Sistem Penyimpanan Energi Magnetik Superkonduktor (SMES)

Penyimpanan energi adalah proses yang terjadi dengan perangkat atau media fisik yang menyimpan energi sehingga nantinya dapat digunakan secara efisien.

Sistem penyimpanan energi dapat dibagi menjadi mekanik, listrik, kimia dan termal. Salah satu teknologi penyimpanan energi modern adalah sistem SMES — penyimpanan energi magnetik superkonduktor (sistem penyimpanan energi magnetik superkonduktor).

Sistem penyimpanan energi magnetik superkonduktor (SMES) menyimpan energi dalam medan magnet yang diciptakan oleh aliran arus searah dalam koil superkonduktor yang telah didinginkan secara kriogenik hingga suhu di bawah suhu superkonduktor kritisnya. Ketika kumparan superkonduktor diisi, arus tidak berkurang dan energi magnet dapat disimpan tanpa batas. Energi yang tersimpan dapat dikembalikan ke jaringan dengan melepaskan koil.

Sistem penyimpanan energi magnetik superkonduktor didasarkan pada medan magnet yang dihasilkan oleh aliran arus searah dalam kumparan superkonduktor.

Kumparan superkonduktor terus menerus didinginkan secara kriogenik, sehingga akibatnya selalu di bawah suhu kritis, yaitu. superkonduktor… Selain koil, sistem SMES mencakup lemari es kriogenik serta sistem pendingin udara.

Kesimpulannya adalah bahwa kumparan bermuatan dalam keadaan superkonduktor mampu menahan arus kontinu dengan sendirinya, sehingga medan magnet dari arus tertentu dapat menyimpan energi yang tersimpan di dalamnya untuk waktu yang sangat lama.

Energi yang disimpan dalam koil superkonduktor, jika perlu, dapat disuplai ke jaringan selama pelepasan koil tersebut. Untuk mengubah daya DC menjadi daya AC, inverter, dan untuk mengisi daya koil dari jaringan — penyearah atau konverter AC-DC.

Dalam proses konversi energi yang sangat efisien dalam satu arah atau lainnya, kerugian dalam SME mewakili maksimum 3%, tetapi yang paling penting di sini adalah bahwa dalam proses penyimpanan energi dengan metode ini, kerugian tersebut paling tidak melekat pada salah satu metode yang diketahui saat ini untuk penyimpanan dan penyimpanan energi. Efisiensi minimum keseluruhan UKM adalah 95%.

Karena mahalnya bahan superkonduktor dan mempertimbangkan fakta bahwa pendinginan juga memerlukan biaya energi, sistem SMES saat ini hanya digunakan jika diperlukan untuk menyimpan energi dalam waktu singkat dan pada saat yang sama meningkatkan kualitas catu daya. . Artinya, mereka secara tradisional digunakan hanya dalam kasus kebutuhan mendesak.

Sistem UKM terdiri dari komponen-komponen berikut:

• kumparan superkonduktor,
• Cryostat dan sistem vakum,
• Sistem pendingin,
• sistem konversi energi,
• Perangkat kontrol.

Keuntungan utama dari sistem UKM sudah jelas. Pertama-tama, ini adalah waktu yang sangat singkat di mana koil superkonduktor dapat menerima atau melepaskan energi yang tersimpan dalam medan magnetnya. Dengan cara ini, dimungkinkan tidak hanya untuk mendapatkan gaya pelepasan sesaat yang sangat besar, tetapi juga untuk mengisi ulang koil superkonduktor dengan penundaan waktu yang minimal.

Jika kita membandingkan UKM dengan sistem penyimpanan udara terkompresi, dengan roda gila dan akumulator hidrolik, maka yang terakhir ditandai dengan penundaan yang sangat besar selama konversi listrik menjadi mekanis dan sebaliknya (lihat — Penyimpanan energi roda gila).

Tidak adanya bagian yang bergerak adalah keuntungan penting lainnya dari sistem SMES, yang meningkatkan keandalannya. Dan, tentu saja, karena tidak adanya resistansi aktif dalam superkonduktor, kehilangan penyimpanan di sini minimal. Energi spesifik SMES biasanya antara 1 dan 10 Wh/kg.

1 MWh SMES digunakan di seluruh dunia untuk meningkatkan kualitas daya jika diperlukan, seperti pabrik mikroelektronika yang membutuhkan daya dengan kualitas tertinggi.

Selain itu, UKM juga bermanfaat dalam utilitas. Jadi, di salah satu negara bagian AS terdapat pabrik kertas yang selama beroperasi dapat menyebabkan lonjakan arus listrik yang kuat. Saat ini, saluran listrik pabrik dilengkapi dengan rangkaian modul SMES yang menjamin stabilitas jaringan listrik. Modul SMES dengan kapasitas 20 MWh dapat menyediakan 10 MW secara berkelanjutan selama dua jam atau 40 MW seluruhnya selama setengah jam.

