Superledende magnetiske energilagringssystemer (SMES)

Energilagring er en proces, der foregår med enheder eller fysiske medier, der lagrer energi, så de kan bruge den effektivt senere.

Energilagringssystemer kan opdeles i mekaniske, elektriske, kemiske og termiske. En af de moderne energilagringsteknologier er SMES-systemerne - superledende magnetisk energilagring (superledende magnetiske energilagringssystemer).

Superledende magnetisk energilagringssystemer (SMES) lagrer energi i et magnetfelt skabt af en jævnstrøm i en superledende spole, der er blevet kryogenisk afkølet til en temperatur under dens kritiske superledende temperatur. Når den superledende spole oplades, falder strømmen ikke, og den magnetiske energi kan lagres på ubestemt tid. Den lagrede energi kan returneres til nettet ved at aflade spolen.

Det superledende magnetiske energilagringssystem er baseret på et magnetfelt genereret af strømmen af ​​jævnstrøm i en superledende spole.

Den superledende spole bliver løbende kryogenisk afkølet, så den som følge heraf konstant er under den kritiske temperatur, dvs. superleder… Ud over spolen omfatter SMES-systemet et kryogent køleskab samt et klimaanlæg.

Konklusionen er, at en ladet spole i en superledende tilstand er i stand til at opretholde en kontinuerlig strøm af sig selv, så magnetfeltet i en given strøm kan lagre energien, der er lagret i den i uendelig lang tid.

Den energi, der er lagret i den superledende spole, kan om nødvendigt tilføres netværket under afladningen af ​​en sådan spole. For at konvertere jævnstrøm til vekselstrøm, invertere, og til opladning af spolen fra netværket — ensrettere eller AC-DC-konvertere.

I løbet af højeffektiv omdannelse af energi i den ene eller anden retning udgør tabene i SMV maksimalt 3 %, men det vigtigste her er, at i processen med energilagring ved denne metode, er tabene de mindst iboende i enhver af de for tiden kendte metoder til energilagring og -lagring. Den samlede minimumseffektivitet for SMV'er er 95 %.

På grund af de høje omkostninger til superledende materialer og under hensyntagen til, at køling også kræver energiomkostninger, bruges SMES-systemer i dag kun, hvor det er nødvendigt at lagre energi i kort tid og samtidig forbedre kvaliteten af ​​strømforsyningen . Det vil sige, at de traditionelt kun bruges i tilfælde af presserende behov.

SMV-systemet består af følgende komponenter:

• superledende spole,
• Kryostat og vakuumsystem,
• Kølesystem,
• Energikonverteringssystem,
• Kontrolenhed.

De vigtigste fordele ved SMV-systemer er indlysende. Først og fremmest er det ekstremt kort tid, hvor den superledende spole er i stand til at acceptere eller opgive energien, der er lagret i dens magnetfelt. På denne måde er det muligt ikke blot at opnå kolossale øjeblikkelige afladningskræfter, men også at genoplade den superledende spole med en minimal tidsforsinkelse.

Hvis vi sammenligner SMV med trykluftlagringssystemer, med svinghjul og hydrauliske akkumulatorer, så er sidstnævnte karakteriseret ved en kolossal forsinkelse under omdannelsen af ​​elektricitet til mekanisk og omvendt (se — Energilagring af svinghjul).

Fraværet af bevægelige dele er en anden vigtig fordel ved SMES-systemer, hvilket øger deres pålidelighed. Og selvfølgelig, på grund af fraværet af aktiv modstand i en superleder, er lagertab her minimale. Den specifikke energi for SMES er normalt mellem 1 og 10 Wh/kg.

1 MWh SMES bruges over hele verden til at forbedre strømkvaliteten, hvor det er nødvendigt, såsom mikroelektronikfabrikker, der kræver strøm af højeste kvalitet.

Derudover er SMV'er også nyttige i forsyningsselskaber. Så i en af ​​USA's stater er der en papirfabrik, som under sin drift kan forårsage kraftige stigninger i elledninger. I dag er fabrikkens elledning udstyret med en hel kæde af SMES-moduler, der garanterer stabiliteten af ​​elnettet. Et SMES-modul med en kapacitet på 20 MWh kan bæredygtigt levere 10 MW i to timer eller alle 40 MW i en halv time.

Mængden af ​​energi lagret af en superledende spole kan beregnes ved hjælp af følgende formel (hvor L er induktans, E er energi, I er strøm):

Ud fra den strukturelle konfiguration af den superledende spole er det meget vigtigt, at den er modstandsdygtig over for deformation, har minimale indikatorer for termisk ekspansion og kontraktion og også har en lav følsomhed over for Lorentz-kraften, som uundgåeligt opstår under drift af installationen (Elektrodynamikkens vigtigste love). Alt dette er vigtigt for at forhindre ødelæggelse af viklingen på tidspunktet for beregning af egenskaberne og mængden af ​​byggematerialer i installationen.

