Sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES)
El almacenamiento de energía es un proceso que se lleva a cabo con dispositivos o medios físicos que almacenan energía para luego utilizarla eficientemente.
Los sistemas de almacenamiento de energía se pueden dividir en mecánicos, eléctricos, químicos y térmicos. Una de las tecnologías modernas de almacenamiento de energía son los sistemas SMES: almacenamiento de energía magnética superconductora (sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora).
Los sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) almacenan energía en un campo magnético creado por un flujo de corriente continua en una bobina superconductora que se ha enfriado criogénicamente a una temperatura por debajo de su temperatura superconductora crítica. Cuando se carga la bobina superconductora, la corriente no disminuye y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente. La energía almacenada se puede devolver a la red descargando la bobina.
El sistema de almacenamiento de energía magnética superconductora se basa en un campo magnético generado por el flujo de corriente continua en una bobina superconductora.
La bobina superconductora se enfría criogénicamente de forma continua, por lo que se encuentra constantemente por debajo de la temperatura crítica, es decir, superconductor… Además de la batería, el sistema SMES incluye un refrigerador criogénico y un sistema de aire acondicionado.
La conclusión es que una bobina cargada en estado superconductor es capaz de sostener por sí misma una corriente continua, de modo que el campo magnético de una corriente dada puede almacenar la energía almacenada en él durante un tiempo infinitamente largo.
La energía almacenada en la bobina superconductora puede, si es necesario, suministrarse a la red durante la descarga de dicha bobina. Para convertir la corriente continua en corriente alterna, inversores, y para cargar la bobina desde la red: rectificadores o convertidores AC-DC.
En el curso de la conversión de energía altamente eficiente en una u otra dirección, las pérdidas en SME representan un máximo del 3%, pero lo más importante aquí es que en el proceso de almacenamiento de energía por este método, las pérdidas son las menos inherentes a cualquiera de los métodos actualmente conocidos para el almacenamiento y almacenamiento de energía. La eficiencia mínima global de las PYME es del 95%.
Debido al alto costo de los materiales superconductores y teniendo en cuenta que el enfriamiento también requiere costos de energía, los sistemas SMES actualmente se utilizan solo donde es necesario almacenar energía por un corto tiempo y al mismo tiempo mejorar la calidad del suministro eléctrico. . Es decir, tradicionalmente se utilizan solo en casos de necesidad urgente.
El sistema SME consta de los siguientes componentes:
- bobina superconductora,
- Criostato y sistema de vacío,
- Sistema de refrigeración,
- Sistema de conversión de energía,
- Dispositivo de control.
Las principales ventajas de los sistemas PYME son evidentes. En primer lugar, es un tiempo extremadamente corto durante el cual la bobina superconductora puede aceptar o ceder la energía almacenada en su campo magnético. De esta manera, es posible no solo obtener fuerzas de descarga instantáneas colosales, sino también recargar la bobina superconductora con un retraso de tiempo mínimo.
Si comparamos el SME con sistemas de almacenamiento de aire comprimido, con volantes y acumuladores hidráulicos, estos últimos se caracterizan por un retraso colosal durante la conversión de electricidad en mecánica y viceversa (ver — Almacenamiento de energía del volante).
La ausencia de partes móviles es otra ventaja importante de los sistemas SMES, lo que aumenta su confiabilidad. Y, por supuesto, debido a la ausencia de resistencia activa en un superconductor, las pérdidas de almacenamiento aquí son mínimas. La energía específica de SMES suele estar entre 1 y 10 Wh/kg.
Las SMES de 1 MWh se utilizan en todo el mundo para mejorar la calidad de la energía donde sea necesario, como las fábricas de microelectrónica que requieren energía de la más alta calidad.
Además, las PYME también son útiles en los servicios públicos. Entonces, en uno de los estados de los EE. UU. Hay una fábrica de papel, que durante su funcionamiento puede causar fuertes sobretensiones en las líneas eléctricas. Hoy, la línea eléctrica de la fábrica está equipada con toda una cadena de módulos SMES que garantizan la estabilidad de la red eléctrica. Un módulo SMES con una capacidad de 20 MWh puede proporcionar de forma sostenible 10 MW durante dos horas o los 40 MW durante media hora.
La cantidad de energía almacenada por una bobina superconductora se puede calcular utilizando la siguiente fórmula (donde L es inductancia, E es energía, I es corriente):
Desde el punto de vista de la configuración estructural de la bobina superconductora, es muy importante que sea resistente a la deformación, tenga indicadores mínimos de expansión y contracción térmica, y también tenga una baja sensibilidad a la fuerza de Lorentz, que inevitablemente surge durante la funcionamiento de la instalación (Las leyes más importantes de la electrodinámica.). Todo esto es importante para evitar la destrucción del devanado en la etapa de cálculo de las propiedades y la cantidad de materiales de construcción de la instalación.
