Оценка подсегментов отрасли высокотемпературных светопроводников

Явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) не так давно интересовало только ученых. Однако сегодня на рынок электроэнергетического оборудования выходят коммерчески прибыльные продукты на основе ВТСП, в том числе российского производства.

Самым перспективным рынком является использование сверхпроводников в производстве токоограничителей: такие устройства решают задачу снижения количества токов короткого замыкания, протекающих в сети, а это существенно повышает устойчивость энергосистемы. Они используются в инфраструктуре энергетических компаний и железнодорожного транспорта. Пока в мире действует около двух десятков таких устройств, позволяющих ограничивать критические значения тока в высокомощных системах. Токоограничители на сверхпроводниках скоро заработают и в России. Уже реализуется проект по изготовлению и установке токоограничителя на электроподстанции «Мневники» в Москве объемом в 1,6 млрд руб.

Сейчас полный цикл производства ВТСП может обеспечить всего несколько компаний в мире. Это американские AMSC и SuperPower, Fujikura из Японии, корейская SuNAM, германская Bruker и российская «С-Инновации» (группа компаний «СуперОкс»), которая является резидентом «Сколково».

Хорошо изучены два класса сверхпроводящих материалов: так называемые низкотемпературные, работающие при температурах жидкого гелия, и высокотемпературные (ВТСП), для охлаждения которых применяется жидкий азот. Изделия на базе низкотемпературных сверхпроводников давно внедрены в узкие сферы промышленности, в частности, они применяются в ускорителях частиц, установках термоядерного синтеза и магнитных медицинских томографах. Например, низкотемпературные сверхпроводящие кабели российского производства используются в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).

В энергетике востребован второй класс – высокотемпературные сверхпроводники второго поколения (первое или второе поколение ВТСП – зависит от используемых химических соединений). По объему выпущенной на сегодняшний день продукции вмире пока выигрывают ВТСП-1, но для экспертов очевидно, что будущее за сверхпроводниками второго поколения. Это связано с тем, что в конструкции сверхпроводников ВТСП-2 более 70% составляет матрица, изготовленная из серебра.

Применение в системах охлаждения достаточно несложного в обращении жидкого азота серьёзно расширило спектр областей промышленного использования сверхпроводников. Базовый продукт ВТСП-индустрии – СП-лента (или СП-провод) толщиной около 0,1 мм с последовательно нанесёнными на неё слоями. Это изделие можно назвать по-настоящему «инновационным»: при длине до 1 км данная лента имеет шероховатость не более 10–20 нанометров, а количество слоёв доходит до 10. Из ВТСП-ленты производят различные изделия: сверхпроводящие кабели, ограничители тока, силовые установки, накопители энергии и ряд других.

Развитие ВТСП в сегменте «Кабели постоянного тока»

На сегодняшний день разработки в области создания ВТСП кабелей продолжаются. ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» ведут совместный НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Первый прототип будущей инновационной системы передачи энергии — два отрезка биполярного ВТСП кабеля по 30 м, разработанные в НТЦ ФСК ЕЭС и изготовленные на заводе «Иркутсккабель», успешно прошли токовые и высоковольтные испытания в 2013 году.

В ноябре 2014 г. состоялись испытания комплекта преобразовательного оборудования для инновационной передачи электроэнергии мощностью 50 МВт с использованием сверхпроводящего кабеля длиной в несколько сотен метров. Применение ВТСП кабеля для электроснабжения крупных городов позволит добиться уменьшения площадей землеотводов, отказаться от строительства воздушных линий и снизить потери электроэнергии.

В НТЦ ФСК ЕЭС отмечают, что кабельная линия постоянного тока на основе ВТСП обладает рядом достоинств по сравнению с линией переменного тока. Она не только позволяет передавать мощность с минимальными потерями, но и ограничивать токи короткого замыкания, регулировать реактивную мощность, управлять потоками мощности и обеспечивать ее реверс.

Кабели переменного тока

Необходимо упомянуть о российском проекте по созданию сверхпроводящего кабеля длиной 200 м. Над созданием кабеля работали ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН), ОАО «Всероссийского научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП), Московский авиационный институт и ОАО «НТЦ электроэнергетики». Разработка началась в 2005 году, в 2009 году был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне.

Основные достоинства ВТСП-кабеля — высокая токовая нагрузка, малые потери, экологическая чистота и пожарная безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10–20 кВ не требуются промежуточные подстанции.

ВТСП-кабель представляет собой сложную многослойную конструкцию. Центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из нержавеющей стали, окруженной пучком проводов из меди и нержавеющей стали, обмотанных медной лентой. Поверх центрального элемента укладываются два повива сверхпроводящих лент, а сверху — высоковольтная изоляция. Затем следует наложение сверхпроводящего экрана, повивы гибких медных лент, обмотанных лентой из нержавеющей стали. Каждая жила кабеля затягивается в собственный гибкий криостат длиной 200 м.

