Сверхпроводящие линии электропередачи

 

Автор

Редди Наренд, Директор отдела сетевого планирования и прикладных задач компании American Superconductor Corporation

 

    Несмотря на то что Соединенные Штаты Америки богаты возо­бновляемыми ресурсами для производства электроэнергии, ветряные и солнечные электростанции составляют относительно небольшую долю генерирующих мощностей страны. Тем не менее доля таких электростанций стремительно растет как в США, так и в других странах мира, которые все чаще обращаются к возобновляемым источникам для удовлетворения растущих потребностей в электроэнергии и уменьшения выбросов.
    Основным препятствием, мешающим США в достижении поставленных целей по генерации энергии из возобновляемых источников, является отсутствие возможности передавать экологичную электроэнергию из сельских районов страны, в которых она генерируется, к городским центрам потребления. Чтобы развитие возобновляемых источников энергии продолжилось, североамериканская сеть линий электропередачи должна быть расширена и перегруппирована — это упростит передачу больших мощностей на значительные расстояния.
    Для устранения данного препятствия достаточно обеспечить передачу свыше 100 ГВт экологичной энергии. Одним из решений задачи является соединение нескольких штатов воздушными линиями напряжением 765 кВ, для которых потребуется создать полосу отчуждения шириной десятки метров. Однако этот традиционный способ не только ухудшит пейзаж и нанесет заметный вред природе, но и потребует принудительного отчуждения частной собственности.
    К счастью, есть и другой способ. Сверхпроводящие линии электропередачи, проложенные под землей вдоль существующей полосы отчуждения, способны передавать большую по сравнению с воздушными линиями электрическую мощность с большей эффективностью и при сопоставимых расходах, а диаметр кабеля составляет всего три фута.
    Сверхпроводящие линии идеально соответствуют всем требованиям по передаче экологичной энергии к удаленным центрам потребления. Высокая пропускная способность и исключительно низкие потери мощности сверхпроводящих кабелей постоянного тока позволяют решить множество задач, связанных с передачей электроэнергии на большие расстояния. Кроме того, прокладка под землей вдоль имеющейся или новой полосы отчуждения дает ряд дополнительных преимуществ: сверхпроводящие линии не подвержены атмосферным воздействиям, надежно скрыты от глаз и защищены от намеренного повреждения.
    В настоящее время для передачи электроэнергии на большие расстояния в основном используются высоковольтные воздушные линии электропередачи переменного или постоянного тока. Указанные выше препятствия, ограничивающие широкое применение этой технологии, устраняются с помощью сверхпроводящих подземных кабельных линий постоянного тока с высокой пропускной способностью, которые при оснащении инверторными преобразователями напряжения могут обеспечить многополюсную передачу электроэнергии на очень большие расстояния. Сочетание этих двух технологий позволяет создать так называемые сверхпроводящие линии электропередачи, способные своевременно переправить большой объем экологически чистой электроэнергии к соответствующим рынкам.
    Устранение ключевых проблем передачи электроэнергии
    Для прокладки традиционных воздушных ЛЭП требуются новые полосы отчуждения шириной сотни футов, а сопутствующие процессы принудительного отчуждения частной собственности могут перерасти в судебные разбирательства, что является существенной преградой на пути освоения нового источника возобновляемой энергии. Сверхпроводящие линии электропередачи ведутся под землей с помощью традиционных технологий прокладки трубопроводов. Полоса отчуждения для этих линий имеет ширину всего 25 футов и может пролегать внутри полосы отчуждения уже существующих транспортных артерий, что устраняет или существенно уменьшает количество сложных, спорных и затратных процедур урегулирования прав собственности на землю.
