Szupravezető mágneses energiatároló rendszerek (SMES)

Az energiatárolás olyan folyamat, amely olyan eszközökkel vagy fizikai adathordozókkal történik, amelyek energiát tárolnak, hogy azt később hatékonyan tudják felhasználni.

Az energiatároló rendszerek mechanikus, elektromos, vegyi és termikus rendszerekre oszthatók. Az egyik modern energiatárolási technológia a SMES rendszerek – szupravezető mágneses energiatároló rendszerek (superconducting magnetic energy storage systems).

A szupravezető mágneses energiatároló (SMES) rendszerek az energiát olyan mágneses mezőben tárolják, amelyet egy szupravezető tekercsben lévő egyenáram hoz létre, amelyet kriogén módon a kritikus szupravezető hőmérséklete alatti hőmérsékletre hűtöttek le. A szupravezető tekercs feltöltésekor az áramerősség nem csökken, és a mágneses energia korlátlanul tárolható. A tárolt energia a tekercs kisütésével visszakerülhet a hálózatba.

A szupravezető mágneses energiatároló rendszer az egyenáram áramlása által generált mágneses mezőn alapul szupravezető tekercsben.

A szupravezető tekercs folyamatosan kriogén hűtésű, így ennek következtében folyamatosan a kritikus hőmérséklet alatt van, azaz. szupravezető… A SMES rendszer a tekercsen kívül egy kriogén hűtőszekrényt, valamint egy légkondicionáló rendszert is tartalmaz.

A következtetés az, hogy egy feltöltött tekercs szupravezető állapotban önmagában is képes folyamatos áramot fenntartani, így az adott áram mágneses tere végtelenül hosszú ideig képes tárolni a benne tárolt energiát.

A szupravezető tekercsben tárolt energia szükség esetén egy ilyen tekercs kisütésekor a hálózatba juttatható. Az egyenáram váltóárammá alakításához inverterekés a tekercs hálózatról történő töltéséhez - egyenirányítók vagy AC-DC átalakítók.

Az energia egyik vagy másik irányú rendkívül hatékony átalakítása során a KKV-k veszteségei maximum 3%-ot tesznek ki, de itt az a legfontosabb, hogy az ezzel a módszerrel történő energiatárolás folyamatában a veszteségek a legkevésbé a a jelenleg ismert energiatárolási és -tárolási módszerek bármelyike. A kkv-k általános minimális hatékonysága 95%.

Tekintettel a szupravezető anyagok magas költségére, valamint arra, hogy a hűtés energiaköltséget is igényel, a kkv-rendszereket jelenleg csak ott alkalmazzák, ahol rövid ideig kell energiát tárolni és ezzel párhuzamosan javítani a tápellátás minőségén. . Vagyis hagyományosan csak sürgős szükség esetén használják őket.

A KKV rendszer a következő összetevőkből áll:

• szupravezető tekercs,
• Kriosztát és vákuumrendszer,
• Hűtőrendszer,
• Energia átalakító rendszer,
• Vezérlő eszköz.

A KKV-rendszerek fő előnyei nyilvánvalóak. Először is rendkívül rövid időről van szó, amely alatt a szupravezető tekercs képes befogadni vagy feladni a mágneses mezőjében tárolt energiát. Ily módon nemcsak kolosszális pillanatnyi kisülési erők elérése lehetséges, hanem a szupravezető tekercs minimális időkésleltetéssel történő újratöltése is.

Ha összehasonlítjuk a kkv-t a sűrített levegős tárolórendszerekkel, lendkerekekkel és hidraulikus akkumulátorokkal, akkor ez utóbbiakra a villamos energia mechanikussá történő átalakulásának kolosszális késése jellemző, és fordítva (lásd - Lendkerék energiatároló).

A mozgó alkatrészek hiánya a kkv-rendszerek másik fontos előnye, ami növeli megbízhatóságukat. És természetesen, mivel a szupravezetőben nincs aktív ellenállás, a tárolási veszteségek itt minimálisak. A kkv-k fajlagos energiája általában 1 és 10 Wh/kg között van.

1 MWh kkv-t világszerte használnak az energiaminőség javítására, ahol szükséges, például a mikroelektronikai gyárakban, amelyek a legmagasabb minőségű áramot igénylik.

Emellett a kkv-k a közművekben is hasznosak. Tehát az USA egyik államában van egy papírgyár, amely működése során erős túlfeszültséget okozhat a vezetékekben. Ma a gyár elektromos vezetéke SMES modulok egész láncolatával van felszerelve, amelyek garantálják az elektromos hálózat stabilitását. Egy 20 MWh kapacitású kkv-modul fenntarthatóan 10 MW-ot tud két órán át, vagy mind a 40 MW-ot fél órán át.

A szupravezető tekercs által tárolt energia mennyisége a következő képlettel számítható ki (ahol L az induktivitás, E az energia, I az áram):

A szupravezető tekercs szerkezeti felépítése szempontjából nagyon fontos, hogy ellenálljon a deformációnak, minimális hőtágulási és összehúzódási mutatókkal rendelkezzen, valamint alacsony érzékenysége legyen a Lorentz-erőre, ami elkerülhetetlenül fellép a folyamat során. a létesítmény működése (Az elektrodinamika legfontosabb törvényei). Mindez azért fontos, hogy megakadályozzuk a tekercs megsemmisülését a telepítés tulajdonságainak és építőanyag-mennyiségének kiszámításakor.

