超导直流输电会彻底改变电网吗？

100年后直流输电再次引起人们的关注

[照片]超导直流输电实用设备。您可以在中心左侧看到一个使用液氮的冷却装置。

日本的电网电力是正负极性周期性切换的“交流”系统（50Hz或60Hz的频率表示每秒正负极性切换多少次）。电网使用交流电可能是常识，但过去交流电和直流电输电之间存在着激烈的斗争。著名发明家爱迪生主张直流输电，而他的竞争对手尼古拉·特斯拉则提出交流输电，最终交流输电获胜。主要原因是传输损耗较小。

功率表示为“电压 x 电流”，因此如果提高电压，即使电流较低，也可以发送相同的功率。由于电线本身的电阻造成的电流损失较小，因此最好提高电压来传输电力，以免浪费电力。当然，如果电压仍然很高，则无法在家里或办公室使用，因此最终使用变压器降低电压。变换交流电比变换直流电容易得多，因此可以减少传输损耗。

那么，为什么直流电重新引起人们的关注呢？事实上，长距离传输高压电力时，直流电的传输损耗较小。过去 30 年来，用于处理电力的功率半导体技术的进步使直流输电进入了实际应用。日本交流电网的输电损耗约为6%，而采用高压直流输电，1000公里以上损耗可保持在3%左右。此外，直流输电与自然可再生能源兼容。太阳能发电发出的电是直流电，风力发电如果规模大的话也是直流电。

顺便说一下，我们日常使用的大多数电器也是直流电运行的。甚至工厂使用的电机也使用逆变器将交流电转换为直流电以调节转速。将整个电网转换为直流电有可能显着减少电力传输损耗。

海外直流输电投资正在迅速进展，特别是在美国、欧洲和中国。例如，德国输电公司Tenet正在建设直流电网，将北海海上风电场与陆地连接起来，计划到2013年输送8吉瓦的电力。同样，Tenet正在通过低损耗的直流输电方式将风力发电的剩余电力输送到瑞士，并正在开发抽水蓄能电站。^*1此外，2013年底，北海一座8吉瓦抽水蓄能电站正在建设中，高压直流输电设备已投入运行。在日本，抽水蓄能电站用于平衡核电站的剩余电力，而在欧洲和其他地方，抽水蓄能电站则作为天然可再生能源的备用来源。

此外，Desertec 项目正在进行中，旨在在撒哈拉沙漠建造太阳能/光热发电厂，并通过直流输电将电力输送到欧洲。这预计是一个100万亿日元的项目，据说2020年将开始部分电力传输。

此外，日本的一些地区实际上也使用直流输电。其中包括连接北海道和本州的北海道本州干线，以及连接德岛县和和歌山县的纪伊海峡直流干线。这是因为，由于绝缘和钢塔的建设，交流架空线在跨越海洋超过50公里时很难输送电力。

[图表1]Desertec 项目通过直流输电将撒哈拉沙漠产生的太阳能输送到欧洲
（沙漠技术基金会，wwwdesertecorg）

“超导直流输电”，消除的输电损耗相当于多个核电站

为了超越高压直流输电，中部大学山口作太郎教授领导的团队正在研究“超导直流输电”。

各种机构已经开发了使用电阻为零的超导状态的电力传输，但其中大多数是交流电力传输。事实上，即使在超导状态下，当使用交流电传输电力时，电阻也不会变为零并且会产生热量。超导电缆覆盖有绝缘材料，这使得它们的冷却效率非常低。此外，交流电力传输需要三根电缆，而直流电力传输只需要一根电缆。^*2。

许多人在听到超导电力传输时都想知道冷却。实现超导需要极低的温度，这就需要冷却剂。即使可以减少电力传输损耗，如果用更多的电力来冷却也变得毫无意义。

目前使用的超导电缆是由含有金属铋的氧化铜超导体制成，通过液氮冷却至-196℃而实现超导。液氮是比液氦便宜得多的冷却剂，山口教授表示，“即使包括冷却成本，与交流电力传输相比，它也可以将电力传输损失减少一到两个数量级。”中部大学通过在不使用电力的情况下自然循环液氮，并开发防止热量进入的技术，成功地降低了冷却系统的能耗。

