ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЯВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

На сегодняшний день энергетика имеет довольно высокий уровень развития, однако также присутствуют и проблемы, мешающие её совершенствованию. Учёные всего мира пытаются их решить и огромные надежды возлагают на сверхпроводимость.

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура) [2].

С появлением в физике такого понятия как “абсолютный ноль” учёные всего мира стали всё чаще исследовать свойства веществ при низких температурах, когда движение молекул практически отсутствует. Для достижения низких температур использовали “сжиженый газ”, так как при испарении такой газ отбирает энергию от тела, которое погружается в этот газ, ведь для отрыва молекул от жидкости требуется энергия. Схожие процессы протекают в холодильниках, в них сжиженный фреон испаряется в морозильной камере.

В конце XIX – начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как азот, водород, кислород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры [1].

Успех в сжижении гелия был достигнут голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесем в 1908-м году, который работал в Лейденском университете (Нидерланды). Сжиженный гелий позволял достичь рекордно низкой температуры – около 4 К. Получив жидкий гелий, ученый начал заниматься изучением свойств разных материалов при гелиевых температурах [1].

Одним из исследуемых вопросов, которые изучал Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при низких температурах. На тот момент было известно, что с увеличением температуры металла его сопротивление также возрастает. Следовательно, ожидалось наблюдать обратный эффект с уменьшением температуры.

Первым металлом, показавшим свойства сверхпроводимости, была ртуть. В 1911 году учёный понизил её температуру до 4,2 К и устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства сомневаясь в их исправности, однако показания оставались такими же [1].

После открытия сверхпроводимости ртути возникали вопросы: «Возможна ли сверхпроводимость в других веществах? При каких температурах?”. Исследования Камерлинга-Оннеса дали толчок к изучению этого явления в других веществах и сверхпроводимость оказалась не последним свойством сверхпроводников.

Сверхпроводимость уже достаточно широко применяется в энергетике, однако весь её потенциал сложно раскрыть из-за особенностей её применения.

Главное свойство, которое можно использовать в энергетике это практически полное отсутствие сопротивления. Достижение такого эффекта наблюдется только при низких критических температурах, которые сложно поддерживать. Рассмотрим перспективы применения сверхпроводимости.

Электрические сети из обычных проводников теряют от 30 до 40 процентов проводимой энергии из-за собственного сопротивления. Эти потери переходят в джоулевую теплоту (идут на нагревание проводника) [4]. Если представить масштаб проведённых ЛЭП даже в масштабах одной страны, мы имеем огромные потери энергии, которые вслед за собой сокращают срок службы электрических установок, изоляции. Только протяжённость ЛЭП в РБ составляет 279.73 тыс. км. Заменив все проводники сверхпроводниками:

1. В разы уменьшим потери энергии;
2. Уменьшим толщину провода (теперь сопротивление практически не зависит от толщины сечения проводника);
3. Уменьшим толщину изоляции;
4. Увеличим срок эксплуатации.

Кабели из такого вещества смогли бы доставлять электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения.

Сверхпроводящее электрооборудование позволяет резко повысить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств, благодаря чему сократятся их размеры.

Отсутствие сопротивления в измерительных электроприборах сможет значительно повысить точность измерения.

На основе сверхпроводимости возможно было бы изготавливать вращающиеся машины со значительно более высоким КПД, чем существуют сейчас. Генераторы и электродвигатели при меньших размерах имели бы большую мощность и рабочее напряжение [8].

Важным параметром в энергосистеме также является реактивная мощность. Проблемы с её переизбытком очень часто становятся первостепенными в энергосистеме. Для снижения потерь электроэнергии в сетях используют компенсирующие устройства, и одним из таких может быть ВТСП-синхронный компенсатор. Синхронный компенсатор потребляет реактивную мощность из сети, а с использованием в нём сверхпроводников расшириться диапазон регулировки активной мощности и появиться возможность создания синхронных компенсаторов     для высоких рабочих напряжений (110-220 кВ) [7].

Силовые трансформаторы с применением ВТСП стали бы гораздо меньших размеров, потери энергии в обмотках снизились бы к минимуму, также снизился бы уровень взрыво- и пожароопасности.

В перспективе, всё это осуществимо, однако для достижения таких свойств требуется криогенное оборудование, способное создавать экстремально низкие температуры. Долговременное использование и обслуживание таких устройств в больших масштабах в данный момент является экономически неэффективным из-за высокой стоимости.

Придя к тому, что поддержание низких температур неэффективно, приходилось повышать значения критических температур получая новые вещества имеющие свойства сверхпроводимости.

В 2018 году группа исследователей из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Пабло Джарилло-Эрреро обнаружила, что при вращении под определённым углом два листа графена полностью лишаются электропроводимости [1]. Применив к материалу напряжение, установив небольшое количество электродов к графеновой конструкции, было обнаружено, что на определённом уровне электроны вырвались из изолирующего состояния и протекали без сопротивления. Важнейшей особенностью данного открытия является то, что сверхпроводимость в графеновой конструкции наблюдалась при комнатной температуре.

Объяснение данного эффекта в графеновой конструкции всё ещё остаётся под вопросом, однако потенциал в сфере энергоснабжения остаётся довольно высоким.

Явление сверхпроводимости активно изучается в настоящее время и открытие свойств графена ещё сильнее подстегнуло учёных всего мира к изучению этой темы. Повсеместное использование в приборах, внедрение в энергосистему сверхпроводников способных проявлять сверхпроводимость при естественных температурах, совершит настоящую революцию во всём мире, а не только в сфере энергетики. Это станет следующим шагом технологической эволюции человечества.

Список литературы:

1. Сверхпроводимость.[Электронный ресурс]. 2019 // URL: https://spacegid.com/sverhprovodimost.html#i-9 (Дата обращения 22.03.2021).
2. Сверхпроводимость.[Электронный ресурс] // 2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхпроводимость (Дата обращения 23.03.2021).
3. Применение явления сверхпроводимости.[Электронный ресурс]. // URL: https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/SPF/uchpos/text/5_6.html  (Дата обращения 25.03.2021).
4. Применение сверхпроводников.[Электронный ресурс]. // URL: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/primenenie_sverhprovodnikov/ (Дата обращения 25.03.2021).
5. Графен.[Электронный ресурс]. // 2021 URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Графен (Дата обращения 27.03.2021).
6. Мифтахов К.Р., Орлов А.В., Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии.[Электронный ресурс]. // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sverhprovodnikovye-induktivnye-nakopiteli-energii/viewer (Дата обращения 30.03.2021).
7. Компенсирующие устройства.[Электронный ресурс]. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Компенсирующие_устройства (Дата обращения 26.03.2021).
8. Сверхпроводниковые вращающиеся машины. [Электронный ресурс]. // URL: https://ozlib.com/848580/tehnika/sverhprovodnikovye_vraschayuschiesya_mashiny (Дата обращения 26.03.2021).