Para sistemas pequeños, se considera aceptable una tasa de deformación general del 0,3 %. Además, la geometría toroidal de la bobina contribuye a la reducción de las fuerzas magnéticas externas, lo que permite reducir el costo de la estructura de soporte y también permite colocar la instalación cerca de los objetos de carga.
Si la instalación de SMES es pequeña, también puede ser adecuada una bobina de solenoide, que no requiere una estructura de soporte especial, a diferencia de un toroide. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la bobina toroidal necesita aros y discos de presión, especialmente cuando se trata de una estructura que consume mucha energía.
Como se señaló anteriormente, un refrigerador superconductor enfriado requiere energía continuamente para funcionar, lo que, por supuesto, reduce la eficiencia general del SMES.
Por lo tanto, las cargas térmicas que deben tenerse en cuenta al diseñar la instalación incluyen: conductividad térmica de la estructura de soporte, radiación térmica del lado de las superficies calentadas, pérdidas de julios en los cables a través de los cuales fluyen las corrientes de carga y descarga, así como pérdidas en la nevera mientras trabaja.
Pero aunque estas pérdidas son generalmente proporcionales a la potencia nominal de la instalación, la ventaja de los sistemas SMES es que con un aumento de la capacidad energética de 100 veces, los costes de refrigeración aumentan sólo 20 veces. Además, para los superconductores de alta temperatura, los ahorros en refrigeración son mayores que cuando se usan superconductores de baja temperatura.
Parece que un sistema de almacenamiento de energía superconductor basado en un superconductor de alta temperatura requiere menos enfriamiento y, por lo tanto, debería costar menos.
En la práctica, sin embargo, este no es el caso, ya que el costo total de la infraestructura de instalación suele exceder el costo del superconductor, y las bobinas de los superconductores de alta temperatura son hasta 4 veces más caras que las bobinas de los superconductores de baja temperatura. .
Además, la densidad de corriente límite para los superconductores de alta temperatura es menor que para los de baja temperatura, esto se aplica a campos magnéticos operativos en el rango de 5 a 10 T.
Entonces, para obtener baterías con la misma inductancia, se necesitan más cables superconductores de alta temperatura. Y si el consumo de energía de la instalación es de unos 200 MWh, entonces el superconductor (conductor) de baja temperatura resultará diez veces más caro.
Además, uno de los factores de coste clave es el siguiente: el coste del frigorífico es, en cualquier caso, tan bajo que reducir la energía de refrigeración mediante el uso de superconductores de alta temperatura proporciona un porcentaje de ahorro muy bajo.
Es posible reducir el volumen y aumentar la densidad de energía almacenada en el SMES aumentando el campo magnético operativo máximo, lo que conducirá tanto a una reducción en la longitud del cable como a una reducción en el costo total. Se considera que el valor óptimo es un campo magnético máximo de aproximadamente 7 T.
Por supuesto, si el campo se incrementa más allá del óptimo, son posibles reducciones adicionales en el volumen con un aumento mínimo en el costo. Pero el límite de inducción de campo suele estar limitado físicamente, debido a la imposibilidad de unir las partes internas del toroide y dejar espacio para el cilindro de compensación.
El material superconductor sigue siendo un tema clave en la creación de instalaciones rentables y eficientes para las PYME. Los esfuerzos de los desarrolladores de hoy tienen como objetivo aumentar la corriente crítica y el rango de deformación de los materiales superconductores, así como reducir el costo de su producción.
Resumiendo las dificultades técnicas en el camino hacia la introducción generalizada de los sistemas PYME, se pueden distinguir claramente las siguientes. La necesidad de un soporte mecánico sólido capaz de soportar la importante fuerza de Lorentz generada en la bobina.
La necesidad de un gran terreno, ya que una instalación Pyme, por ejemplo con una capacidad de 5 GWh, contendrá un circuito superconductor (circular o rectangular) de unos 600 metros de longitud. Además, el contenedor de vacío de nitrógeno líquido (600 metros de largo) que rodea al superconductor debe ubicarse bajo tierra y debe proporcionarse un soporte confiable.
El siguiente obstáculo es la fragilidad de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, lo que dificulta el trefilado de cables para corrientes elevadas.El campo magnético crítico que destruye la superconductividad también es un obstáculo para aumentar la intensidad energética específica de SMES. NS tiene un problema actual crítico por la misma razón.