Энергетика сегодня и завтра - Транспорт энергии

Потребление электроэнергии растет с каждым годом. Место расположения электростанций не может быть выбрано произвольно: для ГЭС оно определяется гидро-энергоресурсами, для ТЭС — в большой мере зависит от ресурсов топлива и источников водоснабжения, для АЭС имеется возможность гораздо более широкого выбора, но и в этом случае должен быть поблизости источник водоснабжения (требуется большое количество охлаждающей воды для конденсации пара). Эти два обстоятельства — рост потребления и, следовательно, производства электроэнергии и отсутствие свободы в выборе места расположения электростанции — делают транспорт энергии одним из важнейших вопросов современного развития энергетики.
При выборе места расположения ТЭС и ГЭС транспортные расходы должны учитываться. Для ТЭС могут рассматриваться и сопоставляться: передача электроэнергии по проводам, железнодорожный и трубопроводный транспорт топлива. Для ГЭС — только передача электроэнергии.
В настоящее время наиболее выгодным видом транспорта энергии среди всех названных выше является перекачка нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. Близка к ней по экономичности перевозка нефти и продуктов ее переработки на больших танкерах. Именно вследствие малых затрат на транспортировку мировые цены на нефть мало зависят от места ее потребления. Как и все жидкости, нефть почти несжимаема, и поэтому расход энергии на ее перекачку определяется только необходимостью преодоления сил трения в трубопроводе, т. е. является относительно малым. В электроэнергетике, однако, нефть и получаемые из нее продукты используются все меньше. Эта тенденция в дальнейшем не только сохранится, но и усилится.
Перекачка по трубопроводам природного газа стоит уже значительно дороже. Так как газ сжимаем, то вместо употребляемых на нефтепроводах насосов здесь приходится использовать компрессоры.
Представляет интерес перекачка газа в сжиженном состоянии. Расход энергии на перекачку резко снижается, а диаметр трубопровода при том же количестве транспортируемого газа может быть выбран гораздо меньше.
Что касается транспорта угля на дальнее расстояние, то для этой цели используется только железнодорожный и водный транспорт.
За последнее время проявляется большой интерес к транспорту угля по трубопроводу в контейнерах и в виде пульпы, т. е. примерно пятидесятипроцентной смеси измельченного угля с водой. Это направление действительно интересно.
Более универсальным средством транспорта энергии являются линии электропередачи (ЛЭП). Их назначение не только односторонняя передача энергии, как это происходит, например, с помощью нефте- и газопроводов, но и осуществление связи между отдельными электростанциями и целыми энергетическими системами. Такая связь помогает повысить надежность работы энергосистемы, сократить необходимый резерв мощности, облегчить работу системы в периоды максимальной и минимальной потребности в электроэнергии.
По основным экономическим показателям — удельным капиталовложениям и эксплуатационным расходам ЛЭП пока уступают не только нефтепроводам, но и газопроводам. Общая тенденция развития дальних линий электропередачи — повышение электрического напряжения: чем оно выше, тем меньше электрический ток и, следовательно, тем меньше потери электроэнергии в проводах. Характер этих потерь обычный: электрическая энергия превращается в тепловую, а эта последняя рассеивается. 

Главное, что ограничивает повышение напряжения в ЛЭП, — это проводимость воздуха. Дальние линии электропередачи в настоящее время делаются воздушными: металлические провода, по которым течет электрический ток, с помощью специальных опор и изоляторов подвешиваются в воздухе. Электрическое сопротивление воздуха должно быть достаточно большим, чтобы не происходило «пробоя воздуха». Беда в том, что проводимость воздуха резко растет после достижения определенного предела по напряжению.
Широко применяются в настоящее время ЛЭП, работающие на переменном и постоянном токе. Каждый из этих двух типов ЛЭП имеет свои преимущества и недостатки.
ЛЭП на постоянном токе используются все шире ввиду более высокого допустимого рабочего напряжения в линии (в 1,5—2 раза больше, чем для ЛЭП на переменном токе). По этой причине они могут сооружаться на более дальние расстояния.
Недостатком ЛЭП на постоянном токе является необходимость иметь два преобразователя тока: один — на передающем конце линии для превращения переменного тока в постоянный и другой — на принимающем конце линии для преобразования постоянного тока в переменный. Хотя в преобразовательной технике за последнее время достигнуты большие успехи, (на место вакуумных устройств пришли полупроводниковые), тем не менее стоимость преобразователей остается высокой.
