Nadprzewodniki pracujące w sieciach średniego napięcia

Jak zoptymalizować sieci elektryczne? Jak zminimalizować straty energii? Czy istnieją rozwiązania, które zrewolucjonizują przesył energii?

Ponieważ zapotrzebowanie na energię elektryczną stale wzrasta, toteż inżynierowie Fluor pogłębiają tematykę optymalizacji sieci elektrycznych, aby móc wyjść naprzeciw oczekiwaniom Klientów i dostosować się do zmian, jakie w elektroenergetyce zachodzą. Zastosowanie kabli nadprzewodzących w powiązaniu ze zmieniającą się strukturą kierunku przesyłu energii, może okazać się właściwym rozwiązaniem.

Znane nam elektryczne sieci przesyłowe wykonane są z przewodów lub kabli o żyłach miedzianych lub aluminiowych. Aby zminimalizować straty energii, przesył odbywa się możliwie na jak najwyższym napięciu, które następnie transformowane jest w dużych stacjach elektroenergetycznych na poziom napięcia średniego, a dalej na poziom napięcia niskiego.

Wykorzystując kable z żyłami wykonanymi z materiałów nadprzewodzących, opisana wyżej struktura może zostać uproszczona. Zostało to potwierdzone w Studium Wykonalności (Feasibility Study) przeprowadzonym przez Instytut Technologiczny w Karlsruhe, które poprzedzało projekt pilotażowy. Projekt został zlecony przez RWE Niemcy (lokalny dystrybutor energii elektrycznej). Do tego tematu została również zaangażowana firma Nexans, producent kabli.

W wyniku współpracy od prawie trzech lat testowany jest w warunkach rzeczywistych (Essen, Niemcy) najdłuższy kabel nadprzewodzący na świecie o długości 1 kilometra. Trójżyłowy, wysokotemperaturowy kabel nadprzewodzący typu HTS (High-Temperature Superconductor) pracuje na napięciu 10kV i zastępuje konwencjonalną linię 110kV, omijając stację elektroenergetyczną wysokiego napięcia. Dodatkowo, dla zabezpieczenia kabla nadprzewodzącego przed zwarciami, zainstalowano nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarciowego.

Dzięki wykorzystaniu kabli nadprzewodzących, możemy pominąć transformację napięć, a tym samym konieczność budowy stacji elektroenergetycznych wysokiego napięcia, co wiąże się również z brakiem konieczności rezerwacji miejsca w terenie. Linia przesyłowa prowadzona w ziemi w wykonaniu konwencjonalnym musiała by być wykonana z pięciu kabli trójżyłowych miedzianych o podobnej średnicy, co pociąga za sobą szerszą i głębszą trasę kablową, no i oczywiście straty przesyłowe energii (patrz rysunek powyżej - porównanie przekrojów kanałów kablowych. Po prawej kanał z kablem nadprzewodzącym).

Przeprowadzone testy kabla HTS potwierdziły kierunek badań i zasadność tworzenia takich rozwiązań. Testy te mogą stać się wzorcem dla przyszłych systemów zasilania.

Badania pozwalają ocenić techniczne możliwości zastosowania tego rozwiązania i lepiej ocenić aspekty ekonomiczne. Po prawie trzyletniej pracy kabla nadprzewodzącego (od kwietnia 2014r.), okazało się, że technologia osiągnęła wiek dojrzały i może być stosowana szczególnie w strefach silnie zabudowanych, gdzie unika się problemów z lokalizowaniem i budową stacji elektroenergetycznych wysokiego napięcia i wyposażania ich w kosztowne aparaty i urządzenia. Tym samym tworzy się sieć dystrybucyjną bardziej efektywną i ekonomiczną.

Wnioski z badań pokazują, że kable nadprzewodzące są jedynym sposobem na uniknięcie poziomu wysokiego napięcia. Przez planowany 40 letni okres eksploatacji, ich efektywność ekonomiczna w porównaniu do konwencjonalnych kabli wysokiego napięcia powinna być wyższa, pomimo kosztów chłodzenia. Technologia z udziałem nadprzewodników posiada potencjał by w przyszłości znacznie obniżyć całkowite koszty rozbudowy sieci dystrybucyjnej.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną stale wzrasta. Jednocześnie struktura wytwarzania energii elektrycznej (szczególnie w Europie zachodniej) przesuwa się od zawodowych elektrowni wielkiej mocy do dużej liczby zdecentralizowanych producentów. Sieć elektroenergetyczna, pierwotnie pomyślana, jako "jednokierunkowa ulica" (upraszczając: Elektrownie - Sieć wysokiego napięcia - Sieć średniego napięcia - Sieć średniego/niskiego napięcia - Klient), musi się do tych zmian dostosować.

Od pewnego czasu odnawialne źródła energii zasilają sieć średniego napięcia. To sprawia, że wielu naukowców zgadza się, że zmiana kierunku przesyłu energii odbywa się na średnim napięciu. Zmiana kierunku przesyłu energii wraz z zastosowaniem kabli nadprzewodzących może spowodować w przyszłości minimalizację potrzeb związanych z wykorzystaniem w układach dystrybucji sieci wysokiego napięcia.

Oczywiście, nadprzewodniki można i zapewne będą wykorzystane w innych aparatach i urządzeniach elektrycznych.

