Υπεραγώγιμα συστήματα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας (SMES)

Η αποθήκευση ενέργειας είναι μια διαδικασία που λαμβάνει χώρα με συσκευές ή φυσικά μέσα που αποθηκεύουν ενέργεια, ώστε να μπορούν να τη χρησιμοποιούν αποτελεσματικά αργότερα.

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να χωριστούν σε μηχανικά, ηλεκτρικά, χημικά και θερμικά. Μία από τις σύγχρονες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας είναι τα συστήματα SMES — υπεραγώγιμη μαγνητική αποθήκευση ενέργειας (superconducting magnetic storage systems).

Τα συστήματα αποθήκευσης υπεραγώγιμης μαγνητικής ενέργειας (SMES) αποθηκεύουν ενέργεια σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από μια ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα υπεραγώγιμο πηνίο που έχει ψυχθεί κρυογονικά σε θερμοκρασία κάτω από την κρίσιμη υπεραγώγιμη θερμοκρασία του. Όταν το υπεραγώγιμο πηνίο φορτίζεται, το ρεύμα δεν μειώνεται και η μαγνητική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί επ' αόριστον. Η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί να επιστραφεί στο δίκτυο εκφορτίζοντας το πηνίο.

Το υπεραγώγιμο σύστημα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας βασίζεται σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα υπεραγώγιμο πηνίο.

Το υπεραγώγιμο πηνίο ψύχεται συνεχώς κρυογονικά, με αποτέλεσμα να βρίσκεται συνεχώς κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, δηλ. υπεραγωγός… Εκτός από το πηνίο, το σύστημα SMES περιλαμβάνει ένα κρυογονικό ψυγείο καθώς και ένα σύστημα κλιματισμού.

Το συμπέρασμα είναι ότι ένα φορτισμένο πηνίο σε υπεραγώγιμη κατάσταση είναι ικανό να διατηρεί από μόνο του ένα συνεχές ρεύμα, έτσι ώστε το μαγνητικό πεδίο ενός δεδομένου ρεύματος να αποθηκεύει την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε αυτό για άπειρο μεγάλο χρονικό διάστημα.

Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο υπεραγώγιμο πηνίο μπορεί, εάν είναι απαραίτητο, να τροφοδοτηθεί στο δίκτυο κατά την εκφόρτιση ενός τέτοιου πηνίου. Για να μετατρέψετε την ισχύ συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα, μετατροπείςκαι για τη φόρτιση του πηνίου από το δίκτυο — ανορθωτές ή μετατροπείς AC-DC.

Κατά τη διάρκεια της εξαιρετικά αποδοτικής μετατροπής της ενέργειας προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση, οι απώλειες στις ΜΜΕ αντιπροσωπεύουν το πολύ 3%, αλλά το πιο σημαντικό εδώ είναι ότι στη διαδικασία αποθήκευσης ενέργειας με αυτήν τη μέθοδο, οι απώλειες είναι οι λιγότερες εγγενείς οποιαδήποτε από τις επί του παρόντος γνωστές μεθόδους αποθήκευσης και αποθήκευσης ενέργειας. Η συνολική ελάχιστη αποδοτικότητα των ΜΜΕ είναι 95%.

Λόγω του υψηλού κόστους των υπεραγώγιμων υλικών και λαμβανομένου υπόψη του γεγονότος ότι η ψύξη απαιτεί και ενεργειακό κόστος, τα συστήματα SMES χρησιμοποιούνται επί του παρόντος μόνο όπου απαιτείται αποθήκευση ενέργειας για μικρό χρονικό διάστημα και ταυτόχρονα βελτίωση της ποιότητας της παροχής ρεύματος . Δηλαδή παραδοσιακά χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις επείγουσας ανάγκης.

Το σύστημα ΜΜΕ αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία:

• υπεραγώγιμο πηνίο,
• Κρυοστάτης και σύστημα κενού,
• Σύστημα ψύξης,
• σύστημα μετατροπής ενέργειας,
• Συσκευή ελέγχου.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των συστημάτων ΜΜΕ είναι προφανή. Πρώτα απ 'όλα, είναι ένας εξαιρετικά σύντομος χρόνος κατά τον οποίο το υπεραγώγιμο πηνίο είναι σε θέση να δεχτεί ή να εγκαταλείψει την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο μαγνητικό του πεδίο. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό όχι μόνο να επιτευχθούν κολοσσιαίες δυνάμεις στιγμιαίας εκφόρτισης, αλλά και να επαναφορτιστεί το υπεραγώγιμο πηνίο με ελάχιστη χρονική καθυστέρηση.