    По сравнению с магистральными воздушными ЛЭП напряжением 765 кВ, длиной 1000 миль и пропускной способностью несколько гигаватт, сверхпроводящие линии электропередачи имеют следующие отличия:

  • улучшенный внешний вид: сверхпроводящие линии скрыты, не привлекают внимания и, в отличие от воздушных ЛЭП, проложенных на опорах высотой 100 футов, не создают электромагнитных помех;
  • увеличенная эффективность: потери мощности в сверхпроводящих линиях в 2—3 раза меньше, чем в традиционных ЛЭП;
  • упрощенное распределение расходов: переток мощности между сверхпроводящими ЛЭП постоянного тока или магистральными ЛЭП переменного тока полностью контролируется, что облегчает подсчет стоимости электроэнергии;
  • повышенная конкурентоспособность: если рассматривать ЛЭП протяженностью 1000 миль и пропускной способностью несколько гигаватт, предназначенную для передачи экологически чистой электроэнергии от сельских районов Америки к городам, то расходы на сверхпроводящую линию электропередачи сравнимы с расходами на воздушную ЛЭП переменного тока напряжением 765 кВ;
  • усиленная безопасность: воздушным ЛЭП угрожают снежные бури, ураганы и торнадо, по отношению к ним могут совершаться акты вандализма и террора. Расположенные под землей сверхпроводящие линии данным опасностям не подвержены.
    Сверхпроводящие силовые кабели
    Как следует из названия, в сверхпроводящих кабелях для передачи электроэнергии вместо медных или алюминиевых проводников, используемых в традиционных воздушных и подземных силовых кабелях, применяются сверхпроводящие материалы. У таких материалов есть два основных преимущества. Во-первых, по ним можно передавать как минимум в 100 раз большую мощность, чем по медным или алюминиевым проводникам того же сечения. Во-вторых, при передаче постоянного тока электрическое сопротивление сверхпроводников равно нулю, то есть отсутствуют потери мощности.
    Для проявления идеальных электрических характеристик сверхпроводящие материалы нужно охладить жидким азотом. Несмотря на то что для охлаждения требуется некоторое количество энергии, система отличается намного более высокой эффективностью по сравнению с другими протяженными ЛЭП.
    Коммерческое производство сверхпроводящих проводников для кабелей налажено по всему миру. Сверхпроводящие кабельные системы в настоящее время используются в качестве межсетевых вставок во многих энергосистемах, где демонстрируют свою надежность и выдающиеся характеристики. Три такие системы эксплуатируются в США. С апреля 2008 г. высокотемпературная сверхпроводящая ЛЭП переменного тока напряжением 138 кВ успешно функционирует недалеко от Нью-Йорка в главном энергетическом коридоре, принадлежащем Энергетическому управлению Лонг-Айленда (LIPA). Полная пропускная способность системы LIPA достигает 574 МВт при ширине полосы отчуждения всего 1 м, причем это самая длинная в мире и самая производительная сверхпроводящая кабельная линия (рис. 1). Сейчас использование сверхпроводящих кабелей приобретает популярность и за пределами Америки. В частности, Южнокорейская энергетическая корпорация (KEPCO) в настоящий момент монтирует недалеко от Сеула первую из нескольких подобных систем.
    Несмотря на то что все предыдущие системы использовали переменный ток, внедрение новой технологии передачи энергии по линиям постоянного тока не должно вызвать затруднений. На рисунке 2 показан один из вариантов кабелей сверхпроводящей линии электропередачи. Такие кабели компактны, легки, не нагреваются и не генерируют электромагнитное излучение, а потому отличаются простотой прокладки даже вблизи других подземных коммуникаций. На рисунке 3 показан способ проведения земляных работ и прокладки подземных трубопроводов для сверхпроводящих линий электропередачи.
    Многополюсная передача электроэнергии по линиям постоянного тока
    Линии постоянного тока десятилетиями используются для передачи больших объемов электроэнергии от места генерации к месту потребления. Однако эксплуатация многополюсных систем остается сложной в силу небольшого их количества. Не так давно появилась многополюсная технология, в основе которой лежат силовые электронные структуры, оснащенные VSC. Новая технология обеспечивает гибкость энергосистемы, повышенный контроль над ней, облегчает подключение линий постоянного тока к многочисленным генераторам электроэнергии и районам ее потребления, а также упрощает передачу мощности по сети в обоих направлениях.
