Hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES)

Lưu trữ năng lượng là một quá trình diễn ra với các thiết bị hoặc phương tiện vật lý lưu trữ năng lượng để chúng có thể sử dụng năng lượng đó một cách hiệu quả sau này.

Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể được chia thành cơ khí, điện, hóa học và nhiệt. Một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng hiện đại là các hệ thống SMES—Superconducting Magnetic Energy Storage (hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn).

Hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES) lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra bởi dòng điện một chiều trong cuộn dây siêu dẫn đã được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ siêu dẫn tới hạn của nó. Khi cuộn dây siêu dẫn được tích điện, dòng điện không giảm và năng lượng từ trường có thể được lưu trữ vô thời hạn. Năng lượng được lưu trữ có thể được trả lại cho lưới điện bằng cách xả cuộn dây.

Hệ thống lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn dựa trên từ trường được tạo ra bởi dòng điện một chiều trong cuộn dây siêu dẫn.

Cuộn dây siêu dẫn liên tục được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, do đó, kết quả là nó liên tục ở dưới nhiệt độ tới hạn, tức là chất siêu dẫn… Ngoài cuộn dây, hệ thống SMES bao gồm tủ lạnh đông lạnh cũng như hệ thống điều hòa không khí.

Kết luận là một cuộn dây tích điện ở trạng thái siêu dẫn có khả năng tự duy trì dòng điện liên tục, do đó từ trường của một dòng điện nhất định có thể lưu trữ năng lượng được lưu trữ trong nó trong một thời gian dài vô hạn.

Năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây siêu dẫn, nếu cần, có thể được cung cấp cho mạng trong quá trình phóng điện của cuộn dây đó. Để chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC, biến tầnvà để sạc cuộn dây từ mạng — bộ chỉnh lưu hoặc bộ chuyển đổi AC-DC.

Trong quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao theo hướng này hay hướng khác, tổn thất trong SME chiếm tối đa 3%, nhưng điều quan trọng nhất ở đây là trong quá trình lưu trữ năng lượng theo phương pháp này, tổn thất là ít nhất trong bất kỳ phương pháp hiện được biết đến để lưu trữ và lưu trữ năng lượng. Hiệu quả tối thiểu tổng thể của các doanh nghiệp vừa và nhỏ là 95%.

Do chi phí vật liệu siêu dẫn cao và tính đến việc làm mát cũng đòi hỏi chi phí năng lượng, các hệ thống SMES hiện chỉ được sử dụng ở những nơi cần lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn, đồng thời cải thiện chất lượng cung cấp điện . Đó là, theo truyền thống, chúng chỉ được sử dụng trong trường hợp khẩn cấp.

Hệ thống SME bao gồm các thành phần sau:

• cuộn dây siêu dẫn,
• Cryostat và hệ thống chân không,
• Hệ thống làm mát,
• Hệ thống chuyển đổi năng lượng,
• Thiết bị điều khiển.

Những ưu điểm chính của hệ thống SME là rõ ràng. Trước hết, đó là một khoảng thời gian cực ngắn mà cuộn dây siêu dẫn có thể nhận hoặc từ bỏ năng lượng dự trữ trong từ trường của nó. Bằng cách này, không những có thể thu được lực phóng điện tức thời khổng lồ mà còn có thể nạp lại điện cho cuộn dây siêu dẫn với thời gian trễ tối thiểu.

Nếu chúng ta so sánh SME với các hệ thống lưu trữ khí nén, với bánh đà và bộ tích lũy thủy lực, thì hệ thống sau được đặc trưng bởi độ trễ lớn trong quá trình chuyển đổi điện thành cơ và ngược lại (xem — Lưu trữ năng lượng bánh đà).

Việc không có các bộ phận chuyển động là một lợi thế quan trọng khác của hệ thống SMES, giúp tăng độ tin cậy của chúng. Và, tất nhiên, do không có điện trở tích cực trong chất siêu dẫn, tổn thất lưu trữ ở đây là tối thiểu. Năng lượng riêng của SMES thường nằm trong khoảng từ 1 đến 10 Wh/kg.

1 MWh SMES được sử dụng trên toàn thế giới để cải thiện chất lượng điện năng ở những nơi cần thiết, chẳng hạn như các nhà máy vi điện tử đòi hỏi chất lượng điện năng cao nhất.

Ngoài ra, các doanh nghiệp vừa và nhỏ cũng hữu ích trong các tiện ích. Vì vậy, tại một trong những bang của Hoa Kỳ có một nhà máy sản xuất giấy, trong quá trình hoạt động có thể gây ra sự cố điện giật mạnh. Ngày nay, đường dây điện của nhà máy được trang bị toàn bộ chuỗi mô-đun SMES đảm bảo sự ổn định của lưới điện. Một mô-đun SMES có công suất 20 MWh có thể cung cấp bền vững 10 MW trong hai giờ hoặc tất cả 40 MW trong nửa giờ.

Lượng năng lượng được lưu trữ bởi một cuộn dây siêu dẫn có thể được tính bằng công thức sau (trong đó L là điện cảm, E là năng lượng, I là dòng điện):

Từ quan điểm về cấu hình cấu trúc của cuộn dây siêu dẫn, điều rất quan trọng là nó có khả năng chống biến dạng, có các chỉ số giãn nở và co nhiệt tối thiểu, đồng thời có độ nhạy thấp đối với lực Lorentz chắc chắn phát sinh trong quá trình vận hành cài đặt (Các định luật quan trọng nhất của điện động lực học). Tất cả điều này rất quan trọng để ngăn chặn sự phá hủy cuộn dây ở giai đoạn tính toán các đặc tính và số lượng vật liệu xây dựng của quá trình lắp đặt.

