超導(dǎo)電力線助推電網(wǎng)綠色發(fā)展
據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志近日報道,隨著新生代的核聚變能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,無需依賴任何特殊材料就能建設(shè)超導(dǎo)輸電線路變得越來越可行。同時,其解決方案也相對簡單:將電線“冷凍”起來。
傳輸電力暢通無阻
超導(dǎo)體是幾乎能夠無電阻或無損耗地傳輸電力的材料。最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體需要在極低溫度或極高壓力下工作,這限制了它們的應(yīng)用范圍,僅能在磁共振成像機(jī)等特定領(lǐng)域一展身手。
1986年,人們發(fā)現(xiàn)了第一種“高溫超導(dǎo)體”。盡管這個“高溫”仍遠(yuǎn)低于日常所理解的溫度范疇(約-196℃),但這一突破已足以讓科學(xué)家興奮不已,因為這意味著可使用更為經(jīng)濟(jì)且儲量豐富的液氮作為冷卻劑,而液氮可泵入電線芯以冷卻超導(dǎo)體。
與傳統(tǒng)銅質(zhì)電線相比,高溫超導(dǎo)電力線展現(xiàn)出了一系列引人矚目的優(yōu)勢。首先,它們能最大限度地減少電網(wǎng)中因發(fā)熱而損失的電力。此外,高溫超導(dǎo)電力線能在相同寬度的電線中承載更大的電流,從而大幅減少所需的新輸電線路數(shù)量。在某些情況下,現(xiàn)有的銅質(zhì)電線也能被超導(dǎo)材料替換,這將減少電力傳輸所需的空間,省去了鋪設(shè)新線路的繁瑣。
迎來雙重飛躍契機(jī)
目前,全球已有數(shù)條高溫超導(dǎo)電力線路投入運(yùn)營。例如,美國芝加哥郊外連接兩個變電站的200米地下線路,以及位于德國埃森市下方全球最長的1公里線路。然而,這些線路相對較短,且僅應(yīng)用于空間受限的特殊環(huán)境。究其原因,高昂的制造和冷卻成本是制約因素。
不過,美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)國家高磁場實驗室的大衛(wèi)·拉爾巴萊斯特爾表示,幾項重大進(jìn)展可能會改變現(xiàn)狀,使超導(dǎo)電力線迎來一個“歷史性時代”。
一是隨著制造商改進(jìn)生產(chǎn)方法并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),超導(dǎo)體本身的成本正在下降。這主要得益于新興聚變能行業(yè)需求旺盛,正尋求使用超導(dǎo)材料來建造聚變反應(yīng)堆中的強(qiáng)大磁體。
例如,一家名為聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的美國聚變能初創(chuàng)公司計劃用“超導(dǎo)膠帶”纏出一個反應(yīng)堆。他們預(yù)計今年將使用10000公里的高溫超導(dǎo)帶。這種超導(dǎo)帶層層堆疊,可形成非常強(qiáng)大的電磁鐵,從而塑造并約束不規(guī)則的等離子體,并使大部分帶電粒子遠(yuǎn)離托卡馬克壁面。該公司相信,用這種新方法可建造一個體積更小、更便宜的高性能托卡馬克。
另一個契機(jī)是,全球能源結(jié)構(gòu)的深刻轉(zhuǎn)型正呼喚著前所未有的輸電能力擴(kuò)容。為了將太陽能和風(fēng)能等可再生能源從資源豐富的地區(qū)輸送到需求中心,并滿足電動汽車、熱泵和數(shù)據(jù)中心等日益增長的電力需求,構(gòu)建龐大的新型輸電網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)務(wù)之急。國際能源署估計,為實現(xiàn)氣候目標(biāo),到2040年,全球需要新增或替換約8000萬公里的電網(wǎng),這一數(shù)量相當(dāng)于目前全球電網(wǎng)的總長。
能源轉(zhuǎn)型號角吹響
“能源轉(zhuǎn)型的號角已經(jīng)吹響,而我們正站在將這一變革融入現(xiàn)實系統(tǒng)的門檻上。”VEIR公司的凱文·鄧恩表示。VEIR是一家致力于建設(shè)超導(dǎo)電力線路的初創(chuàng)公司。該公司開發(fā)了一種技術(shù),能在不增加占地面積的情況下,傳輸比傳統(tǒng)線路更多的電力,從而實現(xiàn)長距離高效輸電。
到目前為止,高溫超導(dǎo)電力線一直采用“閉環(huán)”系統(tǒng),通過向電線芯注入液氮來冷卻。而VEIR的方法是在沿電線每隔約一公里處設(shè)置站點來回收液氮。這種“開環(huán)”系統(tǒng)允許液氮從站點的被動熱交換器中蒸發(fā),使得冷卻效率大大提高。
去年,VEIR在美國馬薩諸塞州沃爾伯恩鋪設(shè)了一條30米長的輸電線路,其傳輸能力可達(dá)傳統(tǒng)線路的5—10倍,且無需額外建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。這有望簡化電網(wǎng)擴(kuò)容,對于支持可再生能源并增強(qiáng)電網(wǎng)韌性至關(guān)重要。
不過,對于高溫超導(dǎo)線路的質(zhì)疑聲依然存在,比如在風(fēng)暴后如何進(jìn)行維修,以及如何培訓(xùn)工人處理相關(guān)問題等。
此外,還有其他簡易方法可擴(kuò)大輸電容量,而無需使用高科技超導(dǎo)體,比如用稍好一點的導(dǎo)體代替銅線。