Superledende magnetiske energilagringssystemer (SMES)

Energilagring er en prosess som foregår med enheter eller fysiske medier som lagrer energi slik at de kan bruke den effektivt senere.

Energilagringssystemer kan deles inn i mekaniske, elektriske, kjemiske og termiske. En av de moderne energilagringsteknologiene er SMES-systemene - superledende magnetisk energilagring (superledende magnetiske energilagringssystemer).

Superledende magnetisk energilagring (SMES)-systemer lagrer energi i et magnetfelt skapt av en likestrøm i en superledende spole som er kryogenisk avkjølt til en temperatur under dens kritiske superledende temperatur. Når den superledende spolen lades, avtar ikke strømmen og den magnetiske energien kan lagres på ubestemt tid. Den lagrede energien kan returneres til nettet ved å lade ut spolen.

Det superledende magnetiske energilagringssystemet er basert på et magnetfelt generert av strømmen av likestrøm i en superledende spole.

Den superledende spolen blir kontinuerlig kryogenisk avkjølt, så som et resultat er den konstant under den kritiske temperaturen, dvs. superleder… I tillegg til spolen inkluderer SMES-systemet et kryogent kjøleskap samt et klimaanlegg.

Konklusjonen er at en ladet spole i superledende tilstand er i stand til å opprettholde en kontinuerlig strøm av seg selv, slik at magnetfeltet til en gitt strøm kan lagre energien som er lagret i den i uendelig lang tid.

Energien som er lagret i den superledende spolen kan om nødvendig tilføres nettet under utlading av en slik spole. For å konvertere likestrøm til vekselstrøm, omformere, og for å lade spolen fra nettverket — likerettere eller AC-DC-omformere.

I løpet av høyeffektiv konvertering av energi i en eller annen retning utgjør tapene i SMB maksimalt 3 %, men det viktigste her er at i prosessen med energilagring ved denne metoden, er tapene minst iboende i noen av de for tiden kjente metoder for energilagring og lagring. Den totale minimumseffektiviteten til SMB er 95 %.

På grunn av de høye kostnadene for superledende materialer og tatt i betraktning at kjøling også krever energikostnader, brukes SMES-systemer i dag kun der det er nødvendig å lagre energi i kort tid og samtidig forbedre kvaliteten på strømforsyningen . Det vil si at de tradisjonelt bare brukes i tilfeller av presserende behov.

SMB-systemet består av følgende komponenter:

• superledende spole,
• Kryostat og vakuumsystem,
• Kjølesystem,
• Energikonverteringssystem,
• Kontrollenhet.

De viktigste fordelene med SMB-systemer er åpenbare. For det første er det ekstremt kort tid hvor den superledende spolen er i stand til å akseptere eller gi opp energien som er lagret i magnetfeltet. På denne måten er det ikke bare mulig å oppnå kolossale øyeblikkelige utladningskrefter, men også å lade opp den superledende spolen med en minimal tidsforsinkelse.

Hvis vi sammenligner SMB med trykkluftlagringssystemer, med svinghjul og hydrauliske akkumulatorer, er sistnevnte preget av en kolossal forsinkelse under konvertering av elektrisitet til mekanisk og omvendt (se - Svinghjuls energilagring).

Fraværet av bevegelige deler er en annen viktig fordel med SMES-systemer, noe som øker deres pålitelighet. Og selvfølgelig, på grunn av fraværet av aktiv motstand i en superleder, er lagringstapene her minimale. Den spesifikke energien til SMES er vanligvis mellom 1 og 10 Wh/kg.

1 MWh SMES brukes over hele verden for å forbedre strømkvaliteten der det er nødvendig, for eksempel mikroelektronikkfabrikker som krever strøm av høyeste kvalitet.

I tillegg er SMB også nyttige i verktøy. Så i en av USAs delstater er det en papirfabrikk, som under driften kan forårsake sterke overspenninger i kraftledninger. I dag er fabrikkens kraftlinje utstyrt med en hel kjede av SMES-moduler som garanterer stabiliteten til strømnettet. En SMES-modul med en kapasitet på 20 MWh kan bærekraftig gi 10 MW i to timer eller alle 40 MW i en halvtime.

Mengden energi lagret av en superledende spole kan beregnes ved å bruke følgende formel (der L er induktans, E er energi, I er strøm):

Fra synspunktet til den strukturelle konfigurasjonen av den superledende spolen, er det veldig viktig at den er motstandsdyktig mot deformasjon, har minimale indikatorer på termisk utvidelse og sammentrekning, og har også en lav følsomhet for Lorentz-kraften, som uunngåelig oppstår under drift av installasjonen (Elektrodynamikkens viktigste lover). Alt dette er viktig for å forhindre ødeleggelse av viklingen på stadiet for å beregne egenskapene og mengden byggematerialer til installasjonen.

