Сверхпроводящее магнитное хранение энергии: принципы и применение.

Введение

Техника хранения энергии

(4–40 кДж/кг) |EtoS=менее 40 кДж/л

Типичная система SMES включает три основных компонента: сверхпроводящую катушку, систему управления мощностью и криогенный холодильник. После зарядки сверхпроводящей катушки ток не ослабевает, и магнитная энергия может храниться неограниченно долго. Сохраненная энергия может быть возвращена в сеть путем разрядки катушки. Система управления мощностью использует инвертор/выпрямитель для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток или постоянного тока обратно в переменный ток. Инвертор/выпрямитель обеспечивает примерно 2–3% потерь энергии в каждом направлении. SMES теряет меньше всего электроэнергии в процессе хранения по сравнению с другими методами накопления энергии. Системы SMES отличаются высокой эффективностью: эффективность цикла "туда и обратно" превышает 95%. В связи с энергозатратами на охлаждение и высокой стоимостью сверхпроводящего провода, SMES в настоящее время используется для кратковременного хранения энергии. Поэтому SMES чаще всего применяется для повышения качества электроэнергии.

Преимущества по сравнению с другими методами хранения энергии

Существует несколько причин использовать сверхпроводящие магнитные накопители энергии вместо других методов хранения энергии. Наиболее важное преимущество СМЭ – это небольшая задержка при зарядке и разрядке. Энергия доступна практически мгновенно, и в течение короткого времени можно обеспечить очень высокую выходную мощность. Другие методы хранения энергии, такие как гидроаккумулирующие электростанции или сжатый воздух, имеют значительную задержку, связанную с преобразованием накопленной механической энергии обратно в электричество. Таким образом, если требуется немедленное энергоснабжение, СМЭ является подходящим вариантом. Еще одним преимуществом является то, что потери энергии меньше, чем при использовании других накопителей, поскольку электрический ток встречает практически нулевое сопротивление. Кроме того, основные компоненты СМЭ неподвижны, что обеспечивает высокую надежность.

Текущее использование

Существует несколько небольших установок СМЭС, доступных для коммерческого использования, и несколько крупных проектов испытательных стендов. Несколько блоков мощностью 1 МВт·ч используются для контроля качества электроэнергии в установках по всему миру, особенно для обеспечения качества электроэнергии на производственных предприятиях, требующих сверхчистой энергии, таких как предприятия по производству микрочипов. Эти установки также использовались для обеспечения стабильности сети в распределительных системах. СМЭС также применяется в энергетических системах. В северной части штата Висконсин была развернута сеть распределенных установок СМЭС для повышения стабильности контура передачи электроэнергии.

Соленоид против тороида

Помимо свойств проволоки, конфигурация самой катушки является важным вопросом с точки зрения машиностроения. Существует три фактора, влияющих на конструкцию и форму катушки: низкая устойчивость к деформациям, тепловое сжатие при охлаждении и силы Лоренца в заряженной катушке. Среди них, устойчивость к деформациям имеет решающее значение не из-за каких-либо электрических эффектов, а потому, что она определяет, какое количество конструкционного материала необходимо для предотвращения разрушения СМЭС. Для небольших систем МСП выбирается оптимистичное значение устойчивости к деформациям в 0,3%. Тороидальная геометрия может помочь уменьшить внешние магнитные силы и, следовательно, снизить размер необходимой механической поддержки. Кроме того, благодаря слабому внешнему магнитному полю, тороидальные СМЭС могут располагаться вблизи энергоснабжающей организации или потребителя. Для небольших СМЭС обычно используются соленоиды, поскольку их легко наматывать и предварительное сжатие не требуется. В тороидальных СМЭС катушка постоянно находится под давлением внешних обручей и двух дисков – верхнего и нижнего – для предотвращения поломки. В настоящее время для небольших СМЭС потребность в тороидальной геометрии невелика, но с увеличением размеров механические силы становятся более значимыми, и тороидальная катушка становится необходимой. В более ранних крупных концепциях СМЭС обычно использовался соленоид с малым соотношением сторон, диаметром около 100 м, заглубленный в землю. На другом конце шкалы размеров находится концепция микро-СМЭС соленоидов для хранения энергии в диапазоне около 1 МДж.

Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники

В устойчивом состоянии и в сверхпроводящем состоянии сопротивление катушки пренебрежимо мало. Однако холодильная установка, необходимая для поддержания низкой температуры сверхпроводника, потребляет электроэнергию, и эта энергия, затрачиваемая на охлаждение, должна учитываться при оценке эффективности SMES как устройства накопления энергии. Несмотря на то, что высокотемпературные сверхпроводники (HTS) обладают более высокой критической температурой, плавление флюсной решетки происходит в умеренных магнитных полях при температуре ниже этой критической температуры. Тепловые нагрузки, которые необходимо отводить системой охлаждения, включают теплопроводность через систему поддержки, излучение от более теплых поверхностей к более холодным, потери на переменный ток в проводнике (при зарядке и разрядке) и потери в силовой подводке от холодной катушки к системе управления мощностью. Потери на теплопроводность и излучение минимизируются за счет правильного проектирования тепловых поверхностей. Потери в силовой подводке можно уменьшить путем ее оптимального проектирования. Потери на переменный ток зависят от конструкции проводника, длительности цикла работы устройства и его мощности. Требования к охлаждению для тороидальных катушек из высокотемпературных сверхпроводников (HTSC) и низкотемпературных сверхпроводников (LTSC) при базовых температурах 77 K, 20 K и 4,2 K возрастают в указанном порядке. Требования к охлаждению здесь определяются как электрическая мощность, потребляемая холодильной установкой. При увеличении накопленной энергии в 100 раз стоимость охлаждения возрастает лишь в 20 раз. Кроме того, экономия на охлаждении в системе HTSC больше (на 60–70%), чем в системах LTSC.

Стоимость

Экономичность систем HTSC или LTSC зависит от других основных компонентов, определяющих стоимость SMES: проводник, состоящий из сверхпроводника и медного стабилизатора, а также системы холодной поддержки, сами по себе являются значительными затратами. Их необходимо оценивать в совокупности с общей эффективностью и стоимостью устройства. Другие компоненты, такие как теплоизоляция вакуумной камеры, оказываются относительно недорогими по сравнению со стоимостью самой катушки. В совокупных затратах на проводники, конструкцию и холодильную установку для тороидальных катушек доминирует стоимость сверхпроводника. Та же тенденция наблюдается и для соленоидальных катушек. Катушки HTSC стоят дороже, чем катушки LTSC, в 2–4 раза. Мы ожидали, что стоимость HTSC будет ниже благодаря сниженным требованиям к охлаждению, но это не так. Чтобы лучше понять структуру затрат, рассмотрим разбивку по основным компонентам катушек HTSC и LTSC для трех типичных уровней накопленной энергии: 2, 20 и 200 МВт·ч. Стоимость проводника является определяющей для всех случаев HTSC и особенно важна при малых размерах. Основная причина заключается в сравнительной плотности тока материалов LTSC и HTSC. Критический ток проволоки HTSC, как правило, ниже, чем у проволоки LTSC в рабочем магнитном поле, обычно в диапазоне 5–10 тесла (Т). Предположим, что стоимость проволоки одинакова по весу. Поскольку проволока HTSC имеет более низкое значение (Jc), чем проволока LTSC, для создания одинаковой индуктивности потребуется значительно больше материала. Следовательно, стоимость проволоки HTSC выше, чем у LTSC. Кроме того, по мере увеличения размера SMES с 2 до 20 до 200 МВт·ч стоимость проводника LTSC также возрастает примерно в 10 раз на каждом этапе. Стоимость проводника HTSC растет несколько медленнее, но все же остается самым дорогим компонентом. Стоимость конструкции для HTSC или LTSC увеличивается равномерно (в 10 раз) с каждым шагом от 2 до 20 до 200 МВт·ч. Однако стоимость конструкции HTSC выше, поскольку устойчивость к механическим напряжениям HTSC (керамика не выдерживает больших растягивающих нагрузок) ниже, чем у LTSC, таких как Nb3Ti или Nb3Sn, что требует большего количества конструкционных материалов. Таким образом, в системах больших размеров стоимость HTSC не может быть компенсирована простым уменьшением размера катушки при более высоком магнитном поле. Важно отметить, что стоимость холодильной установки во всех случаях настолько мала, что снижение потребности в охлаждении при высокой температуре дает незначительную экономию. Это означает, что если HTSC, например BSCCO, лучше работает при низкой температуре, скажем, 20 К, то он, безусловно, будет эксплуатироваться при этой температуре. Для очень маленьких SMES снижение стоимости холодильной установки окажет более существенное положительное влияние. Очевидно, что объем сверхпроводящих катушек увеличивается с накопленной энергией. Также можно заметить, что максимальный диаметр тора LTSC всегда меньше для магнита HTSC, чем для LTSC, из-за более высокого рабочего магнитного поля. В случае соленоидальных катушек высота или длина также меньше для катушек HTSC, но все же значительно больше, чем в тороидальной геометрии (из-за слабого внешнего магнитного поля). Увеличение пикового магнитного поля приводит к уменьшению объема (повышение плотности энергии) и стоимости (уменьшение длины проводника). Меньший объем означает более высокую плотность энергии, а стоимость снижается за счет уменьшения длины проводника. Существует оптимальное значение пикового магнитного поля, в данном случае около 7 Т. Если поле превысит оптимальное, возможно дальнейшее уменьшение объема с минимальным увеличением затрат. Предел увеличения поля обычно определяется не экономическими, а физическими факторами, связанными с невозможностью дальнейшего сближения внутренних опор тороида, сохраняя при этом место для цилиндра поддержки. Сверхпроводящий материал является ключевым фактором для SMES. Усилия по разработке сверхпроводников направлены на увеличение Jc и диапазона допустимых деформаций, а также на снижение стоимости производства проволоки.

