Развитие возобновляемых источников энергии ставит вопрос о передаче электричества на большие расстояния. В самом деле, солнечные панели лучше размещать ближе к экватору, а ветряки — на берегу моря. К тому же есть еще геотермальные, приливные и некоторые другие виды электростанций, которые сулят получение очень дешевой электроэнергии, но могут размещаться строго в определенных географических точках. Одна из причин, почему не сбываются прогнозы о полном переходе к альтернативной энергетике, — ограничения на длину линий электропередачи. В то же время и здесь технологии не стоят на месте, предлагая новые решения.
Традиционный подход к построению энергосистемы подразумевает строительство тепловой станции вблизи главных потребителей электроэнергии (в том же или соседнем субъекте Федерации) с доставкой туда топлива через трубопровод либо по железной дороге. По такому же принципу выбирают место и для атомных станций. Гидроэлектростанции строят там, где есть крупные реки. Как правило, это означает близость к потребителям энергии, поскольку исторически именно вблизи судоходных рек возникали основные центры экономической активности. Тем не менее уже для этого вида генерации иногда могут возникать диспропорции: в Сибири расположены самые мощные ГЭС, но они производят больше энергии, чем могут потребить в ближайших регионах.
Проектируют линии электропередачи (ЛЭП) исходя из того, чтобы в них терялось не более 10% энергии. Поэтому длина ЛЭП, за редким исключением, не превышает 2500 км. Причем такая длина характерна уже для уникальных проектов, большинство магистральных линий на переменном токе имеют длину, не превышающую 300 км. По данным автора статьи, самая протяженная ЛЭП, построенная в России после распада СССР, имеет длину 734 км, она соединяет Омскую и Новосибирскую области. Возвели ее в 2008 году вместо существовавшей с советских времен линии, соединяющей эти два региона через территорию Казахстана. Система работает на пере-менном токе, напряжение 500 кВ.
Обеспечение баланса в энергосистеме
Протяженность Российской Федерации с запада на восток составляет около 10 000 км. В нашей стране 11 часовых поясов. Соответственно, ЛЭП, предназначенная для обмена электроэнергией между территориями, расположенными в соседних часовых поясах, должна иметь протяженность порядка 900 км. Теоретически ЛЭП на 500 кВ может иметь длину до 1200 км, этого как раз хватает на соединение соседних часовых поясов. Но большая протяженность РФ с запада на восток дает стране уникальное преимущество — можно было бы осуществлять переброску электроэнергии с одного конца страны, где ночь, в другой конец, где в это время день. В итоге стоимость электроэнергии снижается. Вот, кстати, важный стимул развивать передачу электроэнергии на большие расстояния в нашей стране.
Идеи переброски электроэнергии между часовыми поясами вынашивались еще с советских времен. С 1980 по 1990 годы в СССР строилась линия «Итат – Барнаул – Экибастуз – Кокчетав (Кокшетау) – Кустанай – Челябинск» длиной 2344 км. Рабочее напряжение — 1150 кВ переменного тока.
Линия охватывала три часовых пояса, она про-ходила по территориям РСФСР и Казахской ССР. Частично ее ввели в эксплуатацию в 1988 г., полностью проект так и не был реализован. После распада СССР линия была разделена на два российских и один казахский сегмент, позже большая часть линии была переведена на напряжение 500 кВ. С тех пор в России ЛЭП такой длины пока больше не строились. Также стандарт 1150 кВ переменного тока распространения ни в России, ни в мире не получил из-за сложности реализации.
Передача электроэнергии на расстояния порядка нескольких тысяч километров позволяет, помимо экономии на генерирующих ресурсах, радикально повысить надежность энергоснабжения. При возникновении масштабной аварии энергоснабжения, например, в центральной части России, туда можно будет быстро подать электричество от мощных ГЭС, расположенных в Сибири. Существующие ЛЭП на это не способны, максимум их возможностей — подача электроэнергии из соседнего региона.
HVDC
Чем выше напряжение в линии, тем меньше в ней потери при передаче электроэнергии из-за сопротивления проводов. Соответственно, увеличить дальность передачи можно, повысив напряжение. Другой фактор, ограничивающий длину ЛЭП, — потери на электромагнитное излучение в окружающее пространство, характерные для пе-ременного тока. Если использовать постоянный ток, то можно снизить потери при передаче.
