Supergeleidende magnetische energieopslagsystemen (MKB)

Energieopslag is een proces dat plaatsvindt met apparaten of fysieke media die energie opslaan zodat ze deze later efficiënt kunnen gebruiken.

Energieopslagsystemen zijn onder te verdelen in mechanisch, elektrisch, chemisch en thermisch. Een van de moderne energieopslagtechnologieën zijn de MKB-systemen - supergeleidende magnetische energieopslag (supergeleidende magnetische energieopslagsystemen).

Supergeleidende magnetische energieopslagsystemen (SMES) slaan energie op in een magnetisch veld dat wordt gecreëerd door een gelijkstroom in een supergeleidende spoel die cryogeen is gekoeld tot een temperatuur onder de kritische supergeleidende temperatuur. Wanneer de supergeleidende spoel is opgeladen, neemt de stroom niet af en kan de magnetische energie voor onbepaalde tijd worden opgeslagen. De opgeslagen energie kan worden teruggeleverd aan het net door de spoel te ontladen.

Het supergeleidende magnetische energieopslagsysteem is gebaseerd op een magnetisch veld dat wordt opgewekt door de stroom van gelijkstroom in een supergeleidende spoel.

De supergeleidende spoel wordt continu cryogeen gekoeld en bevindt zich daardoor constant onder de kritische temperatuur, d.w.z. supergeleider… Naast de spoel bevat het SMES-systeem een ​​cryogene koelkast en een airconditioningsysteem.

De conclusie is dat een geladen spoel in een supergeleidende toestand in staat is om zelf een continue stroom in stand te houden, zodat het magnetisch veld van een gegeven stroom de daarin opgeslagen energie oneindig lang kan opslaan.

De in de supergeleidende spoel opgeslagen energie kan, indien nodig, tijdens het ontladen van zo'n spoel aan het net worden geleverd. Om gelijkstroom om te zetten in wisselstroom, omvormers, en voor het opladen van de spoel van het netwerk - gelijkrichters of AC-DC-omzetters.

In de loop van zeer efficiënte omzetting van energie in de ene of andere richting vertegenwoordigen de verliezen in het MKB maximaal 3%, maar het belangrijkste hier is dat in het proces van energieopslag door deze methode de verliezen het minst inherent zijn aan elk van de momenteel bekende methoden voor energieopslag en -opslag. De algehele minimale efficiëntie van het MKB is 95%.

Vanwege de hoge kosten van supergeleidende materialen en rekening houdend met het feit dat koeling ook energiekosten met zich meebrengt, worden MKB-systemen momenteel alleen gebruikt daar waar het nodig is om energie voor een korte tijd op te slaan en tegelijkertijd de kwaliteit van de stroomvoorziening te verbeteren . Dat wil zeggen, ze worden traditioneel alleen gebruikt in dringende gevallen.

Het MKB-systeem bestaat uit de volgende onderdelen:

• supergeleidende spoel,
• Cryostaat en vacuümsysteem,
• Koelsysteem,
• Energie conversie systeem,
• Controle apparaat.

De belangrijkste voordelen van MKB-systemen liggen voor de hand. Allereerst is het een extreem korte tijd waarin de supergeleidende spoel in staat is om de energie die is opgeslagen in zijn magnetische veld op te nemen of af te staan. Op deze manier is het niet alleen mogelijk om kolossale momentane ontladingskrachten te verkrijgen, maar ook om de supergeleidende spoel met een minimale tijdsvertraging op te laden.

Als we het MKB vergelijken met persluchtopslagsystemen, met vliegwielen en hydraulische accumulatoren, dan worden deze laatste gekenmerkt door een kolossale vertraging bij de omzetting van elektriciteit in mechanisch en vice versa (zie — Vliegwiel energieopslag).

De afwezigheid van bewegende delen is een ander belangrijk voordeel van MKB-systemen, wat hun betrouwbaarheid verhoogt. En door de afwezigheid van actieve weerstand in een supergeleider zijn de opslagverliezen hier natuurlijk minimaal. De specifieke energie van KMO's ligt meestal tussen de 1 en 10 Wh/kg.

1 MWh MKB-bedrijven worden wereldwijd gebruikt om de stroomkwaliteit waar nodig te verbeteren, zoals micro-elektronicafabrieken die stroom van de hoogste kwaliteit nodig hebben.

Daarnaast zijn KMO's ook nuttig in nutsbedrijven. Dus in een van de staten van de VS is er een papierfabriek, die tijdens zijn werking sterke spanningspieken in hoogspanningslijnen kan veroorzaken. Vandaag is de elektriciteitsleiding van de fabriek uitgerust met een hele keten van MKB-modules die de stabiliteit van het elektriciteitsnet garanderen. Een mkb-module met een vermogen van 20 MWh kan twee uur lang duurzaam 10 MW leveren of een half uur alle 40 MW.

De hoeveelheid energie opgeslagen door een supergeleidende spoel kan worden berekend met behulp van de volgende formule (waarbij L inductantie is, E energie is, I stroom):

Vanuit het oogpunt van de structurele configuratie van de supergeleidende spoel is het erg belangrijk dat deze bestand is tegen vervorming, minimale indicatoren heeft voor thermische uitzetting en samentrekking, en ook een lage gevoeligheid heeft voor de Lorentz-kracht, die onvermijdelijk optreedt tijdens de werking van de installatie (De belangrijkste wetten van de elektrodynamica). Dit alles is belangrijk om te voorkomen dat de wikkeling wordt vernietigd in het stadium van het berekenen van de eigenschappen en de hoeveelheid bouwmaterialen van de installatie.

