Supravodljivi sustavi za pohranu magnetske energije (SMES)

Pohrana energije je proces koji se odvija s uređajima ili fizičkim medijima koji pohranjuju energiju kako bi je kasnije mogli učinkovito koristiti.

Sustavi za pohranu energije mogu se podijeliti na mehaničke, električne, kemijske i toplinske. Jedna od suvremenih tehnologija za pohranu energije su SMES sustavi — supravodljivi magnetski sustavi za pohranu energije (superconducting magnetic energy storage systems).

Sustavi za pohranu supravodljive magnetske energije (SMES) pohranjuju energiju u magnetskom polju stvorenom istosmjernom strujom u supravodljivoj zavojnici koja je kriogeno ohlađena na temperaturu ispod kritične supravodljive temperature. Kad se supravodljiva zavojnica napuni, struja se ne smanjuje i magnetska energija može se pohraniti neograničeno dugo. Pohranjena energija može se vratiti u mrežu pražnjenjem zavojnice.

Supravodljivi magnetski sustav za pohranu energije temelji se na magnetskom polju generiranom protokom istosmjerne struje u supravodljivoj zavojnici.

Supravodljiva zavojnica se kontinuirano kriogeno hladi, pa je zbog toga stalno ispod kritične temperature, tj. supravodič… Osim zavojnice, SMES sustav uključuje kriogeni hladnjak kao i klimatizacijski sustav.

Zaključak je da je nabijena zavojnica u supravodljivom stanju sposobna sama održavati kontinuiranu struju, tako da magnetsko polje dane struje može pohraniti energiju pohranjenu u njoj beskonačno dugo vremena.

Energija pohranjena u supravodljivoj zavojnici može se, ako je potrebno, dovesti u mrežu tijekom pražnjenja takve zavojnice. Za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu struju, pretvarači, a za punjenje zavojnice iz mreže — ispravljači ili AC-DC pretvarači.

U tijeku visokoučinkovite pretvorbe energije u jednom ili drugom smjeru, gubici u SME iznose maksimalno 3%, no najvažnije je da su u procesu skladištenja energije ovom metodom gubici najmanji bilo koja od trenutno poznatih metoda za skladištenje i skladištenje energije. Ukupna minimalna učinkovitost malih i srednjih poduzeća je 95%.

Zbog visoke cijene supravodljivih materijala i uzimajući u obzir činjenicu da hlađenje također zahtijeva troškove energije, SMES sustavi se trenutno koriste samo tamo gdje je potrebno kratkotrajno pohraniti energiju i pritom poboljšati kvalitetu napajanja. . Odnosno, tradicionalno se koriste samo u slučajevima hitne potrebe.

Sustav SME sastoji se od sljedećih komponenti:

• supravodljiva zavojnica,
• Kriostat i vakuumski sustav,
• Sustav hlađenja,
• Sustav za pretvorbu energije,
• Kontrolni uređaj.

Glavne prednosti sustava SME su očite. Prije svega, radi se o iznimno kratkom vremenu tijekom kojeg je supravodljiva zavojnica sposobna prihvatiti ili predati energiju pohranjenu u svom magnetskom polju. Na taj način moguće je ne samo postići kolosalne trenutne sile pražnjenja, već i ponovno napuniti supravodljivu zavojnicu s minimalnim vremenskim kašnjenjem.

Ako usporedimo SME sa sustavima za pohranjivanje komprimiranog zraka, sa zamašnjacima i hidrauličkim akumulatorima, tada potonje karakterizira kolosalno kašnjenje tijekom pretvorbe električne energije u mehaničku i obrnuto (vidi — Spremanje energije zamašnjaka).

Odsutnost pokretnih dijelova još je jedna važna prednost SMES sustava, što povećava njihovu pouzdanost. I, naravno, zbog nepostojanja aktivnog otpora u supravodiču, gubici pohranjivanja ovdje su minimalni. Specifična energija SMES-a obično je između 1 i 10 Wh/kg.

1 MWh SMES koristi se u cijelom svijetu za poboljšanje kvalitete električne energije tamo gdje je to potrebno, kao što su tvornice mikroelektronike koje zahtijevaju struju najviše kvalitete.

Osim toga, mala i srednja poduzeća također su korisna u komunalnim djelatnostima. Dakle, u jednoj od država SAD-a postoji tvornica papira, koja tijekom svog rada može izazvati jake udare u dalekovodima. Danas je tvornički dalekovod opremljen cijelim lancem SMES modula koji jamče stabilnost elektroenergetske mreže. SMES modul kapaciteta 20 MWh može održivo osigurati 10 MW za dva sata ili svih 40 MW za pola sata.

