Sistemes d'emmagatzematge d'energia magnètica superconductors (SMES)

L'emmagatzematge d'energia és un procés que té lloc amb dispositius o mitjans físics que emmagatzemen energia per poder utilitzar-la de manera eficient més endavant.

Els sistemes d'emmagatzematge d'energia es poden dividir en mecànics, elèctrics, químics i tèrmics. Una de les tecnologies modernes d'emmagatzematge d'energia són els sistemes SMES: emmagatzematge d'energia magnètica superconductora (sistemes d'emmagatzematge d'energia magnètica superconductor).

Els sistemes d'emmagatzematge d'energia magnètica superconductora (SMES) emmagatzemen energia en un camp magnètic creat per un flux de corrent continu en una bobina superconductora que s'ha refredat criogènicament a una temperatura inferior a la seva temperatura superconductora crítica. Quan la bobina superconductora està carregada, el corrent no disminueix i l'energia magnètica es pot emmagatzemar indefinidament. L'energia emmagatzemada es pot retornar a la xarxa mitjançant la descàrrega de la bobina.

El sistema d'emmagatzematge d'energia magnètica superconductor es basa en un camp magnètic generat pel flux de corrent continu en una bobina superconductora.

La bobina superconductora es refreda criogènicament contínuament, de manera que es troba constantment per sota de la temperatura crítica, és a dir. superconductor… A més de la bobina, el sistema SMES inclou una nevera criogènica així com un sistema d'aire condicionat.

La conclusió és que una bobina carregada en estat superconductor és capaç de mantenir un corrent continu per si mateixa, de manera que el camp magnètic d'un corrent determinat pot emmagatzemar l'energia emmagatzemada en ell durant un temps infinitament llarg.

L'energia emmagatzemada a la bobina superconductora pot, si cal, subministrar-se a la xarxa durant la descàrrega d'aquesta bobina. Per convertir l'energia de CC en energia de CA, inversors, i per carregar la bobina des de la xarxa: rectificadors o convertidors AC-DC.

En el transcurs d'una conversió altament eficient d'energia en una direcció o una altra, les pèrdues en les pimes representen un màxim del 3%, però el més important aquí és que en el procés d'emmagatzematge d'energia per aquest mètode, les pèrdues són les menys inherents a qualsevol dels mètodes coneguts actualment per emmagatzemar i emmagatzemar energia. L'eficiència global mínima de les pimes és del 95%.

A causa de l'elevat cost dels materials superconductors i tenint en compte que la refrigeració també requereix costos energètics, actualment els sistemes SMES només s'utilitzen quan cal emmagatzemar energia durant un temps curt i alhora millorar la qualitat de l'alimentació. . És a dir, tradicionalment només s'utilitzen en casos de necessitat urgent.

El sistema de PIME consta dels components següents:

• bobina superconductora,
• Criostat i sistema de buit,
• Sistema de refrigeració,
• sistema de conversió d'energia,
• Dispositiu de control.

Els principals avantatges dels sistemes de pimes són evidents. En primer lloc, és un temps extremadament curt durant el qual la bobina superconductora és capaç d'acceptar o renunciar a l'energia emmagatzemada en el seu camp magnètic. D'aquesta manera, és possible no només obtenir forces de descàrrega instantània colossals, sinó també recarregar la bobina superconductora amb un retard de temps mínim.

Si comparem la SME amb sistemes d'emmagatzematge d'aire comprimit, amb volants i acumuladors hidràulics, aquests últims es caracteritzen per un retard colossal durant la conversió de l'electricitat en mecànica i viceversa (vegeu: Emmagatzematge d'energia del volant).

L'absència de peces mòbils és un altre avantatge important dels sistemes SMES, que augmenta la seva fiabilitat. I, per descomptat, a causa de l'absència de resistència activa en un superconductor, les pèrdues d'emmagatzematge aquí són mínimes. L'energia específica de SMES sol estar entre 1 i 10 Wh/kg.

Les SMES d'1 MWh s'utilitzen a tot el món per millorar la qualitat de l'energia quan sigui necessari, com ara les fàbriques de microelectrònica que requereixen l'energia de la màxima qualitat.

A més, les pimes també són útils en serveis públics. Per tant, en un dels estats dels EUA hi ha una fàbrica de paper, que durant el seu funcionament pot provocar fortes pujades a les línies elèctriques. Actualment, la línia elèctrica de la fàbrica està equipada amb tota una cadena de mòduls SMES que garanteixen l'estabilitat de la xarxa elèctrica. Un mòdul SMES amb una capacitat de 20 MWh pot proporcionar de manera sostenible 10 MW durant dues hores o tots els 40 MW durant mitja hora.