Kis rendszerek esetén a 0,3%-os általános nyúlási arány elfogadható. Ezen túlmenően a tekercs toroid geometriája hozzájárul a külső mágneses erők csökkentéséhez, ami lehetővé teszi a tartószerkezet költségének csökkentését, valamint lehetővé teszi a telepítést a terhelési tárgyak közelében.

Ha a SMES telepítés kicsi, akkor egy mágnestekercs is megfelelő lehet, amely a toroidtól eltérően nem igényel speciális tartószerkezetet. Megjegyzendő azonban, hogy a toroid tekercshez préskarikák és tárcsák kellenek, különösen, ha meglehetősen energiaigényes szerkezetről van szó.

Ahogy fentebb említettük, a hűtött szupravezető hűtőszekrény folyamatosan energiát igényel a működéséhez, ami természetesen csökkenti a kkv-k általános hatékonyságát.

Tehát a hőterhelések, amelyeket a telepítés tervezésekor figyelembe kell venni, a következők: a tartószerkezet hővezető képessége, a fűtött felületek oldaláról érkező hősugárzás, a joule-veszteségek a vezetékekben, amelyeken keresztül a töltő- és kisülési áram folyik, valamint a veszteségek munka közben a hűtőben.

De bár ezek a veszteségek általában arányosak a berendezés névleges teljesítményével, a kkv-rendszerek előnye, hogy az energiakapacitás 100-szoros növelésével a hűtési költségek csak 20-szorosára nőnek. Ezenkívül a magas hőmérsékletű szupravezetők esetében a hűtési megtakarítás nagyobb, mint az alacsony hőmérsékletű szupravezetők használatakor.

Úgy tűnik, hogy a magas hőmérsékletű szupravezetőn alapuló szupravezető energiatároló rendszer kevésbé igényli a hűtést, ezért olcsóbbnak kell lennie.

A gyakorlatban azonban ez nem így van, mivel a telepítési infrastruktúra összköltsége általában meghaladja a szupravezető költségét, és a magas hőmérsékletű szupravezetők tekercsei akár 4-szer drágábbak, mint az alacsony hőmérsékletű szupravezetők tekercsei. .

Ezenkívül a magas hőmérsékletű szupravezetők korlátozó áramsűrűsége alacsonyabb, mint az alacsony hőmérsékletűeknél, ez az 5 és 10 T közötti tartományban működő mágneses mezőkre vonatkozik.

Tehát ahhoz, hogy azonos induktivitású akkumulátorokat kapjunk, több magas hőmérsékletű szupravezető vezetékre van szükség. És ha a létesítmény energiafogyasztása körülbelül 200 MWh, akkor az alacsony hőmérsékletű szupravezető (vezető) tízszer drágább lesz.

Ráadásul az egyik kulcsfontosságú költségtényező ez: a hűtőszekrény költsége mindenesetre olyan alacsony, hogy a hűtési energia magas hőmérsékletű szupravezetők alkalmazásával történő csökkentése nagyon alacsony százalékos megtakarítást eredményez.

Lehetőség van a kkv-ben tárolt térfogat csökkentésére és az energiasűrűség növelésére a csúcsüzemi mágneses tér növelésével, ami a vezetékhossz és a teljes költség csökkenéséhez vezet. Az optimális értéknek a körülbelül 7 T-os csúcsmágneses mezőt tekintjük.

Természetesen, ha a mezőt az optimum fölé növeljük, minimális költségnövekedés mellett további mennyiségcsökkentés lehetséges. De a térindukciós határ általában fizikailag korlátozott, mivel a toroid belső részeit nem lehet összehozni, miközben hely marad a kiegyenlítő henger számára.

A szupravezető anyagok továbbra is kulcsfontosságúak a kkv-k költséghatékony és hatékony létesítményeinek létrehozásában. A fejlesztők erőfeszítései ma a szupravezető anyagok kritikus áramának és deformációs tartományának növelésére, valamint előállításuk költségeinek csökkentésére irányulnak.

Összegezve a kkv-rendszerek széleskörű bevezetése felé vezető úton felmerülő technikai nehézségeket, jól elkülöníthetőek a következők. Szilárd mechanikai támasztékra van szükség, amely képes ellenállni a tekercsben keletkező jelentős Lorentz-erőnek.

Nagy földterületre van szükség, mivel egy kkv-létesítmény, például 5 GWh kapacitással, körülbelül 600 méter hosszú (kör vagy téglalap alakú) szupravezető áramkört tartalmaz. Ezenkívül a szupravezetőt körülvevő folyékony nitrogén vákuumtartályát (600 méter hosszú) a föld alatt kell elhelyezni, és megbízható alátámasztást kell biztosítani.

A következő akadály a szupravezető magas hőmérsékletű kerámiák ridegsége, ami megnehezíti a vezetékek meghúzását nagy áramok számára.A szupravezetést tönkretevő kritikus mágneses tér szintén akadálya a kkv-k fajlagos energiaintenzitásának növelésének. Az NS-nek ugyanezen okból kritikus áramproblémája van.