НТЦ ФСК ЕЭС обсудил развитие технологий сверхпроводимости с японским университетом Чубу

В Москве руководители Научно-технического центра ФСК ЕЭС (НТЦ ФСК ЕЭС) и Центра прикладной сверхпроводимости и исследований устойчивой энергетики Японии (Университет Чубу, г. Касугаи) обсудили перспективы разработок и практического внедрения суперпроводников. Были представлены промежуточные итоги внедрения высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии (ВТСП) в Санкт-Петербурге, являющейся крупнейшей в мире по протяженности. Разработкам ФСК ЕЭС в этой области Минэнерго России присвоен статус национального проекта.
 
Стороны обсудили возможность тиражирования и масштабирования технологий ВТСП, создания протяженных (длиной 10 км и более) линий электропередачи на основе высокотемпературной сверхпроводимости. В ходе посещения испытательного полигона российская сторона продемонстрировала работу системы криогенного обеспечения и непосредственно ВТСП кабельной линии.
 
Разработка и ресурсные испытания ВТСП кабельной линии постоянного тока НТЦ ФСК ЕЭС завершены в 2017 году, ее длина составляет 2,5 километра. На сегодняшний день завершаются испытания аварийных режимов и создание системы автоматической блокировки и защит, а также идет подготовка к прокладке линии между действующими энергообъектами в Санкт-Петербурге – подстанциями «Центральная» и «Р-9». Завершить работы по строительству, монтажу и запуску планируется в 2020 году.
 
Применение высокотемпературных сверхпроводников – глобальный тренд для ряда отраслей, в том числе энергетики. В сетевом комплексе внедрение ВТСП кабельных линий позволяет передавать большую мощность на низком напряжении, свести потери к минимуму, до 20% снизить затраты на сооружение линий. Технология эффективна при строительстве кольцевых схем и энергомостов, систем выдачи мощности крупных генерирующих объектов, включая АЭС.
 
В мегаполисах использование кабеля позволит осуществлять более гибкую планировку застройки и размещения центров потребления за счет наращивания мощности по мере развития районов без необходимости прокладывания дополнительных кабельных линий, а также значительно понизить класс напряжения при передачи большой мощности. 
 
Проект, реализуемый ФСК ЕЭС, является межотраслевым. Помимо применения в электрических сетях, результаты проекта могут быть внедрены во все энергоемкие отрасли промышленности, транспортные предприятия с большой долей энергопотребления, в нефтехимическом и горнодобывающем секторе. Масштабирование технологий на основе высокотемпературной сверхпроводимости будет способствовать росту энергоэффективности экономики страны. 
 
В мире насчитывается несколько десятков экспериментальных кабельных линий, созданных с целью изучения возможности передачи электроэнергии с использованием эффекта сверхпроводимости протяженностью не более 1 км. Разработки ВТСП кабельных линий протяженностью в несколько километров ведутся в России и Японии, а также в Республике Корея, США и Европейском союзе.
 

Справочно:

В 1911 г. голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес, измеряя температурную зависимость электрического сопротивления ртути, обнаружил, что при понижении температуры до 4.15 К (кельвинов) оно резко падает до неизмеримо малой величины. 
В 1986 г. немецкие физики Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли сверхпроводимость при температуре около 30К (высокотемпературная сверхпроводимость), что было удостоено Нобелевской премии.
Изделия на основе низкотемпературных сверхпроводников внедрены в узкие сферы промышленности, в частности, 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). 
ВТСП кабельные линии (ВСТП КЛ) передают значительную мощность при минимальном сечении, обладают большей пропускной способностью, чем традиционные кабели. При прохождении тока через сверхпроводник не выделяется тепло, магнитное поле локализовано внутри кабеля, практически отсутствуют потери электроэнергии, тем самым решается главная проблема сетей.
При современном уровне развития сверхпроводниковой и криогенной техники (техники глубокого охлаждения) возможно создание длинных сверхпроводящих кабельных линий постоянного тока для передачи энергии на расстояния в десятки километров. Мощность единичной линии может достигать нескольких гигаватт, а потери энергии в ней будут в 2-3 раза ниже, чем в классических воздушных ЛЭП.
Внедрение ВТСП КЛ в условиях мегаполисов позволит передавать электроэнергию с минимальными потерями, снизить затраты на строительство кабельной линии до 20% по сравнению с традиционными кабельными линиями, сократить затраты при строительстве энергомостов и кольцевых схем, а также передавать мощности энергоемким потребителям, для которых не могут использоваться высоковольтные линии. 
Кроме этого в больших городах станет возможным высвободить значительные площади земли, улучшить экологию за счет снижения электромагнитных воздействий и в целом повысить уровень пожарной безопасности.
При передаче на большие расстояния при использовании ВСТП КЛ постоянного тока значительно снижается стоимость всей инфраструктуры кабельной линии за счет понижения класса напряжения и увеличения единичной мощности передачи за счёт увеличения рабочих токов. Отсутствует падение напряжения по длине линии, что существенно для протяжённых линий. 
Разработки ВТСП кабеля широко ведутся в США, Европе, Южной Корее, Японии, Китае и России. Ряд ВТСП кабельных линий длинами от 30 м до 1000 м установлены для опытной эксплуатации. Второй в мире по длине кабель (1000 метров) используется в проекте AmpaCity в городе Эссен (Германия). ВТСП КЛ переменного тока, внедренная в 2014 году в энергосистему города, в настоящее время соединяет две подстанции и обеспечивает переток энергии.
К 2025 году ожидается значительное снижение стоимости высокотемпературных сверхпроводников, которые являются основным материалом при изготовлении кабельных линий. По оценкам экспертов, стоимость ВТСП снизится до уровня сопоставимого со стоимостью меди в традиционных силовых кабелях.
В России сначала по инициативе РАО «ЕЭС России», а затем ПАО «ФСК ЕЭС» начали проводиться работы, целью которых является создание ВТСП КЛ постоянного и переменного токов на напряжение 20 кВ. 
В 2015 году АО «НТЦ ФСК ЕЭС» завершило пятилетний проект по созданию ВТСП КЛ постоянного тока длиной 2500 метров с током 2500 Ампер на напряжении 20 киловольт. 
К 2016 году ВТСП кабельная линия постоянного тока изготовлена в полном объеме.
За 2016 год подготовлена экспериментальная база на полигоне АО «НТЦ ФСК ЕЭС» для проведения масштабных ресурсных испытаний ВТСП кабельной линии постоянного тока в сборе со штатной автономной криогенной системой.
В настоящее время завершен этап ресурсных испытаний ВТСП КЛ постоянного тока, в ходе которого на полигоне осуществлен монтаж линии, пуско-наладочные работы на СКО (системе криогенного обеспечения), доработка программного обеспечения системы управления СКО и программного обеспечения системы управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) ВТСП КЛ (фактически, осуществляется полная имитация рабочего режима на объекте установки ВТСП КЛ в Санкт-Петербурге).
На следующем этапе будет проведена прокладка испытанной ВТСП КЛ между действующими энергообъектами в Санкт-Петербурге – подстанциями «Центральная» и «Р-9». Проект получил положительное заключение Главгосэкспертизы РФ. В 2018 году планируется проведение закупочных процедур на заключение комплексного договора подряда. В период 2018-2020 гг. – проведение строительно-монтажных и пуско-наладочных работ.