    Тем не менее оконечные устройства постоянного тока на базе технологии VSC доступны только для средних напряжений (100—300 кВ). Для сравнения: в традиционных линиях постоянного тока со структурой «от пункта к пункту» используется сверхвысокое напряжение (±800 кВ). Для передачи огромных мощностей при низком напряжении требуется обеспечить очень большую силу тока; кроме того, передача электроэнергии с большой силой тока на значительные расстояния по традиционным медным или алюминиевым кабелям приводит к существенным потерям на сопротивление. Сверхпроводящие силовые кабели лишены этих ограничений, так как способны передавать энергию с нулевыми потерями.
    Оконечные устройства VSC предназначены для подачи электроэнергии в сеть или отбора ее из сети в точно заданном количестве, подобно клапанам в газовых контурах или въездам и съездам на автомагистралях. Например, сверхпроводящий кабель постоянного тока с пропускной способностью 5 ГВт может подключаться к 20 кабелям на 250 МВт по мере прохождения богатого энергией ветра района Среднего Запада США и передавать по 500 МВт каждому из 10 городов, встречающихся на его пути к восточному или западному побережью.
    На рисунке 4 показаны некоторые районы США, наиболее подходящие для использования энергии ветра. Синяя линия обозначает возможные сверхпроводящие линии электропередачи, а белые кружки — вероятные точки подключения к этим линиям. Традиционные линии переменного тока будут применяться для передачи электроэнергии от расположенных рядом ветропарков к сверхпроводящим ЛЭП, подключаясь к ним в точках, обозначенных белыми кружками. Замкнутая структура сверхпроводящих линий дает множество преимуществ, среди которых и повышенная надежность: техническое обслуживание или выход из строя одной из секций системы не приведет к перебоям в энергоснабжении.
    Как показано выше, внедрение сверхпроводящих ЛЭП позволяет передавать экологически чистую энергию:
  • от морских и наземных ветропарков;
  • от районов, богатых энергией солнца и геотермальной энергией;
  • к основным зонам концентрации населения, включая бедные возобновляемыми источниками регионы;
  • между регионами для выравнивания сезонной и дневной неравномерности генерации и потребления.
    Воздушные линии переменного тока — основа сегодняшних энергосистем. Большинство ЛЭП были спроектированы и построены во времена, когда энергоснабжающие компании сами вырабатывали электроэнергию, передавали ее по собственным сетям и самостоятельно распределяли среди потребителей. Линии электропередачи имели ограниченную длину, а вертикальная интеграция каждой энергосистемы была достаточно жесткой. Постепенно появились линии, предназначенные для подключения к другим энергосистемам, главным образом для обеспечения надежности энергоснабжения.
    Чтобы передавать большую мощность на значительные расстояния по воздушным ЛЭП переменного тока, нужно использовать высокое напряжение. Это требует более мощных опор и более широкой полосы отчуждения; кроме того, длина таких ЛЭП переменного тока ограничивается основными принципами электротехники, среди которых:
  • рост энергопотерь при увеличении длины линии переменного тока;
  • уменьшение пропускной способности при увеличении длины линии электропередачи;
  • необходимость возведения вспомогательной сети переменного тока нижнего уровня для обеспечения функционирования высоковольтной ЛЭП.
    Подземные кабельные линии переменного тока широко используются в городских условиях, так как они скрыты от глаз и не подвержены повреждениям. Тем не менее неустранимые электротехнические недостатки традиционных подземных кабельных линий не позволяют назвать их идеальными для передачи переменного тока большой мощности (более 1 ГВт) на расстояния более 100 км.
    Воздушные линии постоянного тока высокого (HVDC) или сверхвысокого (UHVDC) напряжения являются относительно эффективным средством для передачи электроэнергии на очень большие расстояния (свыше 1000 миль). При передаче на расстояния свыше 400—500 миль линии постоянного тока обычно показывают меньшие потери мощности, чем подземные или воздушные линии переменного тока. Кроме того, традиционные линии HVDC в основном предназначены для передачи мощности от одного пункта к другому. Структура «от пункта к пункту» применяется для передачи мощности от крупных электростанций, например ГЭС, к узлу потребления электроэнергии, например к определенному городу с пригородами. Для воздушных линий HVDC напряжением до 800 кВ требуется такая же полоса отчуждения, как и для одной ЛЭП переменного тока напряжением 765 кВ, следовательно, возникают вышеописанные трудности с принудительным отчуждением земель и обеспечением безопасности.