For små systemer anses en samlet belastningsrate på 0,3 % for acceptabel. Derudover bidrager den toroidale geometri af spolen til reduktionen af ​​eksterne magnetiske kræfter, hvilket gør det muligt at reducere omkostningerne ved den understøttende struktur, og gør det også muligt at placere installationen tæt på belastningsobjekterne.

Hvis SMES-installationen er lille, kan en magnetspole også være egnet, som ikke kræver en speciel støttestruktur, i modsætning til en toroid. Det skal dog bemærkes, at toroidspolen har brug for pressebøjler og skiver, især når det kommer til en ret energikrævende struktur.

Som nævnt ovenfor kræver et afkølet superlederkøleskab konstant energi for at fungere, hvilket naturligvis reducerer den samlede effektivitet af SMES.

Så de termiske belastninger, der skal tages i betragtning ved udformningen af ​​installationen, inkluderer: varmeledningsevne af den understøttende struktur, termisk stråling fra siden af ​​de opvarmede overflader, joule-tab i ledninger, gennem hvilke opladnings- og afladningsstrømme strømmer, samt tab i køleskabet, mens du arbejder.

Men selvom disse tab generelt er proportionale med installationens nominelle effekt, er fordelen ved SMES-systemer, at med en stigning i energikapaciteten på 100 gange, stiger køleomkostningerne kun 20 gange. Derudover er kølebesparelserne for højtemperatursuperledere større end ved brug af lavtemperatursuperledere.

Det ser ud til, at et superledende energilagringssystem baseret på en højtemperatursuperleder er mindre krævende for køling og derfor burde koste mindre.

I praksis er dette dog ikke tilfældet, da de samlede omkostninger til installationsinfrastrukturen normalt overstiger omkostningerne til superlederen, og spolerne for højtemperatur-superledere er op til 4 gange dyrere end spolerne til lavtemperatur-superledere. .

Derudover er den begrænsende strømtæthed for højtemperatur-superledere lavere end for lavtemperatur-superledere, dette gælder for drift af magnetiske felter i området 5 til 10 T.

Så for at få batterier med samme induktans er der brug for flere højtemperatur-superledende ledninger. Og hvis installationens energiforbrug er omkring 200 MWh, så vil lavtemperatur-superlederen (lederen) vise sig at være ti gange dyrere.

Derudover er en af ​​de vigtigste omkostningsfaktorer dette: Udgifterne til køleskabet er under alle omstændigheder så lave, at reduktion af køleenergien ved brug af højtemperatur-superledere giver en meget lav procentvis besparelse.

Det er muligt at reducere volumen og øge energitætheden, der er lagret i SMES'en, ved at øge det maksimale driftsmagnetiske felt, hvilket vil føre til både en reduktion i ledningslængden og en reduktion i de samlede omkostninger. Den optimale værdi anses for at være et maksimalt magnetfelt på omkring 7 T.

Selvfølgelig, hvis feltet øges ud over det optimale, er yderligere reduktioner i volumen mulige med en minimal stigning i omkostningerne. Men feltinduktionsgrænsen er normalt fysisk begrænset, på grund af umuligheden af ​​at bringe de indre dele af toroid sammen, mens der stadig er plads til kompensationscylinderen.

Superledende materiale er fortsat et nøglespørgsmål for at skabe omkostningseffektive og effektive installationer til SMV'er. Udviklernes indsats i dag er rettet mod at øge den kritiske strøm og rækkevidden af ​​deformation af superledende materialer samt at reducere omkostningerne ved deres produktion.

Ved at opsummere de tekniske vanskeligheder på vejen mod den udbredte indførelse af SMV-systemer kan der tydeligt skelnes mellem følgende. Behovet for en solid mekanisk støtte, der er i stand til at modstå den betydelige Lorentz-kraft, der genereres i spolen.

Behovet for et stort stykke jord, da et SMV-anlæg, for eksempel med en kapacitet på 5 GWh, vil indeholde et superledende kredsløb (cirkulært eller rektangulært) på omkring 600 meters længde. Desuden skal vakuumbeholderen med flydende nitrogen (600 meter lang), der omgiver superlederen, placeres under jorden, og der skal tilvejebringes pålidelig støtte.

Den næste forhindring er skørheden af ​​superledende højtemperaturkeramik, som gør det vanskeligt at trække ledninger til høje strømme.Det kritiske magnetfelt, der ødelægger superledning, er også en hindring for at øge den specifikke energiintensitet af SMES. NS har et kritisk strømproblem af samme grund.