Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Применения сверхпроводимости в электро-энергетике в год ее столетия. Успехи и тенденции (По материалам конференций MT-22, EUCAS -2011)

2011, Tом 8, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций

В юбилейный год сверхпроводимости состоялись подряд две крупные конференции, на которых активно отмечалось это событие. Первая по магнитным технологиям – МТ-22 проходила с 11 по 16 сентября в г. Марселе. На этой конференции «сверхпроводящая» тема составляет едва ли не 98% от всех докладов, да и труды конференции печатаются в журнале IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Что и понятно – большинство современных мощных и не очень магнитов являются сверхпроводящими.

Вторая проходила с 18 по 23 сентября в Гааге EUCAS-2011. Даже более того это была тройная конференция, где были объединены: прикладная сверхпроводимость (EUCAS), сверхпроводящая электроника (ISEC) и криогенные материалы (ICMC), в которых тоже немалая часть занята сверхпроводимостью.

Обе конференции собрали огромное количество докладов и участников, многие (в том числе ваш корреспондент) за выходные переехали из жаркого (+30С) и солнечного Марселя в мокрую и прохладную (+12С) Гаагу.

На МТ-22 было подано около 990 докладов. Представлено естественно меньше, но все равно это рекордное количество. На тройной конференции докладов было больше тысячи (1040 или больше), из них около 310 по крупномасштабным применениям сверхпроводимости. Плюс криогенные материалы – то есть в основном разные сверхпроводники.

Таким образом, обе эти европейские конференции по масштабам догоняют крупнейшую конференцию по прикладной сверхпроводимости: ASC.

Поскольку материала огромное количество, все обозреть невозможно. Посему остановлюсь только на нескольких пленарных докладах.

Совершенно замечательный доклад на МТ-22 сделал наш живой классик Мартин Уилсон. Любой мало-мальски знакомый со сверхпроводящими магнитами знает это имя и его прекрасную книгу. Жаль, что до второго издание у него никак не доходят руки.

В блестящей манере Мартин рассказал и рассмотрел практически всю столетнюю историю сверхпроводимости, начиная с момента ожижения гелия и кончая современностью. Приводить этот доклад здесь особого смысла нет – поскольку специалистам все это более менее известно, но я получил удовольствие просто от блестящего стиля и манеры изложения. Письменная версия этого доклада доступна на: http://www.ewh.ieee.org/tc/csc/europe/newsforum/pdf/CR21.pdf

Прекрасный пленарный доклад был сделан на

EUCAS-е Германом тен Кате – одним из создателей магнита АТЛАС в ЦЕРН-е. Он был посвящен как раз развитию технологии сверхпроводящих магнитов. Наиболее впечатлил прогресс в магнитах для МРТ – с 2009 г. уже работает магнит на 9.4 Тл в Исследовательском центре Юлиха, а в СЕА Сакле во Франции идет создание МРТ магнита на 11.75 Тл.

Рис. 1. Сверхмощные МРТ для изучения мозга

В этом же докладе были сформулированы задачи на будущее, в частности магнитов для ускорителей. Задача проста: нужно иметь токонесущий элемент с током 10 кА в поле 20 Тл! Ни много ни мало… Понятно, что такая задача может быть решена только с использованием ВТСП материалов, вероятнее всего второго поколения.

Но пора вернуться к нашей теме – сверхпроводимость для электроэнергетики. Здесь мы обратимся к докладу проф. Минвона Парка из Национального университета Чангвона (Южная Корея).

Его доклад так и назывался: «Современное состояние ВТСП применений в энергетике в год столетия сверхпроводимости». Очень обстоятельно и тщательно он рассмотрел все главные ВТСП применения в энергетике: силовые кабели, СОТ, вращающиеся машины, трансформаторы, СПИН-ы и ВТСП материалы.

При этом его анализ был разделен по странам в каждой категории применений, были просмотрены патенты и обсуждены тенденции по всем направлениям. Приведем некоторые данные из его доклада.

ВТСП кабели.

