Любые источники электрической энергии подразумевают и линии передачи (ЛЭП). Да, в большинстве случаев электростанции стараются строить поблизости от потребителя, чтобы линии были как можно короче, но это не всегда возможно и рентабельно. В самом деле, солнечные панели лучше размещать ближе к экватору, а ветряные электростанции — 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.
Таким образом, в ряде случаев короткой ЛЭП не обойтись. Добавляет проблем и размеры нашей страны, насчитывающей 11 часовых поясов. Но с другой стороны благодаря таким размерам, Россия имеет уникальное преимущество. Можно обеспечить оптимальный баланс в энергосистемы, подавая энергию из регионов, где сейчас ночь, в дневные пояса, когда потребление электричества максимально. В результате себестоимость электроэнергии существенно снижается. Это один из главных стимулов развития технологий передачи электроэнергии на большие расстояния.
Важно! При передаче энергии на большие расстояния существуют две основные проблемы. Первая – потери из-за сопротивления линии. Вторая - потери из-за электромагнитного излучения, неизбежно возникающие в линиях переменного тока.
HVDC
Итак, при передаче электричества в проводах наводится электромагнитное поле, которое создает немалые потери. Но возникает оно только в цепях переменного тока. Если передавать постоянный, то такого поля не будет. Первые линии электропередачи в XIX веке работали на постоянном токе, но при переходе на более высокие напряжения, пришлось от постоянного тока отказаться. Причина — сложность преобразования постоянного напряжения в другую величину. С переменным же проблем не было — существовали трансформаторы.
Конечно, от постоянного тока отказались не сразу. Проводились исследования, эесперименты и испытания. Для преобразования величины напряжения постоянный ток превращали в переменный и понижали трансформаторами. Но умформеры (связка электромотора постоянного тока и генератора переменного) себя не оправдали. Они имели низкий КПД и требовали постоянного технического обслуживания.
Удовлетворительное решение было найдено в 70-х годах, когда появились мощные полупроводниковые приборы, способные преобразовывать постоянный ток в переменный и обратно. На практике впервые они были использованы в 1072 году и весьма успешно. Таким образом, технология передачи напряжения постоянного тока, получившая название UHVDC (Hight Voltage Direct Current, высокое напряжение постоянного тока), получила реальные шансы к развитию.
На заметку. Нередко технология линий передачи постоянного тока на напряжение 1 100 кВ именуется UHVDC — Ultra Hight Voltage Direct Current, ультравысокое напряжение постоянного тока.
Кроме того, что такие линии позволяют передавать электроэнергию с минимальными потерями на электромагнитное излучение, они еще и не нуждаются в синхронизации между собой. Это особенно важно при экспортных поставках в страны, с отличными от поставщика параметрами сети. Отпадает необходимость в трансграничных вставках постоянного тока, что также сокращает потери на преобразование переменного тока одного параметра в постоянный, а после снова в переменный с другими параметрами.
В нашей стране технология HVDC пока не особо развита, а вот за рубежом она успешно используется. В Китае, к примеру, расположена самая длинная на сегодняшний день линия UHVDC, протяженность которой составляет 3 300 км. Рабочее напряжение – 1 100 кВ, год запуска в эксплуатацию – 2019. Занимаются этим и Англичане. к 2029 году планируется запустить HVDC кабельную линию Марокко – Великобритания, которая будет поставлять энергию с марокканской солнечной электростанции. Планируемая длина линии – 3 800 км. Ожидается, что проект позволит обеспечить передачу 10,5 ГВт электроэнергии, полученной с помощью солнечной и ветряной генерации, более чем 7 миллионам потребителей Соединенного Королевства (8% общей потребности в электроэнергии) к 2030 году. Планируемая стоимость проекта – 22 миллиарда долларов.
Таким образом, проблемы с потерей на электромагнитное излучение, можно, сказать, решены. Но остаются потери на сопротивление проводов.
Сверхпроводники
Частично с проблемой потерь на сопротивление проводов можно бороться увеличением напряжения в линии. Это позволяет при меньшем токе передавать те же мощности, а ведь именно от силы тока зависит величина потерь на сопротивлении. Но это не решает проблему полностью. Потери, и немалые — до 10% — все равно остаются, а повышать напряжение бесконечно технически невозможно и нерентабельно. Но существуют сверхпроводники, о которых слышал, пожалуй, каждый. Им может служить практически любой проводник, если охладить его до определенной температуры. Эти сверхпроводники в зависимости от материалов можно разделить на низкотемпературные и высокотемпературные.
Для энергетиков представляют интерес как раз высокотемпературные, критическая точка которых лежит выше температуры кипения азота (77 K или -196 °C). Но все равно речь идет об очень низких температурах, хотя вместо достаточно дорогостоящего жидкого гелия (до 3 000 рублей за литр) можно использовать жидкий азот (до 45 рублей за литр). Строительство именно такой сверхпроводящей кабельной линии было начато в 2021 году в Санкт-Петербурге. Протяженность линии — 2 500 м. Жилы кабеля изготовлены из висмуто-серебряного сплава. Охлаждаются они жидким азотом, который проделывает путь туда и обратно — это 5 километров. Но и тут появилась проблема. На такой протяженности в конце пути азот переходит в газообразное состояние. Чтобы этого не происходило, параллельно трубопровода с азотом проложен трубопровод с жидким гелием, который дополнительно охлаждает азот. Таким образом, полностью отказаться от гелия не удалось по причине большой длины (по меркам сверхпроводников) линии.
Имеет ли такая дорогостоящая технология будущее? Для длинных линий однозначно нет. 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.
Подведем итоги
Итак, в обозримом будущем средством для передачи электроэнергии на большие расстояния, скорее всего, будут линии HVDC и UHVDC. Практика показала, что 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. Сверхпроводники в этом качестве рассматривать пока просто невозможно из-за высокой стоимости и отсутствии соответствующих технологий.