Сверхпроводниковая электроэнергетика на ASC-2006
2006, Tом 3, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций
В конце августа (27 августа – 1 сентября) 2006 г. в Сиэтле (США) состоялась очередная Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (ASC-2006). ASC проводится раз в два года в США и является крупнейшим и важнейшим собранием ученых, разработчиков и инженеров, работающих в области технических применений сверхпроводимости. В ней принимают участие ведущие специалисты «сверхпроводниковой отрасли» со всего мира. Организует конференцию некоммерческая организация ASC Board, члены которой избираются участниками конференции на ротационной основе. Следует отметить внимание организаторов конференции к памяти крупных ученых, в том числе и российских. На конференции (кстати, не по инициативе россиян, что жаль) была организована сессия по разработкам Nb3Sn сверхпроводников, посвященная памяти российского ученого Анатолия Дмитриевича Никулина, работавшего во ВНИИНМ им. А.А.Бочвара.
Работа конференции обычно проводится по трем секциям: – электроники, материалов и крупномасштабных применений. Хотя в последние годы преобладающее число докладов заявляется в секциях электроники и материалов, но все же 508 докладов по крупномасштабным применениям сверхпроводимости, представленные на текущей конференции (на 70 докладов больше, чем на предыдущей), говорят о том, что «сильноточникам» есть, что рассказать друг другу.
Помимо традиционных сверхпроводящих магнитов, ускорителей и устройств для термоядерных реакторов, все больше внимания уделяется сверхпроводящим устройствам для электроэнергетики. Здесь представлено (в разных секциях) 211 докладов (более 41% от всех выступлений по крупномасштабным применениям), из них треть (68 докладов) касалась исследований и разработок ограничителей тока короткого замыкания. Число докладов по другим вопросам сверхпроводниковой электроэнергетики распределилось следующим образом: силовые кабели (34 доклада); моторы, генераторы, МГД генераторы (в сумме 35 докладов); накопители энергии (13 докладов); трансформаторы (9 докладов). 21 доклад был посвящен сверхпроводимости в термоядерных устройствах (ITER и прилегающие темы), которые можно отнести к электроэнергетике будущего.
Обращает на себя внимание значительно возросший интерес к обсуждению поведения сверхпроводящих устройств в электрических цепях (31 доклад против 8, представленных на предыдущей конференции). Эта статистика в какой-то мере отражает распределение интересов и активности исследователей в различных областях сверхпроводниковой электроэнергетики. Что и является наиболее важной, с моей точки зрения, информацией с любой конференции – необходимо знать, что сообществу интересно и чем люди занимаются.
Следует отметить заметный прогресс в разработках новых сверхпроводящих материалов – ВТСП 2-ого поколения и проводников на основе MgB2, что будет рассмотрено ниже.
Общее впечатление по крупномасштабным применениям – отсутствие особо ярких прорывных работ, идет рутинная наработка материала, сбор данных, испытания, продвижение многих разработок к про-мышленному и коммерческому внедрению. Активно ведется подготовка к началу строительства экспери-ментального термоядерного реактора (международный проект ITER с участием России), запущены в эксплуатацию два новых силовых ВТСП кабеля (200м и 350м), готовится к запуску ВТСП-кабель длиной 650 м. Практически закончены работы по установке крупных детекторов ATLAS и CMS для Большого адронного коллайдера (LHC), а сам уско-ритель готовится к запуску в следующем году.
Пленарных докладов, посвященных реальным энергетическим применениям, на этой конференции не было представлено. Можно отметить пленарный доклад К.Китазавы (Япония), скорее фантастический, чем реальный, о глобальной энергетической системе и приглашенный доклад о китайских разработках сверхпроводящих систем для электроэнерге-тики. Они будут обсуждены ниже.
Привлекло внимание и весьма большое число работ (53 из 211 докладов, т.е., 25%, в том числе 26 из 68 докладов (38%) по токоограничителям), представленных южнокорейскими исследователями и разработчиками по энергетическим применениям сверхпроводимости. Это очевидно является ярким результатом реализации Программы DAPAS http://www.cast.re.kr/english/emain_3(d).htm, активно финансируемой (140 млн. долл. на 10 лет, начиная с 2001 г.) правительством и промышленностью Ю.Кореи. Грамотное планирование, организация работ и должное финансирование приносят плоды в виде реальных предкоммерческих разработок.
Остановимся подробнее на отдельных докладах по применениям сверхпроводников в электроэнергетике.
Общие вопросы
Здесь хотелось бы отметить два доклада.
Рис. 1. Предложение К.Китазавы по глобальному объединению мировых энергетических систем и генерация энергии с помощью воспроизводимых ресурсов.
Пленарный доклад К.Китазавы (Japan Sci.&Techn. Agency) “Global averaging of electricity for sustainable energy resources”, был посвящен глобальным проблемам мировой электро-энергетики. Его идеи сводятся к тому, что, объеди-нив все энергетические системы мира, можно пере-давать электроэнергию из тех мест, где она не тре-буется (например, в ночное время), в те места, где в данное время суток потребление велико (см. рис.1). То есть не запасать энергию в накопителях ГАЭС и тому подобных системах, усредняя ее по ВРЕМЕНИ, а усреднять потребление энергии по ПРОСТРАНСТВУ, передавая ее из конца в конец по всему земному шару. При этом особое внимание Китазава уделил возобновляемым источникам элек-троэнергии. Стоимость такого «планетарного» про-екта, по его оценкам, составит порядка 4% ВВП всех стран (к слову, на развлечения в развитых странах тратится порядка 20 % ВВП). Энтузиаст К.Китазава не считает эту идею такой уж фантасти-ческой для современной научно-технической циви-лизации. Он заявил: «This has been just a dream till recently, but now it is the technologically feasible target» – «Еще недавно это была только мечта, но теперь - технологически осуществимая цель». Но вряд ли в современном мире кто-то поступится раз-влечениями во имя далеких разработок.