На рис. 2 показаны организации в разных странах и континентах, занимающиеся разработками ВТСП кабелей. Видно, что эти области довольно активно развиваются во многих странах мира. Приятно увидеть и логотип ВНИИКП на карте Европы, почему-то совмещенный с логотипом ИФВЭ – Протвино. Видимо докладчик слышал о том, что затягивание кабеля в криостат происходило именно там. Несмотря на большое количество организаций и проектов, большая их часть пока что только бумажная.

Рис. 2. ВТСП кабели по континентам и странам: Азия, Америка, Европа

В США (рис. 3) – на испытаниях все тот же триаксиал на подстанции Биксби (Ultera совместное предприятие Southwire (США) и NKT (Дания)) и все так же LIPA, которая ждет апгрейда криогеники и замены одной фазы на фазу с ВТСП-2.

Рис. 3 Направления развития ВТСП кабелей в США.

Много разговоров о «Трех подружках» “Tres Amigas”- мощнейшие кабели постоянного тока для связи трех энергосистем, но пока только разговоры.

В Европе единственный действующий кабель - пока наш российский, сохраняющий свое звание крупнейшего в Европе, что и видно из рис. 4. Больше всего разговоров по проекту в Амстердаме (та же ULTERA) но пока только разговоров.

Рис. 4 Направления развития ВТСП кабелей в Европе.

А вот Азия - впереди планеты всей (рис. 5). Точнее выходит вперед. Корейцы – спасибо программе DAPAS – запустили кабель длиной 410 метров 22.9 кВ на испытательном полигоне KEPCO (проект GENI) – это реально действующий кабель, хотя о нем говорили глуховато. Видимо пока идет процесс запуска. Разговаривают о кабеле 154 кВ – их высоковольтный стандарт.

Рис. 5 Направления развития ВТСП кабелей в Азии.

Японцы проложили кабель проекта Йокогама длиной 250 м 66кВ - 3000А, но пока не могут его подключить из-за ограничений по мощности в районе Токио – просто нет достаточно мощности, чтобы пустить ее по этому кабелю. Кроме того в Японии Университетом Чубу испытан первый в мире кабель постоянного тока длиной 200 м.

В Китае продолжаются испытания кабелей 30 и 75 м с теплой изоляцией и планируются кабели на 110 кВ и 22 кВ.

Основные направления разработок СОТ в Азии так же пока ведутся на уровне распределительного напряжения, хотя в Китае планируется установка СОТ индуктивного типа на 220 кВ (Рис. 7).

Рис. 6 Направления разработок СОТ в Европе и реальные СОТ, испытываемые в сетях

 

Рис. 7 Направления разработок СОТ в Азии.

Удачная схема резистивного СОТ уровня 22.9кВ/630А с защитным вакуумным выключателем прошедшая успешные испытания на полигоне KEPRI, получает развитие в разработке СОТ на такое же напряжение, но уже с током 3кА (рис. 7).

В США при разработках СОТ сразу был взят курс на уровень напряжения 138 кВ. Компания Zenergy, разрабатывает СОТ индуктивного типа. И после успешных испытания трехфазного СОТ на 13 кВ/800А, готовится к испытаниям СОТ на 138 кВ (рис. 8).

Рис. 8 Направления разработок СОТ в США.

AMSC в альянсе с Сименсом после успешного испытания однофазного резистивного модуля на 7-8 кВ, показала фотографию модуля на 138 кВ (Рис.9). результатов испытания пока в явном виде не представлено.

 

Рис. 9 Модуль резистивного СОТ на 138 кВ разработки AMSC и Сименса.

Резюме по СОТ можно сформулировать так: работ много, работы ведутся, но уровня в 100 кВ пока не достигли, хотя это именно тот уровень, который нужен потребителям. Основное направление – резистивный тип, как наиболее компактный и с минимумом расхода сверхпроводника. Но пока реально на высокое напряжение готовятся индуктивные СОТ. Потребление ВТСП материалов – около 65 км, то есть на порядок меньше чем для кабелей.

