Sisteme de stocare a energiei magnetice supraconductoare (SMES)

Stocarea energiei este un proces care are loc cu dispozitive sau medii fizice care stochează energie, astfel încât acestea să o poată utiliza eficient mai târziu.

Sistemele de stocare a energiei pot fi împărțite în mecanice, electrice, chimice și termice. Una dintre tehnologiile moderne de stocare a energiei este sistemele SMES — supraconductoare de stocare a energiei magnetice (sisteme de stocare a energiei magnetice supraconductoare).

Sistemele de stocare a energiei magnetice supraconductoare (SMES) stochează energia într-un câmp magnetic creat de un flux de curent continuu într-o bobină supraconductoare care a fost răcită criogenic la o temperatură sub temperatura sa superconductivă critică. Când bobina supraconductoare este încărcată, curentul nu scade și energia magnetică poate fi stocată la infinit. Energia stocată poate fi returnată în rețea prin descărcarea bobinei.

Sistemul de stocare a energiei magnetice supraconductoare se bazează pe un câmp magnetic generat de fluxul de curent continuu într-o bobină supraconductoare.

Bobina supraconductoare este răcită criogenic continuu, astfel încât, ca urmare, este constant sub temperatura critică, adică. supraconductor… Pe lângă bobină, sistemul SMES include un frigider criogenic, precum și un sistem de aer condiționat.

Concluzia este că o bobină încărcată într-o stare supraconductivă este capabilă să susțină un curent continuu de la sine, astfel încât câmpul magnetic al unui curent dat poate stoca energia stocată în el pentru un timp infinit de lungă.

Energia stocată în bobina supraconductoare poate fi, dacă este necesar, furnizată rețelei în timpul descărcării unei astfel de bobine. Pentru a converti puterea de curent continuu în putere de curent alternativ, invertoare, și pentru încărcarea bobinei din rețea — redresoare sau convertoare AC-DC.

În cursul conversiei foarte eficiente a energiei într-o direcție sau alta, pierderile în IMM-uri reprezintă maximum 3%, dar cel mai important lucru aici este că în procesul de stocare a energiei prin această metodă, pierderile sunt cele mai puțin inerente în oricare dintre metodele cunoscute în prezent pentru stocarea și stocarea energiei. Eficiența minimă globală a IMM-urilor este de 95%.

Datorită costului ridicat al materialelor supraconductoare și ținând cont de faptul că răcirea necesită și costuri energetice, sistemele SMES sunt utilizate în prezent doar acolo unde este necesară stocarea energiei pentru o perioadă scurtă de timp și, în același timp, îmbunătățirea calității sursei de alimentare. . Adică sunt folosite în mod tradițional doar în cazuri de nevoie urgentă.

Sistemul IMM-urilor constă din următoarele componente:

• bobina supraconductoare,
• Criostat și sistem de vid,
• Sistem de răcire,
• Sistem de conversie a energiei,
• Dispozitiv de control.

Principalele avantaje ale sistemelor IMM-urilor sunt evidente. În primul rând, este un timp extrem de scurt în care bobina supraconductoare este capabilă să accepte sau să renunțe la energia stocată în câmpul său magnetic. În acest fel, este posibil nu numai să se obțină forțe de descărcare instantanee colosale, ci și să se reîncarce bobina supraconductoare cu o întârziere minimă.

Dacă comparăm IMM-ul cu sistemele de stocare a aerului comprimat, cu volante și acumulatori hidraulici, atunci acestea din urmă se caracterizează printr-o întârziere colosală în timpul conversiei energiei electrice în mecanic și invers (vezi — Stocarea energiei volantului).

Absența pieselor în mișcare este un alt avantaj important al sistemelor SMES, care crește fiabilitatea acestora. Și, desigur, din cauza absenței rezistenței active într-un supraconductor, pierderile de stocare aici sunt minime. Energia specifică a SMES este de obicei între 1 și 10 Wh/kg.

IMM-urile de 1 MWh sunt utilizate în întreaga lume pentru a îmbunătăți calitatea energiei unde este necesar, cum ar fi fabricile de microelectronice care necesită energie de cea mai înaltă calitate.

În plus, IMM-urile sunt utile și în utilități. Așadar, într-unul dintre statele SUA există o fabrică de hârtie, care în timpul funcționării sale poate provoca creșteri puternice în liniile electrice. Astăzi, linia electrică a fabricii este echipată cu un întreg lanț de module SMES care garantează stabilitatea rețelei electrice. Un modul SMES cu o capacitate de 20 MWh poate furniza în mod durabil 10 MW timp de două ore sau toți cei 40 MW timp de o jumătate de oră.

Cantitatea de energie stocată de o bobină supraconductoare poate fi calculată folosind următoarea formulă (unde L este inductanța, E este energie, I este curent):

Din punctul de vedere al configurației structurale a bobinei supraconductoare, este foarte important ca aceasta să fie rezistentă la deformare, să aibă indicatori minimi de dilatare și contracție termică și, de asemenea, să aibă o sensibilitate scăzută la forța Lorentz, care apare inevitabil în timpul funcționarea instalației (Cele mai importante legi ale electrodinamicii). Toate acestea sunt importante pentru a preveni distrugerea înfășurării în etapa de calcul a proprietăților și a cantității de materiale de construcție a instalației.

