Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES)

Хранение энергии - процесс, происходящий с помощью устройств или физических носителей, которые накапливают энергию, чтобы иметь возможность эффективно использовать ее позже.

Системы хранения энергии можно разделить на механические, электрические, химические и тепловые. Одной из современных технологий хранения энергии являются системы SMES - superconducting magnetic energy storage (системы сверхпроводящего магнитного накопления энергии). 

В основе системы сверхпроводящего магнитного накопления энергии лежит магнитное поле, порождаемое постоянным током, текущим в сверхпроводящей катушке.

Сверхпроводящая катушка непрерывно подвергается криогенному охлаждению, так что в результате она постоянно находится при температуре ниже критической, то есть является сверхпроводником. Кроме катушки, система SMES включает в себя криогенный холодильник, а также систему кондиционирования.

Суть в том, что заряженная катушка, находясь в сверхпроводящем состоянии, способна поддерживать в себе незатухающий ток, так что магнитное поле данного тока может хранить запасенную в нем энергию бесконечно долго.

Накопленная в сверхпроводящей катушке энергия может быть при необходимости подана в сеть в процессе разряда такой катушки. Для преобразования энергии постоянного тока в переменный сетевой ток применяются инверторы, а для заряда катушки от сети — выпрямители или AC-DC-преобразователи.

В ходе высокоэффективного преобразования энергии в том или ином направлении, потери в SMES составляют максимум 3%, однако наиболее важно здесь то, что в процессе хранения энергии данным способом потери оказываются наименьшими из присущих любому из известных на сегодняшний день способов накопления и хранения энергии. Минимальная эффективность SMES в целом составляет 95%.

В силу высокой стоимости сверхпроводящих материалов, и с учетом того факта, что на охлаждение также необходимы затраты энергии, - в настоящее время системы SMES находят применение лишь там, где необходимо кратковременно накопить энергию и вместе с тем повысить качество электроснабжения. То есть к их использованию традиционно прибегают лишь в случаях острой необходимости.

Система SMES состоит из следующих компонентов:

• Сверхпроводящая катушка,
• Криостат и вакуумная система,
• Система охлаждения,
• Система преобразования энергии,
• Устройство управления.

Принципиальные преимущества систем SMES очевидны. Прежде всего это чрезвычайно малое время, за которое сверхпроводящая катушка способна принять или отдать накопленную в ее магнитном поле энергию. Таким образом можно не только получать колоссальные мгновенные мощности при разрядке, но также перезаряжать сверхпроводящую катушку с минимальной временной задержкой.

Если сравнить SMES с системами хранения на сжатом воздухе, с маховиками и гидроаккумуляторами, то для последних характерна колоссальная задержка во время преобразования электроэнергии в механическую и обратно (смотрите — Накопители энергии на маховиках).

Отсутствие движущихся частей — еще одно важное преимущество систем SMES, повышающее их надежность. И, конечно, в силу отсутствия у сверхпроводника активного сопротивления, потери при хранении здесь минимальны. Удельная энергия SMES составляет обычно от 1 до 10 Вт-ч/кг.

Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES) имеют ряд преимуществ, таких как:

• Высокая эффективность (более 90%),
• Быстрый отклик (менее миллисекунды),
• Высокая плотность энергии (до 10 МДж/м3),
• Низкие потери энергии (менее 0,1% в сутки),
• Долгий срок службы (более 20 лет).

Однако у них также есть некоторые недостатки, такие как:

• Высокая стоимость (до 1000 долларов за кВт),
• Сложность технологии (необходимость криогенного охлаждения и защиты от внешних магнитных полей),
• Ограниченная емкость (до 10 МДж),
• Риск разрыва катушки при перегрузке или повреждении.

Системы SMES применяются в различных областях, таких как:

• Сетевые системы хранения (для устранения колебаний напряжения и частоты, улучшения качества энергии и повышения надежности электроснабжения),
• Альтернативная энергетика (для сглаживания мощности источников, работающих от возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные панели),
• Промышленность (для обеспечения бесперебойного питания критически важных устройств и процессов, таких как лазеры, сварочные аппараты, электролизеры и т.д.),
• Транспорт (для увеличения мощности и энергоэффективности транспортных средств, работающих от электрических двигателей, таких как поезда, трамваи, автомобили и т.д.).

Установки SMES мощностью 1 МВт-ч применяются по всему миру с целью повышения качества электроэнергии там, где это необходимо, например на предприятиях, производящих микроэлектронные компоненты, которым необходима электроэнергия самого высокого качества.

Кроме того SMES оказываются полезны и в коммунальном хозяйстве. Так, в одном из штатов США есть бумажная фабрика, которая во время своей работы может вызывать сильные скачки напряжения в ЛЭП. Сегодня линия питания фабрики оснащена целой цепью SMES-модулей, обеспечивающих устойчивость работы электросети. Один SMES модуль емкостью 20 МВт-ч способен стойко обеспечить 10 МВт в течение двух часов или все 40 МВт в течение получаса.

