В этом году в Санкт-Петербурге завершится уникальный энергетический проект, не имеющий аналогов в России и мире по протяженности высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) линии электропередачи — 2,5 км. Мы рассказывали о нем в одной из предыдущих публикаций (ссылка в конце статьи).
Эксперты подчеркивают, что запуск ВТСП КЛ, которая соединит подстанции 330 кВ «Центральная» и 110 кВ «РП-9» и позволит передавать до 50 МВт мощности на среднем напряжении 20 кВ, является знаковым событием в электроэнергетике, очередным достижением отечественной отрасли сверхпроводников.
Мы поговорили подробнее о данном проекте и его уникальности, а также преимуществах и недостатках кабельных линий на основе ВТСП с младшим научным сотрудником Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск) Сергеем Васильевым.
— В чем уникальность проекта ВТСП КЛ в Санкт-Петербурге?
— Проект ВТСП КЛ в Санкт-Петербурге имеет целый ряд уникальных особенностей:
- Длина кабельной линии составляет 2,5 тыс. м — это самая протяженная на данный момент линия из ВТСП кабеля. Раннее рекорд принадлежал проекту AmpaCity в Эссене, Германия. Длина этой линии составляет 1 км.
- Пропускная способность линии 50 МВт — это рекордно высокое значение для ВТСП кабелей. Второе место занимает ВТСП КЛ упомянутого AmpaCity — его проектная пропускная способность составляет 40 МВт.
- Используются инновационные криогенные решения для охлаждения кабеля жидким азотом. Криогенная система является закрытой и имеет общую длину 5 км, что также делает ее уникальной. Сейчас только у России имеются решения по разработке и созданию автоматизированной системы криогенного управления замкнутого цикла.
Успех питерского проекта будет означать прорыв в практическом применении ВТСП технологий в электроэнергетике. По мнению специалистов, этот проект является пилотным и закладывает базу для обоснования перспективных проектов модернизации систем энергоснабжения мегаполисов, которые сейчас обсуждаются и разрабатываются во многих развитых странах мира.
— Что уже сегодня можно сказать о преимуществах и недостатках ВТСП КЛ в сравнении с традиционными ЛЭП?
— Кабельные линии на основе ВТСП имеют несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционными ЛЭП:
- Высокая эффективность передачи энергии при сравнительно низком передаваемом напряжении, позволяющая упростить и удешевить инфраструктуру систем передачи электроэнергии.
- Обычный кабель сопоставимых размеров физически не способен передать необходимую мощность, которая, к тому же, постоянно растет в связи с ростом энергопотребления, поэтому приходится прокладывать несколько линий, а это более сложная задача, часто неосуществимая из-за отсутствия достаточных ресурсов городской инфраструктуры, особенно в условии городов с высокой культурной и исторической ценностью. Например, в центре Санкт-Петербурга, где находится много архитектурных и исторических объектов, найти необходимое свободное место очень сложно. Приходится выбирать, что важнее: обеспечить Северную столицу России электроэнергией на новом технологическом уровне или сохранить ее культурно-историческое наследие, признанное сокровищницей мира.
- Большая передаваемая мощность: ВТСП КЛ способна передавать больше электроэнергии по сравнению с традиционными ЛЭП, благодаря своей способности не иметь сопротивления и потерь.
- ВТСП КЛ может справляться с высокими токовыми нагрузками, работая при увеличенных плотностях тока.
- Более низкий класс напряжения, как правило, предпочтительнее для города с точки зрения экологии и безопасности.
К недостаткам ВТСП КЛ можно отнести следующие:
- Сложная технология изготовления ВТСП КЛ и сопутствующих компонентов (например, соединительных и концевых муфт с интегрированными средствами компенсации термических деформаций кабеля), иногда недоступная одной фирме.
- ВТСП КЛ требует охлаждения до низких температур чтобы достичь сверхпроводимости. Это накладывает специальные требования на систему охлаждения, которая сложна технически и является чрезвычайно дорогостоящей. Стоит отметить, что криогенные станции должны размещаться вдоль линии с максимальным шагом 45-75 км.
- Вызванные в связи с этим сложности в обслуживании ВТСП КЛ.
