Supravodivé systémy pro ukládání magnetické energie (SMES)

Ukládání energie je proces, který probíhá pomocí zařízení nebo fyzických médií, která ukládají energii, aby ji později mohli efektivně využít.

Systémy skladování energie lze rozdělit na mechanické, elektrické, chemické a tepelné. Jednou z moderních technologií skladování energie jsou systémy SMES — supravodivé magnetické skladování energie (supravodivé magnetické systémy skladování energie).

Systémy ukládání supravodivé magnetické energie (SMES) ukládají energii v magnetickém poli vytvořeném tokem stejnosměrného proudu v supravodivé cívce, která byla kryogenně ochlazena na teplotu nižší, než je její kritická supravodivá teplota. Když je supravodivá cívka nabitá, proud neklesá a magnetická energie může být uložena donekonečna. Uložená energie se může vrátit do sítě vybitím cívky.

Supravodivý systém ukládání magnetické energie je založen na magnetickém poli generovaném tokem stejnosměrného proudu v supravodivé cívce.

Supravodivá cívka je kontinuálně kryogenně chlazena, takže je v důsledku toho neustále pod kritickou teplotou, tzn. supravodič… Kromě cívky obsahuje systém SMES kryogenní chladničku a také klimatizační systém.

Závěr je takový, že nabitá cívka v supravodivém stavu je schopna sama o sobě udržet trvalý proud, takže magnetické pole daného proudu dokáže uchovat energii v něm uloženou po nekonečně dlouhou dobu.

Energii uloženou v supravodivé cívce lze v případě potřeby dodat do sítě během vybíjení takové cívky. Chcete-li převést stejnosměrný proud na střídavý, střídače, a pro nabíjení cívky ze sítě — usměrňovače nebo AC-DC měniče.

Při vysoce účinné přeměně energie jedním nebo druhým směrem představují ztráty v MSP maximálně 3 %, ale nejdůležitější zde je, že v procesu skladování energie touto metodou jsou ztráty nejméně vlastní. kterýkoli ze současně známých způsobů skladování a skladování energie. Celková minimální účinnost malých a středních podniků je 95 %.

Vzhledem k vysokým nákladům na supravodivé materiály a s přihlédnutím k tomu, že chlazení vyžaduje i energetické náklady, se systémy SMES v současné době používají pouze tam, kde je potřeba krátkodobě uchovat energii a zároveň zlepšit kvalitu napájení . To znamená, že se tradičně používají pouze v případech naléhavé potřeby.

Systém malých a středních podniků se skládá z následujících součástí:

• supravodivá cívka,
• Kryostat a vakuový systém,
• Chladící systém,
• Systém přeměny energie,
• Ovládací zařízení.

Hlavní výhody systémů pro malé a střední podniky jsou zřejmé. V prvé řadě je to extrémně krátká doba, během které je supravodivá cívka schopna přijmout nebo odevzdat energii uloženou v jejím magnetickém poli. Tímto způsobem je možné nejen získat kolosální okamžité vybíjecí síly, ale také dobíjet supravodivou cívku s minimálním časovým zpožděním.

Pokud porovnáme MSP se systémy skladování stlačeného vzduchu, se setrvačníky a hydraulickými akumulátory, pak se ty druhé vyznačují kolosálním zpožděním při přeměně elektřiny na mechanickou a naopak (viz — Akumulace energie setrvačníku).

Absence pohyblivých částí je další důležitou výhodou systémů SMES, která zvyšuje jejich spolehlivost. A samozřejmě díky absenci aktivního odporu v supravodiči jsou zde ztráty při skladování minimální. Měrná energie malých a středních podniků se obvykle pohybuje mezi 1 a 10 Wh/kg.

1 MWh MSP se celosvětově používají ke zlepšení kvality elektrické energie tam, kde je to potřeba, jako jsou továrny na mikroelektroniku, které vyžadují energii nejvyšší kvality.

Kromě toho jsou malé a střední podniky užitečné také v oblasti veřejných služeb. V jednom ze států USA je továrna na papír, která během svého provozu může způsobit silné přepětí v elektrických vedeních. Dnes je elektrické vedení továrny vybaveno celým řetězcem modulů SMES, které zaručují stabilitu elektrické sítě. Modul SMES s kapacitou 20 MWh může trvale poskytovat 10 MW po dobu dvou hodin nebo všech 40 MW po dobu půl hodiny.

