Wszyscy jesteśmy uzależnieni. I nie chodzi o kawę, herbatę, papierosy. Proszę sobie wyobrazić życie bez prądu. Ciemności w mieszkaniu, przestaje działać lodówka, nie można sprawdzić niczego w internecie, telefon w końcu odmówi współpracy. Choć brzmi to jak scenariusz filmu katastroficznego, takie sytuacje zdarzają się stosunkowo często – potężne wichury i burze potrafią uszkodzić sieć elektryczną i pozbawić prądu tysiące ludzi.
W czasie złej pogody może dojść do zwarć, które powodują, że natężenie prądu w stacjach transformatorowych potrafi sięgnąć kilkudziesięciu tysięcy amperów. – Infrastruktura po prostu nie wytrzymuje. Rośnie temperatura przewodów oraz powstają olbrzymie siły dynamiczne, które mogą rozerwać urządzenie – tłumaczy dr inż. Janusz Kozak z lubelskiej pracowni Instytutu Elektrotechniki, szef zespołu, który opracował wynalazek „nadprzewodnikowy ogranicznik prądów zwarciowych”. To właśnie ograniczniki stosuje się, by zapobiec skutkom zwarć w stacjach transformatorowych. – Te tradycyjne zazwyczaj są wyposażone w mikroładunek wybuchowy. W trakcie zwarcia po prostu przerywa on obwód. Problem w tym, że później – by zaczął działać – ktoś musi pojechać na miejsce i go fizycznie wymienić. A to zawsze generuje koszty – wyjaśnia prof. Sławomir Kozak, który współtworzy zespół innowatorów. Kosztem jest także to, że tradycyjne metody ograniczania prądów zwarciowych, np. dławiki, powodują straty w przepływie prądu. I choć są one niewielkie, to płaci za nie konsument – cena energii, rachunki, które wszyscy dostajemy, je uwzględniają.
Wynalazek naukowców z Lublina rozwiązuje oba problemy. – Wykorzystujemy do tego nadprzewodniki umieszczone w specjalnej komorze z ciekłym azotem – mówi trzeci z członków zespołu, dr inż. Michał Majka. Przy przepływie prądu w przewodach miedzianych występują straty, a nadprzewodniki umożliwiają przepływ prądu praktycznie bez strat.
Jak zbudowany jest nadprzewodnik? Przypomina nieco taśmę filmową, ale z tą różnicą, że na powierzchnię ma napylone cieniutkie powłoki różnych pierwiastków np. itru, baru, miedzi czy srebra. Koszt taśmy nadprzewodnikowej sięga ok. 100 dol. za metr bieżący, a tego typu technologię produkcji opanowanych ma zaledwie kilka krajów. Ale eksperci przewidują, że przyszłość należy właśnie do nadprzewodników. – Najważniejsze jest to, że do pewnej określonej wartości prądu nie ma żadnych strat podczas przesyłu. W momencie, gdy ją osiągniemy, gdy pojawi się tzw. prąd krytyczny, opór robi się tak duży, że prąd zostaje znacząco zmniejszony i dzięki temu podczas zwarcia niczego w sieci elektroenergetycznej nie uszkodzi – mówi dr inż. Janusz Kozak. Co istotne, po zwarciu ogranicznik jest automatycznie gotowy do ograniczenia kolejnych zwarć. Nie jest potrzebna wizyta technika, by wymienić jakąkolwiek część.
Reklama
Ogranicznik wymyślony w Pracowni Technologii Nadprzewodnikowych IEl, której kierownikiem jest prof. Tadeusz Janowski, składa się m.in. ze wspomnianej taśmy nadprzewodnikowej, której kilkaset metrów nawiniętych jest na tzw. karkas (specjalna szpula). Do prawidłowego działania nadprzewodnik musi się znajdować w temperaturze prawie -200 stopni Celsjusza. – To wbrew pozorom nie stanowi większego problemu. Po prostu jest zanurzony w ciekłym azocie. Gdy ta ciecz odparuje, to firma, która nią handluje, podjeżdża i uzupełnia zapas. Analogiczne rozwiązania z użyciem ciekłego helu są już teraz stosowane w szpitalach w niektórych urządzeniach do rezonansu magnetycznego – przedstawia obrazowo dr inż. Michał Majka.
Prototyp zaprojektowany przez zespół z Instytutu Elektrotechniki kosztował ok. 0,5 mln zł. Inżynierowie zakładają, że w przypadku wdrożenia do produkcji przemysłowej koszt radykalnie spadnie. Taśmy nadprzewodnikowe drugiej generacji pojawiły się zaledwie kilka lat temu – jest to nowa technologia, a zazwyczaj z upowszechnianiem innowacji jej koszt produkcji spada. Doskonałym przykładem takiego zjawiska są komputery – stosunek ceny do jakości wciąż staje się coraz bardziej korzystny dla konsumenta. Prototypy ograniczników nadprzewodnikowych pojawiły się już m.in. na zachodzie Europy, w USA i Chinach. Ich poważną wadą jest jednak to, że mają rdzeń, którego waga może wynosić nawet kilkanaście ton. W związku z tym wyprodukowanie i późniejszy transport tego typu urządzenia są bardzo kosztowne.
– Wspólnie z Uniwersytetem Zielonogórskim i firmą Frako-Term rozpoczynamy właśnie wart 6 mln zł projekt, który ma się zakończyć podłączeniem ogranicznika nadprzewodnikowego do sieci elektroenergetycznej średniego napięcia, urządzenie będzie gotowe za dwa lata – mówi kierownik projektu dr inż. Janusz Kozak.
Późniejsze szanse na wprowadzenie tego typu ograniczników do produkcji seryjnej zależą od energetyków. – Oni z natury są konserwatywni – stwierdza prof. Sławomir Kozak. Jego zdaniem problem tkwi w tym, że nie muszą się za bardzo martwić o koszt działania sieci – w końcu i tak przerzucą go na odbiorcę. W przyspieszeniu modernizacji sieci i wprowadzaniu innowacyjnych technologii lubelskim wynalazcom z pomocą może przyjść Komisja Europejska. W związku z tym, że Bruksela stawia na odnawialne źródła energii (OZE), na polskich polach pojawia się coraz więcej wiatraków, popularność zyskują też ogniwa fotowoltaiczne. A przyłączenie tego typu urządzeń do sieci zwiększa ryzyko zwarć i wzrost poziomu prądów zwarciowych, i to jest moment, kiedy do użycia wchodzi właśnie ogranicznik. Otwarte pozostaje pytanie, czy będzie on nadprzewodnikowy, czy jednak tradycyjny.