    Обычные подземные линии HVDC обладают всеми преимуществами воздушных линий HVDC, но отличаются более низкой пропускной способностью, так как кабели постоянного тока на высокое напряжение, необходимое для передачи большой мощности, не выпускаются. Кроме того, для передачи тысяч мегаватт энергии нужно прокладывать несколько кабелей параллельно, что увеличит потери мощности и потребует более широкой полосы отчуждения.
    Сверхпроводящие линии электропередачи, отличаясь экономичностью, обладают уникальной применимостью для передачи средних и больших мощностей на значительные расстояния (табл. 1).
    Уменьшение ширины зоны отчуждения
    Для воздушных ЛЭП требуются значительные полосы отчуждения: они предназначены для создания воздушных зазоров, обусловленных используемым напряжением. Кроме того, пропускная способность воздушных ЛЭП переменного тока уменьшается с увеличением расстояния. Сопротивление возведению новых воздушных линий со стороны общественности в прошедшие несколько десятилетий обусловило переход к подземным линиям электропередачи при создании новых распределительных сетей в городских и пригородных районах. В таблице 2 сравнивается ширина полос отчуждения, которые необходимы для различных типов воздушных ЛЭП и сверхпроводящей линии электропередач, используемых при передаче 5 ГВт на расстояние свыше 1000 миль.
    На рисунке 5 показана пропускная способность одиночной воздушной ЛЭП переменного тока напряжением 765 кВ и сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Из графика видно, что в зависимости от длины линии для передачи заданной мощности может потребоваться более одной ЛЭП переменного тока.
    Так как сверхпроводники отличаются нулевым электрическим сопротивлением, можно создать сверхпроводящий кабель с практически любой пропускной способностью. На рисунке 6 сравнивается ширина полос отчуждения для воздушной ЛЭП переменного тока напряжением 765 кВ и сверхпроводящей линии, используемых при передаче 5 ГВт. Мощность 5 ГВт, приведенная во всех примерах данной статьи, достаточна для удовлетворения потребности в электроэнергии 2,5 млн домохозяйств. Разумеется, можно создать сверхпроводящую линию с более высокой пропускной способностью (10 ГВт и более) без увеличения потерь мощности и существенного увеличения затрат — в будущем это станет разумным способом экономии при росте потребления электроэнергии.
    Экономические и экологические преимущества
    Сверхпроводящие кабели постоянного тока характеризуются нулевыми электрическими потерями, так как обладают нулевым сопротивлением протеканию постоянного тока. Единственный расход мощности здесь — это расход на преобразование переменного тока в постоянный и на охлаждение кабелей. Суммарные потери при передаче 5 ГВт на расстояние 1000 миль не превышают 3%, что приблизительно равно 1/4—1/2 потерь в ЛЭП со структурой «от пункта к пункту», использующих традиционные технологии (рис. 7).
    Несмотря на то что распределение расходов на проекты передачи электроэнергии достаточно сложно, возведение новых ЛЭП выгодно практически всем энергоснабжающим компаниям. Точно оценить преимущества, предоставляемые новыми ЛЭП переменного тока каждому потребителю, очень трудно. Такая ситуация способствует задержкам в реализации проектов на время согласования методов распределения затрат. Чем длиннее и обширнее планируемая ЛЭП, особенно в случае прокладки дополнительных линий переменного тока, изменяющих структуру потоков мощности, тем серьезнее становится данная проблема. Процедура распределения расходов упрощается при точном контроле и возможности измерения мощности, переданной в сеть постоянного тока или полученной из нее, так как выгодоприобретатели от продаж электроэнергии становятся очевидны.