Aktualnie inżynierowie pracują nad szynoprzewodami wykonanymi z nadprzewodników. Mogą one zastąpić masywne wysokoprądowe szynoprzewody wykonane z miedzi. Taka zmiana spowoduje eliminację emisji ciepła, silnych zewnętrznych pól elektromagnetycznych i wysokich wymagań bezpieczeństwa pracy, które obowiązują dla konwencjonalnych szynoprzewodów.

Nadprzewodniki mogą być również wykorzystane w produkcji bezkontaktowych łożysk magnetycznych, które mogą pracować w ekstremalnych warunkach, przy bardzo dużych obciążeniach i prędkościach. Dzięki tym właściwościom mogą być zastosowane na przykład do budowy bardzo wydajnych układów magazynowania energii z wykorzystaniem koła zamachowego.

Stosując nadprzewodniki do budowy silników okazuje się, że mogą być one mniejsze, lżejsze i bardziej wydajne niż aktualnie produkowane. W wykonaniach przemysłowych, osiągają pięciokrotnie wyższe wartości przyspieszenia i pozwalają na bardzo szybkie zmiany prędkości.

Główne elementy testowanego systemu z kablem nadprzewodzącym

Centrum techniczne instalacji w Essen znajduje się w stacji "Herkules", gdzie znajdują się zbiorniki kriogeniczne zasilające przewód HTS w ciekły azot. Kabel w stacji ułożony jest w kształcie litery "U" by tworzyć pętlę kompensacyjną (z powodu zmian długości kabla, w czasie chłodzenia).

Badany kabel łączący dwie podstacje elektroenergetyczne ma zaledwie 15cm średnicy. Elastyczna, falista rurka ze stali nierdzewnej tworzy oś środkową kabla i jest przewodem dla ciekłego azotu, który chłodzi kabel. Rurka ta jest powleczona trzema warstwami taśm z nadprzewodnikami dla każdej z faz, oddzielonymi od siebie warstwą izolacyjną. Kolejną warstwą jest oplot wykonany z miedzi, który spełnia zadanie przewodu neutralnego. Cała konstrukcja jest chroniona przed dostępem ciepła z zewnątrz przez wsteczny przepływ ciekłego azotu. Zrealizowane jest to przez dwuścienny, falisty przewód rurowy wykonany ze stali nierdzewnej. Pomiędzy jej ściankami znajduje się warstwa folii aluminiowej dodatkowo zabezpieczającej przed wnikaniem promieniowania cieplnego z zewnątrz. Warstwę zewnętrzną kabla stanowi powłoka z polietylenu.

Wykonane w tej technologii kable nadprzewodzące osiągają pięciokrotnie większą obciążalność prądową niż standardowy kabel 10kV o tej samej średnicy, nie wykazując praktycznie żadnych strat przesyłowych. Ponieważ kable HTS nie generują pola elektromagnetycznego, można je łatwo instalować w istniejących kanałach kablowych i układać w pobliżu kabli wrażliwych na to pole.

Z kablem nadprzewodzącym połączony jest trójfazowy nadprzewodnikowy ogranicznik prądu zwarciowego SFCL (Superconducting Fault Current Limiter). W czasie normalnej pracy rezystancja ogranicznika jest bardzo mała i nie wpływa na przepływ prądu, natomiast w momencie, gdy prąd przekroczy wartość krytyczną, ustaloną w zależności od składu chemicznego nadprzewodnika, następuje bardzo szybki przyrost rezystancji. SFLC jest w stanie ograniczyć najbardziej niebezpieczny prąd udarowy, a co za tym idzie ochronić urządzenia przed dynamicznymi efektami zwarcia. Ogranicznik ten reaguje przed pierwszym szczytem przebiegu zwarcia, co zapewnia ograniczenie prądów zwarciowych i sprowadzenie ich do bezpiecznych poziomów, bez wad występujących w konwencjonalnych metodach (m.in. nie podlegają zużyciu i nie wymagają konserwacji. Ich działanie jest samoczynne, w związku z tym pojawienie się zwarć nie pociąga za sobą dodatkowych kosztów operacyjnych).

Żyły robocze badanego kabla nadprzewodzącego wykonane są z wysokotemperaturowego materiału nadprzewodzącego tzw. pierwszej generacji (BISCCO) a w ograniczniku SFLC zastosowano wysokotemperaturowy nadprzewodnik drugiej generacji. Składa się on z kilku mikrometrowych warstw materiału nadprzewodzącego (wykonanego z tlenku itru, baru i miedzi, zwanego - YBCO), którym powlekane są taśmy stalowe. Niska pojemność cieplna tych pasków umożliwia ich szybkie chłodzenie, co powoduje, że ogranicznik szybko wraca do normalnej pracy po wystąpieniu zwarcia i krótkiej fazy chłodzenia bez konieczności konserwacji.

Specyfikacja kabla HTS wymaga jego chłodzenia. Na wlocie do kabla temperatura ciekłego azotu wynosi -206oC, a na wylocie podnosi się do -201oC. Następnie azot ponownie schładzany jest poprzez wymiennik ciepła, osiągając temperaturę -209oC.

Zastosowany kabel HTS i ogranicznik SFCL są zaprojektowane na obciążalność prądową 2310A, napięcie 10kV i moc znamionową 40MW. System ten zastępuje układ dystrybucyjny na poziomie 110kV o tej samej mocy.

Piotr Widera, Główny projektant branży elektrycznej, Fluor S.A.

Źródło: BINE Information Service - www.bine.info; RWE - www.rwe.com; Karlsruhe Institute of Technology - www.kit.edu; Nexans - www.nexans.us