超导电力线助推电网绿色发展

2024-09-27 10:42:19 来源：科技日报

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据英国《新科学家》杂志近日报道，随着新生代的核聚变能产业发展，无需依赖任何特殊材料就能建设超导输电线路变得越来越可行。同时，其解决方案也相对简单：将电线“冷冻”起来。

传输电力畅通无阻

超导体是几乎能够无电阻或无损耗地传输电力的材料。最早发现的超导体需要在极低温度或极高压力下工作，这限制了它们的应用范围，仅能在磁共振成像机等特定领域一展身手。

1986年，人们发现了第一种“高温超导体”。尽管这个“高温”仍远低于日常所理解的温度范畴（约-196℃），但这一突破已足以让科学家兴奋不已，因为这意味着可使用更为经济且储量丰富的液氮作为冷却剂，而液氮可泵入电线芯以冷却超导体。

与传统铜质电线相比，高温超导电力线展现出了一系列引人瞩目的优势。首先，它们能最大限度地减少电网中因发热而损失的电力。此外，高温超导电力线能在相同宽度的电线中承载更大的电流，从而大幅减少所需的新输电线路数量。在某些情况下，现有的铜质电线也能被超导材料替换，这将减少电力传输所需的空间，省去了铺设新线路的繁琐。

迎来双重飞跃契机

目前，全球已有数条高温超导电力线路投入运营。例如，美国芝加哥郊外连接两个变电站的200米地下线路，以及位于德国埃森市下方全球最长的1公里线路。然而，这些线路相对较短，且仅应用于空间受限的特殊环境。究其原因，高昂的制造和冷却成本是制约因素。

不过，美国佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的大卫·拉尔巴莱斯特尔表示，几项重大进展可能会改变现状，使超导电力线迎来一个“历史性时代”。

一是随着制造商改进生产方法并实现大规模生产，超导体本身的成本正在下降。这主要得益于新兴聚变能行业需求旺盛，正寻求使用超导材料来建造聚变反应堆中的强大磁体。

例如，一家名为联邦聚变系统的美国聚变能初创公司计划用“超导胶带”缠出一个反应堆。他们预计今年将使用10000公里的高温超导带。这种超导带层层堆叠，可形成非常强大的电磁铁，从而塑造并约束不规则的等离子体，并使大部分带电粒子远离托卡马克壁面。该公司相信，用这种新方法可建造一个体积更小、更便宜的高性能托卡马克。

另一个契机是，全球能源结构的深刻转型正呼唤着前所未有的输电能力扩容。为了将太阳能和风能等可再生能源从资源丰富的地区输送到需求中心，并满足电动汽车、热泵和数据中心等日益增长的电力需求，构建庞大的新型输电网络已成为当务之急。国际能源署估计，为实现气候目标，到2040年，全球需要新增或替换约8000万公里的电网，这一数量相当于目前全球电网的总长。

能源转型号角吹响

“能源转型的号角已经吹响，而我们正站在将这一变革融入现实系统的门槛上。”VEIR公司的凯文·邓恩表示。VEIR是一家致力于建设超导电力线路的初创公司。该公司开发了一种技术，能在不增加占地面积的情况下，传输比传统线路更多的电力，从而实现长距离高效输电。

到目前为止，高温超导电力线一直采用“闭环”系统，通过向电线芯注入液氮来冷却。而VEIR的方法是在沿电线每隔约一公里处设置站点来回收液氮。这种“开环”系统允许液氮从站点的被动热交换器中蒸发，使得冷却效率大大提高。

去年，VEIR在美国马萨诸塞州沃尔伯恩铺设了一条30米长的输电线路，其传输能力可达传统线路的5—10倍，且无需额外建设基础设施。这有望简化电网扩容，对于支持可再生能源并增强电网韧性至关重要。

不过，对于高温超导线路的质疑声依然存在，比如在风暴后如何进行维修，以及如何培训工人处理相关问题等。

此外，还有其他简易方法可扩大输电容量，而无需使用高科技超导体，比如用稍好一点的导体代替铜线。