Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES)
Energiespeicherung ist ein Prozess, der mit Geräten oder physischen Medien stattfindet, die Energie speichern, um sie später effizient nutzen zu können.
Energiespeichersysteme können in mechanische, elektrische, chemische und thermische unterteilt werden. Eine der modernen Energiespeichertechnologien sind die SMES-Systeme – supraleitende magnetische Energiespeicher (supraleitende magnetische Energiespeichersysteme).
Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie in einem Magnetfeld, das durch einen Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule erzeugt wird, die kryogen auf eine Temperatur unterhalb ihrer kritischen supraleitenden Temperatur abgekühlt wurde. Beim Laden der supraleitenden Spule nimmt der Strom nicht ab und die magnetische Energie kann unbegrenzt gespeichert werden. Durch Entladen der Spule kann die gespeicherte Energie ins Netz zurückgeführt werden.
Das supraleitende magnetische Energiespeichersystem basiert auf einem Magnetfeld, das durch den Fluss von Gleichstrom erzeugt wird in einer supraleitenden Spule.
Die supraleitende Spule wird kontinuierlich kryogen gekühlt, sodass sie ständig unter der kritischen Temperatur liegt, d. h. Supraleiter… Das SMES-System umfasst neben der Spule einen kryogenen Kühlschrank sowie eine Klimaanlage.
Die Schlussfolgerung ist, dass eine geladene Spule im supraleitenden Zustand in der Lage ist, selbst einen kontinuierlichen Strom aufrechtzuerhalten, sodass das Magnetfeld eines gegebenen Stroms die darin gespeicherte Energie unendlich lange speichern kann.
Die in der supraleitenden Spule gespeicherte Energie kann bei Bedarf beim Entladen einer solchen Spule dem Netz zugeführt werden. Um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, Wechselrichterund zum Laden der Spule aus dem Netzwerk – Gleichrichter oder AC-DC-Wandler.
Bei der hocheffizienten Energieumwandlung in die eine oder andere Richtung betragen die Verluste bei KMU maximal 3 %, das Wichtigste dabei ist jedoch, dass bei der Energiespeicherung auf diese Weise die Verluste inhärent am geringsten sind jede der derzeit bekannten Methoden zur Energiespeicherung und -speicherung. Die allgemeine Mindesteffizienz von KMU liegt bei 95 %.
Aufgrund der hohen Kosten für supraleitende Materialien und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass für die Kühlung auch Energiekosten anfallen, werden SMES-Systeme derzeit nur dort eingesetzt, wo es notwendig ist, Energie kurzzeitig zu speichern und gleichzeitig die Qualität der Stromversorgung zu verbessern . Das heißt, sie werden traditionell nur in dringenden Fällen eingesetzt.
Das KMU-System besteht aus folgenden Komponenten:
- supraleitende Spule,
- Kryostat und Vakuumsystem,
- Kühlsystem,
- Energieumwandlungssystem,
- Kontrollgerät.
Die wesentlichen Vorteile von KMU-Systemen liegen auf der Hand. Erstens ist es eine extrem kurze Zeit, in der die supraleitende Spule in der Lage ist, die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie aufzunehmen oder abzugeben. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, enorme sofortige Entladungskräfte zu erzielen, sondern auch die supraleitende Spule mit minimaler Zeitverzögerung wieder aufzuladen.
Vergleicht man KMU mit Druckluftspeichern, mit Schwungrädern und Hydrospeichern, so zeichnen sich letztere durch eine kolossale Verzögerung bei der Umwandlung von Elektrizität in mechanische und umgekehrt aus (siehe – Schwungrad-Energiespeicher).
Das Fehlen beweglicher Teile ist ein weiterer wichtiger Vorteil von SMES-Systemen, der ihre Zuverlässigkeit erhöht. Und da in einem Supraleiter kein aktiver Widerstand vorhanden ist, sind die Speicherverluste hier natürlich minimal. Die spezifische Energie von SMES liegt üblicherweise zwischen 1 und 10 Wh/kg.
1-MWh-SMES werden weltweit eingesetzt, um die Stromqualität dort zu verbessern, wo sie benötigt wird, beispielsweise in Mikroelektronikfabriken, die Strom höchster Qualität benötigen.
Darüber hinaus sind KMU auch in Versorgungsunternehmen nützlich. So gibt es in einem Bundesstaat der USA eine Papierfabrik, die während ihres Betriebs starke Überspannungen in Stromleitungen verursachen kann. Heute ist die Stromleitung der Fabrik mit einer ganzen Kette von SMES-Modulen ausgestattet, die die Stabilität des Stromnetzes gewährleisten. Ein SMES-Modul mit einer Kapazität von 20 MWh kann nachhaltig 10 MW für zwei Stunden oder ganze 40 MW für eine halbe Stunde bereitstellen.
Die von einer supraleitenden Spule gespeicherte Energiemenge kann mit der folgenden Formel berechnet werden (wobei L die Induktivität, E die Energie und I der Strom ist):
Aus Sicht der strukturellen Konfiguration der supraleitenden Spule ist es sehr wichtig, dass sie verformungsbeständig ist, minimale Indikatoren für Wärmeausdehnung und -kontraktion aufweist und außerdem eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Lorentzkraft aufweist, die während der supraleitenden Spule zwangsläufig auftritt Betrieb der Anlage (Die wichtigsten Gesetze der Elektrodynamik). All dies ist wichtig, um eine Zerstörung der Wicklung bei der Berechnung der Eigenschaften und der Menge der Baumaterialien der Anlage zu verhindern.
