Los sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) almacenan energía en el campo magnético creado por el flujo de corriente continua en una bobina superconductora que ha sido enfriada criogénicamente a una temperatura inferior a su temperatura crítica superconductora . Este uso de bobinas superconductoras para almacenar energía magnética fue inventado por M. Ferrier en 1970. [2]
Un sistema SMES típico incluye tres partes: bobina superconductora , sistema de acondicionamiento de energía y refrigerador enfriado criogénicamente. Una vez cargada la bobina superconductora, la corriente no decaerá y la energía magnética podrá almacenarse indefinidamente.
La energía almacenada se puede liberar 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 directa o convertir CC nuevamente en energía CA. El inversor/rectificador representa aproximadamente entre un 2% y un 3% de pérdida de energía en cada dirección. Las PYMES pierden la menor cantidad de electricidad en el proceso de almacenamiento de energía en comparación con otros métodos de almacenamiento de energía. Los sistemas PYMES son muy eficientes; la eficiencia de ida y vuelta es superior al 95%. [3]
Debido a los requisitos energéticos de la refrigeración y al alto coste del cable superconductor , actualmente se utiliza SMES para el almacenamiento de energía de corta duración. Por lo tanto, las PYMES se dedican más comúnmente a mejorar la calidad de la energía .
Hay varias razones para utilizar el almacenamiento de energía magnético superconductor en lugar de otros métodos de almacenamiento de energía. La ventaja más importante de SMES es que el retraso 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 sustancial asociado con la conversión de energía mecánica almacenada nuevamente en electricidad. Por tanto, 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 una PYME están inmóviles, lo que da como resultado una alta confiabilidad.
Hay varias unidades pequeñas para PYMES disponibles para uso comercial y varios proyectos de banco de pruebas más grandes. Se utilizan varias unidades de 1 MW·h para el control de la calidad de la energía en instalaciones de todo el mundo, especialmente para proporcionar calidad de energía en plantas de fabricación que requieren energía ultralimpia, como las instalaciones de fabricación de microchips. [4]
Estas instalaciones también se han utilizado para proporcionar estabilidad de la red en los sistemas de distribución. [5] 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. [6] La línea de transmisión está sujeta a cambios de carga grandes y repentinos debido al funcionamiento de una fábrica de papel, con el potencial de fluctuaciones incontroladas y colapsos de voltaje.
El Modelo de Pruebas de Ingeniería es una PyME de gran tamaño con una capacidad aproximada de 20 MW·h, capaz de suministrar 40 MW de potencia durante 30 minutos o 10 MW de potencia durante 2 horas. [7]
Un sistema PYMES 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. Luego, esta bobina conserva la corriente hasta que se vuelve a conectar al sistema más grande, después de lo cual la bobina se descarga total o parcialmente.
Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración mantiene el estado superconductor del serpentín enfriándolo a 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 corriente continua en corriente alterna y viceversa.
sistema de control
El sistema de control monitorea 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 controlando el frigorífico.
Como consecuencia de la ley de inducción de Faraday , cualquier bucle de alambre que genere 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 sobre una unidad de carga cuando ha recorrido una vuelta de un bucle conductor. Ahora se podía considerar que la energía estaba 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 ℰ es el voltaje o EMF. Al definir la potencia podemos calcular el trabajo necesario para crear dicho campo eléctrico. Debido a la conservación de 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 mediante la sustitución.
Donde I es la corriente eléctrica en amperios. La FEM ℰ es una inductancia y, por tanto, puede reescribirse como:
La sustitución ahora da:
Donde L es simplemente una constante de linealidad llamada inductancia medida en Henry. Ahora que se encontró la potencia, todo lo que queda por hacer es completar la ecuación de trabajo para encontrar el trabajo.
Como se dijo anteriormente el trabajo tiene que ser igual a la energía almacenada en el campo. Todo este cálculo se basa en un solo cable en bucle. Para cables que se enrollan 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: [8]
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 función de las dimensiones de la bobina, el número de vueltas y la corriente que transporta.
Dónde
E = energía medida en julios
I = corriente medida en amperios
f ( ξ , δ ) = función de forma, julios por amperímetro
N = número de vueltas de la bobina
Además de las propiedades del cable, la configuración de la bobina en sí es una cuestión importante desde el punto de vista de la ingeniería mecánica . Hay tres factores que afectan el diseño y la forma de la bobina: son: tolerancia inferior a la deformación , contracción térmica al enfriarse y fuerzas de Lorentz en una bobina cargada. Entre ellos, la tolerancia a la tensión es crucial no por ningún efecto eléctrico, sino porque determina cuánto material estructural se necesita para evitar que el SMES se rompa. Para sistemas PYMES 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, las SMES toroidales pueden ubicarse cerca de una carga de servicio público o de cliente.