Množství energie uložené supravodivou cívkou lze vypočítat pomocí následujícího vzorce (kde L je indukčnost, E je energie, I je proud):

Z hlediska konstrukčního uspořádání supravodivé cívky je velmi důležité, že je odolná vůči deformaci, má minimální ukazatele tepelné roztažnosti a smršťování a také má nízkou citlivost na Lorentzovu sílu, která nevyhnutelně vzniká při provoz instalace (Nejdůležitější zákony elektrodynamiky). To vše je důležité, aby se zabránilo zničení vinutí ve fázi výpočtu vlastností a množství konstrukčních materiálů instalace.

U malých systémů je celková míra deformace 0,3 % považována za přijatelnou. Toroidní geometrie cívky navíc přispívá ke snížení vnějších magnetických sil, což umožňuje snížit náklady na nosnou konstrukci a také umožňuje umístění instalace v blízkosti objektů zatížení.

Pokud je instalace SMES malá, pak může být vhodná i cívka elektromagnetu, která na rozdíl od toroidu nevyžaduje speciální nosnou konstrukci. Je však třeba poznamenat, že toroidní cívka potřebuje lisovací obruče a kotouče, zejména pokud jde o energeticky náročnou strukturu.

Jak bylo uvedeno výše, chlazená supravodičová chladnička nepřetržitě vyžaduje energii k provozu, což samozřejmě snižuje celkovou účinnost MSP.

Mezi tepelná zatížení, která je třeba vzít v úvahu při návrhu instalace, tedy patří: tepelná vodivost nosné konstrukce, tepelné záření ze strany vyhřívaných ploch, ztráty joulů ve vodičích, kterými protékají nabíjecí a vybíjecí proudy, a také ztráty v lednici při práci.

Ale ačkoli jsou tyto ztráty obecně úměrné jmenovitému výkonu instalace, výhodou systémů SMES je, že se stonásobným zvýšením energetické kapacity se náklady na chlazení zvýší pouze 20krát. U vysokoteplotních supravodičů je navíc úspora chlazení větší než při použití nízkoteplotních supravodičů.

Zdá se, že supravodivý systém skladování energie založený na vysokoteplotním supravodiči je méně náročný na chlazení, a proto by měl stát méně.

V praxi tomu tak ale není, protože celkové náklady na instalační infrastrukturu většinou převyšují náklady na supravodič a cívky vysokoteplotních supravodičů jsou až 4x dražší než cívky nízkoteplotních supravodičů. .

U vysokoteplotních supravodičů je navíc mezní proudová hustota nižší než u nízkoteplotních, to platí pro provozní magnetická pole v rozsahu 5 až 10 T.

K získání baterií se stejnou indukčností je tedy potřeba více vysokoteplotních supravodivých drátů. A pokud je energetická spotřeba instalace asi 200 MWh, pak nízkoteplotní supravodič (vodič) vyjde desetkrát dražší.

Jedním z klíčových nákladových faktorů je navíc toto: náklady na chladničku jsou v každém případě tak nízké, že snížení chladicí energie použitím vysokoteplotních supravodičů poskytuje velmi nízké procentuální úspory.

Je možné snížit objem a zvýšit hustotu energie uložené v SMES zvýšením špičkového provozního magnetického pole, což povede jak ke snížení délky drátu, tak ke snížení celkových nákladů. Za optimální hodnotu se považuje špičkové magnetické pole asi 7 T.

Pokud se pole zvětší nad optimální hodnotu, je samozřejmě možné další snížení objemu s minimálním zvýšením nákladů. Ale limit indukce pole je obvykle fyzicky omezený, kvůli nemožnosti spojit vnitřní části toroidu k sobě a přitom ponechat prostor pro kompenzační válec.

Supravodivý materiál zůstává klíčovým problémem při vytváření nákladově efektivních a efektivních instalací pro malé a střední podniky. Úsilí vývojářů dnes směřuje ke zvýšení kritického proudu a rozsahu deformace supravodivých materiálů a také ke snížení nákladů na jejich výrobu.

Shrneme-li technické potíže na cestě k rozsáhlému zavádění systémů malých a středních podniků, lze jasně rozlišit následující. Potřeba pevné mechanické podpory schopné odolat významné Lorentzově síle generované v cívce.

Potřeba velkého pozemku, protože instalace malých a středních podniků, například s kapacitou 5 GWh, bude obsahovat supravodivý obvod (kruhový nebo obdélníkový) o délce asi 600 metrů. Kromě toho musí být vakuová nádoba s kapalným dusíkem (600 metrů dlouhá) obklopující supravodič umístěna pod zemí a musí být zajištěna spolehlivá podpora.

Další překážkou je křehkost supravodivé vysokoteplotní keramiky, která ztěžuje tažení vodičů pro vysoké proudy.Kritické magnetické pole, které ničí supravodivost, je také překážkou zvyšování měrné energetické náročnosti MSP. NS má kritický aktuální problém ze stejného důvodu.