Интересным был доклад проф. L.Xiao из Института электротехники Академии наук Китая (Inst. Electrical Engineering, Chinese Acad. Sci.). В Китае имеются достижения во всех областях возможных применений сверхпроводимости в энергетике. Это стало возможным благодаря достаточному правительственному финанси-рованию и вкладу от промышленных компаний. Для 30-тиметрового кабеля все компоненты (кроме сверхпроводника) были закуплены за рубежом, тогда как для 75-тиметрового только сверхпроводник был закуплен в США, а все остальное китайского производства. Оба кабеля проходят испытание в реальных энергетических сетях. 75-тиметровый кабель «работает» в локальной распределительной 6,6 кВ сети Чангтонского завода в провинции Гансу с 2004 г., стабильно наработав уже более 6000 часов.
На разработку 10,5кВ/1,5кА токоограничителя бы-ло выделено 5 млн. долл. Несмотря на несколько сомнительные преимущества токоограничителя мостового типа (требующего преобразователей по-стоянный – переменный ток, да и еще с активным отключением), устройство все же было изготовлено и также проходит испытания в реальной системе.
Кабели
Как и на прошлой конференции, работ по научным исследованиям в области ВТСП кабелей немного. В основном описываются испытания реальных прото-типов, анализы результатов, новые разработки. Следует отметить запуск в реальную эксплуатацию двух крупных кабельных систем.
В июле 2006 г. запущен в эксплуатацию кабель длиной 350 м в г. Олбани. Кабель разработан ком-панией Сумитомо, имеет конструкцию «три-в-одном» (рис. 2).
Рис. 2 Проект кабеля «три-в-одном», реализованный в 2006 г. в Олбани, США
В августе 2006 г. запущен в эксплуатацию «триак-сиальный» кабель длиной 200 м, разработанный совместным предприятием США и Дании “Ultera”. Эта весьма сложная конструкция (рис.3) позволила создать сверхпроводящий кабель с наивысшей плотностью тока, однако при относительно невысо-ком (13,2 кВ) напряжении.
Наиболее амбициозный проект установки кабеля длиной 650 м (LIPA) запаздывает. В настоящее время идет только изготовление кабеля и его изо-лирование компанией Nexans (в Европе). Поставка в США и установка в сеть планируется на начало 2007 года.
Рис. 3. Проект «триаксиального» сверхпроводящего ка-беля компании Ultera, реализованный на подстанции Bixby
Ограничители тока короткого замыкания
Несмотря на большое число исследовательских докладов, токоограничителей, внедренных в реаль-ные сети, не так много. Можно отметить уже упо-мянутый китайский проект. Представленный на прошлой конференции реализованный прототип токоограничителя мощностью в 10 МВА, разрабо-танный на базе специальных объемных труб из со-единения Bi-2212 производства компании Nexans, видимо, не оправдал надежд, новых данных о нем представлено не было.
В основном были представлены разработки не-больших прототипов, анализ различных конструк-ций токоограничителей, анализ их поведения в энергосистемах. По-видимому, окончательного вы-бора наиболее перспективного типа токоограничи-теля так и не сделано, и продолжаются исследова-тельские работы. Еще раз отметим повышенную активность корейских исследователей и разработ-чиков, особенно в области токоограничителей.
Как уже отмечалось, много докладов было посвяще-но системным вопросам поведения сверхпроводящих устройств в электросетях, что связано, конечно, с приближающимся их внедрением.
Сверхпроводниковые материалы
В области новых материалов следует отметить продолжающиеся успешные разработки высокотемпературных сверхпроводников 2-ого поколения (пленочные сверхпроводники на основе YBCO). Две компании, American Superconductor www.amsuper.com и SuperPower www.superpower-inc.com (последняя компания является дочерней компанией Intermagnetic General www.igc.com
начали коммерческие продажи сверхпроводников 2-ого поколения. Цены пока существенно выше сверхпроводников 1-го поколения, но есть надежда на их снижение. Европейская компания EHTS продолжает разработку ВТСП 2-го поколения, но коммерческих продаж пока не начала.
Интересно также отметить появление на рынке ре-альных сверхпроводящих проводов на основе со-единения MgB2 с критической температурой Тc=39К. Две компании:–
· Hyper Tech Research, Inc. (США)
· Columbus Superconductors (Италия)www.columbussuperconductors.com
предлагают широкую номенклатуру проводов с инженерной плотностью тока ~ 2Ч104 А/см2 при температуре 20 К и в поле 2 Т. Устройства из таких сравнительно дешевых сверхпроводников могут работать с использованием микроохладителей (криокулеров).
Несколько прототипов сверхпроводящих устройств было изготовлено и испытано компанией Hyper Tech в сотрудничестве с другими разработчиками, в частности,
· катушка (2 Т при 20 К, проводник длиной 1км) для модели магниторезонансного то-мографа (представители компании утвер-ждают что они решили вопросы соединения MgB2 проводов для таких томографов);
· модели соленоидов с полями 2,2 и 2,4 Т при температуре 20К;
· модели индукторов для моторов;
· модель токоограничителя.
Columbus Superconductors в 2006 г. поставила заказчикам около 40 км MgB2 проводов и лент, кото-рые были успешно испытаны. Сегодняшняя производительность – 20 км/месяц, и, если потребуется, может быть увеличена до 100 км/месяц при максимальной длине провода в одном куске до 7 км.
То есть разработки идут полным ходом, а материал доступен и сравнительно дешев. Проблема в разработке подобающих криогенных систем.
[1]