Autor: Dr. Friedhelm Herzog a Thomas Kutz, Messer Group
Dobra čtení: 5 minut
◤ VÝZKUM
Účinné chlazení dlouhých supravodivých silových kabelů
Svět potřebuje stále více elektřiny a tím pádem i elektrického vedení. Pro nové trasy přenosových linek je však stále méně místa. Inovativní supravodiče mohou tato úskalí vyřešit.
Když elektrický proud teče běžným vodičem, musí překonávat jeho elektrický odpor. Tím se spotřebovává část energie a vytváří odpadní teplo a elektrická pole jako nežádoucí vedlejší produkty. Supravodivost se všem těmto problémům vyhýbá: kovové supravodiče, objevené v roce 1911, nemají při teplotách blízkých absolutní nule (-273 stupňů Celsia) již žádný odpor, což umožňuje bezztrátový tok elektrického proudu. Při tak nízkých teplotách však chlazení vyžaduje velké množství energie.
Supravodivost šetří místo a transformátory
Supravodiče ze speciálních keramických materiálů dosahují supravodivosti již při vyšší teplotě - blízko bodu varu kapalného dusíku (-196 stupňů Celsia). Označujeme je jako "vysokoteplotní" supravodiče. Za jejich objev byla v roce 1987 udělena Nobelova cena za fyziku. Tento typ silového kabelu lze použít k vyřešení celé řady potíží s přenosem energie.
Například značné transformační ztráty, které vznikají vedle ztrát při přenosu: u běžných pozemních vedení se k přenosu energie používá vysoké napětí s co nejnižším proudem; elektrická energie z větrných a solárních farem se nejprve zvýší a pak se pro spotřebitele opět sníží. Pokud se k výrobě zeleného vodíku používá elektřina ze solárních elektráren, část původní energie se ztrácí již při transformaci (více se dočtete v článku na titulní straně)). U supravodivého spojení naproti tomu proud nehraje žádnou roli: elektrický proud teče bez transformace a beze ztrát ze solárního parku do elektrolyzéru bez ohledu na hodnoty.
Jinde může supravodivost poprvé umožnit realizaci dříve nemožných tras elektrického vedení. Běžná vysokonapěťová vedení vyžadují mnoho prostoru nad zemí i pod ní. V hustě obydlených oblastech se při plánování brzy narazí na limity dané platnými předpisy o vzdálenosti. Kvůli odpadnímu teplu a nevyhnutelným elektrickým polím nelze všude realizovat ani nová podzemní vedení. Dodavatelé energie tak mohou díky nové technologii v kritických místech navrhnout realizaci úseků se supravodiči, což je jediný způsob, jak získat povolení.
Kamenem úrazu u supravodičů je chlazení. To nesmí spotřebovat více energie, než kolik ušetří bezztrátový přenos. Proudová zatížitelnost vysokoteplotních supravodičů se s klesající teplotou zvyšuje. Proto společnost Messer vyvinula chladicí jednotku, která dodává kryogenní kapalný dusík o teplotě nižší, než je jeho běžný bod varu (-196 stupňů Celsia). Teplotu lze snížit až na hodnotu blízkou bodu tuhnutí dusíku (-210 stupňů Celsia). První jednotka tohoto typu byla uvedena do komerčního provozu již v roce 2014 a od té doby funguje bez problémů a spolehlivě.
Osvědčené superchlazení
Supravodivé kabely se nacházejí uvnitř vakuově izolovaných potrubí (kryostatů), kterými proudí kryogenní kapalný plyn. Vakuová izolace dokáže velmi účinně chránit chlad před teplejším okolím, ale ne zcela. Proto je nutné zajistit průběžné dodatečné chlazení. Proto recirkulační čerpadlo dodává do kabelových kryostatů „přechlazený“ kapalný dusík, přičemž jeho teplota -206 °C je hluboko pod bodem varu. Na druhém konci kabelové trasy je nyní poněkud teplejší kapalný dusík nasměrován vratným potrubím k čerpadlu. Dusík pak proudí přes tepelný výměník umístěný v dochlazovači, kde se opět odvádí absorbované teplo.
Dochlazovač využívá jako zdroj chlazení kapalný dusík z nádrže. Ten se odpařuje ve vakuu. Tím se udržuje provozní teplota 209 stupňů Celsia, což je o 13 stupňů méně, než je běžný bod varu dusíku. Chladicí jednotka musí být navržena tak, aby dokázala kompenzovat teplo absorbované kryostatem a vratným vedením a také teplo vznikající při čerpání. U delších kabelových úseků se používají také mezichladicí stanice. Protože tyto stanice mohou být provozovány s kapalným dusíkem z chladicího okruhu, nevyžadují žádné skladovací nádrže. Jejich instalace je však velmi nákladná a složitá.
Nový systém minimalizuje ztráty
Nový chladicí systém vyvinutý společností Messer snižuje kombinované energetické ztráty až o 50 procent. Funguje bez vratného potrubí nebo recirkulačního čerpadla a nejsou nutné ani chladicí mezistanice. Tím se výrazně snižují investiční náklady. Ústředním prvkem koncepce chlazení je aktivně chlazený chladicí štít kolem kabelových kryostatů. Dusík nasávaný přes expanzní ventil ze skladovací nádrže (zásobníků) se v dochlazovači odpařuje za podmínek vakua, čímž se dosáhne teploty až 209 stupňů Celsia. Současně proudí kapalný dusík ze zásobníku přes tepelný výměník v dochlazovači. Přitom se tepelný výměník ochladí na teplotu přibližně -206 stupňů Celsia. Čerpadlo není potřeba: tlak nezbytný k udržení průtoku se vytváří v zásbníků.
Podchlazený kapalný dusík proudící z dochlazovače nyní protéká vnitřním potrubím kabelových kryostatů, čímž udržuje supravodivé vodiče chladné.
Díky přídavnému chladicímu štítu je příjem tepla ve směru supravodiče desetinový ve srovnání s jednoduchým kryostatem. Hmotnostní tok kapalného dusíku potřebný pro proudění se tedy rovněž desetinásobně snižuje. Tlaková ztráta při průtoku se snižuje dokonce stonásobně. Na druhém konci kryostatu je tok dusíku veden ze supravodiče do chladicího štítu. Tam se kapalný plyn odpařuje a vytváří chlazení, které kompenzuje odběr tepla z kryostatu. Fázové odlučovače (odplyňovače) odvádějí dusík odpařený v chladicím štítu do ovzduší, čímž se minimalizují tlakové ztráty proudění ve štítu. Tato technologie umožňuje levně a s velmi vysokou provozní spolehlivostí realizovat až 100 km dlouhé, energeticky úsporné kabelové trasy.