מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות-על (SMES)

אחסון אנרגיה הוא תהליך המתרחש עם מכשירים או מדיה פיזית האוגרים אנרגיה כדי שיוכלו להשתמש בה ביעילות מאוחר יותר.

ניתן לחלק מערכות אחסון אנרגיה למכניות, חשמליות, כימיות ותרמיות. אחת מטכנולוגיות אגירת האנרגיה המודרניות היא מערכות ה-SMES - אחסון אנרגיה מגנטית מוליכים-על (מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות-על).

מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות-על (SMES) אוגרות אנרגיה בשדה מגנטי שנוצר על ידי זרימת זרם ישר בסליל מוליך-על שמקורר קריוגני לטמפרטורה מתחת לטמפרטורת המוליכה הקריטית שלו. כאשר הסליל המוליך העל נטען, הזרם אינו פוחת וניתן לאחסן את האנרגיה המגנטית ללא הגבלת זמן. ניתן להחזיר את האנרגיה האצורה לרשת על ידי פריקת הסליל.

מערכת אגירת האנרגיה המגנטית המוליכה-על מבוססת על שדה מגנטי שנוצר מזרימת זרם ישר בסליל מוליך-על.

הסליל המוליך-על מקורר באופן קריוגני באופן רציף, כך שכתוצאה מכך הוא נמצא כל הזמן מתחת לטמפרטורה הקריטית, כלומר. מוליך-על... בנוסף לסליל, מערכת SMES כוללת מקרר קריוגני וכן מערכת מיזוג אוויר.

המסקנה היא שסליל טעון במצב מוליך-על מסוגל לשמר זרם רציף בעצמו, כך שהשדה המגנטי של זרם נתון יכול לאגור את האנרגיה האצורה בו לזמן ארוך לאין שיעור.

האנרגיה האצורה בסליל המוליך העל יכולה, במידת הצורך, להיות מסופקת לרשת במהלך פריקת סליל כזה. כדי להמיר מתח DC למתח AC, ממירים, ולטעינת הסליל מהרשת - מיישרים או ממירי AC-DC.

במהלך המרה יעילה ביותר של אנרגיה לכיוון זה או אחר, ההפסדים ב-SME מייצגים מקסימום 3%, אך הדבר החשוב ביותר כאן הוא שבתהליך אגירת האנרגיה בשיטה זו, ההפסדים הם הכי פחות טמונים ב כל אחת מהשיטות הידועות כיום לאחסון ואחסון אנרגיה. היעילות המינימלית הכוללת של חברות קטנות ובינוניות היא 95%.

בשל העלות הגבוהה של חומרים מוליכים-על ובהתחשב בעובדה שקירור דורש גם עלויות אנרגיה, מערכות SMES משמשות כיום רק במקום בו יש צורך לאגור אנרגיה לזמן קצר ובמקביל לשפר את איכות אספקת החשמל. . כלומר, הם משמשים באופן מסורתי רק במקרים של צורך דחוף.

מערכת SME מורכבת מהרכיבים הבאים:

• סליל מוליך על,
• קריוסטט ומערכת ואקום,
• מערכת קירור,
• מערכת המרת אנרגיה,
• מכשיר שליטה.

היתרונות העיקריים של מערכות SME ברורים. קודם כל, מדובר בזמן קצר ביותר שבמהלכו הסליל המוליך מסוגל לקבל או לוותר על האנרגיה האצורה בשדה המגנטי שלו. בדרך זו, ניתן לא רק להשיג כוחות פריקה מיידיים ענקיים, אלא גם להטעין מחדש את הסליל המוליך בהשהיית זמן מינימלית.

אם נשווה את ה-SME עם מערכות אחסון אוויר דחוס, עם גלגלי תנופה ומצטברים הידראוליים, אז האחרונים מאופיינים בעיכוב עצום במהלך המרת החשמל למכני ולהיפך (ראה - אחסון אנרגיה של גלגל תנופה).

היעדר חלקים נעים הוא יתרון חשוב נוסף של מערכות SMES, מה שמגביר את אמינותן. וכמובן, בשל היעדר התנגדות אקטיבית במוליך-על, הפסדי אחסון כאן הם מינימליים. האנרגיה הספציפית של SMES היא בדרך כלל בין 1 ל-10 וואט/ק"ג.

1 MWh SMES משמשים ברחבי העולם כדי לשפר את איכות החשמל במידת הצורך, כגון מפעלי מיקרו-אלקטרוניקה הדורשים את ההספק האיכותי ביותר.

בנוסף, חברות קטנות ובינוניות שימושיות גם בשירותים. אז, באחת ממדינות ארה"ב יש מפעל נייר, שבמהלך פעולתו יכול לגרום לנחשולים חזקים בקווי חשמל. כיום, קו החשמל של המפעל מצויד בשרשרת שלמה של מודולי SMES המבטיחים את יציבות רשת החשמל. מודול SMES עם קיבולת של 20 מגוואט יכול לספק באופן בר קיימא 10 מגוואט למשך שעתיים או כל 40 מגוואט למשך חצי שעה.

ניתן לחשב את כמות האנרגיה המאוחסנת על ידי סליל מוליך על ידי הנוסחה הבאה (כאשר L היא השראות, E היא אנרגיה, I היא זרם):

מנקודת המבט של התצורה המבנית של הסליל המוליך, חשוב מאוד שהוא יהיה עמיד בפני דפורמציה, בעל אינדיקטורים מינימליים של התפשטות והתכווצות תרמית, וכן בעל רגישות נמוכה לכוח לורנץ, המופיע בהכרח במהלך תפעול ההתקנה (החוקים החשובים ביותר של האלקטרודינמיקה). כל זה חשוב על מנת למנוע את הרס הפיתול בשלב חישוב המאפיינים וכמות חומרי הבנייה של המתקן.

