Almacenamiento de energía magnética superconductora
Un sistema SMES típico incluye tres partes: bobina superconductora, sistema de acondicionamiento de energía y refrigerador refrigerado criogénicamente. Una vez que se carga la bobina superconductora, la corriente no decaerá y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente.
La energía almacenada se puede devolver a la red descargando la bobina. El sistema de acondicionamiento de energía utiliza un inversor/rectificador para transformar la energía de corriente alterna (CA) en corriente continua o convertir la CC nuevamente en energía de CA. El inversor/rectificador representa alrededor del 2% al 3% de la pérdida de energía en cada dirección. SMES pierde la menor cantidad de electricidad en el proceso de almacenamiento de energía en comparación con otros métodos de almacenamiento de energía. Los sistemas SMES son altamente eficientes; la eficiencia de ida y vuelta es superior al 95%.
Debido a los requisitos de energía de la refrigeración y el alto costo del cable superconductor, SMES se utiliza actualmente para el almacenamiento de energía de corta duración. Por lo tanto, SMES se dedica más comúnmente a mejorar la calidad de la energía.
Ventajas sobre otros métodos de almacenamiento de energía
Hay varias razones para utilizar el almacenamiento de energía magnética superconductora en lugar de otros métodos de almacenamiento de energía. La ventaja más importante de SMES es que el tiempo de demora durante la carga y descarga es bastante corto. La energía está disponible casi instantáneamente y se puede proporcionar una potencia de salida muy alta durante un breve período de tiempo. Otros métodos de almacenamiento de energía, como el bombeo hidráulico o el aire comprimido, tienen un retraso de tiempo considerable asociado con la conversión de energía de la energía mecánica almacenada nuevamente en electricidad. Así, si la demanda es inmediata, las PYMES son una opción viable. Otra ventaja es que la pérdida de energía es menor que con otros métodos de almacenamiento porque las corrientes eléctricas casi no encuentran resistencia. Además, las partes principales de un SMES están inmóviles, lo que da como resultado una alta confiabilidad.
Uso actual
Hay varias unidades SMES pequeñas disponibles para uso comercial y varios proyectos de banco de pruebas más grandes. Varias unidades de 1 MW·h se utilizan para el control de calidad de la energía en instalaciones de todo el mundo, especialmente para proporcionar calidad de energía en plantas de fabricación que requieren energía ultra limpia, como las instalaciones de fabricación de microchips.
Estas instalaciones también se han utilizado para brindar estabilidad a la red en los sistemas de distribución. SMES también se utiliza en aplicaciones de servicios públicos. En el norte de Wisconsin, se implementó una serie de unidades SMES distribuidas para mejorar la estabilidad de un bucle de transmisión. La línea de transmisión está sujeta a cambios de carga grandes y repentinos debido a la operación de una fábrica de papel, con el potencial de fluctuaciones incontroladas y colapso de voltaje.
El Modelo de prueba de ingeniería es una PYME grande con una capacidad de aproximadamente 20 MW·h, capaz de proporcionar 40 MW de potencia durante 30 minutos o 10 MW de potencia durante 2 horas.
Arquitectura del sistema
Un sistema SMES normalmente consta de cuatro partes
Imán superconductor y estructura de soporte
Este sistema incluye la bobina superconductora, un imán y la protección de la bobina. Aquí, la energía se almacena desconectando la bobina del sistema más grande y luego usando la inducción electromagnética del imán para inducir una corriente en la bobina superconductora. Esta bobina luego conserva la corriente hasta que la bobina se vuelve a conectar al sistema más grande, después de lo cual la bobina se descarga parcial o totalmente.
Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración mantiene el estado superconductor del serpentín enfriándolo hasta la temperatura de funcionamiento.
Sistema de acondicionamiento de energía
El sistema de acondicionamiento de energía generalmente contiene un sistema de conversión de energía que convierte la corriente continua en corriente alterna y viceversa.
Sistema de control
El sistema de control supervisa la demanda de energía de la red y controla el flujo de energía desde y hacia la bobina. El sistema de control también gestiona el estado de la batería SMES mediante el control del frigorífico.
