Superledande magnetiska energilagringssystem (SMES)

Energilagring är en process som sker med enheter eller fysiska medier som lagrar energi så att de kan använda den effektivt senare.

Energilagringssystem kan delas in i mekaniska, elektriska, kemiska och termiska. En av de moderna energilagringsteknikerna är SMES-systemen — supraledande magnetisk energilagring (supraledande magnetiska energilagringssystem).

System för lagring av supraledande magnetisk energi (SMES) lagrar energi i ett magnetfält som skapas av ett likströmsflöde i en supraledande spole som har kylts ned till en temperatur under dess kritiska supraledande temperatur. När den supraledande spolen laddas minskar inte strömmen och den magnetiska energin kan lagras på obestämd tid. Den lagrade energin kan återföras till nätet genom att ladda ur spolen.

Det supraledande magnetiska energilagringssystemet är baserat på ett magnetfält som genereras av likströmsflödet i en supraledande spole.

Den supraledande spolen kyls kontinuerligt kryogent, så som ett resultat är den konstant under den kritiska temperaturen, d.v.s. supraledare… Förutom spolen innehåller SMES-systemet ett kryogent kylskåp samt ett luftkonditioneringssystem.

Slutsatsen är att en laddad spole i ett supraledande tillstånd är kapabel att upprätthålla en kontinuerlig ström av sig själv, så att magnetfältet för en given ström kan lagra energin som lagras i den under oändligt lång tid.

Energin som lagras i den supraledande spolen kan vid behov tillföras nätet under urladdningen av en sådan spole. För att konvertera likström till växelström, växelriktare, och för att ladda spolen från nätverket — likriktare eller AC-DC-omvandlare.

Under högeffektiv omvandling av energi i en eller annan riktning utgör förlusterna i små och medelstora företag högst 3 %, men det viktigaste här är att i processen för energilagring med denna metod är förlusterna de minst inneboende i någon av de för närvarande kända metoderna för energilagring och lagring. Den totala lägsta effektiviteten för små och medelstora företag är 95 %.

På grund av de höga kostnaderna för supraledande material och med hänsyn till att kylning också kräver energikostnader, används SMES-system för närvarande endast där det är nödvändigt att lagra energi under en kort tid och samtidigt förbättra kvaliteten på strömförsörjningen . Det vill säga, de används traditionellt endast i fall av akut behov.

SME-systemet består av följande komponenter:

• supraledande spole,
• Kryostat och vakuumsystem,
• Kylsystem,
• Energiomvandlingssystem,
• Kontrollenhet.

De främsta fördelarna med små och medelstora företag är uppenbara. För det första är det en extremt kort tid under vilken den supraledande spolen kan ta emot eller ge upp energin som lagras i dess magnetfält. På detta sätt är det möjligt att inte bara erhålla kolossala momentana urladdningskrafter, utan också att ladda upp den supraledande spolen med en minimal tidsfördröjning.

Om vi ​​jämför små och medelstora företag med lagringssystem för tryckluft, med svänghjul och hydrauliska ackumulatorer, så kännetecknas de senare av en kolossal fördröjning under omvandlingen av elektricitet till mekanisk och vice versa (se — Energilagring av svänghjul).

Frånvaron av rörliga delar är en annan viktig fördel med SMES-system, vilket ökar deras tillförlitlighet. Och, naturligtvis, på grund av frånvaron av aktivt motstånd i en supraledare, är lagringsförlusterna här minimala. Den specifika energin för SMES är vanligtvis mellan 1 och 10 Wh/kg.

1 MWh SMES används över hela världen för att förbättra strömkvaliteten där det behövs, till exempel mikroelektronikfabriker som kräver ström av högsta kvalitet.

Dessutom är små och medelstora företag också användbara i verktyg. Så i en av USA:s stater finns det en pappersfabrik, som under sin drift kan orsaka kraftiga överspänningar i kraftledningar. Idag är fabrikens kraftledning utrustad med en hel kedja av SMES-moduler som garanterar stabiliteten i elnätet. En SMES-modul med en kapacitet på 20 MWh kan hållbart ge 10 MW i två timmar eller alla 40 MW i en halvtimme.

Mängden energi som lagras av en supraledande spole kan beräknas med följande formel (där L är induktans, E är energi, I är ström):

Ur den strukturella konfigurationen av den supraledande spolen är det mycket viktigt att den är motståndskraftig mot deformation, har minimala indikatorer på termisk expansion och sammandragning och har också en låg känslighet för Lorentz-kraften, som oundvikligen uppstår under drift av installationen (Elektrodynamikens viktigaste lagar). Allt detta är viktigt för att förhindra förstörelse av lindningen vid beräkningen av egenskaperna och mängden byggmaterial för installationen.

