Supravodivé systémy na ukladanie magnetickej energie (SMES)

Ukladanie energie je proces, ktorý prebieha pomocou zariadení alebo fyzických médií, ktoré uchovávajú energiu, aby ju neskôr mohli efektívne využiť.

Systémy akumulácie energie možno rozdeliť na mechanické, elektrické, chemické a tepelné. Jednou z moderných technológií skladovania energie sú systémy SMES — supravodivé magnetické skladovanie energie (supravodivé magnetické skladovacie systémy energie).

Supravodivé systémy na ukladanie magnetickej energie (SMES) uchovávajú energiu v magnetickom poli vytvorenom tokom jednosmerného prúdu v supravodivej cievke, ktorá bola kryogénne ochladená na teplotu pod jej kritickou supravodivou teplotou. Keď je supravodivá cievka nabitá, prúd neklesá a magnetická energia sa môže skladovať na neurčito. Nahromadená energia sa môže vrátiť do siete vybitím cievky.

Supravodivý systém uchovávania magnetickej energie je založený na magnetickom poli generovanom tokom jednosmerného prúdu v supravodivej cievke.

Supravodivá cievka je kontinuálne kryogénne chladená, takže v dôsledku toho je neustále pod kritickou teplotou, t.j. supravodič… Okrem cievky obsahuje systém SMES kryogénnu chladničku, ako aj klimatizačný systém.

Záver je taký, že nabitá cievka v supravodivom stave je schopná sama o sebe udržať nepretržitý prúd, takže magnetické pole daného prúdu môže uchovávať energiu v ňom uloženú na nekonečne dlhý čas.

Energia uložená v supravodivej cievke môže byť v prípade potreby dodaná do siete počas vybíjania takejto cievky. Ak chcete premeniť jednosmerný prúd na striedavý prúd, striedače, a na nabíjanie cievky zo siete — usmerňovače alebo AC-DC konvertory.

Pri vysoko efektívnej premene energie jedným alebo druhým smerom predstavujú straty v MSP maximálne 3 %, ale najdôležitejšie tu je, že v procese akumulácie energie týmto spôsobom sú straty najmenej vlastné. ktorýkoľvek zo súčasne známych spôsobov skladovania a skladovania energie. Celková minimálna efektívnosť MSP je 95 %.

Vzhľadom na vysokú cenu supravodivých materiálov a s prihliadnutím na fakt, že chladenie si vyžaduje aj náklady na energiu, sa systémy SMES v súčasnosti využívajú len tam, kde je potrebné krátkodobo skladovať energiu a zároveň skvalitňovať napájanie. . To znamená, že sa tradične používajú iba v prípadoch naliehavej potreby.

Systém malých a stredných podnikov pozostáva z týchto komponentov:

• supravodivá cievka,
• Kryostat a vákuový systém,
• Chladiaci systém,
• Systém premeny energie,
• Ovládacie zariadenie.

Hlavné výhody systémov pre MSP sú zrejmé. V prvom rade ide o extrémne krátky čas, počas ktorého je supravodivá cievka schopná prijať alebo odovzdať energiu uloženú v jej magnetickom poli. Týmto spôsobom je možné nielen získať kolosálne okamžité výbojové sily, ale aj supravodivou cievku dobiť s minimálnym časovým oneskorením.

Ak porovnáme MSP so systémami skladovania stlačeného vzduchu, so zotrvačníkmi a hydraulickými akumulátormi, potom sa tieto vyznačujú obrovským oneskorením pri premene elektriny na mechanickú a naopak (pozri — Zásobník energie zotrvačníka).

Absencia pohyblivých častí je ďalšou dôležitou výhodou systémov SMES, ktorá zvyšuje ich spoľahlivosť. A samozrejme, kvôli absencii aktívneho odporu v supravodiči, straty pri skladovaní sú tu minimálne. Špecifická energia MSP je zvyčajne medzi 1 a 10 Wh/kg.

1 MWh MSP sa používajú na celom svete na zlepšenie kvality energie tam, kde je to potrebné, ako sú továrne na mikroelektroniku, ktoré vyžadujú energiu najvyššej kvality.

Okrem toho sú MSP užitočné aj v oblasti verejných služieb. Takže v jednom zo štátov USA je továreň na papier, ktorá počas svojej prevádzky môže spôsobiť silné prepätia v elektrických vedeniach. Dnes je elektrické vedenie továrne vybavené celým reťazcom modulov SMES, ktoré zaručujú stabilitu elektrickej siete. Modul SMES s kapacitou 20 MWh dokáže trvalo poskytnúť 10 MW počas dvoch hodín alebo všetkých 40 MW počas pol hodiny.

Množstvo energie uloženej supravodivou cievkou možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca (kde L je indukčnosť, E je energia, I je prúd):

Z hľadiska konštrukčného usporiadania supravodivej cievky je veľmi dôležité, aby bola odolná voči deformácii, mala minimálne ukazovatele tepelnej rozťažnosti a kontrakcie a tiež mala nízku citlivosť na Lorentzovu silu, ktorá nevyhnutne vzniká počas prevádzka inštalácie (Najdôležitejšie zákony elektrodynamiky). To všetko je dôležité, aby sa zabránilo zničeniu vinutia vo fáze výpočtu vlastností a množstva konštrukčných materiálov inštalácie.