Principio de funcionamiento
Como consecuencia de la ley de inducción de Faraday, cualquier bucle de alambre que genera un campo magnético cambiante en el tiempo, también genera un campo eléctrico. Este proceso extrae energía del cable a través de la fuerza electromotriz (EMF). EMF se define como el trabajo electromagnético realizado en una unidad de carga cuando ha recorrido una vuelta de un bucle conductor. Ahora se podía ver la energía almacenada en el campo eléctrico. Este proceso utiliza energía del cable con una potencia igual al potencial eléctrico multiplicado por la carga total dividida por el tiempo. Donde Ɛ es el voltaje o EMF. Al definir la potencia, podemos calcular el trabajo que se necesita para crear dicho campo eléctrico. Debido a la conservación de la energía, esta cantidad de trabajo también tiene que ser igual a la energía almacenada en el campo.
Esta fórmula se puede reescribir en la variable de corriente eléctrica más fácil de medir por la sustitución.
Donde I es la corriente eléctrica en Amperios. El EMF Ɛ es una inductancia y, por lo tanto, puede reescribirse como:
La sustitución ahora da:
Donde L es solo una constante de linealidad llamada inductancia medida en Henry. Ahora que se encuentra la potencia, todo lo que queda por hacer es completar la ecuación del trabajo para encontrar el trabajo.
Como se dijo anteriormente, el trabajo debe ser igual a la energía almacenada en el campo. Todo este cálculo se basa en un solo cable en bucle. Para cables que se enlazan varias veces, la inducción L aumenta, ya que L se define simplemente como la relación entre el voltaje y la tasa de cambio de la corriente. En conclusión la energía almacenada en la bobina es igual a:
Dónde
E = energía medida en julios
L = inductancia medida en henrios
I = corriente medida en amperios
Ahora consideremos una bobina cilíndrica con conductores de sección transversal rectangular. El radio medio de la bobina es R. a y b son el ancho y la profundidad del conductor. f se llama función de forma, que es diferente para diferentes formas de bobina. ξ (xi) y δ (delta) son dos parámetros para caracterizar las dimensiones de la bobina. Por lo tanto, podemos escribir la energía magnética almacenada en una bobina cilíndrica como se muestra a continuación. Esta energía es una función de las dimensiones de la bobina, el número de vueltas y la corriente que lleva.
Dónde
E = energía medida en julios
I = corriente medida en amperios
f(ξ,δ) = forma función, julios por amperio-metro
N = número de vueltas de la bobina
Solenoide versus toroide
Además de las propiedades del cable, la configuración de la bobina en sí es un tema importante desde el punto de vista de la ingeniería mecánica. Hay tres factores que afectan el diseño y la forma de la bobina: tolerancia inferior a la deformación, contracción térmica al enfriarse y fuerzas de Lorentz en una bobina cargada. Entre ellos, la tolerancia a la deformación es crucial no por ningún efecto eléctrico, sino porque determina cuánto material estructural se necesita para evitar que el SMES se rompa. Para sistemas SMES pequeños, se selecciona el valor optimista de 0,3 % de tolerancia a la deformación. La geometría toroidal puede ayudar a disminuir las fuerzas magnéticas externas y, por lo tanto, reduce el tamaño del soporte mecánico necesario. Además, debido al bajo campo magnético externo, los SMES toroidales se pueden ubicar cerca de la carga de un servicio público o de un cliente.
Para las PYMES pequeñas, generalmente se usan solenoides porque son fáciles de enrollar y no se necesita precompresión. En los SMES toroidales, la bobina está siempre comprimida por los aros exteriores y dos discos, uno en la parte superior y el otro en la parte inferior para evitar roturas. Actualmente, hay poca necesidad de geometría toroidal para pequeñas SMES, pero a medida que aumenta el tamaño, las fuerzas mecánicas se vuelven más importantes y se necesita la bobina toroidal.
Los conceptos SMES grandes más antiguos generalmente presentaban un solenoide de baja relación de aspecto de aproximadamente 100 m de diámetro enterrado en la tierra. En el extremo inferior del tamaño se encuentra el concepto de solenoides micro-SMES, para un rango de almacenamiento de energía cercano a 1 MJ.
