Nadprzewodzące pojemniki energii SMES

Wstęp

 

SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), to rozwiązanie wykorzystujące do gromadzenia i przechowywania energii  pole magnetyczne wytworzone przez prąd stały płynący przez cewkę ( w kształcie selenoidu lub toroidu)  nadprzewodnikowego elektromagnesu. Po naładowaniu prąd cewki nie zanika i może być przechowany przez dłuższy czas, a następnie wykorzystany w sieci w czasie zwiększonego zapotrzebowania na energię. Pierwsze praktyczne rozwiązania takich magazynów zostało zastosowane w USA w latach 70-tych, przy okazji intensywnego rozwoju energetyki jądrowej. Problemy z pracą reaktorów i regulacją mocy elektrowni wymusiły wprowadzenie urządzeń kompensacyjnych w sieci nie opartych na ropie i węglu. Pierwszy profesjonalny magazyny SMES o energii 30 MJ zastosowany w dyspozytorni mocy w Bonneville, (Bonneville Power Authority, BPA) został zbudowany w 1978 r. przez Laboratorium w Los Alamos (Los Alamos National Laboratory, LANL) we współpracy z Uniwersytetem w Wisconsin. Opracowane i realizowane obecnie projekty przemysłowych zastosowań SMES-ów obejmują:

– układy μSMES o energiach rzędu MJ, które wchodzą w fazę komercjalizacji;

– układy o energiach rzędu GJ, obecnie w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych;

– zasobniki wysokotemperaturowe (High-TC Superconductors, HTS) o niewielkich energiach rzędu

kJ, których technologia nie jest jeszcze w pełni opracowana i prowadzone są intensywne badania w

wielu krajach (tabela 1).

 

Tabela1. Magazyny energii SMES

Z powyższych elektromagnesów zastosowanie komercyjne w sieci ma niemiecki ACCEL. Jego parametry podaję w Tabeli 2.

 

Budowa

Zasobniki SMES składają sie zasadniczo z trzech elementów:

–  nadprzewodzącej cewki

– kondycjonera mocy

– układu chłodzenia 

 

W nadprzewodnikach przepływ prądu występuje bez strat (bez oporu i wydzielania ciepła). Nadprzewodnictwo zostało odkryte już w roku 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa, który zauważył brak oporu w rtęci w temp. bliskiej zera absolutnego (4,2K). Odkrycie było przypadkowe, podczas skraplania helu.

Rys. Opór rtęci w zależności od temperatury.

 

Tabela 2. Parametry pracy niemieckiego ACCEL.

 

Rys. 

 

Bardzo niska temperatura nadprzewodnictwa w owym czasie wykluczała praktyczne zastosowanie zjawiska.

Próby z wieloma metalami także nie dawały rezultatu, oprócz niskiej temperatury konieczne okazało się wysokie ciśnienie. Odkrycie w roku 1986 przez G. Bednorza i A. Müllera (laureaci Nagrody Nobla z 1987 r.) nadprzewodnictwa materiałów w temperaturze

około 30 K spowodowało gwałtowny wzrost

zainteresowania zjawiskiem nadprzewodnictwa

i możliwościami  jego wykorzystania w technice.

Ze względu na charakter zmian właściwości w polu magnetycznym wprowadzony został podział na nadprzewodniki I i II rodzaju, a ze względu na

wartość temperatury krytycznej podział na nadprzewodniki niskotemperaturowe

(LTS) oraz wysokotemperaturowe (HTS). Umowną  granicą rozdzielającą nadprzewodniki niskotemperaturowe od wysokotemperaturowych jest temperatura Tc = 25 K, wynikająca z teorii mikroskopowej BCS. Dla nadprzewodników niskotemperaturowych stosowane są kryteria

rezystancyjne 10-14 Ωm i 10-13 Ωm lub kryteria polowe 10 µV/m i 100 µV/m. Dla nadprzewodników wysokotemperaturowych stosowane są kryteria rezystancyjne 2·10-13 Ωm i 10-12 Ωm lub kryteria polowe 100 µV/m i 500 µV/m.

– LTS -Low Temperature Superconducting, do których zalicza się materiały o temperaturze nadprzewodnictwa osiąganej w ciekłym helu np. NbTi

– HTS – High Temperature Superconducting, do których zalicza się materiały nadprzewodzące w temp. ciekłego azotu (77K). Użycie ciekłego azotu zamiast helu pozwala na zmniejszenie kosztów związanych

z chłodzeniem. Ciekły azot jest znacznie tańszy, niepalny i przyjazny dla środowiska, stosowany w przemyśle od wielu lat.

Przewód nadprzewodnikowy charakteryzują następujące parametry:

– charakterystyka krytyczna przewodu,

– średnica przewodu,

– liczba włókien nadprzewodnikowych oraz stosunek objętości matrycy do nadprzewodnika Csc

(współczynnik stabilizacji).

Masowa produkcja nadprzewodników LTS rozpoczęła się w latach 60. Są to nadprzewodniki Nb-Ti oraz Nb3Sn, w postaci drutów o strukturze włóknistej

Fot. Wygląd nadprzewodnika Nb3Sn Przewód o średnicy 0,78 mm z 6048 włóknami Nb3Sn

w 36 wiązkach po prawej powiększenie jednej wiązki

 

 i w matrycy metalowej (Cu, Cu-Sn)  . Po odkryciu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w 1986 roku rozpoczęto w latach 90 produkcję ceramicznych nadprzewodników I generacji (Bi-2212 i Bi-2223) w postaci przewodów o strukturze włóknistej lub kształtek masywnych, oraz nadprzewodniki II generacji (YBCO) w postaci taśm.