La quantitat d'energia emmagatzemada per una bobina superconductora es pot calcular mitjançant la fórmula següent (on L és la inductància, E és l'energia, I és el corrent):

Des del punt de vista de la configuració estructural de la bobina superconductora, és molt important que sigui resistent a la deformació, tingui uns indicadors mínims d'expansió i contracció tèrmica i també tingui una baixa sensibilitat a la força de Lorentz, que inevitablement sorgeix durant la funcionament de la instal·lació (Les lleis més importants de l'electrodinàmica). Tot això és important per evitar la destrucció del bobinatge en l'etapa de càlcul de les propietats i la quantitat de materials de construcció de la instal·lació.

Per a sistemes petits, es considera acceptable una taxa de tensió global del 0,3%. A més, la geometria toroidal de la bobina contribueix a la reducció de les forces magnètiques externes, cosa que permet reduir el cost de l'estructura de suport i també permet col·locar la instal·lació a prop dels objectes de càrrega.

Si la instal·lació de SMES és petita, també pot ser adequada una bobina de solenoide, que no requereix una estructura de suport especial, a diferència d'un toroide. Tanmateix, cal tenir en compte que la bobina toroidal necessita cèrcols i discos de premsa, especialment quan es tracta d'una estructura que consumeix força energia.

Com s'ha indicat anteriorment, un refrigerador de superconductors refrigerat requereix energia contínuament per funcionar, cosa que, per descomptat, redueix l'eficiència global de la SMES.

Així, les càrregues tèrmiques que s'han de tenir en compte a l'hora de dissenyar la instal·lació inclouen: conductivitat tèrmica de l'estructura de suport, radiació tèrmica del costat de les superfícies escalfades, pèrdues en joule en cables pels quals circulen els corrents de càrrega i descàrrega, així com les pèrdues. a la nevera mentre es treballa.

Però tot i que aquestes pèrdues són generalment proporcionals a la potència nominal de la instal·lació, l'avantatge dels sistemes SMES és que amb un augment de la capacitat energètica de 100 vegades, els costos de refrigeració augmenten només 20 vegades. A més, per als superconductors d'alta temperatura, l'estalvi de refrigeració és més gran que quan s'utilitzen superconductors de baixa temperatura.

Sembla que un sistema d'emmagatzematge d'energia superconductor basat en un superconductor d'alta temperatura és menys exigent en refrigeració i, per tant, hauria de costar menys.

A la pràctica, però, no és així, ja que el cost total de la infraestructura d'instal·lació acostuma a superar el cost del superconductor i les bobines dels superconductors d'alta temperatura són fins a 4 vegades més cares que les bobines dels superconductors de baixa temperatura. .

A més, la densitat de corrent limitadora per als superconductors d'alta temperatura és inferior a la dels de baixa temperatura, això s'aplica a camps magnètics operatius en el rang de 5 a 10 T.

Per tant, per obtenir bateries amb la mateixa inductància, es necessiten més cables superconductors d'alta temperatura. I si el consum d'energia de la instal·lació és d'uns 200 MWh, el superconductor de baixa temperatura (conductor) resultarà deu vegades més car.

A més, un dels factors de cost clau és aquest: el cost de la nevera és en tot cas tan baix que reduir l'energia de refrigeració mitjançant l'ús de superconductors d'alta temperatura dóna un percentatge d'estalvi molt baix.

És possible reduir el volum i augmentar la densitat d'energia emmagatzemada a la SMES augmentant el camp magnètic de funcionament màxim, la qual cosa comportarà tant una reducció de la longitud del cable com una reducció del cost global. Es considera que el valor òptim és un camp magnètic màxim d'unes 7 T.

Per descomptat, si el camp s'incrementa més enllà de l'òptim, són possibles reduccions addicionals de volum amb un augment mínim del cost. Però el límit d'inducció de camp sol estar físicament limitat, a causa de la impossibilitat d'unir les parts internes del toroide tot deixant espai per al cilindre compensador.

El material superconductor segueix sent un tema clau per crear instal·lacions rendibles i eficients per a les pimes. Els esforços dels desenvolupadors d'avui estan dirigits a augmentar el corrent crític i el rang de deformació dels materials superconductors, així com reduir el cost de la seva producció.

Resumint les dificultats tècniques en el camí cap a la introducció generalitzada dels sistemes de pimes, es poden distingir clarament les següents. La necessitat d'un suport mecànic sòlid capaç de suportar la important força de Lorentz generada a la bobina.

La necessitat d'un gran terreny, ja que una instal·lació de PIME, per exemple amb una capacitat de 5 GWh, contindrà un circuit superconductor (circular o rectangular) d'uns 600 metres de longitud. A més, el recipient al buit de nitrogen líquid (600 metres de llarg) que envolta el superconductor s'ha d'ubicar sota terra i s'ha de proporcionar un suport fiable.

El següent obstacle és la fragilitat de la ceràmica superconductora d'alta temperatura, que dificulta el dibuix de cables per a corrents elevats.El camp magnètic crític que destrueix la superconductivitat també és un obstacle per augmentar la intensitat energètica específica de les SMES. NS té un problema actual crític pel mateix motiu.