Superconductores de baja temperatura frente a alta temperatura
En condiciones de estado estacionario y en estado superconductor, la resistencia de la bobina es insignificante. Sin embargo, el refrigerador necesario para mantener fresco el superconductor requiere energía eléctrica y esta energía de refrigeración debe ser considerada al evaluar la eficiencia de SMES como dispositivo de almacenamiento de energía.
Aunque los superconductores de alta temperatura (HTS) tienen una temperatura crítica más alta, la fusión de la red de flujo tiene lugar en campos magnéticos moderados alrededor de una temperatura inferior a esta temperatura crítica. Las cargas de calor que debe eliminar el sistema de enfriamiento incluyen la conducción a través del sistema de soporte, la radiación de superficies más cálidas a las más frías, pérdidas de CA en el conductor (durante la carga y descarga) y pérdidas de los cables de alimentación de frío a caliente que conectan la bobina fría al sistema de acondicionamiento de energía. Las pérdidas por conducción y radiación se minimizan mediante el diseño adecuado de las superficies térmicas. Las pérdidas de plomo se pueden minimizar con un buen diseño de los cables. Las pérdidas de CA dependen del diseño del conductor, el ciclo de trabajo del dispositivo y la potencia nominal.
Los requisitos de refrigeración para HTSC y bobinas toroidales superconductoras de baja temperatura (LTSC) para las temperaturas de referencia de 77 K, 20 K y 4,2 K aumentan en ese orden. Los requisitos de refrigeración aquí se definen como energía eléctrica para operar el sistema de refrigeración. A medida que la energía almacenada aumenta por un factor de 100, el costo de refrigeración solo aumenta por un factor de 20. Además, el ahorro en refrigeración para un sistema HTSC es mayor (entre un 60 % y un 70 %) que para un sistema LTSC.
Coste
El hecho de que los sistemas HTSC o LTSC sean más económicos depende de que existan otros componentes principales que determinan el costo de SMES: el conductor que consta de superconductor y el estabilizador de cobre y el soporte frío son costos importantes en sí mismos. Deben juzgarse con la eficiencia general y el costo del dispositivo. Se ha demostrado que otros componentes, como el aislamiento del recipiente de vacío, son una parte pequeña en comparación con el gran costo de la bobina. Los costos combinados de conductores, estructura y refrigerador para bobinas toroidales están dominados por el costo del superconductor. La misma tendencia es cierta para las bobinas de solenoide. Los serpentines HTSC cuestan más que los serpentines LTSC por un factor de 2 a 4. Esperamos ver un costo más bajo para HTSC debido a los menores requisitos de refrigeración, pero este no es el caso.
Para obtener una idea de los costos, considere un desglose por componentes principales de las bobinas HTSC y LTSC correspondientes a tres niveles típicos de energía almacenada, 2, 20 y 200 MW·h. El costo del conductor domina los tres costos para todos los casos HTSC y es particularmente importante en tamaños pequeños. La razón principal radica en la densidad de corriente comparativa de los materiales LTSC y HTSC. La corriente crítica del cable HTSC es más baja que la del cable LTSC generalmente en el campo magnético operativo, alrededor de 5 a 10 teslas (T). Suponga que los costos de alambre son los mismos por peso. Debido a que el cable HTSC tiene un valor menor (Jc) que el cable LTSC, se necesitará mucho más cable para crear la misma inductancia. Por lo tanto, el costo del cable es mucho más alto que el cable LTSC. Además, a medida que el tamaño de las PYMES aumenta de 2 a 20 a 200 MW·h, el costo del conductor de LTSC también aumenta en un factor de 10 en cada paso. El costo del conductor HTSC aumenta un poco más lentamente, pero sigue siendo, con mucho, el elemento más costoso.
Los costos de estructura de HTSC o LTSC aumentan uniformemente (un factor de 10) con cada paso de 2 a 20 a 200 MW·h. Pero el costo de la estructura HTSC es más alto porque la tolerancia a la deformación del HTSC (la cerámica no puede soportar mucha carga de tracción) es menor que la del LTSC, como Nb3Ti o Nb3Sn, que exige más materiales de estructura. Por lo tanto, en los casos muy grandes, el costo de HTSC no puede compensarse simplemente reduciendo el tamaño de la bobina a un campo magnético más alto.
