Проведенный анализ возможных качественно новых технологических решений показал, что одним из таких решений может быть создание оборудования и применение технологий, основанных на явлении сверхпроводимости, т.е. состоянии некоторых видов материалов, обладающих сопротивлением близким к нулю при их охлаждении до низких температур. Различают два вида сверхпроводимости: ❏ Низкотемпературная (НТСП), соответствующая температуре жидкого гелия (4,2 К); ❏ Высокотемпературная (ВТСП), соответствующая температуре жидкого азота (77 К). Первые работы в мировой практике по практическому использованию явления низкотемпературной сверхпроводимости в электрофизических и энергетических установках начались в 1961 г. Работы показали, что одним из решающих факторов успеха в этой области является высокотехнологичное промышленное производство широкой номенклатуры сверхпроводниковых обмоточных изделий (проводов, кабелей, шин) и обеспечение эффективного криостатирования сверхпроводниковых устройств. В шестидесятые годы в СССР было создано уникальное высокотехнологическое производство материалов, переходящих в состояние сверхпроводимости при температуре жидкого гелия. Это производство обеспечило стране положение одного из двух мировых лидеров в пионерских сверхпроводниковых разработках. На этой основе были разработаны и введены в эксплуатацию уникальные сверхпроводящие магнитные системы (СМС), обеспечившие проведение научных исследований по физике высоких энергий и элементарных частиц (ускорители, детекторы), создание первых в мире установок для термоядерных исследований с магнитным удержанием плазмы (Токамаки) и других, в т.ч. специальных применений. Кроме того, были разработаны и изготовлены сверхпроводниковые прототипы всех основных представителей электротехнического оборудования, включая генераторы, двигатели, трансформаторы, индуктивные накопители энергии, сверхпроводниковые кабели. Испытания прототипов оборудования продемонстрировали их качественное превосходство над оборудованием традиционного исполнения по эффективности, массогабаритным показателям и пожаробезопасности. Сегодня НТСП технология успешно реализуется при создании устройств индустриальной физики, в первую очередь в медицине при создании сверхпроводниковых магниторезонансных томографов, объем производства которых в мире составляет примерно $2,5 млрд в год. Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота (77,4 К). Эта технология, наряду с совершенствованием криогенной техники, создала предпосылки для преодоления коммерческого барьера при использовании сверхпроводниковых технологий на основе ВТСП материалов в электроэнергетике и других областях промышленности. ВТСП материалы превосходят традиционные НТСП материалы, а также медь и алюминий, как по пропускной способности, так и по соотношению качества и цены. С этими достижениями связаны начавшиеся в мире (США, страны ЕС, Япония, Южная Корея Китай, Индия и др.) процессы разработки и применения в электроэнергетических системах технологий со сверхпроводниковыми материалами и оборудованием, в т.ч. сверхпроводниковых кабелей, синхронных компенсаторов, токоограничителей и индуктивных накопителей энергии. По оценке американских экспертов, выполненной несколько лет назад, в период 2015–2020 гг. более половины этого сегмента электроэнергетического рынка будет составлять сверхпроводниковое оборудование с объемом продаж более $100 млрд в год. Сегодня данные прогнозы реально подтверждаются. Что дает применение СП оборудования и технологий в электроэнергетике? ❏ Сокращение потерь электроэнергии примерно в два раза. ❏ Снижение массогабаритных показателей оборудования. ❏ Повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции. ❏ Повышение надежности и устойчивости работы энергосистем. ❏ Повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям. ❏ Повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики. ❏ Создание принципиально новых систем энергетики при совмещении с другими инновационными подходами за счет синергетического эффекта. Особый эффект СП технологии могут дать при их применении в мегаполисах и крупных городах, в первую очередь в Москве и Санкт-Петербурге. Эти факторы были учтены при разработке программы развития Единой национальной электрической сети (ЕНЭС), в которой впервые в российской энергетике в качестве отдельного раздела программы были сформулированы направления разработки и практического использования сверхпроводящих технологий в электрических сетях. Программа одобрена Советом Директоров ОАО «ФСК ЕЭС» и при финансовой и организационной поддержке ОАО «РАО ЕЭС России» начата ее реализация. С целью координации этих работ, а также более широкого применения сверхпроводимости в электроэнергетике был создан специализированный Координационный совет, в который вошли как работники электроэнергетики, так и представители научно-исследовательских институтов, включая институты Росатома и Академии наук России, а также представители Минпромэнерго РФ и Минобрнауки РФ. Координационный совет возглавил Председатель Правления ОАО «РАО ЕЭС России» А.Б. Чубайс. Координационный совет утвердил Комплексную программу разработки СП оборудования и технологий его применения в электроэнергетике со сроком ее реализации до 2025 г. Основной упор в этой программе сделан на кабельные линии, создаваемые на основе ВТСП технологий, как наиболее готовых для коммерческого использования с получением реального технико-экономического эффекта. Кроме того, программой предусматривается проведение исследований и работ по разработке СП генераторов и компенсаторов, трансформаторов и накопителей электрической энергии, а также комплексные исследования электроэнергетических систем, включающих сверхпроводящее электрооборудование и линии электропередачи. Раздел программы, направленный на создание и применение ВТСП технологий в электрических сетях, выделен в отдельную подпрограмму с назначением руководителя-координатора подпрограммы (В.