Für kleine Systeme wird eine Gesamtdehnungsrate von 0,3 % als akzeptabel angesehen. Darüber hinaus trägt die toroidale Geometrie der Spule zur Reduzierung externer magnetischer Kräfte bei, was eine Reduzierung der Kosten für die Tragkonstruktion ermöglicht und zudem eine Platzierung der Anlage in der Nähe der Lastobjekte ermöglicht.
Wenn die SMES-Installation klein ist, kann auch eine Magnetspule geeignet sein, die im Gegensatz zu einem Ringkern keine spezielle Stützstruktur erfordert. Allerdings ist zu beachten, dass die Ringspule Pressbügel und -scheiben benötigt, insbesondere wenn es sich um einen eher energieintensiven Aufbau handelt.
Wie oben erwähnt, benötigt ein gekühlter Supraleiter-Kühlschrank kontinuierlich Energie für den Betrieb, was natürlich die Gesamteffizienz des SMES verringert.
Zu den thermischen Belastungen, die bei der Auslegung der Anlage berücksichtigt werden müssen, gehören daher: Wärmeleitfähigkeit der Tragkonstruktion, Wärmestrahlung von der Seite der beheizten Flächen, Joule-Verluste in Drähten, durch die Lade- und Entladeströme fließen, sowie Verluste im Kühlschrank während der Arbeit.
Obwohl diese Verluste im Allgemeinen proportional zur Nennleistung der Anlage sind, besteht der Vorteil von SMES-Systemen darin, dass bei einer Steigerung der Energiekapazität um das Hundertfache die Kühlkosten nur um das Zwanzigfache steigen. Zudem ist bei Hochtemperatur-Supraleitern die Kühlungseinsparung größer als bei der Verwendung von Niedertemperatur-Supraleitern.
Es scheint, dass ein supraleitendes Energiespeichersystem auf Basis eines Hochtemperatur-Supraleiters weniger Anforderungen an die Kühlung stellt und daher weniger kosten sollte.
In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, da die Gesamtkosten der Installationsinfrastruktur in der Regel die Kosten des Supraleiters übersteigen und die Spulen von Hochtemperatursupraleitern bis zu viermal teurer sind als die Spulen von Niedertemperatursupraleitern .
Darüber hinaus ist die Grenzstromdichte bei Hochtemperatursupraleitern geringer als bei Niedertemperatursupraleitern, dies gilt für Betriebsmagnetfelder im Bereich von 5 bis 10 T.
Um Batterien mit der gleichen Induktivität zu erhalten, sind also mehr Hochtemperatur-Supraleiterdrähte erforderlich. Und wenn der Energieverbrauch der Anlage etwa 200 MWh beträgt, fällt der Niedertemperatur-Supraleiter (Leiter) zehnmal teurer aus.
Darüber hinaus ist einer der entscheidenden Kostenfaktoren: Die Kosten für den Kühlschrank sind ohnehin so niedrig, dass eine Reduzierung der Kühlenergie durch den Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern nur eine sehr geringe prozentuale Einsparung bringt.
Es ist möglich, das Volumen zu reduzieren und die im SMES gespeicherte Energiedichte zu erhöhen, indem das maximale Betriebsmagnetfeld erhöht wird, was sowohl zu einer Reduzierung der Drahtlänge als auch zu einer Reduzierung der Gesamtkosten führt. Als optimal gilt ein Spitzenmagnetfeld von etwa 7 T.
Wenn das Feld über das Optimum hinaus vergrößert wird, sind natürlich weitere Volumenreduzierungen bei minimalem Kostenanstieg möglich. Die Feldinduktionsgrenze ist jedoch normalerweise physikalisch begrenzt, da es unmöglich ist, die inneren Teile des Ringkerns zusammenzubringen und gleichzeitig Platz für den Ausgleichszylinder zu lassen.
Supraleitendes Material bleibt ein zentrales Thema bei der Schaffung kostengünstiger und effizienter Anlagen für KMU. Die Bemühungen der Entwickler zielen heute darauf ab, den kritischen Strom und den Verformungsbereich supraleitender Materialien zu erhöhen sowie deren Herstellungskosten zu senken.
Fasst man die technischen Schwierigkeiten auf dem Weg zur flächendeckenden Einführung von KMU-Systemen zusammen, lässt sich Folgendes deutlich unterscheiden. Die Notwendigkeit einer soliden mechanischen Halterung, die der erheblichen Lorentz-Kraft standhalten kann, die in der Spule erzeugt wird.
Der Bedarf an einem großen Grundstück, da eine KMU-Anlage, beispielsweise mit einer Kapazität von 5 GWh, einen supraleitenden Stromkreis (kreisförmig oder rechteckig) von etwa 600 Metern Länge enthalten wird. Darüber hinaus muss der den Supraleiter umgebende Vakuumbehälter mit flüssigem Stickstoff (600 Meter lang) unter der Erde liegen und für eine zuverlässige Unterstützung sorgen.
Das nächste Hindernis ist die Sprödigkeit supraleitender Hochtemperaturkeramiken, die das Ziehen von Drähten für hohe Ströme erschwert.Das kritische Magnetfeld, das die Supraleitung zerstört, ist auch ein Hindernis für die Erhöhung der spezifischen Energieintensität von KMU. NS hat aus dem gleichen Grund ein kritisches Stromproblem.