Vale la pena señalar aquí que el costo del refrigerador en todos los casos es tan pequeño que hay muy poco porcentaje de ahorro asociado con la reducción de las demandas de refrigeración a alta temperatura. Esto significa que si un HTSC, BSCCO por ejemplo, funciona mejor a baja temperatura, digamos 20K, seguramente funcionará allí. Para las PYMES muy pequeñas, la reducción del costo del refrigerador tendrá un impacto positivo más significativo.
Claramente, el volumen de las bobinas superconductoras aumenta con la energía almacenada. Además, podemos ver que el diámetro máximo del toroide LTSC siempre es más pequeño para un imán HTSC que para un LTSC debido a la mayor operación del campo magnético. En el caso de las bobinas de solenoide, la altura o la longitud también es menor para las bobinas HTSC, pero aún mucho mayor que en una geometría toroidal (debido al bajo campo magnético externo).
Un aumento en el campo magnético máximo produce una reducción tanto en el volumen (mayor densidad de energía) como en el costo (reducción de la longitud del conductor). Un volumen más pequeño significa una mayor densidad de energía y el costo se reduce debido a la disminución de la longitud del conductor. Hay un valor óptimo del campo magnético pico, alrededor de 7 T en este caso. Si el campo se incrementa más allá del óptimo, son posibles reducciones de volumen adicionales con un aumento mínimo en el costo. El límite al que se puede aumentar el campo normalmente no es económico sino físico y se relaciona con la imposibilidad de acercar más las patas internas del toroide y aún así dejar espacio para el cilindro de tronzado.
El material superconductor es un tema clave para las PYMES. Los esfuerzos de desarrollo de superconductores se centran en aumentar el Jc y el rango de tensión y en reducir el costo de fabricación del cable.
Aplicaciones
La densidad energética, la eficiencia y la alta tasa de descarga hacen que las PYMES sean sistemas útiles para incorporar a las redes de energía modernas e iniciativas de energía verde. Los usos del sistema SMES se pueden clasificar en tres categorías: sistemas de suministro de energía, sistemas de control y sistemas de emergencia/contingencia.
HECHOS
Los dispositivos FACTS (sistema flexible de transmisión de CA) son dispositivos estáticos que se pueden instalar en las redes eléctricas. Estos dispositivos se utilizan para mejorar la controlabilidad y la capacidad de transferencia de energía de una red de energía eléctrica. La aplicación de SMES en dispositivos FACTS fue la primera aplicación de sistemas SMES. La autoridad energética de Bonneville instaló la primera realización de SMES con dispositivos FACTS en 1980. Este sistema utiliza sistemas SMES para amortiguar las bajas frecuencias, lo que contribuye a la estabilización de la red eléctrica. En 2000, los sistemas FACTS basados en SMES se introdujeron en puntos clave de la red eléctrica del norte de Winston para mejorar la estabilidad de la red.
Nivelación de carga
El uso de la energía eléctrica requiere un suministro de energía estable que entregue una potencia constante. Esta estabilidad depende de la cantidad de energía utilizada y la cantidad de energía creada. El uso de energía varía a lo largo del día y también varía durante las estaciones. Los sistemas SMES se pueden utilizar para almacenar energía cuando la potencia generada es superior a la demanda/carga, y liberar energía cuando la carga es superior a la potencia generada. Compensando así las fluctuaciones de energía. El uso de estos sistemas hace posible que las unidades generadoras convencionales operen a una salida constante, lo cual es más eficiente y conveniente. Sin embargo, cuando el desequilibrio de poder entre la oferta y la demanda dura mucho tiempo, el SMES puede quedar completamente descargado.