Мировой опыт использования ВТСП

Сверхпроводимость может использоваться (и уже используется) в самых разных сферах. Впервые она была применена при создании магнитов с высокими полями. С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Создаются ВТСП электродвигатели для судов и промышленности, которые обладают существенно меньшими массогабаритными параметрами при равной мощности. Сверхпроводимость интересна с точки зрения микроэлектроники и компьютерной техники. Низкотемпературные сверхпроводники применяются в медицинских диагностических аппаратах (томографах), и даже в таких экзотических проектах «меганауки», как большой адронный коллайдер и международный термоядерный реактор.

С высокотемпературной сверхпроводимостью связаны надежды на преодоление глобальной энергетической дилеммы, связанной, с одной стороны, с постоянным ростом энергопотребления в настоящем и будущем, а с другой стороны, с необходимостью радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Ведь по сути дела ВТСП выводит привычное оборудование для генерации и передачи электроэнергии на принципиально новый уровень с точки зрения эффективности.

Одно из самых очевидных применений сверхпроводников связано с передачей электроэнергии. ВТСП кабели могут передавать значительную мощность при минимальном сечении, то есть обладают пропускной способностью другого порядка, нежели традиционные кабели. При прохождении тока через сверхпроводник не выделяется тепло, и практически отсутствуют потери, то есть решается главная проблема распределительных сетей.

Генераторы благодаря обмоткам из сверхпроводящих материалов, обеспечивающим огромные магнитные поля, становятся значительно мощнее. К примеру, концерн Siemens построил три ВТСП генератора мощностью до 4 МВт. Машина в два раза легче и меньше по сравнению с обычным генератором той же мощности. Также, ВТСП генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сегодня в мире активно ведутся разработки ветрогенераторов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. При использовании ВТСП обмоток реально создание ВТСП генераторов мощностью 10 МВт, которые будут в 2-4 раза легче обычных.

Перспективная сфера для широкого применения сверхпроводников — накопители энергии, роль которых также велика с точки зрения развития современных энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии. Даже привычное электрооборудование, такое как трансформаторы, приобретает качественно новые характеристики благодаря ВТСП.

Сверхпроводимость позволяет создавать такие необычные устройства как ограничители тока короткого замыкания, полностью автоматически ограничивающие ток при замыкании и автоматически же включающиеся при снятии КЗ.

В настоящее время в мире наиболее перспективными и продвинутыми считаются технологии производства ВТСП провод второго поколения (2G), заключающиеся в последовательном нанесении наметаллические подложки (ленты) нескольких оксидных буферных слоев, чтобы обеспечить необходимую текстурированную основу для эпитаксиального роста ВТСП слоя (как правило, на основе YBCO). Далее обычно наносится тонкий защитный серебряный слой. Иногда наносятся дополнительно более толстые металлические стабилизирующие слои с обеих сторон провода, чтобы достигнуть требуемых электрических, тепловых и механических свойств.

Различные компании (в США – American Superconductor, SuperPower; в Японии – Fujikura, ISTEC, Sumitomo; в Германии – Bruker, Theva; в Корее - KERI) на конкурентной основе развивают собственные патентно-защищенные методы получения ВТСП проводов второго поколения. Они надеются в ближайшем будущем получить преимущества на рынке за счет снижения удельной себестоимости и увеличения выхода качественной продукции.

Оценка объема мирового и российского рынка ВТСП

Поскольку сфера ВТСП пока находится на этапе внедрения, определить точный объем мирового и отечественного рынка достаточно проблематично. Эксперты прогнозируют достаточно активное развитие мирового и российского рынка сверхпроводников. Так, Андрей Вавилов, председатель Совета Директоров ЗАО «СуперОкс», отмечает, что объем мирового рынка ВТСП удваивается каждый год и в 2017 году превысил 1 млрд $, при этом долю РФ в мировом производстве рынке г-н Вавилов оценивает минимально в 10%.

Поскольку рынок ВТСП находится на этапе внедрения выделить и оценить точно его сегменты в настоящее время затруднительно, однако проведенный обзор российского и мирового рынка ВТСП позволил сформировать некоторые факторы для оценки рынка РФ:

1. Выделяют два сегмента лент ВТСП (ВТСП-1 (первого поколения) и ВТСП-2 (второго поколения)), отличия описаны выше в данном пункте.
2. Отечественные производители ЗАО «СуперОкс» и АО «Русский сверхпроводник» занимаются выпуском ВТСП-2 как для отечественного рынка, так и для экспортных поставок.
3. Все испытания ВТСП, происходящие в РФ и описанные в п.4.1. и 4.2., в настоящий момент предполагают использование ВТСП-2, поскольку за этой технологией будущее ВТСП.
4. Стоимость ВТСП-2 варьируется значительно в зависимости от

Ниже в Таблице представлена оценка рынка ВТСП в РФ по сегментам по итогам 2017 года.

Оценка объема рынка РФ по сегментам ВТСП за 2017 год

Источник: Wise Guy Consultants, данные «Русский сверхпроводник», анализ MegaResearch

Таким образом, совокупная оценка рынка ВТСП-изделий в РФ составила 7,44 млрд руб. или 1,8 м². По факторам развития рынка можно говорить о том, что в дальнейшем промышленное применение получит только ВТСП лента второго поколения.