För små system anses en total töjningsgrad på 0,3 % vara acceptabel. Dessutom bidrar spolens toroidgeometri till minskningen av externa magnetiska krafter, vilket gör det möjligt att minska kostnaderna för den bärande strukturen och gör det också möjligt att placera installationen nära lastobjekten.

Om SMES-installationen är liten, kan en magnetspole också vara lämplig, som inte kräver en speciell stödstruktur, till skillnad från en toroid. Det bör dock noteras att toroidspolen behöver pressbågar och skivor, speciellt när det gäller en ganska energikrävande struktur.

Som nämnts ovan kräver ett kylt supraledarekylskåp kontinuerligt energi för att fungera, vilket naturligtvis minskar den totala effektiviteten hos SMES.

Så de termiska belastningarna som måste beaktas vid utformningen av installationen inkluderar: värmeledningsförmåga hos den bärande strukturen, värmestrålning från sidan av de uppvärmda ytorna, jouleförluster i ledningar genom vilka laddnings- och urladdningsströmmar flyter, såväl som förluster i kylen medan du arbetar.

Men även om dessa förluster i allmänhet är proportionella mot installationens nominella effekt, är fördelen med SMES-system att med en ökning av energikapaciteten på 100 gånger så ökar kylkostnaderna endast 20 gånger. Dessutom, för högtemperatursupraledare, är kylningsbesparingarna större än när man använder lågtemperatursupraledare.

Det verkar som att ett supraledande energilagringssystem baserat på en högtemperatursupraledare är mindre krävande för kylning och därför borde kosta mindre.

I praktiken är detta dock inte fallet, eftersom den totala kostnaden för installationsinfrastrukturen vanligtvis överstiger kostnaden för supraledaren, och spolarna för högtemperatursupraledare är upp till 4 gånger dyrare än spolarna för lågtemperatursupraledare .

Dessutom är den begränsande strömtätheten för högtemperatursupraledare lägre än för lågtemperaturs, detta gäller magnetiska fält i intervallet 5 till 10 T.

Så för att få batterier med samma induktans behövs fler högtemperatursupraledande ledningar. Och om energiförbrukningen för installationen är cirka 200 MWh, kommer lågtemperatursupraledaren (ledaren) att visa sig vara tio gånger dyrare.

Dessutom är en av de viktigaste kostnadsfaktorerna denna: kostnaden för kylskåpet är i alla fall så låg att en minskning av kylenergin genom att använda högtemperatursupraledare ger en mycket låg procentuell besparing.

Det är möjligt att minska volymen och öka energitätheten som lagras i SMES genom att öka det maximala magnetiska fältet, vilket kommer att leda till både en minskning av trådlängden och en minskning av den totala kostnaden. Det optimala värdet anses vara ett toppmagnetfält på cirka 7 T.

Naturligtvis, om fältet utökas utöver det optimala, är ytterligare volymminskningar möjliga med en minimal kostnadsökning. Men fältinduktionsgränsen är vanligtvis fysiskt begränsad, på grund av omöjligheten att sammanföra de inre delarna av toroiden samtidigt som det lämnar utrymme för kompensationscylindern.

Supraledande material är fortfarande en nyckelfråga för att skapa kostnadseffektiva och effektiva installationer för små och medelstora företag. Utvecklarnas ansträngningar idag syftar till att öka den kritiska strömmen och omfattningen av deformation av supraledande material, samt att minska kostnaden för deras produktion.

Genom att sammanfatta de tekniska svårigheterna på vägen mot ett omfattande införande av små och medelstora företag, kan följande tydligt urskiljas. Behovet av ett solidt mekaniskt stöd som kan motstå den betydande Lorentz-kraft som genereras i spolen.

Behovet av en stor bit mark, eftersom en SME-anläggning, till exempel med en kapacitet på 5 GWh, kommer att innehålla en supraledande krets (cirkulär eller rektangulär) på cirka 600 meter lång. Dessutom måste vakuumbehållaren med flytande kväve (600 meter lång) som omger supraledaren placeras under jord och tillförlitligt stöd måste tillhandahållas.

Nästa hinder är sprödheten hos supraledande högtemperaturkeramik, vilket gör det svårt att dra ledningar för höga strömmar.Det kritiska magnetfältet som förstör supraledning är också ett hinder för att öka den specifika energiintensiteten hos SMES. NS har ett kritiskt strömproblem av samma anledning.