Control de frecuencia de carga
Cuando la carga no cumple con la potencia de salida generada, debido a una perturbación de la carga, esto puede causar que la carga sea mayor que la potencia de salida nominal de los generadores. Esto, por ejemplo, puede suceder cuando los generadores eólicos no giran debido a una repentina falta de viento. Esta perturbación de carga puede causar un problema de control de frecuencia de carga. Este problema puede amplificarse en los generadores de energía eólica basados en DFIG. Esta disparidad de carga se puede compensar con la potencia de salida de los sistemas SMES que almacenan energía cuando la generación es mayor que la carga. Los sistemas de control de frecuencia de carga basados en SMES tienen la ventaja de una respuesta rápida en comparación con los sistemas de control contemporáneos.
Fuentes de alimentación ininterrumpida
Las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) se utilizan para proteger contra sobretensiones y cortes de energía mediante el suministro de una fuente de alimentación continua. Esta compensación se realiza cambiando de la fuente de alimentación que falla a un sistema SMES que puede suministrar casi instantáneamente la energía necesaria para continuar la operación de los sistemas esenciales. Los UPS basados en SMES son más útiles en sistemas que deben mantenerse en ciertas cargas críticas.
Reconexión del disyuntor
Cuando la diferencia del ángulo de potencia en un interruptor automático es demasiado grande, los relés de protección evitan que se vuelvan a cerrar los interruptores automáticos. Los sistemas SMES se pueden utilizar en estas situaciones para reducir la diferencia de ángulo de potencia en el interruptor automático. Permitiendo así el recierre del interruptor automático. Estos sistemas permiten la restauración rápida de la energía del sistema después de cortes importantes en la línea de transmisión.
Reserva de giro
La reserva rotativa es la capacidad de generación adicional que está disponible al aumentar la generación de energía de los sistemas que están conectados a la red. Esta capacidad reservada por el operador del sistema para la compensación de interrupciones en la red eléctrica. Debido a los rápidos tiempos de recarga y al rápido proceso de conversión de corriente alterna a corriente continua de los sistemas SMES, estos sistemas se pueden utilizar como reserva giratoria cuando una red principal de líneas de transmisión está fuera de servicio.
SFCL
Los limitadores de corriente de falla superconductora (SFCL) se utilizan para limitar la corriente bajo una falla en la red. En este sistema, un superconductor se apaga (aumenta la temperatura) cuando se detecta una falla en la línea de cuadrícula. Al apagar el superconductor, la resistencia aumenta y la corriente se desvía a otras líneas de la red. Esto se hace sin interrumpir la cuadrícula más grande. Una vez que se elimina la falla, la temperatura de SFCL se reduce y se vuelve invisible para la red más grande.
Lanzadores electromagnéticos
Los lanzadores electromagnéticos son armas eléctricas de proyectiles que utilizan un campo magnético para acelerar los proyectiles a una velocidad muy alta. Estos lanzadores requieren fuentes de pulsos de alta potencia para funcionar. Estos lanzadores se pueden realizar mediante el uso de la capacidad de liberación rápida y la alta densidad de potencia del sistema SMES.
Desarrollos futuros para sistemas SMES
Los desarrollos futuros en los componentes de los sistemas SMES podrían hacerlos más viables para otras aplicaciones. En particular, el desarrollo de superconductores. Los físicos de la materia condensada siempre buscan superconductores con temperaturas críticas más altas. En 2013, un grupo de investigadores incluso encontró un superconductor que funciona a temperatura ambiente. Esto fue estable durante picosegundos, lo que lo hizo poco práctico pero, sin embargo, demostró que la superconductividad a temperatura ambiente es posible. La necesidad de refrigeración es un costo. Eliminar ese costo mediante el uso de un superconductor a temperatura ambiente o incluso un superconductor cercano a la temperatura ambiente haría que el sistema SMES fuera más viable y más eficiente.
La temperatura crítica de un superconductor también tiene una fuerte correlación con la corriente crítica. Una sustancia con una temperatura crítica alta también tendrá una corriente crítica alta. Esta corriente crítica más alta aumentará exponencialmente el almacenamiento de energía. Esto aumentará enormemente el uso de un sistema SMES.
