Два с половиной километра высокотемпературной сверхпроводимости

В 2021 году в энергосистеме Санкт-Петербурга будет внедрена самая протяженная и не имеющая аналогов в мире высокотемпературная сверхпроводящая кабельная линия (ВТСП КЛ) постоянного тока длинной 2,5 километра.

Передаваемая по этой линии электроэнергия, практически не будет иметь потерь, что подтверждают масштабные рабочие испытания, которые провела компания «Россети ФСК ЕЭС» на базе своего научно-технического центра. Внедряемое решение является собственной разработкой компании. Объем инвестиций составит 3,5 миллиарда рублей.

Главное преимущество этой линии – передача большой мощности на среднем напряжении за счет увеличения значения тока. Альтернативой для такого мегаполиса, как Санкт-Петербург, могла бы стать прокладка традиционных кабельных линий. Но сопоставимый по габаритам и напряжению традиционный кабель не может физически передать требуемую мощность, соответственно, потребуется прокладка нескольких линий, что является более сложной задачей, зачастую не реализуемой в условиях города.

Николай Воропай, член Международного комитета по присуждению премии «Глобальная энергия», научный руководитель института систем энергетики имени Мелентьева Сибирского отделения РАН:

Как отмечают эксперты, данная технология особенно эффективна при строительстве кольцевых схем и энергомостов для вывода мощностей с крупных объектов генерации. В мегаполисах использование ВТСП КЛ позволит осуществлять более гибкую планировку застройки за счет наращивания мощности по мере развития районов без прокладывания дополнительных электросетей.

Для выдачи электроэнергии с ТЭЦ или передачи большой мощности между крупными питающими центрами в обычных условиях предполагается строительство множества ЛЭП. При условии подземной прокладки таких опор не будет вообще, но потребуется использование нескольких традиционных кабелей высокого класса напряжения. А это в ряде случаев ограничено градостроительными нормами. Кроме того, для города предпочтительнее с точки зрения землеотвода, а также экологии и безопасности использование более низкого класса напряжения. ВТСП КЛ способна заменить эту инфраструктуру путем постройки всего одной линии, максимально эффективной и с минимальным воздействием на окружающую среду.

ВТСП КЛ соединит две действующие подстанции Санкт-Петербурга – «Центральную» на 330 кВ и «РП-9» на 220 кВ. Они расположены в центральной части города (около Лиговского проспекта), где существует проблема дефицита площадей под новое строительство при растущем спросе на электроэнергию и высоких требованиях к надежности электроснабжения. Линия рассчитана на передачу 50 МВт мощности на среднем напряжении – 20 кВ. Как считают специалисты, данный проект является базовым и пилотным для обоснования перспективных проектов модернизации систем энергоснабжения мегаполисов, которые в настоящее время обсуждаются и разрабатываются во многих странах мира.

Но есть и проблемы, в числе главных из них - исключительно дорогая криогенная система охлаждения, а также технологические ограничения по обеспечению равномерного охлаждения кабельной линии путем прокачки хладагента на большие расстояния. Так что длина такого кабеля до сотен километров – это пока, к сожалению, невыполнимая задача, считает Воропай. «Но со временем проблема огромных затрат, уверен, будет решена, а технические решения найдены», - отмечает в то же время ученый.
Зато . Плюсом Воропай считает, что конечный потребитель получает электроэнергию в необходимом объеме с требуемой надежностью и обеспечивается так называемая теплая сверхпроводимость - охлаждение не до абсолютного нуля по Кельвину, а только до температуры кипения жидкого азота.

Другой эксперт, член Международного комитета по присуждению премии «Глобальная энергия», директор лаборатории прикладной сверхпроводимости Китайской академии наук Ли Сяо также обращает внимание, что криогенная система новой линии должна поддерживаться при температуре жидкого азота 77,4 К. А вот если рабочая температура сверхпроводника будет повышена до 200 К или даже до комнатной температуры 300 К, то тогда проект ВТСП КЛ будет более конкурентоспособным. «В настоящее время такого типа сверхпроводников для электропитания не существует, надеюсь, этот тип сверхпроводников появится в будущем», - сказал Ли Сяо «Глобальной энергии».

Основа ВТСП – сверхпроводниковый материал Bi2223/Ag с высоким содержанием серебра, сопротивление которого исчезает при определенных температурных режимах (65-80 Кельвина). Для обеспечения необходимого температурного режима используется двухконтурная система охлаждения. В первом контуре находится газообразный гелий, который охлаждает жидкий азот, циркулирующий во втором контуре по всей длине линии. При прохождении тока по ВТСП не выделяется тепло, магнитное поле локализовано, потери электроэнергии практически отсутствуют.

Проект, реализуемый «Россети ФСК ЕЭС», является межотраслевым. Помимо применения в электросетях, ВТСП КЛ могут быть внедрены во все энергоемкие отрасли. Масштабирование технологий будет способствовать росту энергоэффективности экономики.

Примечательно, что похожие линии есть в других странах (в США, Евросоюзе, Японии, Южной Корее, Китае), однако все они имеют длину менее 1 километра. Наиболее показательным является проект AmpaCity а немецком Эссене. Протяженность линии там составляет 1 километр, а расчетная передаваемая мощность - 40 МВА. Линия имеет открытую одноконтурную систему охлаждения, что требует подпитки жидким азотом каждую одну-две недели. Санкт-Петербургская линия соединяет две подстанции в центре города. Таким образом, российская ВТСП КЛ с ее 2,5 километрами протяженности и передаваемой мощностью 50 МВт аналогов в мире фактически не имеет. К тому же ее криогенная (охлаждающая) система является замкнутой и имеет общую протяженность в 5 километров, что также делает ее уникальной. Теперь только в России есть решения для разработки и создания замкнутых автоматизированных систем криогенного обеспечения.