Sistemas Supercondutores de Armazenamento de Energia Magnética (SMES)

O armazenamento de energia é um processo que ocorre com dispositivos ou meios físicos que armazenam energia para que possam usá-la com eficiência posteriormente.

Os sistemas de armazenamento de energia podem ser divididos em mecânicos, elétricos, químicos e térmicos. Uma das modernas tecnologias de armazenamento de energia são os sistemas SMES — armazenamento de energia magnética supercondutora (sistemas supercondutores de armazenamento de energia magnética).

Os sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES) armazenam energia em um campo magnético criado por um fluxo de corrente contínua em uma bobina supercondutora que foi resfriada criogenicamente a uma temperatura abaixo de sua temperatura supercondutora crítica. Quando a bobina supercondutora é carregada, a corrente não diminui e a energia magnética pode ser armazenada indefinidamente. A energia armazenada pode ser devolvida à rede descarregando a bobina.

O sistema supercondutor de armazenamento de energia magnética é baseado em um campo magnético gerado pelo fluxo de corrente contínua em uma bobina supercondutora.

A bobina supercondutora é continuamente resfriada criogenicamente, de modo que, como resultado, ela está constantemente abaixo da temperatura crítica, ou seja, supercondutor… Além da serpentina, o sistema SMES inclui um refrigerador criogênico, bem como um sistema de ar condicionado.

A conclusão é que uma bobina carregada em estado supercondutor é capaz de sustentar sozinha uma corrente contínua, de modo que o campo magnético de uma determinada corrente pode armazenar a energia nela armazenada por um tempo infinitamente longo.

A energia armazenada na bobina supercondutora pode, se necessário, ser fornecida à rede durante a descarga dessa bobina. Para converter energia CC em energia CA, inversores, e para carregar a bobina da rede - retificadores ou conversores AC-DC.

No curso da conversão de energia altamente eficiente em uma direção ou outra, as perdas em SME representam no máximo 3%, mas o mais importante aqui é que no processo de armazenamento de energia por esse método, as perdas são as menos inerentes ao qualquer um dos métodos atualmente conhecidos para armazenamento e armazenamento de energia. A eficiência global mínima das PME é de 95%.

Devido ao alto custo dos materiais supercondutores e levando em conta que o resfriamento também requer custos de energia, os sistemas SMES são usados ​​atualmente apenas onde é necessário armazenar energia por um curto período de tempo e, ao mesmo tempo, melhorar a qualidade do fornecimento de energia. . Ou seja, são tradicionalmente usados ​​apenas em casos de necessidade urgente.

O sistema SME consiste nos seguintes componentes:

• bobina supercondutora,
• Sistema de criostato e vácuo,
• Sistema de refrigeração,
• Sistema de conversão de energia,
• Dispositivo de controle.

As principais vantagens dos sistemas de PME são óbvias. Em primeiro lugar, é um tempo extremamente curto durante o qual a bobina supercondutora é capaz de aceitar ou desistir da energia armazenada em seu campo magnético. Desta forma, é possível não apenas obter forças de descarga instantâneas colossais, mas também recarregar a bobina supercondutora com um atraso de tempo mínimo.

Se compararmos o SME com sistemas de armazenamento de ar comprimido, com volantes e acumuladores hidráulicos, estes últimos são caracterizados por um atraso colossal durante a conversão de eletricidade em mecânica e vice-versa (ver — Armazenamento de energia do volante).

A ausência de partes móveis é outra importante vantagem dos sistemas SMES, o que aumenta sua confiabilidade. E, claro, devido à ausência de resistência ativa em um supercondutor, as perdas de armazenamento aqui são mínimas. A energia específica do SMES é geralmente entre 1 e 10 Wh/kg.

As PMES de 1 MWh são usadas em todo o mundo para melhorar a qualidade da energia onde necessário, como fábricas de microeletrônica que exigem energia da mais alta qualidade.

Além disso, as PMEs também são úteis em serviços públicos. Assim, em um dos estados dos EUA existe uma fábrica de papel, que durante seu funcionamento pode causar fortes picos de energia. Hoje, a linha de energia da fábrica está equipada com toda uma cadeia de módulos SMES que garantem a estabilidade da rede elétrica. Um módulo SMES com capacidade de 20 MWh pode fornecer de forma sustentável 10 MW por duas horas ou todos os 40 MW por meia hora.