Đối với các hệ thống nhỏ, tỷ lệ biến dạng tổng thể là 0,3% được coi là chấp nhận được. Ngoài ra, hình dạng hình xuyến của cuộn dây góp phần giảm lực từ bên ngoài, giúp giảm chi phí của cấu trúc hỗ trợ, đồng thời cho phép lắp đặt gần các vật tải.

Nếu cài đặt SMES nhỏ, thì cuộn dây điện từ cũng có thể phù hợp, không yêu cầu cấu trúc hỗ trợ đặc biệt, không giống như hình xuyến. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cuộn dây hình xuyến cần vòng ép và đĩa, đặc biệt là khi nó có cấu trúc khá tiêu tốn năng lượng.

Như đã lưu ý ở trên, tủ lạnh siêu dẫn được làm mát liên tục cần năng lượng để hoạt động, điều này tất nhiên làm giảm hiệu quả tổng thể của SMES.

Vì vậy, tải nhiệt phải được tính đến khi thiết kế lắp đặt bao gồm: độ dẫn nhiệt của kết cấu đỡ, bức xạ nhiệt từ mặt bên của bề mặt được làm nóng, tổn thất joule trong dây dẫn qua đó dòng điện sạc và xả, cũng như tổn thất trong tủ lạnh khi làm việc.

Nhưng mặc dù những tổn thất này thường tỷ lệ thuận với công suất danh nghĩa của việc lắp đặt, nhưng ưu điểm của hệ thống SMES là với công suất năng lượng tăng gấp 100 lần, chi phí làm mát chỉ tăng 20 lần. Ngoài ra, đối với chất siêu dẫn nhiệt độ cao, mức tiết kiệm làm mát lớn hơn so với khi sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ thấp.

Có vẻ như một hệ thống lưu trữ năng lượng siêu dẫn dựa trên chất siêu dẫn nhiệt độ cao ít đòi hỏi phải làm mát hơn và do đó sẽ có chi phí thấp hơn.

Tuy nhiên, trên thực tế, đây không phải là trường hợp, vì tổng chi phí của cơ sở hạ tầng lắp đặt thường vượt quá chi phí của chất siêu dẫn và cuộn dây của chất siêu dẫn nhiệt độ cao đắt hơn tới 4 lần so với cuộn dây của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp .

Ngoài ra, mật độ dòng điện giới hạn đối với chất siêu dẫn nhiệt độ cao thấp hơn so với chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, điều này áp dụng cho từ trường hoạt động trong khoảng 5 đến 10 T.

Vì vậy, để có được những viên pin có cùng độ tự cảm, cần có nhiều dây dẫn siêu dẫn nhiệt độ cao hơn. Và nếu mức tiêu thụ năng lượng của việc lắp đặt là khoảng 200 MWh, thì chất siêu dẫn nhiệt độ thấp (dây dẫn) sẽ đắt hơn gấp mười lần.

Ngoài ra, một trong những yếu tố chi phí chính là: chi phí của tủ lạnh trong mọi trường hợp thấp đến mức việc giảm năng lượng làm mát bằng cách sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao mang lại tỷ lệ tiết kiệm rất thấp.

Có thể giảm âm lượng và tăng mật độ năng lượng được lưu trữ trong SMES bằng cách tăng từ trường hoạt động cực đại, điều này sẽ dẫn đến cả việc giảm chiều dài dây và giảm chi phí tổng thể. Giá trị tối ưu được coi là từ trường cực đại khoảng 7 T.

Tất nhiên, nếu trường được tăng lên vượt quá mức tối ưu, thì có thể giảm thêm khối lượng với mức tăng chi phí tối thiểu. Nhưng giới hạn cảm ứng trường thường bị giới hạn về mặt vật lý, do không thể đưa các phần bên trong của hình xuyến lại với nhau trong khi vẫn chừa chỗ cho xi lanh bù.

Vật liệu siêu dẫn vẫn là một vấn đề quan trọng trong việc tạo ra các cài đặt hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Những nỗ lực của các nhà phát triển ngày nay nhằm mục đích tăng dòng tới hạn và phạm vi biến dạng của vật liệu siêu dẫn, cũng như giảm chi phí sản xuất của chúng.

Tóm tắt những khó khăn kỹ thuật trên con đường giới thiệu rộng rãi các hệ thống SME, có thể phân biệt rõ ràng những điều sau đây. Cần có một giá đỡ cơ học chắc chắn có khả năng chịu được lực Lorentz đáng kể được tạo ra trong cuộn dây.

Nhu cầu về một mảnh đất lớn, vì hệ thống lắp đặt của SME, chẳng hạn với công suất 5 GWh, sẽ chứa một mạch siêu dẫn (hình tròn hoặc hình chữ nhật) dài khoảng 600 mét. Ngoài ra, thùng chứa nitơ lỏng chân không (dài 600 mét) bao quanh chất siêu dẫn phải được đặt dưới lòng đất và phải cung cấp hỗ trợ đáng tin cậy.

Trở ngại tiếp theo là tính giòn của gốm siêu dẫn nhiệt độ cao, gây khó khăn cho việc kéo dây cho dòng điện cao.Từ trường tới hạn phá hủy tính siêu dẫn cũng là một trở ngại đối với việc tăng cường độ năng lượng riêng của SMES. NS có một vấn đề nghiêm trọng hiện tại vì lý do tương tự.