Nadprzewodzące magnetyczne systemy magazynowania energii (SMES)

Magazynowanie energii to proces, który odbywa się za pomocą urządzeń lub nośników fizycznych, które przechowują energię, aby później móc ją wydajnie wykorzystać.

Systemy magazynowania energii można podzielić na mechaniczne, elektryczne, chemiczne i termiczne. Jedną z nowoczesnych technologii magazynowania energii są systemy SMES — nadprzewodzące magnetyczne magazyny energii (nadprzewodnikowe magnetyczne systemy magazynowania energii).

Nadprzewodnikowe magnetyczne systemy magazynowania energii (SMES) magazynują energię w polu magnetycznym wytworzonym przez przepływ prądu stałego w cewce nadprzewodzącej, która została schłodzona kriogenicznie do temperatury poniżej krytycznej temperatury nadprzewodnictwa. Kiedy cewka nadprzewodząca jest naładowana, prąd nie maleje, a energia magnetyczna może być magazynowana w nieskończoność. Zgromadzoną energię można zwrócić do sieci poprzez rozładowanie cewki.

Nadprzewodnikowy system magazynowania energii magnetycznej oparty jest na polu magnetycznym generowanym przez przepływ prądu stałego w cewce nadprzewodzącej.

Cewka nadprzewodząca jest w sposób ciągły chłodzona kriogenicznie, dzięki czemu stale znajduje się poniżej temperatury krytycznej, tj. nadprzewodnik… Oprócz wężownicy system SMES obejmuje chłodziarkę kriogeniczną oraz system klimatyzacji.

Wniosek jest taki, że naładowana cewka w stanie nadprzewodzącym jest w stanie samodzielnie podtrzymywać ciągły prąd, tak że pole magnetyczne o danym prądzie może magazynować zmagazynowaną w niej energię przez nieskończenie długi czas.

Energia zmagazynowana w cewce nadprzewodzącej może w razie potrzeby zostać dostarczona do sieci podczas rozładowania takiej cewki. Aby zamienić prąd stały na prąd zmienny, falowniki, a do ładowania cewki z sieci — prostowniki lub przetwornice AC-DC.

W trakcie wysokosprawnej konwersji energii w jednym lub drugim kierunku straty w SME sięgają maksymalnie 3%, ale najważniejsze jest to, że w procesie magazynowania energii tą metodą straty są najmniejsze dowolny ze znanych obecnie sposobów magazynowania i magazynowania energii. Ogólna minimalna wydajność MŚP wynosi 95%.

Ze względu na wysoki koszt materiałów nadprzewodzących oraz biorąc pod uwagę fakt, że chłodzenie wymaga również kosztów energii, systemy SMES są obecnie stosowane tylko tam, gdzie konieczne jest magazynowanie energii przez krótki czas i jednocześnie poprawa jakości zasilania . Oznacza to, że są tradycyjnie używane tylko w nagłych przypadkach.

System MŚP składa się z następujących elementów:

• cewka nadprzewodząca,
• Kriostat i układ próżniowy,
• System chłodzenia,
• system konwersji energii,
• Urządzenie sterujące.

Główne zalety systemów SME są oczywiste. Przede wszystkim jest to niezwykle krótki czas, w którym cewka nadprzewodząca jest w stanie przyjąć lub oddać energię zmagazynowaną w swoim polu magnetycznym. W ten sposób możliwe jest nie tylko uzyskanie kolosalnych chwilowych sił wyładowania, ale także ponowne naładowanie cewki nadprzewodzącej z minimalnym opóźnieniem czasowym.

Jeśli porównamy MŚP z systemami magazynowania sprężonego powietrza, z kołami zamachowymi i akumulatorami hydraulicznymi, to te ostatnie charakteryzują się kolosalnym opóźnieniem podczas konwersji energii elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie (patrz — Magazynowanie energii koła zamachowego).

Brak ruchomych części to kolejna ważna zaleta systemów SMES, która zwiększa ich niezawodność. I, oczywiście, ze względu na brak czynnej rezystancji w nadprzewodniku, straty podczas przechowywania są tutaj minimalne. Energia właściwa SMES wynosi zwykle od 1 do 10 Wh/kg.

MŚP o mocy 1 MWh są wykorzystywane na całym świecie w celu poprawy jakości energii tam, gdzie jest to potrzebne, na przykład w fabrykach mikroelektroniki, które wymagają energii najwyższej jakości.

Ponadto MŚP są również przydatne w sektorze użyteczności publicznej. Tak więc w jednym ze stanów USA znajduje się fabryka papieru, która podczas swojej pracy może powodować silne przepięcia w liniach energetycznych. Dziś linia energetyczna zakładu wyposażona jest w cały łańcuch modułów SMES, które gwarantują stabilność sieci elektroenergetycznej. Moduł SMES o pojemności 20 MWh może trwale dostarczać 10 MW przez dwie godziny lub wszystkie 40 MW przez pół godziny.

Ilość energii zmagazynowanej przez cewkę nadprzewodzącą można obliczyć za pomocą następującego wzoru (gdzie L to indukcyjność, E to energia, I to prąd):

Z punktu widzenia konfiguracji strukturalnej cewki nadprzewodzącej bardzo ważne jest, aby była ona odporna na odkształcenia, miała minimalne wskaźniki rozszerzalności i kurczenia termicznego, a także miała małą wrażliwość na siłę Lorentza, która nieuchronnie powstaje podczas działanie instalacji (Najważniejsze prawa elektrodynamiki). Wszystko to jest ważne, aby zapobiec zniszczeniu uzwojenia na etapie obliczania właściwości i ilości materiałów konstrukcyjnych instalacji.