    Повышенная безопасность и улучшенные рабочие характеристики
    Отдельный сверхпроводящий кабель постоянного тока, способный подключаться к нескольким источникам и потребителям (подобно въездам и съездам на автомагистралях), можно отсоединять от сети передачи электроэнергии нижнего уровня. Неисправности электросети переменного тока нижнего уровня не сказываются на передаче больших мощностей по кабелям постоянного тока.
    Использование линий постоянного тока позволяет передавать электроэнергию в масштабах региона, не оказывая влияния на работу локальных электросетей. Сверхпроводящие линии, не зависящие от сетей переменного тока, способны предоставить районам, удаленным на сотни и тысячи миль, доступ к электроэнергии, которая может быть использована для «черного» или повторного пуска локальной сети переменного тока.
    Ценовая конкурентоспособность
    Оценочная стоимость полностью смонтированной сверхпроводящей линии электропередачи длиной 1000 миль (с учетом стоимости семи трансформаторных подстанций мощностью 750 МВт) находится в диапазоне от 8 до 13 млн долл. за милю. Нижняя граница данного диапазона соответствует одиночной линии с пропускной способностью 5 ГВт, а верхняя — полностью резервированной двухкабельной системе с аналогичной пропускной способностью. Для сравнения: цена монтажа двух из трех линий переменного тока напряжением 765 кВ и подстанций, необходимых для передачи 5 ГВт на 1000 миль, составляет 7—10 млн долл. за милю.
    Стоимость обычной воздушной линии UHVDC со структурой «от пункта к пункту» меньше 5 млн долл. за милю, однако такие линии отличаются недостаточной пропускной способностью при передаче энергии в сеть и получении ее из сети, более высокими потерями и более широкой полосой отчуждения. Кроме того, они не позволяют решить ни эстетические, ни экономические, ни политические задачи, ни задачи обеспечения безопасности, связанные с воздушными ЛЭП. Цена сверхпроводящей линии электропередачи определяется ее длиной и мощностью необходимых трансформаторных подстанций. Стоимость такой подстанции зависит от ее мощности (в мегаваттах) и не зависит от длины подключенных к ней линий электропередачи. На рисунке 8 показано расчетное распределение расходов на монтаж сверхпроводящей линии длиной 1000 миль с пропускной способностью 5 ГВт. Если рассматривать традиционные технологии электропередачи, то стоимость монтажа подземных линий обычно оказывается выше, чем воздушных, особенно в случае низковольтных сетей. Это объясняется в первую очередь затратами на получение разрешений и на проведение монтажных работ в городах. Однако большая часть кабелей сверхпроводящих линий прокладывается вне населенных пунктов, поэтому цена монтажа там значительно ниже.
    При повышении пропускной способности сверхпроводящих линий расходы на их прокладку увеличиваются незначительно. Так, рост затрат на обеспечение передачи вдвое большей мощности — 10 ГВт — на те же 1000 миль составит примерно 30% при увеличении потерь до 2,4%.
    В таблице 3 содержится перечень характеристик сверхпроводящих линий электропередачи и ЛЭП, использующих обычные технологии.
    Заключение
    Учитывая высокую по сравнению с другими технологиями эффективность сверхпроводящих линий, ожидается, что они обеспечат самый быстрый возврат инвестиций и станут наиболее экологичным из доступных способов передачи электроэнергии. Благодаря использованию данными ЛЭП существующих полос отчуждения нагрузка на населенные пункты и общественные земли, включая национальные парки и заповедники, будет снижена.
    Нулевое электрическое сопротивление сверхпроводников позволяет создать сверхпроводящий кабель с любой пропускной способностью практически без увеличения потерь, что снимает все ограничения, соблюдаемые при проектировании линий в случае использования других технологий электропередачи. В будущем по мере роста потребности в электроэнергии пропускную способность проектируемых сверхпроводящих линий удастся повысить без существенного увеличения издержек.
    Фактически сверхпроводящие линии наилучшим образом подходят для выполнения всех задач, связанных с передачей экологически чистой энергии к удаленным центрам потребления, и являются новой, оптимальной технологией передачи электроэнергии на значительные расстояния.