Voor kleine systemen wordt een algehele belasting van 0,3% als acceptabel beschouwd. Bovendien draagt ​​de toroïdale geometrie van de spoel bij aan de vermindering van externe magnetische krachten, waardoor de kosten van de ondersteunende structuur kunnen worden verlaagd en de installatie dicht bij de lastobjecten kan worden geplaatst.

Als de MKB-installatie klein is, kan ook een magneetspoel geschikt zijn, die in tegenstelling tot een ringkern geen speciale draagstructuur vereist. Er moet echter worden opgemerkt dat de toroïdale spoel pershoepels en -schijven nodig heeft, vooral als het gaat om een ​​nogal energie-intensieve structuur.

Zoals hierboven opgemerkt, heeft een gekoelde supergeleiderkoelkast continu energie nodig om te werken, wat natuurlijk de algehele efficiëntie van het MKB vermindert.

De thermische belastingen waarmee bij het ontwerp van de installatie rekening moet worden gehouden, zijn dus: thermische geleidbaarheid van de ondersteunende structuur, thermische straling vanaf de zijkant van de verwarmde oppervlakken, joule-verliezen in draden waardoor laad- en ontlaadstromen stromen, evenals verliezen tijdens het werk in de koelkast.

Maar hoewel deze verliezen over het algemeen evenredig zijn met het nominale vermogen van de installatie, is het voordeel van MKB-systemen dat bij een 100-voudige toename van de energiecapaciteit de koelkosten slechts 20-voudig stijgen. Bovendien zijn de koelingsbesparingen voor hoge-temperatuursupergeleiders groter dan bij gebruik van lage-temperatuursupergeleiders.

Het blijkt dat een supergeleidend energieopslagsysteem op basis van een hogetemperatuursupergeleider minder veeleisend is voor koeling en daarom minder zou moeten kosten.

In de praktijk is dit echter niet het geval, aangezien de totale kosten van de installatie-infrastructuur meestal hoger zijn dan de kosten van de supergeleider en de spoelen van hogetemperatuursupergeleiders tot 4 keer duurder zijn dan de spoelen van lagetemperatuursupergeleiders .

Bovendien is de beperkende stroomdichtheid voor hogetemperatuursupergeleiders lager dan voor lagetemperatuursupergeleiders, dit geldt voor werkende magnetische velden in het bereik van 5 tot 10 T.

Dus om batterijen met dezelfde inductantie te krijgen, zijn meer supergeleidende draden voor hoge temperaturen nodig. En als het energieverbruik van de installatie zo'n 200 MWh is, dan blijkt de lage temperatuur supergeleider (conductor) tien keer zo duur te zijn.

Daarnaast is een van de belangrijkste kostenfactoren dit: de kosten van de koelkast zijn sowieso zo laag dat het verminderen van de koelenergie door het gebruik van hoge-temperatuursupergeleiders een zeer laag besparingspercentage oplevert.

Het is mogelijk om het volume te verminderen en de energiedichtheid te vergroten die is opgeslagen in het MKB door het piekbedrijfsmagneetveld te vergroten, wat zal leiden tot zowel een vermindering van de draadlengte als een verlaging van de totale kosten. De optimale waarde wordt beschouwd als een piek magnetisch veld van ongeveer 7 T.

Natuurlijk, als het veld groter wordt dan het optimum, zijn verdere volumeverminderingen mogelijk met een minimale stijging van de kosten. Maar de veldinductielimiet is meestal fysiek beperkt, vanwege de onmogelijkheid om de interne delen van de ringkern bij elkaar te brengen terwijl er toch ruimte overblijft voor de compenserende cilinder.

Supergeleidend materiaal blijft een sleutelprobleem bij het creëren van kosteneffectieve en efficiënte installaties voor het MKB. De inspanningen van ontwikkelaars van vandaag zijn gericht op het vergroten van de kritische stroom en het vervormingsbereik van supergeleidende materialen, evenals het verlagen van de productiekosten.

Als we de technische moeilijkheden op weg naar de wijdverbreide invoering van MKB-systemen samenvatten, kan het volgende duidelijk worden onderscheiden. De behoefte aan een solide mechanische ondersteuning die bestand is tegen de aanzienlijke Lorentz-kracht die in de spoel wordt gegenereerd.

De behoefte aan een groot stuk grond, aangezien een MKB-installatie, bijvoorbeeld met een capaciteit van 5 GWh, een supergeleidend circuit (rond of rechthoekig) zal bevatten van ongeveer 600 meter lang. Daarnaast moet de vacuümcontainer met vloeibare stikstof (600 meter lang) rondom de supergeleider ondergronds geplaatst worden en moet er een betrouwbare ondersteuning zijn.

Het volgende obstakel is de brosheid van supergeleidend hogetemperatuurkeramiek, waardoor het moeilijk is om draden te trekken voor hoge stromen.Het kritische magnetische veld dat supergeleiding vernietigt, vormt ook een obstakel voor het verhogen van de specifieke energie-intensiteit van KMO's. NS heeft om dezelfde reden een kritiek stroomprobleem.