Sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttori (SMES)

Lo stoccaggio di energia è un processo che avviene con dispositivi o supporti fisici che immagazzinano energia in modo che possano utilizzarla in modo efficiente in seguito.

I sistemi di accumulo di energia possono essere suddivisi in meccanici, elettrici, chimici e termici. Una delle moderne tecnologie di accumulo di energia sono i sistemi SMES: accumulo di energia magnetica superconduttiva (sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttori).

I sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva (SMES) immagazzinano energia in un campo magnetico creato da un flusso di corrente continua in una bobina superconduttrice che è stata raffreddata criogenicamente a una temperatura inferiore alla sua temperatura superconduttiva critica. Quando la bobina superconduttrice è carica, la corrente non diminuisce e l'energia magnetica può essere immagazzinata indefinitamente. L'energia immagazzinata può essere restituita alla rete scaricando la batteria.

Il sistema di accumulo di energia magnetica superconduttore si basa su un campo magnetico generato dal flusso di corrente continua in una bobina superconduttrice.

La bobina superconduttrice è continuamente raffreddata criogenicamente, quindi di conseguenza è costantemente al di sotto della temperatura critica, cioè superconduttore… Oltre alla batteria, il sistema SMES include un frigorifero criogenico e un sistema di condizionamento dell'aria.

La conclusione è che una bobina carica in uno stato superconduttore è in grado di sostenere da sola una corrente continua, in modo che il campo magnetico di una data corrente possa immagazzinare l'energia in esso immagazzinata per un tempo infinitamente lungo.

L'energia immagazzinata nella bobina superconduttrice può, se necessario, essere fornita alla rete durante la scarica di tale bobina. Per convertire l'alimentazione CC in alimentazione CA, invertere per caricare la bobina dalla rete - raddrizzatori o convertitori AC-DC.

Nel corso della conversione altamente efficiente dell'energia in una direzione o nell'altra, le perdite in SME rappresentano un massimo del 3%, ma la cosa più importante qui è che nel processo di accumulo di energia con questo metodo, le perdite sono le meno inerenti a uno qualsiasi dei metodi attualmente noti per l'immagazzinamento e l'immagazzinamento dell'energia. L'efficienza complessiva minima delle PMI è del 95%.

A causa dell'elevato costo dei materiali superconduttori e tenendo conto del fatto che il raffreddamento richiede anche costi energetici, i sistemi SMES sono attualmente utilizzati solo dove è necessario immagazzinare energia per un breve periodo e allo stesso tempo migliorare la qualità dell'alimentazione . Cioè, sono tradizionalmente usati solo in caso di urgente necessità.

Il sistema PMI è costituito dai seguenti componenti:

• bobina superconduttrice,
• Sistema criostato e vuoto,
• Sistema di raffreddamento,
• Sistema di conversione dell'energia,
• Dispositivo di controllo.

I principali vantaggi dei sistemi PMI sono evidenti. Innanzitutto, è un tempo estremamente breve durante il quale la bobina superconduttrice è in grado di accettare o cedere l'energia immagazzinata nel suo campo magnetico. In questo modo è possibile non solo ottenere colossali forze di scarica istantanea, ma anche ricaricare la bobina superconduttrice con un ritardo minimo.

Se confrontiamo le PMI con i sistemi di accumulo di aria compressa, con volani e accumulatori idraulici, questi ultimi sono caratterizzati da un colossale ritardo durante la conversione dell'elettricità in meccanica e viceversa (vedi — Immagazzinamento dell'energia del volano).

L'assenza di parti in movimento è un altro importante vantaggio dei sistemi SMES, che ne aumenta l'affidabilità. E, naturalmente, a causa dell'assenza di resistenza attiva in un superconduttore, le perdite di stoccaggio qui sono minime. L'energia specifica di SMES è solitamente compresa tra 1 e 10 Wh/kg.

Le PMI da 1 MWh sono utilizzate in tutto il mondo per migliorare la qualità dell'energia laddove necessario, come le fabbriche di microelettronica che richiedono energia della massima qualità.

Inoltre, le PMI sono utili anche nei servizi di pubblica utilità. Quindi, in uno degli stati degli Stati Uniti c'è una cartiera, che durante il suo funzionamento può causare forti picchi nelle linee elettriche. Oggi la linea elettrica della fabbrica è dotata di un'intera catena di moduli SMES che garantiscono la stabilità della rete elettrica. Un modulo SMES con una capacità di 20 MWh può fornire in modo sostenibile 10 MW per due ore o tutti i 40 MW per mezz'ora.

La quantità di energia immagazzinata da una bobina superconduttrice può essere calcolata utilizzando la seguente formula (dove L è l'induttanza, E è l'energia, I è la corrente):

Dal punto di vista della configurazione strutturale della bobina superconduttrice, è molto importante che sia resistente alla deformazione, abbia indicatori minimi di espansione e contrazione termica e abbia anche una bassa sensibilità alla forza di Lorentz, che inevitabilmente sorge durante il funzionamento dell'impianto (Le più importanti leggi dell'elettrodinamica). Tutto ciò è importante per prevenire la distruzione dell'avvolgimento nella fase di calcolo delle proprietà e della quantità di materiali da costruzione dell'impianto.