Величина запасаемой сверхпроводящей катушкой энергии может быть вычислена по следующей формуле (где L – индуктивность, E – энергия, I – ток):

С точки зрения конструктивной конфигурации сверхпроводящей катушки, очень важно чтобы она обладала устойчивостью к деформации, имела бы минимальные показатели теплового расширения и сжатия, а также отличалась слабой восприимчивостью по отношению к неизбежно возникающей во время работы установки силе Лоренца (Самые важные законы электродинамики). Все это важно для предотвращения разрушения катушки на этапе расчета свойств и количества конструкционных материалов установки.

Для небольших систем общий коэффициент деформации равный 0,3% считается приемлемым. Кроме того, снижению внешних магнитных сил способствует тороидальная геометрия катушки, позволяющая снизить затраты на конструкцию опоры, а также допускающая размещение установки вблизи объектов нагрузки.

Если установка SMES небольшая, то может подойти и катушка соленоидальной формы, не требующая особой конструкции опоры в отличие от тороида. При этом стоит отметить, что тороидальная катушка нуждается в давящих обручах и дисках, особенно когда речь заходит о достаточно энергоемком сооружении.

Как отмечалось выше, для работы охлаждающего сверхпроводник холодильника постоянно требуется энергия, что, конечно, снижает эффективность установки SMES в целом.

Так, к тепловым нагрузкам, которые необходимо учитывать при проектировании установки, относятся: теплопроводность опорной конструкции, излучение тепла со стороны нагретых поверхностей, джоулевы потери в проводниках, по которым текут токи зарядки и разрядки, а также потери в самом холодильнике во время его работы.

Но хотя в общем и целом данные потери пропорциональны номинальной мощности установки, преимущество систем SMES заключается и в том, что при увеличении энергетической емкости в 100 раз, стоимость охлаждения возрастает лишь в 20 раз. Кроме того, для высокотемпературных сверхпроводников экономия на охлаждение больше чем при использовании низкотемпературных сверхпроводников.

Казалось бы, система сверхпроводящего накопления энергии на высокотемпературном сверхпроводнике менее требовательна к охлаждению, и поэтому должна меньше стоить.

Однако на практике это не так, ведь общие затраты на инфраструктуру установки обычно превышают стоимость сверхпроводника, а сами катушки из высокотемпературных сверхпроводников до 4 раз превосходят по цене катушки из низкотемпературных сверхпроводников.

Далее, предельная плотность тока для высокотемпературных сверхпроводников ниже чем для низкотемпературных, это относится к рабочим магнитным полям диапазона от 5 до 10 Тл.

Так, чтобы получить накопители одинаковой индуктивности, необходимо больше провода высокотемпературного сверхпроводника. А если энергоемкость установки составит около 200 МВт-ч, то и низкотемпературный сверхпровдник (провод) получится десятикратно дороже.

Кроме того, одним из ключевых факторов стоимости выступает такой: стоимость холодильника во всех случаях настолько мала, что снижение энергии на охлаждение при использовании высокотемпературных сверхпроводников дает в процентах очень небольшую экономию.

Снизить объем и повысить плотность запасаемой в установке SMES энергии можно путем усиления пикового рабочего магнитного поля, что приведет как к уменьшению длины проводника, так и к снижению общей стоимости. Оптимальным считается значение пикового магнитного поля около 7 Тл.

Конечно, если поле увеличить сверх оптимального, возможно и дальнейшее сокращение объема с минимальным увеличением расходов. Но предел индукции поля обычно ограничен физически, что связано с невозможностью сильнее сблизить внутренние части тороида, при этом оставить место для компенсирующего цилиндра.

Материал сверхпроводников остается ключевым вопросом для создания экономичных и эффективных установок SMES. Усилия разработчиков сегодня направлены на увеличение критического тока и диапазона деформации сверхпроводящих материалов, а также на снижении стоимости их производства.

Резюмируя технические трудности на пути широкого внедрения систем SMES, можно четко выделить следующие. Необходимость прочной механической опоры, способной противостоять значительной силе Лоренца, возникающей в катушке.

Потребность в большом участке земли, поскольку установка SMES, например емкостью 5 ГВт-ч, будет содержать сверхпроводящий контур (круглый или прямоугольный) длиной около 600 метров. Далее, вакуумную емкость с жидким азотом (длиной 600 метров), окружающую сверхпроводник, нужно располагать под землей, при этом необходимо обеспечить надежную опору.

Следующее препятствие - хрупкость сверхпроводящей высокотемпературной керамики, затрудняющая вытяжку проводников для больших токов. Критическое магнитное поле, разрушающее сверхпроводимость, также является препятствием в вопросе наращивания удельной энергоемкости SMES. По этой же причине существует проблема критического тока.

Андрей Повный