עבור מערכות קטנות, שיעור עקה כולל של 0.3% נחשב מקובל. בנוסף, הגיאומטריה הטורואידלית של הסליל תורמת להפחתת הכוחות המגנטיים החיצוניים, המאפשרת להוזיל את עלות המבנה התומך, וכן מאפשרת הצבת המתקן קרוב לחפצי העומס.

אם התקנת ה-SMES קטנה, אז עשוי להתאים גם סליל סולנואיד, שאינו דורש מבנה תמיכה מיוחד, בניגוד לטורואיד. עם זאת, יש לציין כי הסליל הטורואידי זקוק לחישוקי לחיצה ודיסקים, במיוחד כאשר מדובר במבנה די עתיר אנרגיה.

כפי שצוין לעיל, מקרר מוליך-על מקורר דורש כל הזמן אנרגיה כדי לפעול, מה שכמובן מקטין את היעילות הכוללת של ה-SMES.

לכן, העומסים התרמיים שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון המתקן כוללים: מוליכות תרמית של המבנה התומך, קרינה תרמית מצד המשטחים המחוממים, הפסדי ג'אול בחוטים שדרכם זורמים זרמי טעינה ופריקה, כמו גם הפסדים. במקרר בזמן העבודה.

אך למרות שההפסדים הללו הם בדרך כלל פרופורציונליים להספק הנומינלי של ההתקנה, היתרון של מערכות SMES הוא שעם גידול בקיבולת האנרגיה של פי 100, עלויות הקירור עולות רק פי 20. בנוסף, עבור מוליכים בטמפרטורה גבוהה, החיסכון בקירור גדול יותר מאשר בשימוש במוליכי-על בטמפרטורה נמוכה.

נראה שמערכת אגירת אנרגיה מוליכת-על המבוססת על מוליך-על בטמפרטורה גבוהה דורשת פחות קירור ולכן צריכה לעלות פחות.

אולם בפועל זה לא המצב, שכן העלות הכוללת של תשתית ההתקנה עולה בדרך כלל על עלות המוליך, והסלילים של מוליכים בטמפרטורה גבוהה יקרים עד פי 4 מהסלילים של מוליכים בטמפרטורה נמוכה. .

בנוסף, צפיפות הזרם המגבילה עבור מוליכים בטמפרטורה גבוהה נמוכה יותר מאשר עבור אלה בטמפרטורה נמוכה, זה חל על הפעלת שדות מגנטיים בטווח של 5 עד 10 T.

אז כדי לקבל סוללות עם אותה השראות, יש צורך בעוד חוטי-על מוליכים בטמפרטורה גבוהה. ואם צריכת האנרגיה של המתקן היא כ-200 MWh, אז המוליך (המוליך) בטמפרטורה נמוכה יתברר כיקר פי עשרה.

בנוסף, אחד מגורמי העלות המרכזיים הוא זה: עלות המקרר בכל מקרה כל כך נמוכה עד שהפחתת אנרגיית הקירור על ידי שימוש במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה נותנת חיסכון באחוז נמוך מאוד.

ניתן להקטין את הנפח ולהגדיל את צפיפות האנרגיה האצורה ב-SMES על ידי הגדלת שיא השדה המגנטי הפועל, מה שיוביל הן להפחתת אורך החוט והן להפחתה בעלות הכוללת. הערך האופטימלי נחשב לשיא שדה מגנטי של כ-7 T.

כמובן שאם מגדילים את השדה מעבר לאופטימלי, יתכנו צמצומים נוספים בנפח עם עלייה מינימלית בעלות. אבל מגבלת השראת השדה היא בדרך כלל מוגבלת פיזית, בשל חוסר האפשרות להפגיש בין החלקים הפנימיים של הטורואיד, תוך השארת מקום לצילינדר המפצה.

חומר מוליך-על נותר נושא מרכזי ביצירת התקנות חסכוניות ויעילות עבור חברות קטנות ובינוניות. המאמצים של המפתחים כיום מכוונים להגדלת הזרם הקריטי וטווח העיוות של חומרים מוליכים-על, כמו גם להפחית את עלות הייצור שלהם.

בסיכום הקשיים הטכניים בדרך להחדרה נרחבת של מערכות SME, ניתן להבחין בבירור בין הדברים הבאים. הצורך בתמיכה מכנית מוצקה המסוגלת לעמוד בכוח לורנץ המשמעותי שנוצר בסליל.

הצורך בשטח אדמה גדול, שכן מתקן SME, למשל בהספק של 5 GWh, יכיל מעגל מוליך-על (מעגלי או מלבני) באורך של כ-600 מטר. בנוסף, מיכל הוואקום של חנקן נוזלי (אורך 600 מטר) המקיף את המוליך חייב להיות ממוקם מתחת לאדמה ולספק תמיכה אמינה.

המכשול הבא הוא שבירותה של קרמיקה מוליכת-על בטמפרטורה גבוהה, מה שמקשה על משיכת חוטים לזרמים גבוהים.השדה המגנטי הקריטי שהורס מוליכות-על מהווה גם מכשול להגברת עוצמת האנרגיה הספציפית של SMES. ל-NS יש בעיית זרם קריטית מאותה סיבה.