Jumlah energi yang disimpan oleh kumparan superkonduktor dapat dihitung menggunakan rumus berikut (di mana L adalah induktansi, E adalah energi, I adalah arus):

Dari sudut pandang konfigurasi struktural koil superkonduktor, sangat penting bahwa ia tahan terhadap deformasi, memiliki indikator ekspansi dan kontraksi termal yang minimal, dan juga memiliki sensitivitas rendah terhadap gaya Lorentz, yang pasti muncul selama pengoperasian instalasi (Hukum elektrodinamika yang paling penting). Semua ini penting untuk mencegah kerusakan belitan pada tahap penghitungan properti dan jumlah bahan konstruksi instalasi.

Untuk sistem kecil, laju regangan keseluruhan 0,3% dianggap dapat diterima. Selain itu, geometri toroidal koil berkontribusi pada pengurangan gaya magnet luar, yang memungkinkan untuk mengurangi biaya struktur pendukung, dan juga memungkinkan pemasangan ditempatkan dekat dengan objek beban.

Jika pemasangan SMES kecil, maka koil solenoid juga cocok, yang tidak memerlukan struktur pendukung khusus, tidak seperti toroid. Namun, perlu dicatat bahwa koil toroidal membutuhkan lingkaran tekan dan cakram, terutama jika menyangkut struktur yang cukup intensif energi.

Seperti disebutkan di atas, lemari es superkonduktor yang didinginkan secara terus-menerus membutuhkan energi untuk beroperasi, yang tentu saja mengurangi efisiensi SMES secara keseluruhan.

Jadi, beban termal yang harus diperhitungkan saat mendesain instalasi meliputi: konduktivitas termal dari struktur pendukung, radiasi termal dari sisi permukaan yang dipanaskan, kerugian joule pada kabel yang dilalui arus pengisian dan pengosongan, serta kerugian di lemari es saat bekerja.

Tetapi meskipun kerugian ini umumnya sebanding dengan daya nominal instalasi, keuntungan sistem SMES adalah dengan peningkatan kapasitas energi 100 kali lipat, biaya pendinginan hanya meningkat 20 kali lipat. Selain itu, untuk superkonduktor suhu tinggi, penghematan pendinginan lebih besar daripada saat menggunakan superkonduktor suhu rendah.

Tampaknya sistem penyimpanan energi superkonduktor berdasarkan superkonduktor suhu tinggi kurang menuntut pendinginan dan oleh karena itu biayanya lebih murah.

Namun dalam praktiknya, ini tidak terjadi, karena total biaya infrastruktur instalasi biasanya melebihi biaya superkonduktor, dan gulungan superkonduktor suhu tinggi hingga 4 kali lebih mahal daripada gulungan superkonduktor suhu rendah. .

Selain itu, kerapatan arus pembatas untuk superkonduktor suhu tinggi lebih rendah daripada suhu rendah, ini berlaku untuk pengoperasian medan magnet dalam kisaran 5 hingga 10 T.

Jadi untuk mendapatkan baterai dengan induktansi yang sama, diperlukan lebih banyak kabel superkonduktor suhu tinggi. Dan jika konsumsi energi instalasi sekitar 200 MWh, maka superkonduktor (konduktor) suhu rendah akan sepuluh kali lebih mahal.

Selain itu, salah satu faktor biaya utama adalah ini: biaya lemari es sangat rendah sehingga mengurangi energi pendinginan dengan menggunakan superkonduktor suhu tinggi memberikan persentase penghematan yang sangat rendah.

Dimungkinkan untuk mengurangi volume dan meningkatkan kerapatan energi yang disimpan dalam SMES dengan meningkatkan medan magnet operasi puncak, yang akan mengarah pada pengurangan panjang kabel dan pengurangan biaya keseluruhan. Nilai optimal dianggap sebagai medan magnet puncak sekitar 7 T.

Tentu saja, jika bidang ditingkatkan melebihi batas optimal, pengurangan volume lebih lanjut dimungkinkan dengan peningkatan biaya yang minimal. Tetapi batas induksi medan biasanya terbatas secara fisik, karena ketidakmungkinan menyatukan bagian dalam toroid sambil tetap menyisakan ruang untuk silinder kompensasi.

Bahan superkonduktor tetap menjadi isu utama dalam menciptakan instalasi hemat biaya dan efisien untuk UKM. Upaya pengembang saat ini ditujukan untuk meningkatkan arus kritis dan kisaran deformasi bahan superkonduktor, serta mengurangi biaya produksinya.

Merangkum kesulitan teknis dalam perjalanan pengenalan sistem UKM secara luas, berikut ini dapat dibedakan dengan jelas. Kebutuhan akan penopang mekanis yang kokoh yang mampu menahan gaya Lorentz signifikan yang dihasilkan dalam koil.

Kebutuhan lahan yang luas, karena sebuah instalasi UKM, misalnya berkapasitas 5 GWh, akan memiliki sirkuit superkonduktor (bulat atau persegi panjang) dengan panjang sekitar 600 meter. Selain itu, wadah vakum nitrogen cair (panjang 600 meter) yang mengelilingi superkonduktor harus ditempatkan di bawah tanah dan harus disediakan penyangga yang andal.

Kendala selanjutnya adalah rapuhnya keramik superkonduktor suhu tinggi, yang membuatnya sulit menarik kabel untuk arus tinggi.Medan magnet kritis yang menghancurkan superkonduktivitas juga merupakan kendala untuk meningkatkan intensitas energi spesifik SMES. NS memiliki masalah kritis saat ini karena alasan yang sama.