Količina energije koju pohranjuje supravodljiva zavojnica može se izračunati pomoću sljedeće formule (gdje je L induktivitet, E energija, I struja):

S gledišta strukturne konfiguracije supravodljive zavojnice, vrlo je važno da je otporna na deformacije, ima minimalne pokazatelje toplinskog širenja i skupljanja, a također ima nisku osjetljivost na Lorentzovu silu, koja neizbježno nastaje tijekom rad instalacije (Najvažniji zakoni elektrodinamike). Sve je to važno kako bi se spriječilo uništavanje namota u fazi izračuna svojstava i količine građevinskog materijala instalacije.

Za male sustave, ukupna stopa deformacije od 0,3% smatra se prihvatljivom. Osim toga, toroidna geometrija zavojnice doprinosi smanjenju vanjskih magnetskih sila, što omogućuje smanjenje troškova nosive konstrukcije, a također omogućuje postavljanje instalacije u blizini teretnih objekata.

Ako je instalacija SMES mala, tada može biti prikladna i solenoidna zavojnica, koja ne zahtijeva posebnu potpornu strukturu, za razliku od toroida. Međutim, treba napomenuti da toroidalna zavojnica treba prešane obruče i diskove, posebno kada se radi o prilično energetski intenzivnoj strukturi.

Kao što je gore navedeno, rashlađeni supravodički hladnjak stalno zahtijeva energiju za rad, što naravno smanjuje ukupnu učinkovitost SMES-a.

Dakle, toplinska opterećenja koja se moraju uzeti u obzir pri projektiranju instalacije uključuju: toplinsku vodljivost nosive konstrukcije, toplinsko zračenje sa strane grijanih površina, džulove gubitke u žicama kroz koje teku struje punjenja i pražnjenja, kao i gubitke u hladnjaku tijekom rada.

No, iako su ti gubici općenito proporcionalni nazivnoj snazi ​​instalacije, prednost SMES sustava je u tome što s povećanjem energetskog kapaciteta od 100 puta troškovi hlađenja rastu samo 20 puta. Osim toga, kod visokotemperaturnih supravodiča, ušteda pri hlađenju je veća nego kod korištenja niskotemperaturnih supravodiča.

Čini se da je supravodljivi sustav za pohranu energije temeljen na visokotemperaturnom supravodiču manje zahtjevan za hlađenje i stoga bi trebao koštati manje.

U praksi, međutim, nije tako, budući da ukupni trošak instalacijske infrastrukture obično premašuje cijenu supravodiča, a zavojnice visokotemperaturnih supravodiča su i do 4 puta skuplje od zavojnica niskotemperaturnih supravodiča. .

Osim toga, granična gustoća struje za visokotemperaturne supravodiče niža je nego za niskotemperaturne, to se odnosi na radna magnetska polja u rasponu od 5 do 10 T.

Dakle, da bi se dobile baterije s istom induktivnošću, potrebno je više visokotemperaturnih supravodljivih žica. A ako je potrošnja energije instalacije oko 200 MWh, tada će niskotemperaturni supravodič (vodič) ispasti deset puta skuplji.

Osim toga, jedan od ključnih čimbenika troškova je sljedeći: cijena hladnjaka je u svakom slučaju toliko niska da smanjenje rashladne energije upotrebom visokotemperaturnih supravodiča daje vrlo mali postotak uštede.

Moguće je smanjiti volumen i povećati gustoću energije pohranjene u SMES povećanjem vršnog radnog magnetskog polja, što će dovesti i do smanjenja duljine žice i smanjenja ukupnih troškova. Optimalna vrijednost se smatra vršnim magnetskim poljem od oko 7 T.

Naravno, ako se polje poveća iznad optimalnog, moguća su daljnja smanjenja volumena uz minimalno povećanje troškova. Ali granica indukcije polja je obično fizički ograničena, zbog nemogućnosti spajanja unutarnjih dijelova toroida dok još uvijek ostaje mjesta za kompenzacijski cilindar.

Supravodljivi materijal ostaje ključno pitanje u stvaranju isplativih i učinkovitih instalacija za mala i srednja poduzeća. Današnji napori programera usmjereni su na povećanje kritične struje i raspona deformacije supravodljivih materijala, kao i na smanjenje troškova njihove proizvodnje.

Rezimirajući tehničke poteškoće na putu širokog uvođenja SME sustava, može se jasno izdvojiti sljedeće. Potreba za čvrstim mehaničkim osloncem koji može izdržati značajnu Lorentzovu silu koja se stvara u zavojnici.

Potreba za velikim komadom zemlje, budući da će mala i srednja instalacija, na primjer s kapacitetom od 5 GWh, sadržavati supravodljivi krug (kružni ili pravokutni) duljine oko 600 metara. Osim toga, vakuumski spremnik tekućeg dušika (dužine 600 metara) koji okružuje supravodič mora biti smješten ispod zemlje i mora se osigurati pouzdana potpora.

Sljedeća prepreka je krtost supravodljive visokotemperaturne keramike, što otežava izvlačenje žica za velike struje.Kritično magnetsko polje koje uništava supravodljivost također je prepreka povećanju specifičnog energetskog intenziteta SMES. NS ima kritičan trenutni problem iz istog razloga.