Whether HTSC or LTSC systems are more economical depends because there are other major components determining the cost of SMES: Conductor consisting of superconductor and copper stabilizer and cold support are major costs in themselves. They must be judged with the overall efficiency and cost of the device. Other components, such as vacuum vessel insulation, has been shown to be a small part compared to the large coil cost. The combined costs of conductors, structure and refrigerator for toroidal coils are dominated by the cost of the superconductor. The same trend is true for solenoid coils. HTSC coils cost more than LTSC coils by a factor of 2 to 4. We expect to see a cheaper cost for HTSC due to lower refrigeration requirements but this is not the case. To gain some insight into costs consider a breakdown by major components of both HTSC and LTSC coils corresponding to three typical stored energy levels, 2, 20 and 200 MW·h. The conductor cost dominates the three costs for all HTSC cases and is particularly important at small sizes. The principal reason lies in the comparative current density of LTSC and HTSC materials. The critical current of HTSC wire is lower than LTSC wire generally in the operating magnetic field, about 5 to 10 teslas (T). Assume the wire costs are the same by weight. Because HTSC wire has lower (Jc) value than LTSC wire, it will take much more wire to create the same inductance. Therefore, the cost of wire is much higher than LTSC wire. Also, as the SMES size goes up from 2 to 20 to 200 MW·h, the LTSC conductor cost also goes up about a factor of 10 at each step. The HTSC conductor cost rises a little slower but is still by far the costliest item. The structure costs of either HTSC or LTSC go up uniformly (a factor of 10) with each step from 2 to 20 to 200 MW·h. But HTSC structure cost is higher because the strain tolerance of the HTSC (ceramics cannot carry much tensile load) is less than LTSC, such as Nb3Ti or Nb3Sn, which demands more structure materials. Thus, in the very large cases, the HTSC cost can not be offset by simply reducing the coil size at a higher magnetic field. It is worth noting here that the refrigerator cost in all cases is so small that there is very little percentage savings associated with reduced refrigeration demands at high temperature. This means that if a HTSC, BSCCO for instance, works better at a low temperature, say 20K, it will certainly be operated there. For very small SMES, the reduced refrigerator cost will have a more significant positive impact. Clearly, the volume of superconducting coils increases with the stored energy. Also, we can see that the LTSC torus maximum diameter is always smaller for a HTSC magnet than LTSC due to higher magnetic field operation. In the case of solenoid coils, the height or length is also smaller for HTSC coils, but still much higher than in a toroidal geometry (due to low external magnetic field). An increase in peak magnetic field yields a reduction in both volume (higher energy density) and cost (reduced conductor length). Smaller volume means higher energy density and cost is reduced due to the decrease of the conductor length. There is an optimum value of the peak magnetic field, about 7 T in this case. If the field is increased past the optimum, further volume reductions are possible with minimal increase in cost. The limit to which the field can be increased is usually not economic but physical and it relates to the impossibility of bringing the inner legs of the toroid any closer together and still leave room for the bucking cylinder. The superconductor material is a key issue for SMES. Superconductor development efforts focus on increasing Jc and strain range and on reducing the wire manufacturing cost.

Будущее развития систем МСП

Будущие усовершенствования компонентов систем СМЭС могут сделать их более перспективными для других областей применения. Особенно важны разработки в области сверхпроводников. Физики, занимающиеся конденсированным состоянием вещества, постоянно ищут сверхпроводники с более высокой критической температурой. В 2013 году группа исследователей даже обнаружила сверхпроводник, работающий при комнатной температуре. Хотя он был стабилен лишь в течение пикосекунд, что делает его непрактичным, это тем не менее доказало возможность сверхпроводности при комнатной температуре. Необходимость в охлаждении – это затраты. Устранение этих затрат за счет использования сверхпроводника комнатной температуры или даже сверхпроводника с температурой, близкой к комнатной, сделает систему СМЭС более жизнеспособной и эффективной. Критическая температура сверхпроводника также тесно связана с критическим током. Вещество с высокой критической температурой также будет обладать высоким критическим током. Этот более высокий критический ток приведет к квадратичному увеличению запасаемой энергии. Это значительно расширит возможности применения систем СМЭС.