В. Дорофеев). Цели подпрограммы: ❏ Создание, отработка технологии производства и практического применения сверхпроводящих кабелей, как элементов электрической сети. ❏ Внедрение опытно-промышленных образцов таких кабелей (разной длины) в конкретных электрических сетях. ❏ Организация масштабного применения сверхпроводящих кабелей в электрических сетях с разработкой идеологии создания электрических сетей нового поколения. Данная подпрограмма должна быть выполнена до 2012 г. включительно. Основные направления работ подпрограммы: 1. Разработка, изготовление опытного образца и испытания трехфазной СП кабельной линии длиной 30 м напряжением до 20 кВ с целью отработки технологии изготовления кабеля и криогенной системы и проведению комплексных исследований для проверки качества принимаемых решений. Изготовление кабеля предусмотрено закончить до конца текущего года, а завершение работ по этой части проекта, включая испытания и подготовку заключения по результатам испытаний в I квартале 2008 г. Головным исполнителем этого раздела подпрограммы определен НТЦ Электроэнергетики. Финансирование этого раздела подпрограммы осуществляют на паритетных началах «РАО ЕЭС России» и ОАО «ФСК ЕЭС». 2. Комплекс работ по разработке, изготовлению и установке на объекте электрической сети опытного-промышленного СП кабельной линии длиной до 500 м напряжением до 20 кВ. Работы предполагают проверку технических решений на реально действующих объектах Москвы, обучение эксплуатационного персонала и наработку практического опыта эксплуатации подобных систем. Установка на объекте (питающая подстанция — ВТСП кабельная линия — распределительная подстанция) и начало эксплуатации намечается во II квартале 2010 г. Этот проект получил государственную поддержку через включение в Федеральную целевую программу «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 гг.» работы «Создание силовой электрической линии для распределительных сетей на базе ВТСП технологий». На эту работу Министерство образования и науки России заключило контракт с головным исполнителем ОАО «ЭНИН». В работе принимают участие специалисты электросетевого комплекса (ФСК ЕЭС, МГЭК, МОЭСК), НТЦ электроэнергетики, ВНИИКП, РНЦ «Курчатовский институт», МАИ. Кроме Министерства образования и науки России, финансирование этого раздела подпрограммы осуществляют «РАО ЕЭС России» и организации электросетевого комплекса. 3. Комплекс работ по разработке, изготовлению и установке на объекте электрической сети СП — кабеля длиной свыше 1000 м напряжением до 20 кВ. Работы предполагается проводить в виде двух проектов: как силами российских организаций (российский проект), так и путем организации международного тендера (международный проект). Эти проекты будут осуществляться на реально действующих объектах на коммерческой основе, начиная с 2009 г. Предварительные проработки показали, что только в электрических сетях Москвы есть более 10 возможных мест эффективного применения этих технологий. 4. Комплекс работ по перспективным направлениям применения СП — кабелей с целью дальнейшего развития энергосистем на основе серьезного повышения пропускной способности сети. Эти работы предусматривают исследование сетей с ВТСП кабелями на постоянном токе и напряжении до 110 кВ, что является альтернативой действующим ЛЭП напряжением 220–330 кВ. В процессе исполнения программы был проведен мониторинг подобного вида работ, проводимых в мире. Во многих странах приняты программы на государственном уровне. Наиболее амбициозные программы приняты в США, Южной Корее, Китае, а также в Австралии и Мексике. В Европе отдельные фирмы Германии, Дании, Швеции начали создание технологий промышленного производства СП материалов и проектов кабельных линий в ряде крупных городов. Недавно в США опубликован проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов города Нью-Йорка. Реализация программы, принятой «РАО ЕЭС России», позволит создать принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.
Магнитное поле в сверхпроводнике показало невиданные свойства Слева — «пенообразные» доменные структуры, найденные Прозоровым, справа — известные ранее структуры Ландау, считавшиеся единственными Во время экспериментов с веществом в низкотемпературном состоянии Руслан Прозоров, физик из лаборатории Эймса (Ames Laboratory), случайно обнаружил необычное поведение магнитного поля внутри сверхпроводников. Открытие заключается в том, что конфигурация магнитного поля в сверхпроводнике существенно зависит от формы образца. По словам Прозорова, если взять пару сверхпроводящих образцов одинаковой массы и одинакового объема, то даже небольшое изменение формы одного из них приведет к резким различиям поведения образцов в магнитном поле. Физикам давно известно, что в сверхпроводнике «в ответ» на сильное магнитное поле образуются так называемые доменные структуры Ландау. Они имеют форму лабиринтов, и внутренне магнитное поле повторяет их форму. Однако, работая со свинцовыми сверхпроводящими образцами, охлажденными до 7,2 К, Прозоров вдруг обнаружил, что внутри проводника образовались домены совсем другой структуры, по форме напоминающие мыльную пену. Пытаясь разобраться с этой непонятной ситуацией, ученый обнаружил, что доменная структура магнитного поля существенно зависит от формы проводника. Так, в его экспериментах использовались свинцовые сферы. Однако в прежних исследованиях опыты проводились с плоскими образцами, поэтому о других структурах, кроме доменных структур Ландау, никто не подозревал. Как сообщает доктор Прозоров, удалось пронаблюдать различные конфигурации магнитного поля в сверх проводниках сферической, конической и пирамидальной форм. В подробностях об этом исследовании рассказывается в журнале Physical Review Letters.
