Киловатты про запас

Применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН).
Источник: "Атом-инновации"

Основной особенностью современной энергетики является почти полная невозможность складировать энергию про запас – все произведенные киловатт-часы должны быть сразу и потреблены. Работа же большинства потребителей электроэнергии неравномерна в течение суток. График нагрузки отдельного города, района или области имеет свои максимумы и минимумы потребления, которые приходятся, как правило, на дневные и ночные часы соответственно. Это приводит к тому, что днем генерирующие мощности нередко работают на пределе, а ночью, наоборот, имеется избыток энергии, который некуда девать. Энергетики предпринимают различные меры по сглаживанию графика суммарной нагрузки. Однако в целом сейчас возможности выравнивания потребления в энергосистеме невелики.

Энергия про запас

Разрешить эту ситуацию могли бы накопители энергии, запасающие драгоценные киловатт-часы в периоды малого потребления и выдающие их в пиковое время. До недавнего времени единственным приемлемым типом накопителя энергии считались гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Однако энергоемкость и мощность существующих ГАЭС несоизмеримо мала по сравнению с мощностью всей энергосистемы, а их удельные энергетические параметры довольно низки. ГАЭС капиталоемки, затратны, требуют отчуждения больших площадей под водохранилища, и поэтому не получили широкого распространения. В России действует только одна ГАЭС – Загорская, в Московской области. До недавних пор разрабатывались планы сооружения еще нескольких гидроаккумуляторов, однако для этого также трудно подобрать местность с подходящим рельефом – высокий берег, наличие там больших пустот для закачки воды.

Новые перспективы в этой области связаны с применением сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН), использующих явление сверхпроводимости. Результаты расчетов показывают, что прогнозируемые объемы потребления к 2020 году при наличии в системе накопителей электроэнергии покроются за счет уже существующих (но реконструированных) генерирующих мощностей путем более полного их использования. Широкое использование системного эффекта накопителей позволяет значительно снизить объемы вводимых мощностей и капиталовложений в электроэнергетику. В этом случае общая экономия по сравнению с оптимистическим вариантом единой энергетической стратегии может составить более 30% от общего объема запланированных инвестиций. Применение аккумулирующих технологий позволит эффективнее использовать действующие электростанции и снизить затраты за счет уменьшения доли тепловых маневренных станций и выравнивания суточной нагрузки. Кроме того, экономический эффект от внедрения СПИН увеличится за счет роста надежности и устойчивости энергетической системы, а также от повышения качества электроэнергии).

Здесь стоит упомянуть, что среди приоритетов электроэнергетической стратегии России на период до 2020 года указаны надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами, снижение удельных затрат на производство электроэнергии. Кроме того, непростые задачи ставятся и перед атомной энергетикой, планирующей к 2020 году увеличить долю в суммарной выработке в стране с 16 до 23%. В частности, необходимо повысить коэффициенты установочной мощности АЭС до 97%, снизить себестоимость произведенной электроэнергии, а также сократить потери при транспортировке тепловой энергии и электроэнергии до 10%.

Суть решения проблемы

Что же представляет собой вышеупомянутый СПИН? Явление сверхпроводимости проявляется в том, что при охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры полностью исчезает его электрическое сопротивление – а следовательно, и все связанные с ним потери энергии. Сверхпроводящий аккумулятор – это, по сути, магнитная катушка из сверхпроводника. Подобное устройство может хранить энергию сколь угодно в виде энергии магнитного поля, создаваемого с помощью сверхпроводящего соленоида. При длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы на охлаждение, однако выгода от использования в итоге существенно покрывает эти расходы. Принципиальное преимущество индуктивных накопителей состоит в том, что энергия в них запасается в том же виде энергии, в каком используется, – электромагнитной. А раз нет необходимости в преобразовании из одного вида энергии в другой, то нет и связанных с преобразованием потерь энергии и затрат времени на процесс преобразования в другой вид энергии, чем грешат иные типы аккумуляторов, например химические или механические. Поэтому уникальным свойством сверхпроводящего индуктивного накопителя является возможность мгновенного перехода из режима накопления энергии в режим ее выдачи.

Проект может показаться чересчур амбициозным. Ведь для участия в суточном регулировании энергопотока необходимо аккумулировать энергию около 1012 Дж и выдавать мощность в сотни мегаватт, а находящиеся в разработке СПИН имеют сейчас проектную энергоемкость от единиц до сотен мегаджоулей. Насколько же близка российская промышленность к реализации такого проекта?

Опыт создания таких грандиозных сильноточных устройств уже имеется на предприятиях Росатома, построивших в стране десятки крупных сверхпроводящих соленоидов и в настоящее время участвующих в международном проекте по созданию экспериментального термоядерного реактора ITER. К примеру, обмотка тороидального магнитного поля этого реактора типа «Токамак» создана из российского сверхпроводника, и энергия, запасаемая в ее магнитном поле, может составлять 600 МДж, или 166 кВт-ч. Это устройство с полным правом можно назвать аналогом СПИН. Кроме того, для решения задач энергетики зачастую можно обойтись устройствами, меньшими по запасаемой энергии. С помощью СПИН энергоемкостью от 40 до 100 МДж можно повысить динамическую устойчивость энергосистем, а работая в системе автоматического регулирования энергосистемы, он будет гасить нежелательные колебания потоков мощности. Накопители меньших энергоемкостей также могут компенсировать реактивную мощность, снижая тем самым потери при транспортировке электроэнергии. Кроме того, расчеты свидетельствуют в пользу применимости СПИН в качестве буферного накопителя энергии в железнодорожном транспорте на электрической тяге с рекуперацией энергии.

«В России уже был создан ряд СПИН для ответственного применения и научных исследований, проведены успешные испытания в действующей энергосистеме Москвы, – говорит генеральный директор центра «Атом-инновации» Александр Кацай. – Налаживание серийного производства позволит повысить надежность энергосистем и сделать серьезные шаги по широкому внедрению сверхпроводниковых технологий в энергетику». За последние годы источники бесперебойного питания на основе СПИН были проработаны в некоторых развитых странах и показали себя как надежные и эффективные устройства для стабилизации провалов напряжения.

В настоящее время в инновационном центре Росатома (центр «Атом-инновации») совместно с разработчиками технологии ведется активная работа над созданием компактного сверхпроводящего индуктивного накопителя на 24 МДж, состоящего из четырех модулей по 6 МДж. Впоследствии из таких модулей возможно будет собирать накопители большей емкости. А сначала СПИН должен пройти боевое крещение в качестве источника бесперебойного питания для потребителя повышенной категории надежности электроснабжения на предприятии ответственного производства.