Сверхпроводящие трансформаторы.

Информация по трансформаторам: практически ничего нового. По мнению вашего корреспондента – в связи с отсутствием реальной потребности в таких устройствах. Это чисто замещающая технология, но обычные трансформаторы настолько совершенны и просты, что замена их на сложные и дорогие не имеет смысла, особенно при нынешнем уровне цен на ВТСП материалы. В результате, все мировые проекты (в отличие от кабелей и СОТ) уместились на одной картинке (Рис.10). Не приведены и данные о потреблении ВТСП материалов для трансформаторов.

Рис. 10 Направления разработок ВТСП трансформаторов в мире.

Однако есть вариант, когда ВТСП трансформаторы могут быть востребованы – это если удастся придать им токоограничивающие свойства – что вполне возможно. Этот вопрос обсуждается, но пока сообщений о реальных проектах нет. Хотя токоограничивающий и пожаробезопасный ВТСП трансформатор мог бы быть востребован.

Вращающиеся машины.

Работы ведутся повсеместно, но особо новых данных приведено не было. Мировые тенденции так же уместились на одном слайде.

Пока наилучшим достижением остаются разработки AMSC: 36.5 МВт мотор для судов так же судовой двигатель на 4 МВт от Сименса. Так же разработки судовых двигателей популярны в Японии и Корее (рис. 11).

Рис. 11 Направления разработок ВТСП вращающихся машин в мире.

Однако следует отметить одну тенденцию, которая ясно звучала по разработкам ВТСП генераторов и на МТ-22 и на EUCAS: ветрогенераторы. Это без сомнения сейчас очень «модная» тема, как и вообще тема возобновляемой электроэнергетики.

Суть в том, что современные ветрогенераторы (которыми, например, утыкана сейчас вся Голландия, что нельзя было не заметить участникам EUCAS) работают с использованием механических редукторов, которые малонадежны и могут сломаться (да и ломаются) при ураганах. Кроме того, имеется необходимость повышать единичную мощность ветряка до 10 МВт при одновременном сохранении скорости вращения на уровне 8-10 оборотов в минуту. Расчеты и анализ показывают, что вес ветрогенератора на 10 МВт, который надо размещать на башне, составит около 500 тонн при механическом редукторе, около 200 тонн при использовании машины с постоянными магнитами и всего 50-55 тонн при использовании ВТСП генератора. Таким образом, ВТСП генератор для мощных ветрогенераторов может оказаться enabled технологией и хорошей нишей для применения.

Сверхпроводящие индуктивные накопители.

Поскольку современные ВТСП проводники не могут держать достаточно большое поле в жидком азоте, все разработки ВТСП СПИН направлены на их использование при пониженных температурах. Уровень запасенной энергии пока не превысил 3.5 мДж при температуре жидкого гелия, что нельзя назвать выдающимся результатом (рис. 12). Возникает вопрос: зачем использовать сверхдорогие ВТСП при жидком гелии, когда есть простые, надежные и намного более дешевые NbTi и NbSn? Ответ видимо заключается в перспективе повышения магнитного поля, а, следовательно, и запасенной энергии до уровней, недостижимых обычными НТСП, но вполне возможными при использовании ВТСП (20 Тл и более в больших объемах). Поживем – увидим. Но направление использования ВТСП при низких температурах для достижения больших магнитных полей, видимо имеет смысл и этим надо заниматься.

Рис. 12 Направления разработок ВТСП СПИН мире.

Рис. 13 Рост производства ВТСП-2 по годам.

ВТСП материалы.

Конечно, любое применение не может быть разработано, если нет базовых материалов. Конец доклада проф. М. Парка был посвящен именно этому.

