Сверхпроводниковые кабели как трубопроводы для энергоносителей
2007, Tом 4, выпуск 4
Тематика: ВТСП кабели в сетях
Потребление как электрической, так и тепловой энергий постоянно увеличивается. В дальнейшем, из-за роста численности населения планеты можно ожидать только увеличения потребления энергии. Очевидно, что при современном уровне потребления ископаемых ресурсов и ограниченности их мировых запасов, необходимы новые способы добычи, экономного использования и транспортировки энергоносителей. Использование традиционных энергоносителей (нефть, природный газ, уголь) приводит к значительным выбросам углекислого газа в атмосферу, что негативно сказывается на экосистеме планеты, и заставляет задуматься о существенном ограничении или о полном отказе от использования углеводородного топлива, альтернативой которому может стать водород.
Впервые эта концепция начала разрабатываться ещё в эпоху НТСП, однако она не получила развития далее пилотных проектов [1]. С появлением ВТСП и началом работ по водородной энергетике интерес к ней возродился во многих странах мира.
Водород может храниться и транспортироваться как в газообразной, так и в жидкой фазе. Температура кипения водорода при атмосферном давлении составляет 20,13 К, что позволяет использовать его в качестве хладогента для сверхпроводниковых кабелей из ВТСП [2-4] или MgB2 [4-6] Такие кабели являются одновременно и ЛЭП, и криогенными трубопроводами. Была предложена также конструкция комбинированного сверхпроводникового кабеля [4], доставляющего к потребителю газообразный водород или природный газ.
Подобный подход, сможет удовлетворить потребителя, как в электрической, так и в тепловой энергии, пользователь может сам выбрать наиболее удобный энергоноситель. Следует отметить, что в определенной степени водород и электричество взаимозаменяемы: водород можно легко получить посредством электролиза воды, а электричество легко получается в топливных элементах или иным способом. В работе [3] рассматривается конструкция однофазного сверхпроводникового кабеля – трубопровода (рис. 1) передающего 1 ГВт электроэнергии, охлаждаемого жидким водородом, поток которого несет 1 ГВт энергии в химическом эквиваленте. Основные характеристики кабеля показаны в таблице 1.
Рис. 1. Поперечное сечение сверхпроводникового кабеля-трубопровода, охлаждаемого жидким водородом.
Там же [3] высказывается предположение об использовании подобного кабеля в качестве накопителя энергии, так как энергия, запасенная в жидком водороде (в химическом эквиваленте) в кабеле, сопоставима с энергией запасенной в гидроаккумулирующей станции.
Таблица 1. Основные характеристики 1 ГВт сверхпроводникового кабеля-трубопровода
В работе [4] предложена более традиционная система: охлаждаемый жидким азотом ВТСП кабель-трубопровод, несущий газообразный водород, как источник химической энергии (рис. 2). Газообразный водород при температуре 77 К и давлении 12,8 МПа (рабочее давление современных газопроводов) передает вдвое меньше энергии в химическом эквиваленте по сравнению с жидко водородным трубопроводом при 20 К, что можно компенсировать более высоким давлением в трубопроводе.
Рис. 2. Поперечное сечение сверхпроводникового кабеля-трубопровода несущего водород и охлаждаемого жидким азотом.
В работе [4] также предложена конструкция комбинированного кабеля-трубопровода сжиженного природного газа (рис. 3). Так как температура кипения природного газа недостаточна для охлаждения сверхпроводников, в качестве хладогента используется жидкий азот.
Идея сверхпроводникового кабеля-трубопровода в достаточной степени дискуссионна. Реализация описанных выше моделей чрезвычайно трудна и многие её положения требуют тщательной проверки. В частности, необходимо оценить возможные риски от близкого соседства больших токов и высоких напряжений с взрывоопасными веществами. Тем не менее, можно надеяться, что конструкции, объединяющие сверхпроводниковый кабель и криогенный трубопровод, займут достойное место в энергетике будущего.
Рис. 3. Поперечное сечение сверхпроводникового кабеля-трубопровода, несущего сжиженный природный газ с дополнительным охлаждением жидким азотом.
Комментарий
Всё новое – это хорошо забытое старое. Сверхпроводниковый кабель, охлаждаемый жидким водородом: 70-летие идее.
В фантастическом романе Г. Адамова “Победители недр”, увидевшем свет в 1937 г, описана подземная геотермальная электростанция, энергия с которой передается на поверхность по сверхпроводниковому кабелю, охлаждае-мому жидким водородом. Ниже приведен короткий отрывок из романа.
Справа от линии моторов, по сторонам третьего диска вращения, на высоких козлах лежат два огромных, диаметром более метра, барабана с намотанными на них правильными рядами серых тонких шлангов. Этих шлангов по пять километров на каждом барабане. Они изготовлены из тонкой упругой проволочной спирали, залитой теплоизолирующим, водонепроницаемым и кислотоупорным составом. По одному из этих шлангов должен впоследствии пойти с поверхности вниз, в термобатареи, жидкий водород с температурой в двести пятьдесят два градуса ниже нуля. По другому шлангу тот же водород, под влиянием подземного жара перешедший в газообразное состояние, должен будет подниматься на поверхность в новейшую криогенную установку системы профессора Капицы для повторного сжижения и возвращения вниз, к термоэлементам. Таким образом, водород почти без потерь непрерывно будет циркулировать в замкнутой системе, не требуя пополнения.
Кроме того, в каждом шланге проходит тончайший кабель – фидер – из недавно изобретённого сплава алюминия с одним из редких элементов. Кабель обеспечивает возможность передачи электрического тока огромной мощности при исключительно малом поперечном сечении провода. По одному из этих фидеров (другой остаётся в резерве) с поверхности, через небольшую понизительную подстанцию, в моторы снаряда пойдёт электрический ток для буровых и двигательных механизмов, для работы всех аппаратов и приборов, обслуживающих снаряд, и для освещения его. Впоследствии по этому же фидеру пойдёт ток из подземной электростанции на поверхность…
- С. Фонер, Б. Шварц, Сверхпроводящие машины и устройства, М., Мир (1997).
- P.M. Grant, The Ind. Phys., 22, Feb.-Mar. (2002).
- P.M. Grant, “The SuperCable: Dual Delivery of Hydrogen and Electric power”, presented at IEEE PES Meeting, USA, New-York (2004).
- P.M. Grant, IEEE Trans. Appl. Super., 15, 1810 (2005).
- P.M. Grant, The Ind. Phys., 22, Oct.-Nov. (2001).
- L. Trevisani et al., Cryogenics, 47, 113 (2007).