Para las pequeñas y medianas empresas se suelen utilizar solenoides porque son fáciles de enrollar y no necesitan precompresión. En las PYMES toroidales, la bobina está siempre comprimida por los aros exteriores y dos discos, uno de los cuales está arriba y el otro abajo para evitar roturas. Actualmente, hay poca necesidad de geometría toroidal para las PYMES pequeñas, pero a medida que aumenta el tamaño, las fuerzas mecánicas se vuelven más importantes y se necesita la bobina toroidal.
Los conceptos más antiguos de grandes PYMES normalmente presentaban un solenoide de baja relación de aspecto de aproximadamente 100 m de diámetro enterrado en la tierra. En el extremo inferior de tamaño se encuentra el concepto de solenoides micro-SMES, para un rango de almacenamiento de energía cercano a 1 MJ.
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 considerarse al evaluar la eficiencia de las 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 el sistema de enfriamiento debe eliminar incluyen la conducción a través del sistema de soporte, la radiación de las superficies más cálidas a las más frías, las pérdidas de CA en el conductor (durante la carga y la descarga) y las pérdidas de los cables de alimentación frío-caliente que conectan la bobina fría al sistema de acondicionamiento de energía. Las pérdidas por conducción y radiación se minimizan mediante un diseño adecuado de las superficies térmicas. Las pérdidas de cables se pueden minimizar mediante 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 las bobinas toroidales HTSC y 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 en un factor de 100, el costo de refrigeración solo aumenta en 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.
Que los sistemas HTSC o LTSC sean más económicos depende porque hay otros componentes importantes que determinan el costo de las SMES: el conductor compuesto por un superconductor y un estabilizador de cobre y un soporte frío son costos importantes en sí mismos. Deben juzgarse teniendo en cuenta la eficiencia general y el coste 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 se aplica a las bobinas de solenoide. Las resistencias HTSC cuestan más que las resistencias LTSC en un factor de 2 a 4. Esperamos ver un costo más económico 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 menor que la del cable LTSC generalmente en el campo magnético operativo, alrededor de 5 a 10 teslas (T). Suponga que los costos del cable son los mismos en peso. Debido a que el cable HTSC tiene un valor ( J c ) más bajo que el cable LTSC, se necesitará mucho más cable para crear la misma inductancia. Por lo tanto, el costo del cable es mucho mayor que el del cable LTSC. Además, a medida que el tamaño de las PYMES aumenta de 2 a 20 a 200 MW·h, el costo del conductor LTSC también aumenta aproximadamente un factor de 10 en cada paso. El coste del conductor HTSC aumenta un poco más lentamente, pero sigue siendo, con diferencia, el artículo más caro.
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 del HTSC es mayor porque la tolerancia a la deformación del HTSC (las cerámicas no pueden soportar mucha carga de tracción) es menor que la del LTSC, como el Nb 3 Ti o el Nb 3 Sn , que exige más materiales estructurales. Por lo tanto, en los casos muy grandes, el costo del HTSC no puede compensarse simplemente reduciendo el tamaño de la bobina en 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 pocos ahorros porcentuales asociados con la reducción de las demandas de refrigeración a altas temperaturas. Esto significa que si un HTSC, BSCCO por ejemplo, funciona mejor a una temperatura baja, 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 toro LTSC es siempre menor para un imán HTSC que para un LTSC debido a la operación del campo magnético más alto. En el caso de las bobinas de solenoide, la altura o longitud también es menor en 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 (longitud reducida 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. Existe un valor óptimo del campo magnético máximo, aproximadamente 7 T en este caso. Si el campo se aumenta más allá del óptimo, son posibles mayores reducciones de volumen con un mínimo incremento en el costo. El límite hasta el cual se puede aumentar el campo no suele ser económico sino físico y se relaciona con la imposibilidad de acercar las patas internas del toroide y aún dejar espacio para el cilindro de choque.
El material superconductor es un tema clave para las PYMES. Los esfuerzos de desarrollo de superconductores se centran en aumentar Jc y el rango de deformación y en reducir el coste de fabricación del alambre .
La densidad energética, la eficiencia y la alta tasa de descarga hacen que los sistemas de las PYMES sean útiles para incorporar a las redes energéticas modernas y a las 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 redes eléctricas . Estos dispositivos se utilizan para mejorar la controlabilidad y la capacidad de transferencia de energía de una red eléctrica. La aplicación de SMES en dispositivos FACTS fue la primera aplicación de sistemas SMES. La primera realización de SMES utilizando dispositivos FACTS fue instalada por la autoridad eléctrica de Bonneville en 1980. Este sistema utiliza sistemas SMES para amortiguar las bajas frecuencias, lo que contribuye a la estabilización de la red eléctrica. [9] [6] [10] En 2000, se introdujeron sistemas FACTS basados en PYMES en puntos clave de la red eléctrica del norte de Winston para mejorar la estabilidad de la red.