Pre malé systémy sa celková miera deformácie 0,3 % považuje za prijateľnú. Toroidná geometria cievky navyše prispieva k zníženiu vonkajších magnetických síl, čo umožňuje znížiť náklady na nosnú konštrukciu a tiež umožňuje umiestnenie inštalácie v blízkosti predmetov zaťaženia.

Ak je inštalácia SMES malá, potom môže byť vhodná aj solenoidová cievka, ktorá na rozdiel od toroidu nevyžaduje špeciálnu nosnú konštrukciu. Treba však poznamenať, že toroidná cievka potrebuje lisovacie obruče a kotúče, najmä ak ide o dosť energeticky náročnú štruktúru.

Ako je uvedené vyššie, chladená supravodičová chladnička nepretržite vyžaduje energiu na prevádzku, čo samozrejme znižuje celkovú účinnosť SMES.

K tepelným zaťaženiam, ktoré treba brať do úvahy pri projektovaní inštalácie, teda patria: tepelná vodivosť nosnej konštrukcie, tepelné žiarenie zo strany vyhrievaných plôch, straty joulov vo vodičoch, ktorými tečú nabíjacie a vybíjacie prúdy, ako aj straty. v chladničke pri práci.

Ale hoci sú tieto straty vo všeobecnosti úmerné nominálnemu výkonu zariadenia, výhodou systémov SMES je, že pri 100-násobnom zvýšení energetickej kapacity sa náklady na chladenie zvýšia len 20-násobne. Navyše pri vysokoteplotných supravodičoch je úspora chladenia väčšia ako pri použití nízkoteplotných supravodičov.

Zdá sa, že supravodivý systém skladovania energie založený na vysokoteplotnom supravodiči je menej náročný na chladenie, a preto by mal stáť menej.

V praxi to tak však nie je, pretože celkové náklady na inštalačnú infraštruktúru zvyčajne prevyšujú náklady na supravodič a cievky vysokoteplotných supravodičov sú až 4-krát drahšie ako cievky nízkoteplotných supravodičov. .

Navyše medzná prúdová hustota pre vysokoteplotné supravodiče je nižšia ako pre nízkoteplotné, to platí pre pracovné magnetické polia v rozsahu 5 až 10 T.

Takže na získanie batérií s rovnakou indukčnosťou je potrebných viac vysokoteplotných supravodivých drôtov. A ak je energetická spotreba inštalácie asi 200 MWh, potom bude nízkoteplotný supravodič (vodič) desaťkrát drahší.

Okrem toho je jedným z kľúčových nákladových faktorov toto: náklady na chladničku sú v každom prípade také nízke, že zníženie chladiacej energie použitím vysokoteplotných supravodičov poskytuje veľmi nízke percentuálne úspory.

Je možné znížiť objem a zvýšiť hustotu energie uloženej v SMES zvýšením špičkového prevádzkového magnetického poľa, čo povedie k zníženiu dĺžky drôtu a zníženiu celkových nákladov. Za optimálnu hodnotu sa považuje maximálne magnetické pole okolo 7 T.

Samozrejme, ak sa pole zväčší nad optimálnu hodnotu, je možné ďalšie zníženie objemu s minimálnym zvýšením nákladov. Ale limit indukcie poľa je zvyčajne fyzicky obmedzený, kvôli nemožnosti spojiť vnútorné časti toroidu a zároveň ponechať priestor pre kompenzačný valec.

Supravodivý materiál zostáva kľúčovou otázkou pri vytváraní nákladovo efektívnych a efektívnych zariadení pre MSP. Úsilie vývojárov je dnes zamerané na zvýšenie kritického prúdu a rozsahu deformácie supravodivých materiálov, ako aj na zníženie nákladov na ich výrobu.

Keď zhrnieme technické ťažkosti na ceste k rozsiahlemu zavedeniu systémov MSP, možno jasne rozlíšiť nasledovné. Potreba pevnej mechanickej podpory schopnej odolať významnej Lorentzovej sile generovanej v cievke.

Potreba veľkého pozemku, keďže inštalácia MSP, napríklad s kapacitou 5 GWh, bude obsahovať supravodivý obvod (kruhový alebo obdĺžnikový) s dĺžkou asi 600 metrov. Okrem toho musí byť vákuová nádoba s tekutým dusíkom (dĺžka 600 metrov) obklopujúca supravodič umiestnená pod zemou a musí byť zabezpečená spoľahlivá podpora.

Ďalšou prekážkou je krehkosť supravodivej vysokoteplotnej keramiky, ktorá sťažuje ťahanie vodičov pre vysoké prúdy.Prekážkou zvyšovania mernej energetickej náročnosti MSP je aj kritické magnetické pole, ktoré ničí supravodivosť. NS má kritický aktuálny problém z rovnakého dôvodu.