 

Rys. Przekrój przez nadprzewodzący magnes. Cewka (superconduting coil) wykonana w formie walca toroidalnego.

 

Budowa cewki nadprzewodzącej

Cewka ma najczęściej kształt toroidalny (zwiniętego walca) lub selenoidlany. Zaletą solenoidu jest większa

pojemność energii na jednostkę długości przewodu niż w toroidzie oraz znacznie prostsza i tańsza konstrukcja. Zaletą toroidu jest ograniczenie pola magnetycznego wyłącznie do przestrzeni o kształcie toroidu, dzięki czemu nie występują problemy z niekorzystnym oddziaływaniem strumienia rozproszenia na otaczające środowisko. Wewnątrz cewki znajduje się rdzeń wewnętrzny na który nawinięte jest uzwojenie z materiału nadprzewodzącego. Rdzeń wewnętrzny wykonany jest na całej długości cewki. Drugim jest rdzeń magnetyczny zewnętrzny nałożony najczęściej prostopadle do wewnętrznego w postaci cylindrów równomiernie rozłożonych na długości toroidu. Rdzeń zewnętrzny wykonany jest z taśmy magnetycznej.

 

Prąd w uzwojeniu nadprzewodnikowym, chłodzonym w zależności od typu nadprzewodnika ciekłym helem lub azotem, płynie praktycznie bezoporowo i bez strat. Dzięki temu możliwe jest osiąganie znacznych gęstości prądu w cienkim drucie nadprzewodnikowym lub taśmie HTS. W ściśle nawiniętym uzwojeniu gęstość energii pola magnetycznego osiąga 106 J/m3. Wartość ta jest ponad rząd wielkości większa niż dla pola elektrostatycznego. W niewielkich objętościach cewek nadprzewodnikowych można zatem gromadzić duże energie. Mimo, iż zasobniki nadprzewodnikowe charakteryzują się mniejszą gęstością

energii w stosunku do konwencjonalnego akumulatora kwasowo-ołowiowego, ich zaletą jest bardzo duża gęstość mocy, którą można pobrać lub oddać bardzo szybko. Ponadto charakteryzują się wysoką sprawnością, wynikającą z naturalnej przemiany energii pola magnetycznego na energię elektryczną oraz praktycznie nieograniczonym czasem przechowywania energii pola magnetycznego uwarunkowanym jedynie działaniem układu chłodzenia. Energia zmagazynowana w polu magnetycznym elektromagnesu nadprzewodnikowego zależy od wartości natężenia pola magnetycznego

gdzie:

 E – energia w dżulach

L – indukcyjność w henrach

I – natężenie prądu w amperach

 

 Zastosowanie technologii SMES

 

W uzwojeniu nadprzewodnikowym prąd płynie bez strat, więc zmagazynowana energia nie jest rozpraszana i może być przechowywana dowolnie długo, gdy elektromagnes znajduje się w stanie nadprzewodzącym. Zmagazynowana energia w polu magnetycznym elektromagnesów nadprzewodnikowych może znaleźć, w zależności od żądanego czasu przekazywania, następujące

zastosowania:

– przy czasach rzędu mikrosekund, w obciążeniach rezystancyjnych takich jak lampy fleszowe i lasery;

– przy czasach rzędu milisekund, w obciążeniach indukcyjnych, np. przy ograniczeniu plazmy w

reaktorach syntezy termojądrowej;

– przy czasach rzędu sekund, do ograniczania skutków krótkotrwałych dużych poborów energii w systemie

elektroenergetycznym;

– przy czasach rzędu godzin, do wyrównywania szczytów lub zmian obciążeń w systemie elektroenergetycznym.

 

W rzeczywistych rozwiązaniach SMES jest urządzeniem współpracującym z siecią energetyczną gdzie napięcie ma charakter przemienny. Ponieważ elektromagnes nadprzewodnikowy gromadzi energię prądu stałego, wymagane są układy konwersji napięcia zwane systemem formowania napięcia (PCS). Przeważnie składa się on z typowego falownika przetwarzającego prąd stały na napięcie sieci

energetycznej przy procesie oddawania energii z cewki i typowego prostownika gdy wymagane jest naenergetyzowanie cewki.

Tabela. Potencjalne zastosowanie SMES w zależności od energii

 

Podstawowym elementem układu nadprzewodnikowego zasobnika energii jest stałoprądowy elektromagnes nadprzewodnikowy utrzymywany w niskiej temperaturze zapewnianej przez układ kriogeniczny, który chłodzi również krioprzepusty prądowe, stanowiące elektryczne i termiczne

połączenie elektromagnesu nadprzewodnikowego z układem przekształtnikowym. Przekształtnik AC/DC łączy elektrycznie sieć energetyczną z zasobnikiem energii i wrażliwym odbiornikiem.

Rys. Schemat układu SMES.

Rys. Zaprojektowany elektromagnes dla SMES-a z elementami kriostatu i głowicą kriochłodziarki  (projekt Politechniki Lubelskiej)