A quantidade de energia armazenada por uma bobina supercondutora pode ser calculada usando a seguinte fórmula (onde L é indutância, E é energia, I é corrente):

Do ponto de vista da configuração estrutural da bobina supercondutora, é muito importante que seja resistente à deformação, tenha indicadores mínimos de expansão e contração térmica e também tenha baixa sensibilidade à força de Lorentz, que inevitavelmente surge durante o funcionamento da instalação (As leis mais importantes da eletrodinâmica). Tudo isso é importante para evitar a destruição do enrolamento na fase de cálculo das propriedades e quantidade de materiais de construção da instalação.

Para sistemas pequenos, uma taxa de deformação geral de 0,3% é considerada aceitável. Além disso, a geometria toroidal da bobina contribui para a redução das forças magnéticas externas, o que permite reduzir o custo da estrutura de suporte e também permite que a instalação seja colocada próxima aos objetos de carga.

Se a instalação do SMES for pequena, uma bobina solenóide também pode ser adequada, o que não requer uma estrutura de suporte especial, ao contrário de um toróide. No entanto, deve-se notar que a bobina toroidal precisa de aros e discos de pressão, especialmente quando se trata de uma estrutura que consome bastante energia.

Conforme observado acima, um refrigerador supercondutor refrigerado requer continuamente energia para operar, o que obviamente reduz a eficiência geral do SMES.

Assim, as cargas térmicas que devem ser consideradas ao projetar a instalação incluem: condutividade térmica da estrutura de suporte, radiação térmica do lado das superfícies aquecidas, perdas joule em fios por onde circulam correntes de carga e descarga, bem como perdas na geladeira durante o trabalho.

Mas, embora essas perdas sejam geralmente proporcionais à potência nominal da instalação, a vantagem dos sistemas SMES é que, com um aumento da capacidade energética de 100 vezes, os custos de resfriamento aumentam apenas 20 vezes. Além disso, para supercondutores de alta temperatura, a economia de resfriamento é maior do que ao usar supercondutores de baixa temperatura.

Parece que um sistema de armazenamento de energia supercondutor baseado em um supercondutor de alta temperatura exige menos resfriamento e, portanto, deve custar menos.

Na prática, porém, isso não ocorre, pois o custo total da infraestrutura de instalação geralmente supera o custo do supercondutor, e as bobinas dos supercondutores de alta temperatura são até 4 vezes mais caras que as bobinas dos supercondutores de baixa temperatura .

Além disso, a densidade de corrente limite para supercondutores de alta temperatura é menor do que para os de baixa temperatura, isso se aplica a campos magnéticos operacionais na faixa de 5 a 10 T.

Portanto, para obter baterias com a mesma indutância, são necessários mais fios supercondutores de alta temperatura. E se o consumo de energia da instalação for de cerca de 200 MWh, o supercondutor (condutor) de baixa temperatura será dez vezes mais caro.

Além disso, um dos principais fatores de custo é o seguinte: o custo do refrigerador é, em qualquer caso, tão baixo que a redução da energia de resfriamento usando supercondutores de alta temperatura resulta em uma porcentagem muito baixa de economia.

É possível reduzir o volume e aumentar a densidade de energia armazenada no SMES através do aumento do campo magnético operacional de pico, o que levará a uma redução no comprimento do fio e a uma redução no custo total. O valor ideal é considerado um campo magnético de pico de cerca de 7 T.

Obviamente, se o campo for aumentado além do ideal, reduções adicionais no volume são possíveis com um aumento mínimo no custo. Mas o limite de indução do campo costuma ser fisicamente limitado, devido à impossibilidade de juntar as partes internas do toróide deixando ainda espaço para o cilindro compensador.

O material supercondutor continua sendo uma questão fundamental na criação de instalações econômicas e eficientes para PMEs. Os esforços dos desenvolvedores hoje visam aumentar a corrente crítica e a faixa de deformação dos materiais supercondutores, além de reduzir o custo de sua produção.

Resumindo as dificuldades técnicas no caminho para a introdução generalizada de sistemas de PME, o seguinte pode ser claramente distinguido. A necessidade de um suporte mecânico sólido capaz de suportar a significativa força de Lorentz gerada na bobina.

A necessidade de um grande terreno, uma vez que uma instalação PME, por exemplo com uma capacidade de 5 GWh, vai conter um circuito supercondutor (circular ou rectangular) com cerca de 600 metros de comprimento. Além disso, o recipiente a vácuo de nitrogênio líquido (600 metros de comprimento) ao redor do supercondutor deve estar localizado no subsolo e um suporte confiável deve ser fornecido.

O próximo obstáculo é a fragilidade das cerâmicas supercondutoras de alta temperatura, o que torna difícil puxar fios para altas correntes.O campo magnético crítico que destrói a supercondutividade também é um obstáculo para aumentar a intensidade de energia específica do SMES. NS tem um problema crítico de corrente pelo mesmo motivo.