Pentru sistemele mici, o rată totală de deformare de 0,3% este considerată acceptabilă. În plus, geometria toroidală a bobinei contribuie la reducerea forțelor magnetice externe, ceea ce face posibilă reducerea costului structurii de susținere și, de asemenea, permite amplasarea instalației în apropierea obiectelor de sarcină.

Dacă instalația SMES este mică, atunci poate fi potrivită și o bobină de solenoid, care nu necesită o structură de sprijin specială, spre deosebire de un toroid. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că bobina toroidală are nevoie de cercuri și discuri de presare, mai ales când vine vorba de o structură destul de consumatoare de energie.

După cum sa menționat mai sus, un frigider cu supraconductor răcit necesită în mod continuu energie pentru a funcționa, ceea ce, desigur, reduce eficiența globală a IMM-ului.

Deci, sarcinile termice care trebuie luate în considerare la proiectarea instalației includ: conductivitatea termică a structurii de susținere, radiația termică din partea laterală a suprafețelor încălzite, pierderile în joule în fire prin care curg curenții de încărcare și descărcare, precum și pierderile. in frigider in timp ce lucreaza.

Însă, deși aceste pierderi sunt în general proporționale cu puterea nominală a instalației, avantajul sistemelor SMES este că, cu o creștere a capacității energetice de 100 de ori, costurile de răcire cresc doar de 20 de ori. În plus, pentru supraconductorii de temperatură înaltă, economiile de răcire sunt mai mari decât atunci când se utilizează supraconductori de temperatură joasă.

Se pare că un sistem de stocare a energiei supraconductoare bazat pe un supraconductor de temperatură înaltă este mai puțin solicitant la răcire și, prin urmare, ar trebui să coste mai puțin.

În practică, însă, acesta nu este cazul, deoarece costul total al infrastructurii de instalare depășește de obicei costul supraconductorului, iar bobinele supraconductoarelor de înaltă temperatură sunt de până la 4 ori mai scumpe decât bobinele supraconductoarelor de joasă temperatură. .

În plus, densitatea limită de curent pentru supraconductorii de temperatură înaltă este mai mică decât pentru cei cu temperatură joasă, acest lucru se aplică câmpurilor magnetice de operare în intervalul de la 5 la 10 T.

Deci, pentru a obține baterii cu aceeași inductanță, sunt necesare mai multe fire supraconductoare la temperatură înaltă. Și dacă consumul de energie al instalației este de aproximativ 200 MWh, atunci supraconductorul de joasă temperatură (conductorul) se va dovedi a fi de zece ori mai scump.

În plus, unul dintre factorii cheie de cost este acesta: costul frigiderului este în orice caz atât de mic încât reducerea energiei de răcire prin utilizarea supraconductoarelor de temperatură înaltă oferă o economie procentuală foarte mică.

Este posibilă reducerea volumului și creșterea densității de energie stocată în IMM-uri prin creșterea câmpului magnetic de operare de vârf, ceea ce va duce atât la o reducere a lungimii firului, cât și la o reducere a costului total. Valoarea optimă este considerată a fi un câmp magnetic de vârf de aproximativ 7 T.

Desigur, dacă câmpul este mărit dincolo de optim, sunt posibile reduceri suplimentare de volum cu o creștere minimă a costului. Dar limita de inducție a câmpului este de obicei limitată fizic, din cauza imposibilității de a aduce împreună părțile interne ale toroidului, lăsând totuși loc pentru cilindrul de compensare.

Materialul supraconductor rămâne o problemă cheie în crearea de instalații rentabile și eficiente pentru IMM-uri. Eforturile dezvoltatorilor de astăzi vizează creșterea curentului critic și a gamei de deformare a materialelor supraconductoare, precum și reducerea costurilor de producție a acestora.

Rezumând dificultățile tehnice pe calea introducerii pe scară largă a sistemelor IMM-urilor, se pot distinge clar următoarele. Necesitatea unui suport mecanic solid, capabil să reziste la forța Lorentz semnificativă generată în bobină.

Necesitatea unui teren mare, deoarece o instalație IMM, de exemplu cu o capacitate de 5 GWh, va conține un circuit supraconductor (circular sau dreptunghiular) de aproximativ 600 de metri lungime. În plus, recipientul cu vid de azot lichid (lungime de 600 de metri) care înconjoară supraconductorul trebuie să fie amplasat în subteran și trebuie asigurat un suport de încredere.

Următorul obstacol este fragilitatea ceramicii supraconductoare la temperatură înaltă, ceea ce face dificilă tragerea de fire pentru curenți mari.Câmpul magnetic critic care distruge supraconductivitatea este, de asemenea, un obstacol în calea creșterii intensității energetice specifice a IMM-urilor. NS are o problemă curentă critică din același motiv.