Hybrydowy nadprzewodzący system przesyłu i magazynowania energii oraz jego przewidywany wpływ na zrównoważoną przyszłość energetyczną

Dlaczego ten pomysł przyszłej energetyki ma znaczenie

W miarę jak coraz większa część naszej elektryczności pochodzi z wiatru i słońca, utrzymanie ciągłości zasilania staje się trudniejsze. Słońce i wiatr nie zawsze występują tam i wtedy, gdzie potrzeba energii, a istniejące linie przesyłowe i systemy magazynowania nie były projektowane z myślą o tym nowym układzie. Artykuł przedstawia śmiałą propozycję przesyłania i magazynowania ogromnych ilości czystej energii za pomocą jednego zaawansowanego technologicznie rurociągu, który równocześnie transportuje elektryczność i ciekły wodór, z zamiarem pomocy krajom w przejściu na w pełni odnawialną, niskoemisyjną przyszłość.

Dzisiejsza zagadka czystej energii

Chiny, podobnie jak wiele dużych państw, mają rozległe regiony bogate w wiatr i słońce, które leżą daleko od wielkich miast, gdzie zużywa się większość energii. Rzeczywiste dane ze wszystkich 31 prowincji kontynentalnych z pierwszej połowy 2024 roku pokazują wyraźne niedopasowanie: niektóre prowincje, takie jak Neimenggu i Yunnan, generują znacznie więcej energii niż zużywają, podczas gdy regiony przybrzeżne i przemysłowe, takie jak Jiangsu, Zhejiang i Guangdong, w dużym stopniu polegają na imporcie energii. W miarę jak Chiny planują zwiększyć produkcję wiatrową i słoneczną nawet sześciokrotnie do 2060 roku i gwałtownie ograniczyć użycie paliw kopalnych, te różnice prawdopodobnie się pogłębią. Tradycyjne połączenia długodystansowe mogą pomóc, ale tracą energię w trakcie przesyłu i napotykają na bariery kosztowe, zagospodarowania terenu i planowania.

Nowy rodzaj energetycznej autostrady

Naukowcy proponują „hybrydowy system energetyczny” oparty na kablach nadprzewodzących chłodzonych ciekłym wodorem. Nadprzewodniki mogą przewodzić elektryczność z niemal zerowym oporem, podczas gdy ciekły wodór może pełnić zarówno rolę paliwa energetycznego, jak i czynnika chłodzącego utrzymującego kable w niskiej temperaturze. W tym rozwiązaniu nadmiarowa energia z wiatru i słońca najpierw zasila gospodarstwa domowe i firmy. Nadwyżki są następnie używane do rozdzielania wody i produkcji wodoru, który jest schładzany do postaci ciekłej i pompowany przez ten sam zakopany rurociąg, w którym umieszczony jest kabel nadprzewodzący. W praktyce rurociąg staje się energetyczną autostradą dostarczającą jednocześnie prąd i skroplony wodór z regionów zasobnych w energię do odległych centrów zapotrzebowania.

Test w rzeczywistych warunkach na wyspie

Aby sprawdzić działanie koncepcji w praktyce, zespół przeprowadził modelowy przypadek na wyspie Chongming w pobliżu Szanghaju, obszarze przybrzeżnym o silnych zasobach wiatru i słońca. Zaprojektowali krąg energetycznych „węzłów” połączonych hybrydowymi rurociągami energetycznymi, oddalonymi od siebie o 10 kilometrów i wyposażonymi w stacje chłodzenia. W symulowanym dniu wiatr dostarcza energię we wczesnych i późnych godzinach, słońce dominuje w południe, a zintegrowany system utrzymuje stały przepływ 42 megawatów do lokalnych odbiorców. Nadmiar elektryczności przekształcany jest w ponad 13 000 kilogramów ciekłego wodoru, który chłodzi kable nadprzewodzące i działa jako duże magazyn energii dostępne, gdy wiatr słabnie lub zapada zmrok.

Przepustowość, straty i koszty

Analiza techniczna pokazuje, że pojedynczy kabel nadprzewodzący w tym układzie może przesyłać do 100 megawatów, czyli mniej więcej dwukrotnie więcej niż porównywalna linia konwencjonalna, podczas gdy przepływ ciekłego wodoru może osiągnąć kilka razy wartość bazową przy umiarkowanej modyfikacji średnicy rury i prędkości przepływu. Przy umiarkowanych poziomach mocy i odległościach rzędu 100 kilometrów tradycyjne linie wysokiego napięcia nadal mają niższe straty energii i tańsze koszty początkowe. Jednak w miarę zwiększania przepustowości w kierunku setek megawatów niemal bezstratny kabel staje się bardziej atrakcyjny: dla łącza o mocy 500 megawatów straty w systemie hybrydowym są mniejsze niż połowa strat standardowych kabli. Gdy badacze uwzględnili koszty budowy i eksploatacji elektrolizerów, rur, cystern i stacji transformacyjnych, system hybrydowy staje się konkurencyjny w dłuższej perspektywie dla bardzo dużych, długowiecznych projektów, szczególnie jeśli ceny sprzętu spadną, jak się spodziewa.

Zawężanie luki energetycznej między regionami

Patrząc z perspektywy krajowej, autorzy prognozują system energetyczny Chin w 2060 roku w dwóch scenariuszach: jednym z głównie konwencjonalną siecią oraz drugim, w którym rurociągi hybrydowe są szeroko wdrożone. W scenariuszu konwencjonalnym, nawet przy 80 procentach elektryczności pochodzącej z odnawialnych źródeł, wiele prowincji przybrzeżnych wciąż doświadcza dużych deficytów i polega na imporcie, podczas gdy prowincje śródlądowe mają trudności z eksportem nadwyżek czystej energii. W scenariuszu hybrydowym silniejszy, bardziej elastyczny przesył i wykorzystanie nadwyżek elektryczności do produkcji wodoru pozwalają systemowi absorbować około dwa razy więcej mocy odnawialnej i niemal pięć razy więcej wodoru. Taka sieć może łagodzić niedobory wokół dużych miast, zmniejszyć zależność od paliw kopalnych i przybliżyć kraj do pełnego pokrycia zapotrzebowania elektrycznego z odnawialnych źródeł.

Co to oznacza dla czystszej przyszłości

Badanie konkluduje, że nadprzewodzące hybrydowe rurociągi energetyczne mogłyby w przyszłości uzupełniać lub częściowo zastępować dzisiejsze linie energetyczne i systemy transportu paliw, oferując sposób na efektywne przesyłanie dużych ilości czystej energii na długie odległości przy jednoczesnym jej magazynowaniu w postaci wodoru. Podejście to nie jest gotowe do natychmiastowego wdrożenia: stoi przed nim szereg wyzwań związanych z bezpieczeństwem, inżynierią kriogeniczną, długoterminową niezawodnością i kosztami początkowymi. Mimo to, jeśli technologie ciekłego wodoru i kabli nadprzewodzących będą się dalej rozwijać, systemy podobne do zaproponowanego mogą stać się istotnym narzędziem do wyrównywania nierównomiernych zasobów wiatru i słońca oraz wspierania przyszłego systemu energetycznego opartego niemal wyłącznie na odnawialnych źródłach.

Cytowanie: Chen, X., Chen, Y., Jiang, S. et al. Superconducting hybrid energy transmission and storage system and its projected impact on a sustainable energy future. Commun. Sustain. 1, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00077-z

Słowa kluczowe: energia odnawialna, ciekły wodór, kable nadprzewodzące, magazynowanie energii, przesył na duże odległości