Per i sistemi di piccole dimensioni, è considerata accettabile una velocità di deformazione complessiva dello 0,3%. Inoltre, la geometria toroidale della bobina contribuisce alla riduzione delle forze magnetiche esterne, il che consente di ridurre il costo della struttura portante e consente inoltre di posizionare l'installazione vicino agli oggetti di carico.

Se l'installazione SMES è piccola, può essere adatta anche una bobina magnetica, che non richiede una struttura di supporto speciale, a differenza di un toroide. Tuttavia, va notato che la bobina toroidale necessita di cerchi e dischi pressa, soprattutto quando si tratta di una struttura piuttosto energivora.

Come notato sopra, un frigorifero superconduttore raffreddato richiede continuamente energia per funzionare, il che ovviamente riduce l'efficienza complessiva dello SMES.

Quindi, i carichi termici che devono essere presi in considerazione durante la progettazione dell'installazione includono: conducibilità termica della struttura portante, radiazione termica dal lato delle superfici riscaldate, perdite di joule nei cavi attraverso i quali scorrono le correnti di carica e scarica, nonché perdite in frigo durante il lavoro.

Ma sebbene queste perdite siano generalmente proporzionali alla potenza nominale dell'impianto, il vantaggio dei sistemi SMES è che con un aumento della capacità energetica di 100 volte, i costi di raffreddamento aumentano solo di 20 volte. Inoltre, per i superconduttori ad alta temperatura, i risparmi di raffreddamento sono maggiori rispetto a quando si utilizzano superconduttori a bassa temperatura.

Sembra che un sistema di accumulo di energia superconduttore basato su un superconduttore ad alta temperatura richieda meno raffreddamento e quindi dovrebbe costare meno.

In pratica, tuttavia, non è così, poiché il costo totale dell'infrastruttura di installazione di solito supera il costo del superconduttore e le bobine dei superconduttori ad alta temperatura sono fino a 4 volte più costose delle bobine dei superconduttori a bassa temperatura .

Inoltre, la densità di corrente limite per i superconduttori ad alta temperatura è inferiore a quella per quelli a bassa temperatura, questo vale per i campi magnetici operativi nell'intervallo da 5 a 10 T.

Quindi, per ottenere batterie con la stessa induttanza, sono necessari più fili superconduttori ad alta temperatura. E se il consumo energetico dell'impianto è di circa 200 MWh, il superconduttore a bassa temperatura (conduttore) risulterà dieci volte più costoso.

Inoltre, uno dei principali fattori di costo è questo: il costo del frigorifero è comunque così basso che riducendo l'energia frigorifera utilizzando superconduttori ad alta temperatura si ottiene una percentuale di risparmio molto bassa.

È possibile ridurre il volume e aumentare la densità di energia immagazzinata nello SMES aumentando il campo magnetico operativo di picco, che porterà sia a una riduzione della lunghezza del filo che a una riduzione del costo complessivo. Il valore ottimale è considerato un campo magnetico di picco di circa 7 T.

Naturalmente, se il campo viene aumentato oltre l'ottimo, sono possibili ulteriori riduzioni di volume con un minimo aumento di costo. Ma il limite di induzione di campo è solitamente limitato fisicamente, per l'impossibilità di riunire le parti interne del toroide pur lasciando spazio al cilindro compensatore.

Il materiale superconduttore rimane una questione chiave nella creazione di impianti economici ed efficienti per le PMI. Gli sforzi degli sviluppatori oggi mirano ad aumentare la corrente critica e la gamma di deformazione dei materiali superconduttori, nonché a ridurre i costi della loro produzione.

Riassumendo le difficoltà tecniche sulla strada per l'introduzione diffusa dei sistemi per le PMI, si possono chiaramente distinguere le seguenti. La necessità di un solido supporto meccanico in grado di sopportare la notevole forza di Lorentz generata nella bobina.

La necessità di un grande appezzamento di terreno, poiché un impianto SME, ad esempio con una capacità di 5 GWh, conterrà un circuito superconduttore (circolare o rettangolare) di circa 600 metri di lunghezza. Inoltre, il contenitore sottovuoto di azoto liquido (lungo 600 metri) che circonda il superconduttore deve essere posizionato sottoterra e deve essere fornito un supporto affidabile.

Il prossimo ostacolo è la fragilità della ceramica superconduttrice ad alta temperatura, che rende difficile disegnare fili per correnti elevate.Il campo magnetico critico che distrugge la superconduttività è anche un ostacolo all'aumento dell'intensità energetica specifica delle PMI. NS ha un problema di corrente critica per lo stesso motivo.