Superprevodni sistemi za shranjevanje magnetne energije (SMES)

Shranjevanje energije je proces, ki poteka z napravami ali fizičnimi mediji, ki shranjujejo energijo, da jo lahko pozneje učinkovito uporabijo.

Sisteme za shranjevanje energije lahko razdelimo na mehanske, električne, kemične in toplotne. Ena izmed sodobnih tehnologij za shranjevanje energije so sistemi SMES — superprevodni magnetni hranilnik energije (superconducting magnetic energy storage systems).

Superprevodni sistemi za shranjevanje magnetne energije (SMES) shranjujejo energijo v magnetnem polju, ki ga ustvari enosmerni tok v superprevodni tuljavi, ki je bila kriogeno ohlajena na temperaturo pod kritično superprevodno temperaturo. Ko je superprevodna tuljava napolnjena, se tok ne zmanjša in magnetna energija se lahko shranjuje za nedoločen čas. Shranjeno energijo je mogoče vrniti v omrežje s praznjenjem tuljave.

Superprevodni magnetni sistem za shranjevanje energije temelji na magnetnem polju, ki ga ustvarja pretok enosmernega toka v superprevodni tuljavi.

Superprevodna tuljava je nenehno kriogeno hlajena, zato je posledično stalno pod kritično temperaturo, tj. superprevodnik… Poleg tuljave sistem SMES vključuje kriogeni hladilnik in klimatsko napravo.

Zaključek je, da je nabita tuljava v superprevodnem stanju sposobna sama vzdrževati neprekinjen tok, tako da lahko magnetno polje danega toka neskončno dolgo časa hrani v njem shranjeno energijo.

Energijo, shranjeno v superprevodni tuljavi, lahko po potrebi dovajamo v omrežje med praznjenjem takšne tuljave. Za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok, pretvorniki, in za polnjenje tuljave iz omrežja - usmerniki ali AC-DC pretvorniki.

Pri zelo učinkoviti pretvorbi energije v eno ali drugo smer predstavljajo izgube v MSP največ 3 %, vendar je pri tem najpomembnejše, da so v procesu shranjevanja energije po tej metodi izgube najmanjše. katera od trenutno znanih metod za shranjevanje in shranjevanje energije. Skupna najmanjša učinkovitost MSP je 95 %.

Zaradi visokih stroškov superprevodnih materialov in ob upoštevanju dejstva, da hlajenje zahteva tudi stroške energije, se sistemi SMES trenutno uporabljajo le tam, kjer je potrebno kratkotrajno shraniti energijo in hkrati izboljšati kakovost napajanja. . To pomeni, da se tradicionalno uporabljajo le v primerih nujne potrebe.

Sistem MSP je sestavljen iz naslednjih komponent:

• superprevodna tuljava,
• Kriostat in vakuumski sistem,
• Hladilni sistem,
• Sistem za pretvorbo energije,
• Krmilna naprava.

Glavne prednosti sistemov MSP so očitne. Prvič, to je izjemno kratek čas, v katerem je superprevodna tuljava sposobna sprejeti ali oddati energijo, shranjeno v njenem magnetnem polju. Na ta način ni mogoče le doseči ogromnih trenutnih sil praznjenja, temveč tudi ponovno napolniti superprevodno tuljavo z minimalno časovno zakasnitvijo.

Če primerjamo SME s sistemi za shranjevanje stisnjenega zraka, z vztrajniki in hidravličnimi akumulatorji, potem je za slednje značilna ogromna zamuda pri pretvorbi električne energije v mehansko in obratno (glej — Shramba energije vztrajnika).

Odsotnost gibljivih delov je še ena pomembna prednost sistemov SMES, ki povečuje njihovo zanesljivost. In seveda, zaradi odsotnosti aktivnega upora v superprevodniku so izgube pri shranjevanju tukaj minimalne. Specifična energija SMES je običajno med 1 in 10 Wh/kg.

1 MWh SMES se uporablja po vsem svetu za izboljšanje kakovosti električne energije, kjer je to potrebno, na primer v tovarnah mikroelektronike, ki zahtevajo moč najvišje kakovosti.

Poleg tega so mala in srednje velika podjetja koristna tudi v komunali. Torej, v eni od zveznih držav ZDA obstaja tovarna papirja, ki med svojim delovanjem lahko povzroči močne prenapetosti v električnih vodih. Danes je tovarniški daljnovod opremljen s celotno verigo SMES modulov, ki zagotavljajo stabilnost električnega omrežja. SMES modul z zmogljivostjo 20 MWh lahko trajnostno zagotavlja 10 MW za dve uri ali vseh 40 MW za pol ure.

Količino energije, ki jo shrani superprevodna tuljava, je mogoče izračunati z naslednjo formulo (kjer je L induktivnost, E energija, I tok):

Z vidika strukturne konfiguracije superprevodne tuljave je zelo pomembno, da je odporna na deformacije, ima minimalne kazalnike toplotnega raztezanja in krčenja ter ima tudi nizko občutljivost na Lorentzovo silo, ki se neizogibno pojavi med delovanje napeljave (Najpomembnejši zakoni elektrodinamike). Vse to je pomembno, da se prepreči uničenje navitja v fazi izračuna lastnosti in količine gradbenih materialov instalacije.

