удваиваем поток энергии по сравнению с просто жидким водородом.

▶ Подведение итогов дня и ответы на вопросы в формате видео (Виталий Высоцкий берет слово на 1:32:21) 

Хотим отметить, что 5-го сентября состоится конференция прикладной сверхпроводимости, на которой Виталий Сергеевич Высоцкий будет председателем.

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Подписаться на новости

Добавьте «RusCable.Ru» в предпочтительные источники в Яндекс Новостях, так вы первыми узнаете о главных новостях и важнейших событиях дня.

Обсуждают на форуме (4)

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно
RusCable Review - кабель на сале!
+