Исторически первые линии электропередачи в XIX веке использовали постоянный ток, но потом предпочтение отдали переменному, т. к. перешли на более высокие напряжения. Для преобразования напряжения имелись только трансформаторы. В 30-х годах XX века к идее построения ЛЭП большой длины на постоянном токе вернулись на уровне создания опытных образцов оборудования. Первые реально работающие линии были построены в 50-х годах. Но широкого распространения они не получили, поскольку в них использовались ртутные выпрямители и умформеры (связка из двигателя постоянного тока и динамомашины, предназначенная для преобразования постоянного тока в переменный). Данные устройства требовали регулярного обслуживания. Мощные полупроводниковые приборы для преобразования переменного тока в постоянный и обратно стали использоваться с 1972 года, что открыло широкие перспективы перед линиями на постоянном токе.
Иногда технологию построения линий на 1100 кВ постоянного тока выделяют в отдельную категорию UHVDC, т. е. Ultra Hight Voltage Direct Current, ультравысокое напряжение постоянного тока.
Соединение повышенного напряжения и передачи на постоянном токе дало в результате технологию, обозначаемую аббревиатурой HVDC. Она расшифровывается как High Voltage Direct Current, что в переводе с английского означает «Высокое напряжение постоянного тока». Напряжение в такой линии может достигать 1100 кВ. Самая длинная из действующих ЛЭП, запущенная в эксплуатацию в 2019 году, базируется как раз на технологии HVDC, передача осуществляется при напряжении 1100 кВ. Длина этой ЛЭП составляет 3300 км, расположена она в Китае.
К преимуществам HVDC, помимо большой длины линии, относится также отсутствие необходимости синхронизировать частоты между сегментами электрической сети, которые связывает линия. Это важно для экспортных поставок электроэнергии, поскольку не требуется дополнительно создавать трансграничные вставки постоянного тока между странами, энергосистемы которых не синхронизированы.
К 2029 г. должно быть завершено строительство подводной кабельной HVDC-линии между Марокко и Великобританией. Она будет состоять из четырех подводных кабелей, по которым на Туманный Альбион будет доставляться энергия с солнечной электростанции в Марокко. Электроэнергия, как планируется, будет передаваться на расстояние 3800 км. По состоянию на 2022 г. производятся проектно-изыскательские работы, данных о рабочем напряжении линии, а также конструкции кабеля в открытой печати пока не было опубликовано.
Линии HVDC на расстояние более 4000 км в обозримом будущем строить не планируется. Переход на постоянный ток решает проблему с потерями из-за электромагнитного излучения, но потери при передаче из-за сопротивления линии по-прежнему остаются.
Сверхпроводящие кабели
При температуре ниже определенной критической точки электрическое сопротивление определенных материалов становится равно нулю. Для электроэнергетики представляют интерес так называемые высокотемпературные сверхпроводники, критическая точка которых лежит выше температуры кипения азота (77 K или -196 °C). Высокотемпературными эти сверхпроводники названы потому, что для их охлаждения нужен азот, а не гелий, но речь все равно идет о температурах ниже -190 °C. Дело в том, что жидкий азот относительно дешев и с ним проще работать, чем с гелием. Цены на жидкий азот составляют 20-45 руб. за литр, а цены на жидкий гелий — 1500-3000 за литр.
Самая длинная сверхпроводящая ЛЭП в мире протяженностью 2,5 км с 2021 года строится в Санкт-Петербурге. Жилы кабелей выполнены из сплава висмута и серебра, который является высокотемпературным сверхпроводником. Жидкий азот проделывает в кабеле путь туда и обратно, в сумме это пять км. В трубопроводе такой длины азот ближе к концу переходит в газообразное состояние. Чтобы этого не происходило, параллельно с кабелем идет трубопровод с жидким гелием, который охлаждает азот, омывающий проводящие жилы. То есть в итоге от использования дорогостоящего гелия уйти не удалось именно из-за большой (по меркам сверхпроводящих кабелей) длины.