ВТСП материалы 2-го поколения интенсивно разрабатываются и уже есть на рынке. Компании AMSC и SuperPower продают их по всему миру. Величина тока и его однородность по длине – постоянно повышаются. На рис. 13 представлены успехи по разработкам и производству ВТСП – 2-х различных компаний. Хотя компания Fujikura демонстрирует самый большой рост производства в кАм – ее провода, как и другие японские провода пока что не выставлены на открытый рынок. Реальным рыночным лидером является пока что компания SuperPower. Тем более, что проводники компании AMSC имеют слабый ферромагнетизм подложки. Это приводит к дополнительным потерям на переменном токе и ограничению их использования в устройствах переменного тока, например, в кабелях.

Казалось бы все не так плохо, однако цены совершенно неподъемные. На рис. 14 показаны ожидаемые тенденции снижения цен в 2002 году, однако эти ожидания не сбылись.

Великолепные ленты ВТСП – 1 компании Сумитомо электрик из-за сверхвысокого курса йены все еще стоят на уровне 150 $/кАм, а реальные цены на ленты ВТСП – 2 пока в 1.5-2.5 раза больше показанной на рис. 14 цены в 200$/кАм. Так что до экономической эффективности ВТСП применений пока еще далековато, и только увеличение потребности в ВТСП устройствах, а за ними и выпуска ВТСП проводников может раскрутить механизм снижения цен.

При этом следует отметить, что Министерство энергетики США (DOE) с 2010 финансового года престало финансировать разработки ВТСП-2, считая это уже рыночным продуктом. Возможно, это приведет к росту цен на американские ВТСП-2.

Отсюда следует немаловажный вывод, что разработка отечественных ВТСП-2 проводов может оказаться выгодной даже и экономически. Поэтому ее надо всячески поддерживать и развивать.

Рис. 14 Надежды 2002 года и реальность 2011 по ценам на ВТСП материалы.

Если по ВТСП – 1 реальная цена действительно около 150 $/кАм,

то на ВТСП -2 она намного выше 200 $/кАм.

В заключение М.Парк показал оценку потребности в ВТСП -2 для различных проектов (рис. 15) из доклада М.Noe на ASC-2010 из которого видно, что современное производство ВТСП-2 не покрывает мировые потребности в материале. Откуда опять же следует вывод о перспективности развития собственного производства ВТСП материалов.

Рис. 15 Оценка годовой потребности ВТСП-2 для разработок электроэнергетических устройств.

Заключение.

В год столетия сверхпроводимости можно отметить, что низкотемпературная сверхпроводимость нашла свою нишу, где достигла больших успехов: создание сильных магнитных полей, особенно в больших объемах. Особенно это относится к производству МРТ томографов для медицины, рынок которых составляет около 3 миллиардов Евро в год.

Основное направление использования ВТСП - электроэнергетика, где не требуется слишком сильных магнитных полей. Большинство ВТСП применений пока еще в разработках, однако, силовые кабели уже рассматриваются как предкоммерческие изделия.

Сверхпроводящие ограничители тока – продолжают интенсивно разрабатываться, несколько устройств на распределительных напряжениях проходят полевые испытания. Однако целью должны быть СОТ на напряжения 100 кВ и выше, где нет устройств, которые могли бы соперничать с ВТСП СОТ.

ВТСП трансформаторы могут быть востребованы в случае осуществления токоограничивающих функций. В обычном виде они имеют мало перспектив, в особенности из-за цены исходного сверхпроводника.

Важная ниша для вращающихся машин – мощные ветрогенераторы, где ВТСП машины могут стать enabled технологией. Кроме того, возможно развитие транспортных применений, в основном для морских судов.

ВТСП СПИН-ы могут рассматриваться в перспективе, если удастся увеличить магнитное поле при низких температурах. Скорее всего, в гибридных системах (NbTi+Nb3Sn+YBCO).

ВТСП материалы активно разрабатываются, но цены пока намного выше желаемого уровня. Кроме того, мировой выпуск ВТСП материалов не покрывает потребностей разработок ВТСП электроэнергетических устройств.

Вступая в свой второй век со дня открытия, сверхпроводимость все еще имеет большие перспективы и интереснейшие задачи! Надо продолжать работать!

В.С. Высоцкий

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.