For små systemer anses en total tøyningsrate på 0,3 % som akseptabel. I tillegg bidrar den toroidale geometrien til spolen til reduksjon av eksterne magnetiske krefter, noe som gjør det mulig å redusere kostnadene for støttekonstruksjonen, og lar også installasjonen plasseres nær lastobjektene.

Hvis SMES-installasjonen er liten, kan en magnetspole også være egnet, som ikke krever en spesiell støttestruktur, i motsetning til en toroid. Det skal imidlertid bemerkes at toroidspolen trenger pressbøyler og skiver, spesielt når det gjelder en ganske energikrevende struktur.

Som nevnt ovenfor, krever et avkjølt superlederkjøleskap kontinuerlig energi for å fungere, noe som selvfølgelig reduserer den totale effektiviteten til SMES.

Så de termiske belastningene som må tas i betraktning ved utforming av installasjonen inkluderer: termisk ledningsevne til støttestrukturen, termisk stråling fra siden av de oppvarmede overflatene, joule-tap i ledninger som lade- og utladningsstrømmer flyter gjennom, samt tap i kjøleskapet mens du arbeider.

Men selv om disse tapene generelt er proporsjonale med installasjonens nominelle effekt, er fordelen med SMES-systemer at med en økning i energikapasiteten på 100 ganger øker kjølekostnadene bare 20 ganger. I tillegg, for superledere med høy temperatur, er kjølebesparelsene større enn ved bruk av superledere med lav temperatur.

Det ser ut til at et superledende energilagringssystem basert på en høytemperatursuperleder er mindre krevende for kjøling og derfor bør koste mindre.

I praksis er dette imidlertid ikke tilfelle, da den totale kostnaden for installasjonsinfrastrukturen vanligvis overstiger kostnaden for superlederen, og spolene til høytemperatur-superledere er opptil 4 ganger dyrere enn spolene til lavtemperatur-superledere. .

I tillegg er den begrensende strømtettheten for høytemperatur-superledere lavere enn for lavtemperatur-superledere, dette gjelder for drift av magnetiske felt i området 5 til 10 T.

Så for å få batterier med samme induktans, trengs det flere høytemperatur-superledende ledninger. Og hvis energiforbruket til installasjonen er omtrent 200 MWh, vil lavtemperatursuperlederen (lederen) vise seg å være ti ganger dyrere.

I tillegg er en av de viktigste kostnadsfaktorene denne: Kostnaden for kjøleskapet er uansett så lav at å redusere kjøleenergien ved å bruke høytemperatursuperledere gir en svært lav prosentvis besparelse.

Det er mulig å redusere volumet og øke energitettheten som er lagret i SMES ved å øke det maksimale driftsmagnetiske feltet, noe som vil føre til både en reduksjon i ledningslengden og en reduksjon i totalkostnaden. Den optimale verdien anses å være et toppmagnetisk felt på omtrent 7 T.

Selvfølgelig, hvis feltet økes utover det optimale, er ytterligere reduksjoner i volum mulig med en minimal kostnadsøkning. Men feltinduksjonsgrensen er vanligvis fysisk begrenset, på grunn av umuligheten av å bringe de indre delene av toroid sammen mens det fortsatt er plass til kompensasjonssylinderen.

Superledende materiale er fortsatt et nøkkelproblem for å skape kostnadseffektive og effektive installasjoner for SMB. Innsatsen til utviklere i dag er rettet mot å øke den kritiske strømmen og rekkevidden av deformasjon av superledende materialer, samt å redusere kostnadene for produksjonen deres.

Ved å oppsummere de tekniske vanskelighetene på veien mot den utbredte innføringen av SMB-systemer, kan følgende tydelig skilles. Behovet for en solid mekanisk støtte som er i stand til å motstå den betydelige Lorentz-kraften som genereres i spolen.

Behovet for et stort areal, siden en SMB-installasjon, for eksempel med en kapasitet på 5 GWh, vil inneholde en superledende krets (sirkulær eller rektangulær) på ca. 600 meter i lengde. I tillegg må vakuumbeholderen med flytende nitrogen (600 meter lang) som omgir superlederen plasseres under jorden og pålitelig støtte må gis.

Den neste hindringen er sprøheten til superledende høytemperaturkeramikk, som gjør det vanskelig å trekke ledninger for høye strømmer.Det kritiske magnetfeltet som ødelegger superledning er også et hinder for å øke den spesifikke energiintensiteten til SMES. NS har et kritisk strømproblem av samme grunn.