Поскольку на ЛЭП из соображений экономии капитальных вложений устанавливаются только два преобразователя тока — на передающем и принимающем концах линии, производить промежуточный отбор энергии невозможно. В дальнейшем, очевидно, ЛЭП на постоянном токе будут использоваться для передачи электроэнергии на наиболее дальние расстояния (например, из Восточной Сибири, где имеются огромные ресурсы угля и гидроэнергии, в европейскую часть СССР).
В Советском Союзе достигнуты большие успехи в создании современных ЛЭП как на переменном,
так и на постоянном токе. Освоены ЛЭП переменного тока на напряжение 750 кВ (750 тыс. В), ведутся работы по созданию ЛЭП на напряжение 1150 кВ. Построены ЛЭП постоянного тока на напряжение 800 кВ (±400 кВ), ведется работа по созданию ЛЭП постоянного тока на напряжение 1500 кВ (±750 кВ).
Перспектива дальнейшего развития передачи электроэнергии по проводам связывается теперь не только с воздушными, но и с кабельными ЛЭП, которые обычно располагаются под землей. В этом случае электрический провод вместе с изоляцией заключен в герметическую оболочку.
В одном из разрабатываемых вариантов кабельных ЛЭП в качестве изоляции предполагается использовать находящийся под относительно высоким давлением газ, обладающий низкой электропроводностью и высокой электрической прочностью. Таким газом, уже нашедшим применение в технике, является шестифтористая сера (SF6), именуемая среди электротехников элегазом.
Другое направление развития ЛЭП заключается в создании так называемых криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи. Идея криогенных ЛЭП основывается на том известном факте, что электрическое сопротивление металлов (особенно чистых) падает со снижением их температуры. Например, если чистый алюминий (99,99 Аl) охладить до температуры 20 К (— 253° С — температура жидкого водорода), то его электрическое сопротивление уменьшится примерно в 500 раз.
Явление сверхпроводимости служит отправным пунктом создания сверхпроводящих ЛЭП. Это явление, с практическим использованием которого связываются сегодня многие направления технического прогресса, состоит в том, что при достижении определенных низких температур некоторые чистые металлы и сплавы становятся сверхпроводящими, т. е. их электрическое сопротивление делается равным нулю. Температура, при которой это происходит, именуется критической. К сожалению, для достижения сверхпроводимости необходимо охлаждение проводников до температуры, близкой к гелиевой (температура жидкого гелия =4,2 К, или —268,8° С).
Наука не ставит каких-либо запретов, по крайней мере на уровне современных знаний, на возможность существования таких сверхпроводящих материалов, критическая температура для которых была бы выше. Представьте себе, каким огромным достижением было бы открытие такого сверхпроводящего вещества, критическая температура для которого была бы близка к комнатной! Однако до сего времени не удалось отыскать вещество, которое приобретало бы сверхпроводящие свойства даже при температуре жидкого азота (—196° С). Поиски в этом направлении продолжаются.
Конструкцию сверхпроводящего кабеля можно представить себе в следующем виде. Сверхпроводящий провод помещается в трубе, заполненной жидким гелием. Снаружи труба должна быть хорошо теплоизолирована. В качестве сверхпроводника может быть использован, например, сплав ниобия, титана и циркония, критическая температура для которого составляет 9,7 К (—263,3° С).
Итак, преимущества сверхпроводящей ЛЭП очевидны: отсутствие потерь электроэнергии и большая экономия металла, из которого делаются провода. Правда, стоимость сверхпроводящего материала пока высока, но можно надеяться, что она существенно снизится при увеличении его производства. Кроме того, потребуются значительные расходы энергии для поддержания низкой температуры сверхпроводника и криогенное оборудование.
Относительно криогенных линий электропередачи можно сказать, что их возможная конструкция,
а также их достоинства и недостатки в принципе такие же, как и для сверхпроводящих линий.
Заканчивая разговор о проблемах транспорта энергии, хотелось бы совсем кратко сказать о еще одном, может быть перспективном, способе передачи энергии. Мы говорим «может быть перспективном» потому, что идеи, составляющие его существо, настолько новы и необычны, что очень трудно оценить даже возможность их реализации.
Речь идет о создании мощных атомных или солнечных электростанций, вынесенных с целью охраны окружающей среды в околоземное космическое пространство. В этом случае электрическую энергию, производимую на этих станциях, имеется в виду передавать на Землю с помощью электромагнитного излучения в сверхвысокочастотном диапазоне. Излучение такого рода может передаваться узким направленным пучком, так как оно, подобно световому лучу, поддается фокусировке.