Экспертное мнение

— Как возникла идея создания гибридной линии передачи энергии?

— При обсуждении перспектив энергетики часто фокусируются на поиске новых, как правило, возобновляемых,  источников энергии. Однако решение существующих проблем невозможно без радикальных изменений в инфраструктуре для передачи энергии. Нужны технологии, обеспечивающие высокую пропускную способность и минимальные потери.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) открыли новую страницу в истории кабельных систем. Одна из идей, некоторое время витавших в воздухе, — это использование жидкого водорода для охлаждения сверхпроводников. Причем водород интересен тем, что может выступать не только как криоген, но и как энергоноситель. По мере развития водородных технологий, расширения спектра их применения, идея создания подобной супер-сети стала более реалистичной.

Впервые концепция совместной передачи химической (с помощью водорода) и электрической энергии, то есть объединение водородных и электроэнергетических технологий  — hydricity  (от англ. hydrogen + electricity) — была упомянута в 2001–02 гг. Затем последовал ряд работ, теоретически обосновывающих возможность создания гибридной линии с использованием весьма дешевого (по сравнению с ВТСП) сверхпроводника диборида магния (MgB₂). Мы первые в мире взялись за амбициозную задачу экспериментального изучения такой системы.

В 2011 г. по инициативе и при поддержке академика В.В. Костюка в рамках программы президиума РАН «Фундаментальные основы развития энергетических систем и технологий, включая ВТСП» был создан прототип гибридной линии протяженностью 12 м. Его испытания на базе КБ «Химавтоматика» (г. Воронеж) позволили получить первые в мире практические результаты.

 

Сечение и общий вид  первого экспериментального образца сверхпроводящего силового кабеля на основе диборида магния

 

— Что представляет собой данный прототип?

— В центре гибридного кабеля расположена стальная спираль, имеющая 12 мм канал внутри для жидкого водорода. Поверх сердечника располагается пучок медных проволок, создающих опору для главного сверхпроводящего слоя из пяти лент плоского провода на основе диборида магния, которые уложены совместно с защитными слоями сплющенных пучков медных проводов. Третий слой — изоляция. Далее идет обратный сверхпроводник из пяти лент диборида магния также с защитными слоями сплющенных пучков медных проводов. И поверх этого — обмотка стальной лентой для защиты кабеля.

Кабель был произведен на стандартном оборудовании ВНИИКП при помощи технологий, разработанных для производства ВТСП-кабелей.

Сверхпроводящий кабель помещается в криостат, через который проходит поток жидкого водорода. Внешний слой криостата имеет в сечении диаметр 80 мм. Таким образом, в системе организовано два потока водорода — по внешнему и внутреннему каналу. Это обеспечивает поддержание необходимой температуры в линии и сохранение диборида магния в сверхпроводящем состоянии.

 

Оценка стоимости оборудования предприятия — услуга, которой в кризисное время пользуются владельцы предприятий и компаний самых разных направлений. Часто возникает необходимость по разным причинам определить реальную стоимость движимого имущества, которое обеспечивает работу и участвует в производстве продукции. Определяется, как правило, рыночная стоимость, актуальная на данный момент.

— К какому классу сверхпроводников относятся ленты диборида магния, в чем их достоинства?

— Точная классификация диборида магния пока затруднительна. Есть некоторые работы, где его относят к «сверхпроводнику полуторного рода» в отличие от сверхпроводников первого и второго рода. С точки зрения критической температуры, его иногда называют промежуточным сверхпроводником (Тс=39К). Одним словом, пока его место не вполне понятно: от низкотемпературной сверхпроводимости он ушел, а к высокотемпературной — еще не пришел. Можно сказать, это отдельный класс.

Диборид магния обладает рядом достоинств, это и обусловило его выбор для использования в гибридной магистрали.

Во-первых, MgB₂ — это простое двухкомпонентное соединение из достаточно доступных материалов, сравнительно легко синтезируемое и давно известное. Только вот не догадывались раньше его проверить на сверхпроводимость... А Юун Акимицу (Япония) в 2001 г. снял с полки порошок и проверил — оказалось, сверхпроводник!

Во-вторых, диборид магния существенно дешевле по сравнению с ВТСП и сопоставим по стоимости с наиболее распространенным низкотемпературным сверхпроводником NbTi.

 

Первый образец гибридной транспортной энергетической линии длиной 10 м на испытаниях

 

— Есть ли перспективы создания отечественного производства такой ленты?

— На сегодняшний день в мире только две компании выпускают ленты диборида магния — Columbus superconductor (Италия) и Hyper Tech (США), обе методами порошковой металлургии. Для создания экспериментальной магистрали мы использовали итальянский вариант.

Перспективы создания отечественно производства, безусловно, есть. Так ВНИИНМ им. А.А. Бочвара (входит в Топливную компанию ТВЭЛ «Росатома») мог бы без проблем освоить выпуск такого материала с качеством не хуже, а даже лучше, чем у зарубежных производителей. Но пока на такого рода разработки никто не выделил финансирования — вот и нет сверхпроводника. Тем не менее, я надеюсь, что ситуация изменится, и прикладываю к этому усилия.

 

— Какая температура поддерживается в гибридной линии для обеспечения явления сверхпроводимости? Есть ли планы по повышению этой температуры или в этом нет необходимости?

