Сотрудники Института нанотехнологий микроэлектроники (ИНМЭ РАН), Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности (ВНИИКП) и Московского авиационного института (МАИ) разработали и успешно испытали первую в мире гибридную энергетическую магистраль. Энергия в ней передаётся сразу двумя способами — в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по сверхпроводящему кабелю.

Создание новых типов линий электропередачи — дело весьма актуальное, но не простое. Сборный коллектив отечественных учёных и инженеров реализовал на практике выдвинутую в 2011 году идею кабельной линии энергопередачи, сочетающей сверхпроводник и хладоагент, который не только поддерживает сверхпроводящее состояние кабеля, но является энергоносителем. Идея доведена до опытного образца; в качестве хладоагента использован жидкий водород.

Затраты на поддержание низкой температуры в «водорических» (от hydricity — hydrogen + electricity) магистралях для передачи электроэнергии составляют десятые доли процента от общего объёма передаваемой энергии, а экологичность водородных технологий и подобранный с учётом низкой стоимости сверхпроводящий материал — дополнительные, но также весомые аргументы.

Обсуждение возможности создания гибридных транспортных энергомагистралей ведётся давно. В мае 2011-го в Институте изучения устойчивости окружающей среды (Потсдам, ФРГ) под руководством Нобелевского лауреата Карло Руббиа состоялся симпозиум, на котором рассматривались возможности передачи потоков энергии порядка 10 ГВт на расстояния в тысячи километров.

Был сделан теоретический расчёт, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB₂. А вот первая экспериментальная работа проведена в России, и это не может не радовать.

Рис. 1. Модельная гибридная энергетическая магистраль. В ходе опытов по ней передавалось до 50 МВт электроэнергии и до 25 МВт (в эквиваленте) в виде жидкого водорода. (Здесь и ниже фото ИНМЭ РАН).

В качестве сверхпроводящего материала российские специалисты использовали ленты диборида магния MgB₂ производства итальянской фирмы Columbus Superconductor. Этот низкотемпературный сверхпроводник с критической температурой в ~39 К был открыт совсем недавно, в 2001 году. Он хорошо подходит для использования в водородной магистрали, так как может работать при температуре жидкого водорода, демонстрируя высокие сверхпроводящие свойства. Главное же в том, что он сравнительно прост в производстве и недорог (в 20 раз дешевле известных высокотемпературных сверхпроводников). Кстати, созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель — это второй случай использования диборида магния на практике; до сих пор преимуществами этого материала пользовались лишь разработчики магнитов МРТ-сканеров.

Основной токонесущий слой нового сверхпроводящего кабеля состоит из пяти лент диборида магния, спирально уложенных на сердечник из пучка медных проволок. Диаметр кабеля — 26 мм, длина — около 10 м. Внутри конструкции остался изолированный канал диаметром около 12 мм, предназначенный для охлаждающего жидкого параводорода. Кроме того, параводород циркулирует в полости между внешней оболочкой кабеля (диаметром 28 мм) и внутренней стенкой криостата (40 мм).

Рис. 2. Экспериментальный образец силового сверхпроводящего кабеля. Светлые полоски – сверхпроводник, остальные – слои медных проволок для защиты при коротких замыканиях.

Испытания экспериментальной энергомагистрали проводились на специализированном стенде Конструкторского бюро химавтоматики (Воронеж). Установка представляла собой макет гибридной энергетической магистрали (с рабочим давлением до 10 бар) для размещения сверхпроводящего кабеля, собственно сверхпроводящий кабель и токовые вводы.

Рис. 3. Экспериментальный образец силового сверхпроводящего кабеля. Светлые полоски — сверхпроводник, прочее — слои медных проволок для защиты при коротких замыканиях.

О результатах испытаний рассказывает завотделением сверхпроводящих проводов и кабелей ВНИИКП, д. т. н. Виталий Высоцкий:

«Сегодня необходимый порядок величины расстояний передачи электроэнергии составляет 3 000–5 000 км, а требуемая мощность — около 10 ГВт. В модельной магистрали, которую мы испытали, поток жидкого водорода в 200–220 г/с несёт около 25 МВт мощности, плюс по сверхпроводящему кабелю идёт электричество — в нашем случае это 50 МВт. Но последний показатель легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент, причём даже в нашей магистрали. В промышленном решении за счёт увеличения тока, напряжения и объёма потока водорода (увеличив диаметр трубы) можно пропускать куда более мощные энергопотоки».

Уместен вопрос: как всё это сопрягается с практикой? Вероятно, пока никак. Несмотря на то что жидкий водород действительно значительно превосходит в удельной энергетической ёмкости другие виды жидкого топлива (бензин — вдвое), пока нет ни развитой инфраструктуры, ни значительного числа потребителей.

И всё-таки эксперимент многообещающий: использованный в качестве хладоагента жидкий водород имеет теплоту испарения 446 кДж/кг, в то время как для жидкого гелия она составляет 20,28 кДж/кг. Поэтому его применение позволило создать весьма компактную установку (максимальный наружный диаметр — 370 мм) с высокой тепловой стабильностью. И это уже не говоря о меньшей стоимости жидкого водорода (в сравнении с тем же гелием). Ну а про дешевизну диборида магния мы уже писали…

Комментирует работу старший научный сотрудник лаборатории Сверхпроводимости ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Федорович Ельцев:

«Работа вызывает целый ряд положительных эмоций. Во-первых, создание гибридной магистрали является, по сути, новым видом практического применения сверхпроводников. Во-вторых, использование токонесущего элемента на основе диборида магния, с момента открытия сверхпроводимости в котором прошло всего 10 лет, показывает, что этот материал является весьма перспективным и для других возможных применений в технике. В-третьих, этот пионерский эксперимент был сделан в России, показывая, что потенциал российской науки не исчерпан, и мы вправе ожидать новых достижений наших ученых».