Nivelación de carga
El uso de energía eléctrica requiere un suministro de energía estable que entregue una potencia constante. Esta estabilidad depende de la cantidad de energía utilizada y de 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 potencia. [11] El uso de estos sistemas hace posible que las unidades generadoras convencionales funcionen a una producción constante, lo que es más eficiente y conveniente. [12] Sin embargo, cuando el desequilibrio de poder entre oferta y demanda se prolonga durante mucho tiempo, las PYMES pueden quedar completamente descargadas. [13]
Control de frecuencia de carga
Cuando la carga no alcanza la potencia de salida generada, debido a una perturbación de la carga, esto puede hacer que la carga sea mayor que la potencia de salida nominal de los generadores. Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando los generadores eólicos no giran debido a una repentina falta de viento. Esta perturbación de la carga puede causar un problema de control de la frecuencia de la carga . Este problema puede amplificarse en los generadores de energía eólica basados en DFIG . [14] Esta disparidad de carga puede compensarse con la producción de energía de los sistemas PYME que almacenan energía cuando la generación es mayor que la carga. [15] Los sistemas de control de frecuencia de carga basados en PYMES tienen la ventaja de una respuesta rápida en comparación con los sistemas de control contemporáneos.
Fuentes de alimentación ininterrumpidas
Los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) se utilizan para proteger contra sobretensiones y cortes de energía mediante el suministro de un suministro de energía continuo. Esta compensación se realiza cambiando de la fuente de alimentación defectuosa a un sistema SMES que puede suministrar casi instantáneamente la energía necesaria para continuar el funcionamiento de los sistemas esenciales. Los UPS basados en SMES son más útiles en sistemas que necesitan mantenerse en ciertas cargas críticas. [16] [17]
Reconexión del disyuntor
Cuando la diferencia del ángulo de potencia a través de un disyuntor es demasiado grande, los relés de protección impiden el reconexión de los disyuntores. Los sistemas SMES se pueden utilizar en estas situaciones para reducir la diferencia del ángulo de potencia a través del disyuntor. Permitiendo así el recierre del disyuntor. Estos sistemas permiten la rápida restauración de la energía del sistema después de cortes importantes en las líneas de transmisión. [12]
reserva de giro
La reserva giratoria 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 averías en la red eléctrica. Debido a los rápidos tiempos de recarga y al rápido proceso de conversión de corriente alterna a corriente directa de los sistemas PYMES, estos sistemas se pueden utilizar como reserva giratoria cuando una red importante de líneas de transmisión está fuera de servicio. [18] [19]
SFCL
Los limitadores de corriente de falla superconductores (SFCL) se utilizan para limitar la corriente bajo una falla en la red. En este sistema, un superconductor se apaga (aumenta su temperatura) cuando se detecta una falla en la red. 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 soluciona la falla, la temperatura del SFCL disminuye y se vuelve invisible para la red más grande. [20] [15]
Lanzadores electromagnéticos
Los lanzadores electromagnéticos son armas de proyectiles eléctricos que utilizan un campo magnético para acelerar los proyectiles a una velocidad muy alta. Estos lanzadores requieren fuentes de impulsos de alta potencia para funcionar. Estos lanzadores pueden realizarse mediante el uso de la capacidad de liberación rápida y la alta densidad de potencia del sistema SMES. [21]
Los avances futuros en los componentes de los sistemas PYME podrían hacerlos más viables para otras aplicaciones; específicamente, superconductores con temperaturas críticas más altas y densidades de corriente críticas. Estos límites son los mismos que se enfrentan en otros usos industriales de superconductores. El desarrollo reciente del cable HTS hecho de YBCO con una temperatura de transición superconductora de alrededor de 90 K es prometedor. Normalmente, cuanto mayor sea la temperatura de transición superconductora, mayor será la densidad de corriente máxima que el superconductor puede soportar antes de la ruptura del par Cooper. Una sustancia con una temperatura crítica alta generalmente tendrá una corriente crítica más alta a baja temperatura que un superconductor con una temperatura crítica más baja. Esta corriente crítica más alta aumentará cuadráticamente el almacenamiento de energía, lo que puede hacer que las PYMES y otras aplicaciones industriales de superconductores sean rentables. [22]
El contenido energético de los sistemas PYMES actuales suele ser bastante pequeño. Los métodos para aumentar la energía almacenada en las PYMES suelen recurrir a unidades de almacenamiento a gran escala. Como ocurre con otras aplicaciones superconductoras, la criogenia es una necesidad. Generalmente se requiere una estructura mecánica robusta para contener las grandes fuerzas de Lorentz generadas por y sobre las bobinas magnéticas. El coste dominante para las PYMES es el superconductor, seguido del sistema de refrigeración y el resto de la estructura mecánica.
Varios problemas al inicio de la tecnología han obstaculizado su proliferación:
Estos todavía plantean problemas para las aplicaciones superconductoras, pero están mejorando con el tiempo. Se han logrado avances en el rendimiento de los materiales superconductores. Además, la fiabilidad y eficiencia de los sistemas de refrigeración han mejorado significativamente.
Largo tiempo de preenfriamiento
Actualmente se necesitan cuatro meses para enfriar la bobina desde la 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. [23]
Protección
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