Αν συγκρίνουμε τη ΜΜΕ με συστήματα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα, με σφόνδυλους και υδραυλικούς συσσωρευτές, τότε οι τελευταίοι χαρακτηρίζονται από κολοσσιαία καθυστέρηση κατά τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική και αντίστροφα (βλ. Αποθήκευση ενέργειας βολάν).

Η απουσία κινητών μερών είναι ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα των συστημάτων SMES, το οποίο αυξάνει την αξιοπιστία τους. Και, φυσικά, λόγω της απουσίας ενεργού αντίστασης σε έναν υπεραγωγό, οι απώλειες αποθήκευσης εδώ είναι ελάχιστες. Η ειδική ενέργεια των ΜΜΕ είναι συνήθως μεταξύ 1 και 10 Wh/kg.

Τα ΜΜΕ 1 MWh χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για τη βελτίωση της ποιότητας ισχύος όπου χρειάζεται, όπως τα εργοστάσια μικροηλεκτρονικής που απαιτούν την υψηλότερη ποιότητα ισχύος.

Επιπλέον, οι ΜΜΕ είναι επίσης χρήσιμες σε επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας. Έτσι, σε μια από τις πολιτείες των ΗΠΑ υπάρχει ένα εργοστάσιο χαρτιού, το οποίο κατά τη λειτουργία του μπορεί να προκαλέσει ισχυρές υπερτάσεις στα καλώδια ρεύματος. Σήμερα, η γραμμή ηλεκτρικού ρεύματος του εργοστασίου είναι εξοπλισμένη με μια ολόκληρη αλυσίδα δομοστοιχείων SMES που εγγυώνται τη σταθερότητα του ηλεκτρικού δικτύου. Μια μονάδα SMES με χωρητικότητα 20 MWh μπορεί να παρέχει βιώσιμα 10 MW για δύο ώρες ή και όλα τα 40 MW για μισή ώρα.

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται από ένα υπεραγώγιμο πηνίο μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο (όπου L είναι αυτεπαγωγή, E είναι ενέργεια, I είναι ρεύμα):

Από την άποψη της δομικής διαμόρφωσης του υπεραγώγιμου πηνίου, είναι πολύ σημαντικό να είναι ανθεκτικό στην παραμόρφωση, να έχει ελάχιστους δείκτες θερμικής διαστολής και συστολής και επίσης να έχει χαμηλή ευαισθησία στη δύναμη Lorentz, η οποία αναπόφευκτα προκύπτει κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης (Οι σημαντικότεροι νόμοι της ηλεκτροδυναμικής). Όλα αυτά είναι σημαντικά για να αποφευχθεί η καταστροφή της περιέλιξης στο στάδιο του υπολογισμού των ιδιοτήτων και της ποσότητας των υλικών κατασκευής της εγκατάστασης.

Για μικρά συστήματα, ένα συνολικό ποσοστό παραμόρφωσης 0,3% θεωρείται αποδεκτό. Επιπλέον, η σπειροειδής γεωμετρία του πηνίου συμβάλλει στη μείωση των εξωτερικών μαγνητικών δυνάμεων, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μείωση του κόστους της δομής στήριξης και επιτρέπει επίσης την τοποθέτηση της εγκατάστασης κοντά στα αντικείμενα φορτίου.

Εάν η εγκατάσταση SMES είναι μικρή, τότε μπορεί να είναι κατάλληλο και ένα πηνίο ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, το οποίο δεν απαιτεί ειδική δομή στήριξης, σε αντίθεση με ένα τοροειδές. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το δακτυλιοειδές πηνίο χρειάζεται κρίκους και δίσκους πίεσης, ειδικά όταν πρόκειται για μια αρκετά ενεργοβόρα δομή.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ένα ψυγμένο ψυγείο υπεραγωγών απαιτεί συνεχώς ενέργεια για να λειτουργήσει, γεγονός που φυσικά μειώνει τη συνολική απόδοση των ΜΜΕ.

Έτσι, τα θερμικά φορτία που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό της εγκατάστασης περιλαμβάνουν: θερμική αγωγιμότητα της κατασκευής στήριξης, θερμική ακτινοβολία από την πλευρά των θερμαινόμενων επιφανειών, απώλειες joule σε σύρματα μέσω των οποίων ρέουν ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης, καθώς και απώλειες στο ψυγείο ενώ εργάζεστε.

Όμως, παρόλο που αυτές οι απώλειες είναι γενικά ανάλογες με την ονομαστική ισχύ της εγκατάστασης, το πλεονέκτημα των συστημάτων SMES είναι ότι με αύξηση της ενεργειακής ικανότητας κατά 100 φορές, το κόστος ψύξης αυξάνεται μόνο 20 φορές. Επιπλέον, για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, η εξοικονόμηση ψύξης είναι μεγαλύτερη από ό,τι όταν χρησιμοποιούνται υπεραγωγοί χαμηλής θερμοκρασίας.