Desafíos técnicos
El contenido energético de los sistemas SMES actuales suele ser bastante pequeño. Los métodos para aumentar la energía almacenada en las PYMES suelen recurrir a unidades de almacenamiento a gran escala. Al igual que con otras aplicaciones superconductoras, la criogenia es una necesidad. Por lo general, se requiere una estructura mecánica robusta para contener las fuerzas de Lorentz muy grandes generadas por y sobre las bobinas magnéticas. El costo dominante para SMES es el superconductor, seguido por el sistema de enfriamiento y el resto de la estructura mecánica.
- Apoyo mecánico
- Se necesita debido a las grandes fuerzas de Lorentz generadas por el fuerte campo magnético actuando en la bobina, y el fuerte campo magnético generado por la bobina en la estructura más grande.
- Tamaño
- Para lograr niveles de almacenamiento comercialmente útiles, alrededor de 5 GW·h (18 TJ), una instalación SMES necesitaría un bucle de aproximadamente 0,5 millas (800 m). Esto se ve tradicionalmente como un círculo, aunque en la práctica podría ser más como un rectángulo redondeado. En cualquier caso requeriría acceso a una cantidad significativa de terreno para albergar la instalación.
- Fabricación
- Hay dos problemas de fabricación alrededor de SMES. La primera es la fabricación de cable a granel adecuado para llevar la corriente. Los materiales superconductores HTSC encontrados hasta la fecha son cerámicas relativamente delicadas, lo que dificulta el uso de técnicas establecidas para extraer longitudes extendidas de alambre superconductor. Mucha investigación se ha centrado en técnicas de depósito de capas, aplicando una fina película de material sobre un sustrato estable, pero esto es actualmente sólo adecuado para circuitos eléctricos a pequeña escala.
- Infraestructura
- El segundo problema es la infraestructura necesaria para una instalación. Hasta que se encuentren superconductores de temperatura ambiente, el bucle de alambre de 0,5 millas (800 m) tendría que estar contenido en un frasco de vacío de nitrógeno líquido. Esto a su vez requeriría apoyo estable, más comúnmente imaginado por enterrar la instalación.
- Campo magnético crítico
- Sobre cierta fuerza de campo, conocida como el campo crítico, el estado superconductor es destruido. Esto significa que existe una tasa de carga máxima para el material superconductor, dado que la magnitud del campo magnético determina el flujo capturado por la bobina superconductora.
- Corriente crítica
- En general, los sistemas de energía buscan maximizar la corriente que pueden manejar. Esto hace que las pérdidas debidas a ineficiencias en el sistema sean relativamente insignificantes. Desafortunadamente, grandes corrientes pueden generar campos magnéticos mayores que el campo crítico debido a la Ley de Ampere. Por lo tanto, los materiales actuales luchan por llevar una corriente suficiente para hacer económicamente viable una instalación comercial de almacenamiento.
Varios problemas al comienzo de la tecnología han impedido su proliferación:
- Unidades de refrigeración costosas y alto costo de potencia para mantener las temperaturas de funcionamiento
- Existencia y desarrollo continuo de tecnologías adecuadas utilizando conductores normales
Estos siguen planteando problemas para las aplicaciones superconductoras, pero están mejorando con el tiempo. Se han hecho avances en el rendimiento de los materiales superconductores. Además, la confiabilidad y eficiencia de los sistemas de refrigeración ha mejorado significativamente.
Tiempo de preenfriamiento prolongado
Por el momento se tarda cuatro meses en enfriar el serpentín desde temperatura ambiente hasta su temperatura de funcionamiento. Esto también significa que el SMES tarda el mismo tiempo en volver a la temperatura de funcionamiento después del mantenimiento y cuando se reinicia después de fallas operativas.
Protección
- Debido a la gran cantidad de energía almacenada, es necesario adoptar ciertas medidas para proteger las bobinas del daño en el caso de la falla de la bobina. La rápida liberación de la energía en caso de falla en la bobina podría dañar los sistemas circundantes. Algunos diseños conceptuales proponen incorporar un cable superconductor en el diseño con como objetivo la absorción de energía después del fracaso de la bobina. El sistema también necesita mantenerse en excelente aislamiento eléctrico para evitar la pérdida de energía.
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