ВТСП электроэнергетика в США
2013, Tом 10, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства
Доклад [1] представляет собой обобщение деятельности в области сверхпроводниковых технологий в США. В нём приводятся данные как по проектам в указанной области, так и по участвующим в их реализации компаниям.
Главным образом в докладе рассмотрены проекты по внедрению в силовые сети ВТСП проводов первого Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO-2223) (1G) и второго RE1Ba2Cu3O7 (REBCO-123, где RE — редкоземельный элемент) (2G) поколений. Небольшая часть доклада относится к проводам на основе MgB2, которые рассматриваются в качестве материала для токоограничителей и обмоток генераторов.
В целом, высокая активность в области сверхпроводимости позволила Соединённым Штатам добиться значительных результатов. В США находятся два мировых лидера по производству ВТСП проводников второго поколения — American Superconductor (AMSC) и SuperPower. В электросети Лонг-Айленда с 2008 г. работает одна из наиболее мощных ВТСП-кабельных линий. Управлением военно-морских исследований ВМФ США в 2008 г. продемонстрирован самый крупный 36 МВт корабельный двигатель. Из текущих крупных проектов - установка токоограничивающего кабеля в сети Нью-Йорка и разработка токоограничивающего трансформатора на 5 МВт. Эти и другие проекты обобщены в табл. 1 .
Главные действующие лица в этих проектах — AMSC, Boeing, Emerson Electric, General Electric, SouthWire, Varian Power Systems и Waukesha Electric Systems. Относительно небольшие компании сосредоточены на конкретных задачах: Grid Logic, Hyper Tech Research, MetOx, Superconductor Technologies Inc. (STI) и 3G-HTS — на ВТСП и MgB2 проводах; Advanced Magnet Lab, BEW Engineering, Empirical Systems Aerospace и Tai-Yang — на сверхпроводниковых обмотках. Главные участники среди электросетевых компаний — American Electric Power, Con Edison, Long Island Power Authority (LIPA) и Southern California Edison. Также исследования ведутся в нескольких национальных лабораториях (Аргон, Брукхейвен, Лос-Аламос и Оук-Ридж) и во многих университетах, например, в Центре прикладной сверхпроводимости и Центре перспективных энергетических систем Университета Флориды и Техасском центре сверхпроводимости университета Хьюстона.
Тем не менее, несмотря на значительные усилия и поддержку правительства, до сих пор нет ни одного полностью коммерческого проекта. Но даже с учётом того, что цена на ВТСП провода всё ещё остаётся высокой, а криогенное оборудование - дорогим и сложным, электрические сети могут извлечь коммерческую выгоду из преимуществ ВТСП оборудования. В городских условиях с плотной подземной инфраструктурой ВТСП кабели дают возможность проложить компактные и мощные подземные линии, позволяя существенно уменьшить полосу отчуждения и сэкономить пространство. Помимо непосредственно экономической причины, сдерживает развитие этого рынка и недоверие производителей к технологии, хотя действующие системы, такие как линии LIPA и Bixby, уже продемонстрировали свою эффективность и надежность. Подобные же соображения могут быть применены и в отношении двигателей и токоограничителей.
Проекты
Сводка текущих программ по сверхпроводимости в США представлена в табл. 1. Компании AMSC и SuperPower постоянно улучшают технологию производства ВТСП проводников, и продажи постоянно растут. Например, AMSC продолжает выпускать 2G ВТСП провода по договору 2010 г. c LS Cable (Корея) на 3 миллиона метров, что является самым крупным заказом в мире. Hyper Tech Research производит провода из MgB2 для проекта 12 кВ токоограничителя фирм Rolls Royce и Applied Superconductivity Ltd (Великобритания). Исследовательские и производственные работы ведутся также в Grid Logic (MgB2), MetOx (2G HTS), STI (2G HTS) и 3G-HTS (круглый провод с YBCO). Хотя эти компании далеко позади AMSC и SuperPower в плане создания рентабельного производства 2G ВТСП проводов, они заявляют о преимуществе их технологических решений в дальнейшей перспективе.
Таблица 1. Прикладные проекты по сверхпроводимости в США
Спонсор проекта
|
Название изделия
|
Цели
|
Состояние
|
Участники
|
Финансирование, сроки
|
DOE OE
|
Кабели,
проект LIPA
|
138кВ/2,4кА, 600м, 3-фазная кабельная система. Фаза I-три отдельных 1G ВТСП кабеля. Фаза II - замена одного 1G кабеля на 2G ВТСП кабель
|
В сети с 2008 г., фаза II завершена в 2012 г.
|
AMSC, Nexans, Air Liquide,
LIPA
|
М 2003-2011; ,2М 2012
|
DHS
|
Кабели,
проект Hydra
|
13,8кВ/4кА, 170м, 3-фазный коаксиальный токоограничивающий кабель для электросети Нью-Йорка
|
Завершены испытания
25 м кабеля, полноразмерный кабель в производстве
|
AMSC,
Con Edison, Air Liquide, Ultera, Altran,
ORNL
|
М
2007-2014
|
Tres Amigas LLC
|
Кабель постоянного тока
Проект Tres Amigas
|
Передача энергии между 3 энергосистемами в США; первая фаза не сверхпроводниковая
|
Привлечение средств
|
Tres Amigas LLC
|
Не сообщается
|
DOD ONR
|
Кабель постоянного
тока
|
Изучение охлаждаемого газообразным гелием сверхпроводящего кабеля постоянного тока для ВМФ; демонстрация 1 кВ 30 м кабеля
|
Реализация
|
CAPS,
Southwire, NSWC
|
М
2007-2013
|
DOE
Smart Grid
|
Трансформаторы
|
28 МВт, 3-фазный (69 кВ/12,47кВ) ВТСП 2G токоограничивающий трансформатор, испытания с конца 2013 г.