W przypadku małych systemów ogólny współczynnik odkształcenia wynoszący 0,3% jest uważany za akceptowalny. Dodatkowo toroidalna geometria cewki przyczynia się do zmniejszenia zewnętrznych sił magnetycznych, co pozwala na obniżenie kosztów konstrukcji nośnej, a także pozwala na usytuowanie instalacji blisko obiektów obciążonych.

Jeśli instalacja SMES jest niewielka, odpowiednia może być również cewka elektromagnesu, która nie wymaga specjalnej konstrukcji wsporczej, w przeciwieństwie do toroidu. Należy jednak zaznaczyć, że cewka toroidalna potrzebuje obręczy i tarcz dociskowych, zwłaszcza jeśli chodzi o dość energochłonną konstrukcję.

Jak wspomniano powyżej, chłodzona lodówka z nadprzewodnikami stale wymaga energii do działania, co oczywiście zmniejsza ogólną wydajność MŚP.

Tak więc do obciążeń termicznych, które należy uwzględnić przy projektowaniu instalacji, należą: przewodność cieplna konstrukcji nośnej, promieniowanie cieplne od strony nagrzewanych powierzchni, straty dżulowe w przewodach, przez które przepływają prądy ładowania i rozładowania, a także straty w lodówce podczas pracy.

Ale chociaż te straty są generalnie proporcjonalne do mocy znamionowej instalacji, zaletą systemów SMES jest to, że przy 100-krotnym wzroście wydajności energetycznej koszty chłodzenia rosną tylko 20-krotnie. Ponadto w przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych oszczędności w zakresie chłodzenia są większe niż w przypadku nadprzewodników niskotemperaturowych.

Wydaje się, że nadprzewodnikowy system magazynowania energii oparty na nadprzewodniku wysokotemperaturowym wymaga mniej chłodzenia, a zatem powinien kosztować mniej.

W praktyce jednak tak nie jest, ponieważ całkowity koszt infrastruktury instalacyjnej zwykle przekracza koszt nadprzewodnika, a cewki nadprzewodników wysokotemperaturowych są nawet 4 razy droższe niż cewki nadprzewodników niskotemperaturowych .

Ponadto graniczna gęstość prądu dla nadprzewodników wysokotemperaturowych jest mniejsza niż dla nadprzewodników niskotemperaturowych, dotyczy to działających pól magnetycznych w zakresie od 5 do 10 T.

Tak więc, aby uzyskać akumulatory o tej samej indukcyjności, potrzeba więcej drutów nadprzewodzących o wysokiej temperaturze. A jeśli energochłonność instalacji wyniesie około 200 MWh, to niskotemperaturowy nadprzewodnik (przewodnik) okaże się dziesięciokrotnie droższy.

Ponadto jednym z kluczowych czynników kosztowych jest to, że koszt lodówki jest tak niski, że zmniejszenie energii chłodzenia za pomocą nadprzewodników wysokotemperaturowych daje bardzo niskie procentowe oszczędności.

Możliwe jest zmniejszenie objętości i zwiększenie gęstości energii zmagazynowanej w SMES poprzez zwiększenie szczytowego roboczego pola magnetycznego, co doprowadzi zarówno do zmniejszenia długości przewodów, jak i do zmniejszenia całkowitych kosztów. Za optymalną wartość uważa się szczytowe pole magnetyczne o wartości około 7 T.

Oczywiście, jeśli pole zostanie zwiększone powyżej wartości optymalnej, możliwe są dalsze redukcje objętości przy minimalnym wzroście kosztów. Ale granica indukcji pola jest zwykle ograniczona fizycznie, ze względu na niemożność połączenia wewnętrznych części toroidu z pozostawieniem miejsca na cylinder kompensacyjny.

Materiał nadprzewodzący pozostaje kluczową kwestią w tworzeniu opłacalnych i wydajnych instalacji dla MŚP. Dzisiejsze wysiłki deweloperów mają na celu zwiększenie prądu krytycznego i zakresu odkształceń materiałów nadprzewodzących, a także obniżenie kosztów ich produkcji.

Podsumowując trudności techniczne na drodze do powszechnego wprowadzenia systemów SME, można wyraźnie wyróżnić następujące. Potrzeba solidnego wspornika mechanicznego zdolnego wytrzymać znaczną siłę Lorentza generowaną w cewce.

Potrzeba dużego terenu, ponieważ instalacja MŚP, np. o mocy 5 GWh, będzie zawierała obwód nadprzewodzący (okrągły lub prostokątny) o długości około 600 metrów. Ponadto pojemnik próżniowy z ciekłym azotem (o długości 600 metrów) otaczający nadprzewodnik musi znajdować się pod ziemią i musi być zapewnione niezawodne wsparcie.

Kolejną przeszkodą jest kruchość nadprzewodzącej ceramiki wysokotemperaturowej, co utrudnia ciągnienie przewodów dla dużych prądów.Krytyczne pole magnetyczne, które niszczy nadprzewodnictwo, jest również przeszkodą w zwiększaniu energochłonności właściwej MŚP. NS ma krytyczny problem z prądem z tego samego powodu.