Φαίνεται ότι ένα υπεραγώγιμο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που βασίζεται σε υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας είναι λιγότερο απαιτητικό στην ψύξη και επομένως θα πρέπει να κοστίζει λιγότερο.

Στην πράξη, ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει, καθώς το συνολικό κόστος της υποδομής εγκατάστασης συνήθως υπερβαίνει το κόστος του υπεραγωγού και τα πηνία των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας είναι έως και 4 φορές ακριβότερα από τα πηνία των υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας .

Επιπλέον, η περιοριστική πυκνότητα ρεύματος για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας είναι χαμηλότερη από ό,τι για τους χαμηλής θερμοκρασίας, αυτό ισχύει για λειτουργικά μαγνητικά πεδία στην περιοχή από 5 έως 10 Τ.

Έτσι, για να αποκτήσετε μπαταρίες με την ίδια επαγωγή, χρειάζονται περισσότερα υπεραγώγιμα καλώδια υψηλής θερμοκρασίας. Και αν η κατανάλωση ενέργειας της εγκατάστασης είναι περίπου 200 MWh, τότε ο υπεραγωγός χαμηλής θερμοκρασίας (αγωγός) θα αποδειχθεί δέκα φορές πιο ακριβός.

Επιπλέον, ένας από τους βασικούς παράγοντες κόστους είναι ο εξής: το κόστος του ψυγείου είναι ούτως ή άλλως τόσο χαμηλό που η μείωση της ενέργειας ψύξης με τη χρήση υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας δίνει πολύ χαμηλό ποσοστό εξοικονόμησης.

Είναι δυνατό να μειωθεί ο όγκος και να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα που αποθηκεύεται στις ΜΜΕ αυξάνοντας το μέγιστο λειτουργικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο θα οδηγήσει τόσο σε μείωση του μήκους του καλωδίου όσο και σε μείωση του συνολικού κόστους. Η βέλτιστη τιμή θεωρείται ότι είναι ένα μέγιστο μαγνητικό πεδίο περίπου 7 Τ.

Φυσικά, εάν το πεδίο αυξηθεί πέρα ​​από το βέλτιστο, είναι δυνατές περαιτέρω μειώσεις όγκου με ελάχιστη αύξηση του κόστους. Αλλά το όριο επαγωγής πεδίου είναι συνήθως περιορισμένο φυσικά, λόγω της αδυναμίας να έρθουν τα εσωτερικά μέρη του δακτυλίου μαζί, ενώ εξακολουθεί να αφήνει χώρο για τον αντισταθμιστικό κύλινδρο.

Το υπεραγώγιμο υλικό παραμένει βασικό ζήτημα για τη δημιουργία οικονομικών και αποδοτικών εγκαταστάσεων για τις ΜΜΕ. Οι προσπάθειες των προγραμματιστών σήμερα στοχεύουν στην αύξηση του κρίσιμου ρεύματος και του εύρους παραμόρφωσης των υπεραγώγιμων υλικών, καθώς και στη μείωση του κόστους παραγωγής τους.

Συνοψίζοντας τις τεχνικές δυσκολίες στην πορεία προς την ευρεία εισαγωγή συστημάτων ΜΜΕ, διακρίνονται σαφώς τα ακόλουθα. Η ανάγκη για ένα συμπαγές μηχανικό στήριγμα ικανό να αντέξει τη σημαντική δύναμη Lorentz που δημιουργείται στο πηνίο.

Η ανάγκη για ένα μεγάλο κομμάτι γης, αφού μια εγκατάσταση ΜΜΕ, για παράδειγμα με χωρητικότητα 5 GWh, θα περιέχει ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα (κυκλικό ή ορθογώνιο) μήκους περίπου 600 μέτρων. Επιπλέον, το δοχείο κενού υγρού αζώτου (μήκους 600 μέτρων) που περιβάλλει τον υπεραγωγό πρέπει να βρίσκεται υπόγεια και να παρέχεται αξιόπιστη υποστήριξη.

Το επόμενο εμπόδιο είναι η ευθραυστότητα των υπεραγώγιμων κεραμικών υψηλής θερμοκρασίας, γεγονός που καθιστά δύσκολη την έλξη συρμάτων για υψηλά ρεύματα.Το κρίσιμο μαγνητικό πεδίο που καταστρέφει την υπεραγωγιμότητα αποτελεί επίσης εμπόδιο στην αύξηση της ειδικής ενεργειακής έντασης των ΜΜΕ. Η NS έχει ένα κρίσιμο τρέχον πρόβλημα για τον ίδιο λόγο.