Za majhne sisteme velja, da je skupna stopnja deformacije 0,3 % sprejemljiva. Poleg tega toroidna geometrija tuljave prispeva k zmanjšanju zunanjih magnetnih sil, kar omogoča znižanje stroškov nosilne konstrukcije, poleg tega pa omogoča namestitev instalacije v bližino tovornih predmetov.

Če je namestitev SMES majhna, je lahko primerna tudi elektromagnetna tuljava, ki za razliko od toroida ne zahteva posebne podporne strukture. Vendar je treba opozoriti, da toroidna tuljava potrebuje stiskalne obroče in diske, zlasti ko gre za precej energetsko intenzivno strukturo.

Kot je navedeno zgoraj, ohlajeni superprevodniški hladilnik nenehno potrebuje energijo za delovanje, kar seveda zmanjšuje splošno učinkovitost SMES.

Toplotne obremenitve, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju inštalacije, vključujejo: toplotno prevodnost nosilne konstrukcije, toplotno sevanje s strani ogrevanih površin, džulovske izgube v žicah, po katerih tečejo polnilni in praznjelni tokovi, ter izgube med delom v hladilniku.

A čeprav so te izgube praviloma sorazmerne z nazivno močjo napeljave, je prednost sistemov SMES v tem, da se pri 100-kratnem povečanju energetske zmogljivosti stroški hlajenja povečajo le za 20-krat. Poleg tega so pri visokotemperaturnih superprevodnikih prihranki pri hlajenju večji kot pri uporabi nizkotemperaturnih superprevodnikov.

Kaže, da je superprevodni sistem za shranjevanje energije, ki temelji na visokotemperaturnem superprevodniku, manj zahteven pri hlajenju in bi zato moral stati manj.

V praksi pa temu ni tako, saj skupni strošek instalacijske infrastrukture običajno presega ceno superprevodnika, tuljave visokotemperaturnih superprevodnikov pa so tudi do 4-krat dražje od tuljav nizkotemperaturnih superprevodnikov. .

Poleg tega je mejna gostota toka za visokotemperaturne superprevodnike nižja kot za nizkotemperaturne, kar velja za delovna magnetna polja v območju od 5 do 10 T.

Da bi dobili baterije z enako induktivnostjo, potrebujemo več visokotemperaturnih superprevodnih žic. In če je poraba energije naprave približno 200 MWh, potem bo nizkotemperaturni superprevodnik (prevodnik) desetkrat dražji.

Poleg tega je eden od ključnih stroškovnih dejavnikov tale: stroški hladilnika so v vsakem primeru tako nizki, da zmanjšanje hladilne energije z uporabo visokotemperaturnih superprevodnikov povzroči zelo nizek odstotek prihranka.

Možno je zmanjšati prostornino in povečati gostoto energije, shranjene v SMES, s povečanjem najvišjega delovnega magnetnega polja, kar bo privedlo do zmanjšanja dolžine žice in zmanjšanja skupnih stroškov. Optimalna vrednost velja za največje magnetno polje približno 7 T.

Seveda, če se polje poveča preko optimalnega, so možna nadaljnja zmanjšanja obsega z minimalnim povečanjem stroškov. Toda meja indukcije polja je običajno fizično omejena zaradi nezmožnosti združevanja notranjih delov toroida, medtem ko je še vedno prostor za kompenzacijski valj.

Superprevodni material ostaja ključno vprašanje pri ustvarjanju stroškovno učinkovitih in učinkovitih naprav za MSP. Današnja prizadevanja razvijalcev so usmerjena v povečanje kritičnega toka in obsega deformacije superprevodnih materialov ter zmanjšanje stroškov njihove proizvodnje.

Če povzamemo tehnične težave na poti do široke uvedbe sistemov MSP, lahko jasno ločimo naslednje. Potreba po trdni mehanski podpori, ki lahko prenese veliko Lorentzovo silo, ki nastane v tuljavi.

Potreba po velikem kosu zemlje, saj bo naprava MSP, na primer z zmogljivostjo 5 GWh, vsebovala superprevodno vezje (krožno ali pravokotno) dolžine približno 600 metrov. Poleg tega mora biti vakuumska posoda s tekočim dušikom (dolga 600 metrov), ki obdaja superprevodnik, nameščena pod zemljo in zagotovljena mora biti zanesljiva podpora.

Naslednja ovira je krhkost superprevodne visokotemperaturne keramike, ki otežuje vlečenje žic za visoke tokove.Kritično magnetno polje, ki uničuje superprevodnost, je tudi ovira za povečanje specifične energijske intenzivnosti SMES. NS ima kritičen trenutni problem iz istega razloga.