Сверхперспективы сверхпроводников

Нулевое сопротивление

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Каммерлинг-Оннесом. Он обнаружил, что при достижении определённой, очень низкой температуры сопротивление некоторых материалов резко падает до нуля. Впоследствии был открыт широкий спектр элементов (на сегодняшний день известно 27) и сплавов (более 1000), демонстрирующих явление сверхпроводимости.

Хорошо изучены два класса сверхпроводящих материалов: так называемые низкотемпературные, работающие при температурах жидкого гелия, и высокотемпературные (ВТСП), для охлаждения которых применяется жидкий азот. Изделия на базе низкотемпературных сверхпроводников давно внедрены в узкие сферы промышленности, в частности, они применяются в ускорителях частиц, установках термоядерного синтеза и магнитных медицинских томографах. Например, низкотемпературные сверхпроводящие кабели российского производства используются в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).

В энергетике востребован второй класс – высокотемпературные сверхпроводники второго поколения (первое или второе поколение ВТСП – зависит от используемых химических соединений). Применение в системах охлаждения достаточно несложного в обращении жидкого азота серьёзно расширило спектр областей промышленного использования сверхпроводников. Базовый продукт ВТСП-индустрии – СП-лента (или СП-провод) толщиной около 0,1 мм с последовательно нанесёнными на неё слоями. Это изделие можно назвать по-настоящему «инновационным»: при длине до 1 км данная лента имеет шероховатость не более 10–20 нанометров, а количество слоёв доходит до 10. Из ВТСП-ленты производят различные изделия: сверхпроводящие кабели, ограничители тока, силовые установки, накопители энергии и ряд других.

Передать больше

По данным экспертов, благодаря высокой токонесущей способности высокотемпературный сверхпроводящий кабель может передавать в пять раз больше энергии, чем медный провод такого же размера (даже с учётом наличия системы охлаждения). Это свойство делает эти кабели очень перспективными для использования в мегаполисах, где часто нет возможности построить новую подстанцию или выкопать подземный тоннель нужного диаметра из-за плотной застройки.

По данным «СуперОКС» – российской компании, имеющей полный цикл производства ВТСП-материалов и изделий, подземный силовой кабель напряжением до 20 кВ на основе ВТСП заменяет собой воздушную ЛЭП на 110 кВ. ВТСП-ограничитель тока обладает уникальными характеристиками по быстродействию (1 мс) и является самовосстанавливающимся.

Сверхпроводниками в России занимается также госкорпорация «Росатом», причём с недавних пор весьма активно. «Росатом» стал головной организацией в президентском проекте «Сверхпроводниковая индустрия», а созданное госкорпорацией АО «Русский сверхпроводник» за 5 лет смогло создать производство ВТСП-ленты второго поколения с единичной длиной в 1 км и опытные образцы ряда ВТСП-изделий.

На пороге сверхпроводимости

Несмотря на то что явление сверхпроводимости известно более 100 лет, а за изучение темы учёные получили несколько Нобелевских премий, мир только стоит на пороге полномасштабного внедрения высокотемпературных сверхпроводниковых устройств в энергетику. В различных странах сегодня работает десять ВТСП-токоограничивающих устройств – все они запущены как первые пилотные проекты, сказал «Перетоку» гендиректор «СуперОКС» Сергей Самойленков. В германском Эссене с сентября 2014 года эксплуатируется самый длинный в мире сверхпроводниковый кабель протяженностью 1 км, рассчитанный на передачу 40 МВт мощности от одной подстанции до другой. В Нью-Йорке включён в сеть 600-метровый кабель на острове Лонг-Айленд. О планах по внедрению СП-кабеля заявила весной этого года южно-корейская энергетическая компания LS Cable & System.

В России первое промышленное ВТСП-устройство скоро будет внедрено в энергосистему Москвы. «Мы скоро начнём строительно-монтажные работы на подстанции Мнёвники, где будет впервые в России установлено (сверхпроводниковое. – Прим. «Перетока») токоограничивающее устройство. Интересны также разработки в части применения сверхпроводникового кабеля», – сказал в интервью в ходе Петербургского международного экономического форума этим летом руководитель департамента топливно-энергетического хозяйства города Павел Ливинский. По его словам, эти технологии позволят создать дополнительную надёжность работы подстанций и помогут предотвратить отключения потребителей.