- Технологические ограничения по обеспечению равномерного охлаждения кабельной линии из-за необходимости перекачки хладагента на большие расстояния. Сделать подобный кабель длиной в сотни километров, к сожалению, на данный момент является невыполнимой задачей.
— Действительно ли такая кабельная линия способна передавать большую мощность (в перспективе до 200-300 МВт) практически при нулевых потерях?
— Непосредственно сверхпроводящий кабель постоянного тока хоть и не имеет потерь энергии, однако при его использовании появляются дополнительные потери энергии в различных преобразователях постоянного напряжения, в соединительных и концевых муфтах, а также в криогенных системах для охлаждения азота. Проектом предусматривается разработка и внедрение технологий, которые позволят сократить расход электроэнергии на собственные нужды подстанций в два раза.
Теоретически при сегодняшнем уровне характеристик материалов возможна передача энергии 150-300 МВт при напряжении 20 кВ и до 1 000 МВт при 110 кВ. Насколько теория будет согласовываться с практикой покажет только опытная эксплуатация реальной установки, а полученный опыт позволит рассмотреть возможность создания ВТСП КЛ для передачи мощностей до 200-300 МВт.
— Насколько вероятно масштабирование данного проекта?
— В настоящее время возможности масштабирования проекта рассматриваются специалистами, поэтому однозначного ответа на этот вопрос пока нет. В целом же возможность масштабирования проекта зависит от нескольких факторов, включая технологическую зрелость, финансирование и наличие соответствующих ресурсов и поддержки со стороны правительственных инстанций, наличие опыта в строительстве и эксплуатации подобных систем, инфраструктурные возможности и другие, например политические или юридические, ограничения.
— Почему в других странах такие линии пока не получили должного развития?
— Система ВТСП КЛ состоит не только из кабеля, но и включает в себя криогенное оборудование для охлаждения кабеля с использованием жидкого азота, концевые и соединительные муфты (как и в случае с обычными кабелями) и систему мониторинга. В связи со сложностью всех этих элементов, включая сам кабель, построение проекта ВТСП КЛ требует совместного участия нескольких компаний.
Активные работы над сверхпроводниковыми линиями ведутся во многих технологически развитых странах мира, и в настоящее время разработано несколько экспериментальных и уже действующих систем. Максимальная достигнутая протяженность, как отмечалось выше, составляет всего 1 000 м (не считая ВТСП КЛ в Санкт-Петербурге). На более широкое распространение такой технологии требуются значительные инвестиции, но инвестиционная привлекательность ВТСП, несмотря на все ее достоинства, невысока.
Это довольно распространенная ситуация: недостаточно иметь перспективную технологию саму по себе, нужно убедительно продемонстрировать потенциальную экономическую выгоду от ее внедрения, способную заинтересовать и привлечь инвесторов. Некоторые маркетологи называют технологию ВТСП КЛ «брендинговой катастрофой».
Действительно, если стоит задача передачи энергии — существуют уже известные методы, зарекомендовавшие себя многолетним применением и совершенствованием. Здесь решения всех проблем известны и понятны, риски инвестиций минимальны, прибыль практически гарантирована. Напротив, технология ВТСП нова и непривычна, а также сложна в освоении и имеет ряд недостатков, которые еще ждут своего решения (например, проблема обеспечения равномерного охлаждения кабельной линии), и поэтому часто проигрывает более консервативной, но полностью освоенной технологии.
Следует подчеркнуть, что разработка и коммерциализация таких высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий все еще находится в стадии исследований и развития. В реальных условиях масштабного применения могут возникнуть различные технические и инженерные сложности, такие как охлаждение кабеля до требуемых температур, влияние магнитных свойств материалов, стоимость производства и прочие факторы.
Очевидно, инвесторам нужна демонстрация реальных возможностей именно масштабного применения ВТСП ЛЭП — инвесторам нужны гарантии. Такой демонстрацией может послужить опыт эксплуатации ВТСП ЛЭП в Санкт-Петербурге, как самой крупной подобной ЛЭП в мире, что может стать двигателем для вхождения технологии в промышленное производство.
В статье использованы изображения с сайтов Минэнерго России / minenergo.gov.ru