Поэтому в обозримом будущем вряд ли будут созданы сверхпроводящие линии длиной порядка нескольких сотен километров, не говоря уже о ЛЭП, превосходящих HVDC по длине. Основным предназначением почти всех имеющихся в мире ЛЭП на основе сверхпроводящих кабелей — обеспечение соединения между подстанциями в крупном мегаполисе, что значительно повышает надежность сети. Для этой же цели возводится и сверхпроводящая линия в Санкт-Петербурге.
Транспортировка водорода
В будущем основным потребителем электроэнергии станет электротранспорт. Вместо аккумуляторов предлагается устанавливать в электромобили топливные элементы на основе водорода. По мере выработки ресурса картриджи с водородом меняются на другие. Топливные элементы поддаются многократной заправке.
Рядом с электростанцией можно организовать производство водорода по технологии электролиза. Затем полученный водород транспортировать по трубопроводу, перевозить танкерами по морю или иным способом. Дальность транспортировки при этом почти не ограничена. Фактически это альтернатива передаче электроэнергии по кабелям.
Но в настоящее время технология выработки водорода электролизом недостаточно развита. По данным Российского научного фонда, всего 2 % водорода в мире сейчас производится электролизом, 75 % — вырабатывается из природного газа. Оставшаяся доля приходится на производство водорода таким «грязным» способом, как сжигание угля.
Причина — в дороговизне водорода, получаемого электролизом. Если H2, получаемый из природного газа, стоит в среднем 1,7 долл. за килограмм, то в случае электролиза его цена возрастает до 5-10 долл. за килограмм. Для России с ее запасами газа выгоднее производить водород из природного газа (кроме вариантов с использованием энергии от атомных электростанций). Данная продукция в теории может иметь экспортный потенциал. Но это уже будет производством топлива, а не передачей электроэнергии, поэтому рассмотрение такого способа выработки водорода выходит за рамки статьи.
Технология электролиза, по оценке автора статьи, может себя окупить, если она используется вместе с солнечной электростанцией, установленной в пустыне. Но там возникнут проблемы, связанные с подачей воды на объект и транспортировкой готового водорода. Возможно, оптимальным сочетанием станет завод по электролизу, расположенный вблизи морского порта, соединенный линией HVDC с солнечной электростанцией.
Выводы
В обозримом будущем основным средством передачи электроэнергии на большие расстояния останется HVDC. Сверхпроводящие кабели в таком качестве рассматривать пока просто невозможно. Передача электроэнергии посредством выработки водорода путем электролиза с его последующей транспортировкой пока экономически неэффективна. Тем не менее такой вариант вполне возможен, если технология будет значительно усовершенствована либо Евросоюз будет продвигать этот способ получения водорода вне-экономическими методами.
Линии HVDC уже сейчас способны передавать электроэнергию на расстояние до 3300 км. Этого недостаточно, чтобы передавать в Москву или Санкт-Петербург электроэнергию с ГЭС, расположенных в Сибири. Но уже вполне реально передавать электричество в промышленно развитые регионы Северо-Запада от солнечной электростанции, расположенной в Краснодарском крае. Другой вопрос, что в ситуации избытка энергоносителей на внутреннем рынке такой проект не имеет смысла. Для России строительство протяженных ЛЭП на основе HVDC необходимо для снижения цен на электроэнергию в центральных областях и Поволжье, чтобы в итоге обеспечить конкурентоспособность отечественной промышленной продукции.
Знаковым событием станет реализация проекта HVDC линии между Марокко и Великобританией. В Марокко 300 солнечных дней в году, расположенная там солнечная электростанция является более стабильным источником, чем ветряки в Северном море. Только после пуска этой линии в 2029 году (если не помешают нерешенные технические задачи и экономические проблемы) можно говорить о реальном переходе на зеленую энергетику в Европе. Реализация передачи электричества почти на 4000 км уже позволяет получать в промышленно развитых регионах энергию от солнечных электростанций, размещенных там, где ясная погода круглый год. Но до появления таких линий пройдет несколько лет, на протяжении которых придется искать иные способы преодоления энергетического кризиса.