АО «Русский сверхпроводник» в свою очередь нацелен на энергетические системы железных дорог. РЖД сотрудничает с «Росатомом» в рамках своего соглашения о научно-техническом сотрудничестве, и одно из направлений совместной деятельности как раз затрагивает сверхпроводниковые изделия. «Мы завершили первый этап испытаний сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ), подтвердив его работоспособность. Не было выявлено каких-либо сбоев, токоограничитель выполнил свои функции», – сказал «Перетоку» руководитель проекта сверхпроводниковых материалов и устройств «Русского сверхпроводника» Андрей Кащеев. По его словам, на осень намечен второй этап – определение конкретных мест, где это устройство может быть интегрировано в сети РЖД. Испытания СОТ велись на полигоне в Щербинке – специализированном месте, предназначенном для тестирования и сертификации оборудования «Российских железных дорог».

Испытания и сертификация устройств, в том числе сверхпроводниковых, предназначенных для внедрения в распределительные электрические сети, проводятся на полигоне «Научно-технического центра ФСК ЕЭС». Организация разрабатывала НИОКР использования ВТСП кабельной линии длиной 200 м для установки в опытно-промышленную эксплуатацию на ПС 100 кВ «Динамо», однако о перспективах внедрения этой линии на данный момент информации нет.

«В части внедрения токоограничитель является более типовым устройством, чем сверхпроводящая кабельная линия, – сказал Андрей Кащеев, поясняя, почему именно СОТ внедряется в промышленную эксплуатацию первым. – Внедрение сверхпроводникового кабеля требует разработки отдельного проекта под каждую площадку. Тем более что в случае с СП-кабелем речь идёт о стоимостных показателях на порядок выше, чем для СОТ. По мере формирования рынка СП-устройств произойдут стандартизация и формирование типоразмерной линейки элементов сверхпроводниковых устройств, что сделает промышленное внедрение более лёгким», – отметил он.

Сопротивление бесполезно

«В будущем это революция, технологический прорыв в энергетике. Сейчас мы стоим на его пороге», – сказал Павел Ливинский в интервью, говоря о сверхпроводниковых технологиях. Но полномасштабному внедрению их в энергетику мешают и недостаточная информированность отраслевых специалистов о новейших технологиях, и – пока ещё – достаточно высокая стоимость ВТСП-изделий.

Рынка СП-устройств пока нет ни в России, ни в мире, говорит Андрей Кащеев. Для этого есть ряд причин: во-первых, ВТСП-лента остаётся достаточно дорогим продуктом. «Например, прогнозы 2003–2004 годов говорили, что к 2016 году стоимость ленты составит около 50 долларов за килоампер/метр. Этого не случилось, сегодня средняя стоимость – около 350 долларов», – сказал эксперт. Во-вторых, разработчики пытаются повысить токонесущую способность ленты до 850 ампер на сантиметр ширины ленты (сейчас этот показатель доходит до 600–700 А/см). «Когда будут достигнуты оптимальные технико-экономические показатели ленты, можно ожидать более масштабного развития рынка СП-устройств», – считает он.

Впрочем, уже в следующем году объём рынка ВТСП-ленты достигнет 1 млрд долларов, прогнозирует «СуперОКС». По данным аналитической компании Wise Guy Consultants, объём рынка сверхпроводниковых изделий в целом в 2015 году составил 1,8 млрд долларов, а к 2022 году он вырастет до 5,8 млрд. К 2040 году наиболее вероятный прогноз суммарного объёма спроса на ВТСП-технологии составляет от 6 до 17 млрд долларов, говорится в презентации директора по развитию «Русского сверхпроводника» Виктора Панцырного.

В области высокотемпературной сверхпроводимости продолжаются активные разработки: начиная от маглевов – «парящих» поездов на базе магнитной левитации (ещё одном свойстве сверхпроводниковых материалов) до энергодвигателей для авиации, судов и общественного электрического транспорта.