— В гибридной линии для передачи химической энергии (топлива) используется жидкий водород, который, в зависимости от давления, может иметь температуру 20–25 К (от -253°С до -248°С). Этого более чем достаточно для диборида магния и всех ВТСП, но недостаточно для НТСП. Следовательно, повышать температуру необходимости нет.

Когда-то обсуждалась (в том числе покойным Н.А. Черноплековым из Курчатовского института, «руководителем» всей сверхпроводимости в СССР и России) возможность гибридных линий для передачи энергии с использованием сжиженного природного газа (порядка 169 К). Но пока у нас таких сверхпроводников нет и не предвидится, увы... 

 

— В чем преимущества и недостатки жидкого водорода в качестве хладагента?

— Основное преимущество в том, что это хороший криоген, количество тепла на 1 кг, необходимое для его испарения, в два раза больше, чем у азота и в 20 раз больше чем у жидкого гелия. При кипении жидкий водород снимает в 10 раз больше тепла, чем жидкий гелий.

Соперником водороду в роли хладагента для MgB₂ может быть разве что жидкий неон, но он не является топливом и не годится для гибридных линий. Кроме того, неон имеет очень узкий диапазон рабочих температур (24,5–27 К), что многовато для диборида магния, чтобы получить хорошие параметры.

К недостаткам водорода можно отнести то, что он имеет самый маленький размер молекулы и потому весьма проникающий. А смесь водорода с воздухом пусть и два раза менее взрывоопасная, чем природный газ или пары бензина, но все-таки теоретически может взорваться. Поэтому очень важна высокая вакуумная культура устройств и герметичность. При соблюдении правил обращения с водородом он не представляет опасности.

 

Сечение кабеля и фотография модели второго образца сверхпроводящего кабеля на основе диборида магния: 1- внутренний сверхпроводящий токонесущий слой; 2 - внешний сверхпроводящий токонесущий слой; 3 - несущая спираль; 4 - скрутки из медных проволок; 5 - высоковольтная изоляция; 6 - проставки из плоскоскомпанованного медного материала

 

— На какой стадии разработка гибридной линии находится сегодня? Как удалось продвинуться с 2011 г.? 

— В 2013 г. была создана и испытана вторая гибридная водородно-сверхпроводящая линия длиной 30 м. Впервые в мировой практике были проверены новые способы термоизоляции в протяженных криостатах и проведены высоковольтные испытания в жидком водороде.

Главным отличием нового сверхпроводящего кабеля, используемого в составе системы, от предыдущего стало наличие высоковольтной бумажной изоляции.

Нами были определены оптимальные конструктивные и технологические решения для создания гибридных линий, созданы токовводы для электрического соединения сверхпроводящего кабеля с обычной электросетью.

Исследование показало высокую эффективность активной испарительной системы криостатирования. Было определено, что всего 1% от общего количества используемого водорода достаточно, чтобы поддерживать постоянную температуру главного водородного канала криогенной линии 220 м в длину при скорости потока 400 г/с.

В итоге с помощью второго прототипа гибридной линии нам удалось передать порядка 50–60 МВт мощности, заключенной в энергии химических связей, и 50–75 МВт электроэнергии. В общей сложности это 100–130 МВт.

Для понимания эту цифру можно сравнить с пропускной способностью «Северного потока». Здесь природный газ транспортируется со скоростью 870 м³ в секунду. При эффективности топлива 40 МДж/м³ мы имеем 3,5·10^10 Вт. Стандартный диаметр газовой трубы 150 см. Таким образом, мы видим, что одна гибридная линия куда более скромного размера может обеспечить поток энергии, сопоставимый с крупнейшим газопроводом.

 

Второй опытный образец сверхпроводящей гибридной линии длиной 30 м на испытаниях

 

— Каковы ближайшие планы команды разработчиков?

— Хотелось бы сделать гибридную линию для передачи энергии длиннее и мощнее, изучить возможности ее сопряжения с двигателем, генератором или сверхпроводящим накопителем энергии и т.д.

Сейчас мы занимаемся поиском инвесторов для реализации наших идей. Первый этап (10-метровая линия, 2011 г.) был профинансирован РАН, второй этап (30-метровая линия, 2012–2013 гг.) реализован при поддержке ФСК ЕЭС, а ныне — «Россетей».

 

— Каковы перспективы коммерциализации продукта? В каких областях он будет в первую очередь применяться?

— Отличный вопрос! На сегодняшний день продукт полностью некоммерческий. Чистая фундаментально-прикладная наука, но очень интересная. Разработка наша для «послезавтрашнего» или даже «после-послезавтрашнего» дня.

Но когда-то же надо начинать? И приятно осознавать, что первыми в мире от слов и расчетов к делу приступили российские разработчики, и сделали реальные экспериментальные проекты! Были получены интереснейшие экспериментальные данные и высокие отзывы на международных конференциях и встречах. Следует отметить, что работа по разработке гибридной транспортной энергетической системы получила высокую оценку и в России. Коллектив разработчиков водородных и сверхпроводниковых технологий, и я в их числе, получил Премию Правительства РФ 2012 г. в области науки и техники.

Когда появятся линии передачи жидкого водорода, в них можно будет вставить сверхпроводящие кабели для передачи дополнительной энергии. К примеру, одна из них, длиной 80 км, планируется в Австралии для японско-австралийского проекта.

 

Подготовила Екатерина Зубкова

Иллюстрации предоставлены В. Высоцким