超导电力传输的另一个潜在瓶颈是超导电缆本身的成本和资源，但山口教授表示，这似乎并不是一个主要问题。用于超导电缆的铋也用于无铅焊料，因此资源可用性不是问题。白银也用于超导体，但自 20 世纪 90 年代以来，全球白银消费量急剧下降。这是由于从银基胶片相机到数码相机的转变。白银是一种贵金属，所以它的价格并没有下降那么多，但超导电缆中的超导体是带状的，白银的用量很少。此外，由于铜的短缺更多地是一个资源问题，因此可以看出，用超导电缆代替铜线在资源方面问题不大。

[照片]超导输电线路的结构。内管包含一根超导电缆，用液氮冷却。外管处于真空状态，防止热量进入。

至于电缆的成本，住友电工已经成功开发出量产技术，已经能够大幅降低价格。事实上，目前使用的交流地下电缆也是采用泵循环油进行冷却。超导直流输电仅需一根电缆，施工成本较低。考虑到这一点，超导电缆传输每电流的成本可能已经低于传统的地下电缆。

[照片]中部大学内建设的200m超导直流输电实验设施。从屏幕底部延伸到顶部的银色设施是含有超导电缆的输电线路。

中部大学目前正在使用200m超导直流输电设施进行实验。分析实验数据发现，每2公里就可以安装液氮冷却装置。未来的目标是建设2公里级的输电设施，即使冷却装置之间的距离延长也能够稳定地传输电力。事实上，俄罗斯已经开始了如此规模的实验（25公里项目）。山口教授和他的同事们的目标是冷却设备之间的距离达到 20 公里，大约相当于东京和川崎之间的距离。目前变电站的间隔也相近，因此如果能在变电站安装液氮冷却设备，就有可能在不产生基础设施投资成本的情况下进行超导直流输电。

还有数据中心^*3可能会更早地实现。目前的数据中心采用100V或200V交流电源，这会导致电源转换器损耗较大，因此出现了通过传输48V（非超导）直流电源来减少损耗的运动。然而，48V DC 的缺点是电缆变得非常大。通过引入超导直流输电，可以降低输电损耗和成本。通过使用中部大学开发的防止热侵入的技术，即使在短距离和高电流下也可以有效地使用超导直流电力传输。

零输电损耗的电网将如何改变世界？

超导直流输电仍然是一项正在开发的技术，但如果投入实际应用，会对社会产生什么样的影响？

首先，电网功率中引入，将可以减少电力传输损耗。虽然用超导电缆取代包括架空线在内的所有传统电缆不太现实，但安装新的地下电缆可以提高输电效率，同时减少投资。特别是太阳能发电和风力发电由于采用直流电，将成为分布式自然可再生能源大规模并入电网的关键技术。

如果能够以较小的损耗长距离传输电力，那么就有可能将电力从全国各地传输到人口稠密的地区。即使发生重大灾害，也可以将电力从较远的地区输送到受灾地区，使电力能够迅速恢复。

除了更高效的电网之外，山口教授和他的同事们还致力于建立一个全球电网。

例如，当考虑将原油从库页岛运输到日本时，超导直流输电比管道运输减少了1/20的能量运输损失。管道厚度为 30 英寸，但超导直流输电电缆厚度约为 7 英寸。由于只要宽度足够人们行走就可以铺设，因此也最大限度地减少了对自然的破坏。

如果我们能够将欧洲、日本等时差较大的地区通过电网连接起来，大规模的能源交换就成为可能。夜间产生的多余电力白天输送到地区，而不存储在抽水蓄能发电系统中。 12小时后，电力将向相反方向传输。通过利用时间差买卖电力，输电公司可以获得利润，这些利润可以用来支付电网的建设费用。

[图表2]通过超导直流电网将不同时区的国家连接起来，交换电力将成为可能。

全球电网将改变安全面貌。当谈到安全时，总是会讨论如何提高一个国家的能源自给自足能力。然而，如果我们实现能源自给自足，并不能保证国家之间的冲突就会减少。俄罗斯通过管道向乌克兰供应天然气，但两国之间在供应和价格方面一再出现紧张局势。然而，关闭跨多个国家双向运行的电网是不可能的。

冷战期间，洲际核弹头导弹被赋予了一个具有讽刺意味的名字“和平卫士”。全球超导直流电网有潜力成为真正的和平卫士。

作家

山路达也（山路哲也）

作家/编辑。他积极在 IT、科学和环境领域进行报道和写作。

作者：来自日本！著作有《改变世界的生态技术》、《镁文明理论》（合着）、《粽子》（合着）等。

Twitter 帐户：@Tats_y