|
Разработка
|
Waukesha, SuperPower, SCE, ORNL,
TCSUH
|
,5М
(,7М DOE) 2010 - 2015
|
DOE
EERE
|
Ветряные генераторы
|
Испытание отдельных компонентов полностью сверхпроводникового ветрогенератора, создание макетного образца, проект ветрогенератора на 10 МВт на основе. MgB2
|
Изучение
вопроса
|
AML,
Emerson Electric, Argonne, Creare, BEW Engineering
|
Фаза I - ,7М
Фаза II - ,5М
2012-2014
|
NASA
|
Электродвигатели
|
Макетный образец авиационной сверхпроводниковой электрической машины: бортового электрогенератора/ тягового электродвигателя
|
Запущен
|
AML,
Boeing, Empirical
Systems Aerospace
|
,9М
2011-2014
|
DOE ARPA-E
|
Сверхпроводниковые индуктивные накопители
|
ВТСП индуктивный накопитель энергии со сверхвысокой магнитной индукцией, демонстрация технологии в первой фазе
|
Доставлены провода, начаты испытания катушки
|
ABB,
Brookhaven National Lab, SuperPower
|
,2М
2010-2013
|
DOE ARPA-E
|
Кинетические накопители энергии
|
Демонстрация кинетического накопителя энергии со сверхпроводниковыми опорными подшипниками
|
Завершён дизайн, сборка с июня 2012
|
Boeing Research & Technology
|
,3М
2010-2013
|
Возможно, наиболее значимым проектом в области практического применения сверхпроводимости является проект Hydra компаний AMSC и Con Edison по установке токоограничивающего кабеля переменного тока между двумя 13,8 кВ подстан-циями в Нью-Йорке. Проект поддерживается Министерством национальной безопасности США с целью повышения энергобезопасности особо важных объектов, таких как Нью-Йоркский финансовый район. Кабель производится компанией Ultera, криогенное оборудование — компанией Air Liquide.
Два других проекта с кабелями постоянного тока: проект ВМФ США, осуществляемый Центром перспективных энергетических систем, по изучению и созданию прототипа кабеля постоянного тока для бортовой электросети кораблей, и коммерческий проект Tres Amigas по связыванию трёх основных электросетей США (на начальной стадии с помощью традиционной технологии, в дальнейшем с помощью ВТСП).
Другой крупный проект — токоограничивающий сверхпроводниковый трансформатор, реализуемый Waukesha Electric Systems совместно с SuperPower и Southern California Edison (SCE). Создаваемая 28 МВт система характеризуется компактностью, возможностью ограничения тока и большей пожарной безопасностью из-за отсутствия масла. Тестирование будет проводиться в сети SCE. Сверхпроводящий токоограничитель резистивного типа разрабатывается также в рамках внутренней программы Varian Power Systems.
Созданием ветряных генераторов при поддержке Агентства по эффективному использованию энергии и возобновляемым источникам энергии Департамента энергетики США занимается Advanced Magnet Lab (AML). Однако в США на данный момент нет программы по использованию технологии, представленной вышеуказанным 36 МВт корабельным двигателем, в высокомощных ветряных генераторах.
Компания Asea Brown Boveri Ltd. (ABB) совместно с Брукхейвенской национальной лабораторией и SuperPower при поддержке ARPA-E разрабатывает сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии (СПИН). Его задача - накопление и хранение энергии, вырабатываемой солнечными ветряными электростанциями. На данном этапе проект находится на стадии проектирования и изготовления макетных ВТСП обмоток. СПИН часто упоминаются в качестве аварийных источников питания для поддержания работоспособности важного оборудования. Более 10 лет назад AMSC выпустила девять таких накопителей на основе низко-температурных проводников, НТСП. Они стали первыми коммерческими сверхпроводниковыми продуктами для электросетей. Но, в конечном счёте, AMSC отказалась от их производства в пользу более дешёвых электронных аналогов. Существует также проект создания кинетического накопителя энергии со сверхпроводниковыми опорами, реализуемый в Boeing при поддержке ARPA-E.
1. A.P.Malozemoff/ US Activity in Superconductor Technology for Power Grid// ISTEC, Superconductivity WEB 21, Spring 2013.
DOE ( Department of Energy) - Министерство энергетики США
- OE - Office of Electricity Delivery and Energy Reliability - Отдел управления программами «Доставка электроэнергии и надежность энергоснабжения»
- EERE - Office of Energy Efficiency & Renewable Energy – Отдел управления программами «Энергоэффетивность и возобновляемые источники энергии»
- ARPA-E - Advanced Research Projects Agency – Energy – Агентство перспетивных НИОКР по энергетике
- Smart Grid – «умные электросети»
DHS – Department of Homeland Security – Министерство национальной безопасности США
Tres Amigas LLC – ООО «Три подружки»
DOD ONR (Department of Defence The Office of Naval Research) – Министерство обороны США, Отдел НИР ВМС
NASA (National Aeronautics and Space Administration) - Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства США