Гибридная система передачи и хранения энергии на основе сверхпроводимости и её прогнозируемое влияние на устойчивое энергетическое будущее

Почему эта идея будущей энергетики важна

По мере того как доля электроэнергии от ветра и солнца растёт, обеспечение надёжного электроснабжения становится сложнее. Солнце и ветер не всегда работают тогда и там, где людям нужна энергия, а существующие линии передачи и системы хранения не были изначально рассчитаны на этот новый режим. В этой статье рассматривается смелое предложение по перемещению и хранению огромных объёмов чистой энергии с помощью единого высокотехнологичного трубопровода, который одновременно транспортирует электричество и жидкий водород, с целью помочь странам перейти к полностью возобновляемой, малоуглеродной энергетике.

Современная головоломка чистой энергетики

Китай, как и многие большие страны, располагает обширными регионами с хорошим ветровым и солнечным потенциалом, которые удалены от крупных городов, где потребляется большая часть электроэнергии. Реальные данные за первую половину 2024 года по всем 31 материковой провинции показывают очевидный разрыв: некоторые провинции, такие как Внутренняя Монголия и Юньнань, вырабатывают значительно больше электроэнергии, чем потребляют, тогда как прибрежные и промышленные регионы, такие как Цзянсу, Чжэцзян и Гуандун, сильно зависят от импорта электроэнергии. По мере того как Китай планирует увеличить выработку ветра и солнца до шестикратного уровня к 2060 году и резко сократить использование ископаемого топлива, эти дисбалансы, как ожидается, усилятся. Традиционные линии дальнего следования могут помочь, но при этом теряется энергия в пути, и возникают проблемы со стоимостью, использованием земель и планированием.

Новый вид энергетического «шоссе»

Исследователи предлагают «гибридную энергетическую» систему, построенную вокруг сверхпроводящих кабелей, охлаждаемых жидким водородом. Сверхпроводники могут передавать электричество практически без сопротивления, а жидкий водород может служить и топливом, и хладагентом, поддерживающим кабель в холодном состоянии. В этой конструкции избыточная электроэнергия от ветра и солнца сначала снабжает дома и предприятия. Излишки затем используются для электролиза воды и производства водорода, который охлаждают до жидкого состояния и качают по той же подземной трубе, в которой проложён сверхпроводящий кабель. По сути, трубопровод становится энергетическим шоссе, доставляющим вместе электричество и запасающийся водород из богатых ресурсами регионов в удалённые центры спроса.

Полевое испытание на острове

Чтобы понять, как это будет работать на практике, команда смоделировала пример на острове Чунмин недалеко от Шанхая, прибрежном районе с сильным ветровым и солнечным потенциалом. Они спроектировали кольцо энергетических «узлов», соединённых гибридными трубопроводами, расположенными друг от друга на расстоянии 10 километров и оснащёнными холодильными станциями. В смоделированный день ветер обеспечивает мощность в утренние и вечерние часы, солнце доминирует в полдень, а комбинированная система поддерживает стабильную подачу 42 мегаватт местным потребителям. Избыточная электроэнергия преобразуется более чем в 13 000 килограммов жидкого водорода, который охлаждает сверхпроводящие кабели и служит крупным энергохранилищем, доступным в периоды, когда ветер стихает или солнце заходит.

Вместимость, потери и затраты

Технический анализ показывает, что один сверхпроводящий кабель в такой системе может передавать до 100 мегаватт, примерно вдвое больше мощности, чем сопоставимая традиционная линия, в то время как поток жидкого водорода может в несколько раз превышать базовую величину при умеренном увеличении диаметра трубы и скорости потока. При умеренных уровнях мощности и расстояниях около 100 километров традиционные линии высокого напряжения по-прежнему имеют меньшие энергетические потери и более низкие первоначальные затраты. Однако по мере увеличения пропускной способности до сотен мегаватт практически безпотерьный кабель становится более привлекательным: для линии в 500 мегаватт потери в гибридном трубопроводе составляют менее половины потерь стандартных кабелей. Если исследователи учитывают затраты на строительство и эксплуатацию электролизёров, труб, танкеров и подстанций, гибридная система со временем становится конкурентоспособной для очень крупных, долговечных проектов, особенно если цены на оборудование будут падать, как ожидается.

Сужение энергетического разрыва между регионами

С национальной точки зрения авторы прогнозируют энергосистему Китая в 2060 году по двум сценариям: один с преимущественно традиционной сетью и другой, где гибридные энергетические трубопроводы широко развернуты. В традиционном случае, даже при 80-процентной доле генерации из возобновляемых источников, многие прибрежные провинции по-прежнему сталкиваются с большими дефицитами и зависят от импорта, тогда как внутренние провинции испытывают сложности с экспортом избыточной чистой энергии. В гибридном сценарии более мощная и гибкая передача и использование избыточной электроэнергии для производства водорода позволяют системе поглощать примерно вдвое больше возобновляемой энергии и почти в пять раз больше водорода. Такая сеть может смягчить дефициты около крупных городов, сократить зависимость от ископаемого топлива и приблизить страну к полной удовлетворённости спроса на электроэнергию за счёт возобновляемых источников.

Что это означает для более чистого будущего

Исследование приходит к выводу, что сверхпроводящие гибридные энергетические трубопроводы однажды могут дополнять или частично замещать нынешние линии электропередачи и транспортировку топлива, предлагая способ эффективно перемещать большие объёмы чистой энергии на большие расстояния, одновременно сохраняя её в виде водорода. Подход не готов к мгновенному развертыванию: он сталкивается с проблемами безопасности, криогенной инженерии, долгосрочной надёжности и высоких первоначальных затрат. Тем не менее, если технологии жидкого водорода и сверхпроводящих кабелей продолжат совершенствоваться, системы, подобные предложенной, могут стать важным инструментом для уравновешивания неравномерных ветровых и солнечных ресурсов и поддержки будущей энергетической системы, основанной практически полностью на возобновляемых источниках.

Цитирование: 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

Ключевые слова: возобновляемая энергия, жидкий водород, сверхпроводящие кабели, накопление энергии, дальняя передача