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 se ha enfriado 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 criogénico. Una vez que se activa la bobina superconductora, la corriente no decae y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente.
La energía almacenada se puede liberar de nuevo a la red descargando la bobina. El sistema de acondicionamiento de energía utiliza un inversor / rectificador para transformar la corriente alterna (CA) en corriente continua o convertir la CC en corriente alterna. El inversor/rectificador representa alrededor del 2-3% de pérdida de energía en cada dirección. Los SMES pierden 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%. [3]
Debido a los requisitos energéticos de la refrigeración y al alto costo de los cables superconductores , actualmente se utilizan SMES para el almacenamiento de energía de corta duración. Por lo tanto, los SMES se destinan más comúnmente a mejorar la calidad de la energía .
Existen varias razones para utilizar el almacenamiento de energía magnética superconductora en lugar de otros métodos de almacenamiento de energía. La ventaja más importante de los SMES es que el retraso temporal durante la carga y la descarga es bastante corto. La energía está disponible casi instantáneamente y se puede proporcionar una salida de potencia muy alta durante un breve período de tiempo. Otros métodos de almacenamiento de energía, como la energía hidroeléctrica bombeada o el aire comprimido , tienen un retraso temporal sustancial asociado con la conversión de energía de la energía mecánica almacenada nuevamente en electricidad. Por lo tanto, si la demanda es inmediata, los SMES 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 son inmóviles, lo que da como resultado una alta confiabilidad.
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 ultralimpia, como las instalaciones de fabricación de microchips. [4]
Estas instalaciones también se han utilizado para proporcionar estabilidad a la red en sistemas de distribución. [5] SMES también se utiliza en aplicaciones de servicios públicos. En el norte de Wisconsin , se implementó una cadena de unidades SMES distribuidas para mejorar la estabilidad de un bucle de transmisión. [6] La línea de transmisión está sujeta a grandes cambios repentinos de carga debido al funcionamiento de una fábrica de papel, con el potencial de fluctuaciones incontroladas y colapso de voltaje.
El modelo de pruebas de ingeniería es una gran PYME con una capacidad de aproximadamente 20 MW·h, capaz de proporcionar 40 MW de energía durante 30 minutos o 10 MW de energía durante 2 horas. [7]
Un sistema de PYME normalmente consta de cuatro partes
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 utilizando 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.
El sistema de refrigeración mantiene el estado superconductor de la bobina enfriándola a la temperatura de funcionamiento.
El sistema de acondicionamiento de energía generalmente contiene un sistema de conversión de energía que convierte corriente continua en corriente alterna y viceversa.
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 administra el estado de la bobina SMES controlando el refrigerador.
Como consecuencia de la ley de inducción de Faraday , cualquier bucle de cable 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 (FEM). La FEM se define como el trabajo electromagnético realizado sobre una unidad de carga cuando ha recorrido una vuelta de un bucle conductor. Ahora se podría considerar que la energía se almacena en el campo eléctrico. Este proceso utiliza energía del cable con una potencia igual al potencial eléctrico multiplicado por la carga total dividido por el tiempo. Donde ℰ es el voltaje o FEM. 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 más fácil de medir de la corriente eléctrica mediante la sustitución.
donde I es la corriente eléctrica en amperios. La FEM ℰ es una inductancia y, por lo tanto, se puede reescribir 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 antes, el trabajo tiene que ser igual a la energía almacenada en el campo. Todo este cálculo se basa en un solo cable enrollado. Para cables que se enrollan varias veces, la inductancia 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
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 denomina función de forma, que es diferente para distintas 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 dicha 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 transportada.
dónde
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 a la deformación inferior, contracción térmica al enfriarse y fuerzas de Lorentz en una bobina energizada. Entre ellos, la tolerancia a la deformación es crucial no por ningún efecto eléctrico, sino porque determina la cantidad de material estructural que se necesita para evitar que el SMES se rompa. Para sistemas SMES pequeños, se selecciona el valor optimista de tolerancia a la deformación del 0,3 %. La geometría toroidal puede ayudar a reducir 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 una carga de servicio público o de un cliente.
En el caso de los SMES pequeños, se suelen utilizar solenoides porque son fáciles de enrollar y no se necesita compresión previa. En los SMES toroidales, la bobina siempre está comprimida por los aros exteriores y dos discos, uno de los cuales está en la parte superior y el otro en la inferior para evitar roturas. Actualmente, hay poca necesidad de geometría toroidal para los SMES pequeños, 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 SMES de gran tamaño solían incluir un solenoide de relación de aspecto reducida de aproximadamente 100 m de diámetro enterrado en la tierra. En el extremo inferior de tamaño se encuentra el concepto de solenoides de micro-SMES, para un rango de almacenamiento de energía cercano a 1 MJ.
En condiciones de estado estable y en el estado superconductor, la resistencia de la bobina es despreciable. Sin embargo, el refrigerador necesario para mantener frío el superconductor requiere energía eléctrica y esta energía de refrigeración debe considerarse al evaluar la eficiencia del 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 se produce en campos magnéticos moderados alrededor de una temperatura inferior a esta temperatura crítica. Las cargas de calor que debe eliminar el sistema de refrigeración incluyen la conducción a través del sistema de soporte, la radiación de superficies más cálidas a más frías, las pérdidas de CA en el conductor (durante la carga y la descarga) y las pérdidas de los cables de alimentación de frío a calor que conectan la bobina fría al sistema de acondicionamiento de energía. Las pérdidas de conducción y radiación se minimizan con un diseño adecuado de las superficies térmicas. Las pérdidas de los cables 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 bobinas toroidales de superconductores de baja temperatura (LTSC) y HTSC 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 la 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, los ahorros en refrigeración para un sistema HTSC son mayores (entre un 60% y un 70%) que para un sistema LTSC.
Si los sistemas HTSC o LTSC son más económicos depende de que haya otros componentes importantes que determinen el costo de los SMES: el conductor, que consiste en un superconductor y un estabilizador de cobre, y el soporte de 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 los conductores, la estructura y el refrigerador para las bobinas toroidales están dominados por el costo del superconductor. La misma tendencia es válida para las bobinas de solenoide. Las bobinas HTSC cuestan más que las bobinas LTSC por un factor de 2 a 4. Se esperaba que las HTSC fueran más baratas 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 de 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 el 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 ) menor 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 SMES 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 costo del conductor HTSC aumenta un poco más lentamente, pero sigue siendo por lejos el artículo más costoso.
Los costos de estructura de los HTSC o LTSC aumentan de manera uniforme (un factor de 10) con cada paso de 2 a 20 a 200 MW·h. Pero el costo de la estructura del 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 del HTSC no se puede compensar simplemente reduciendo el tamaño de la bobina en un campo magnético más alto.
Cabe señalar aquí que el costo del refrigerador en todos los casos es tan pequeño que hay muy poco ahorro porcentual asociado con la reducción de las demandas de refrigeración a alta temperatura. Esto significa que si un HTSC, BSCCO por ejemplo, funciona mejor a una temperatura baja, digamos 20K, seguramente se utilizará allí. Para las PYMES muy pequeñas, el costo reducido 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 el LTSC debido al mayor campo magnético de funcionamiento. En el caso de las bobinas de solenoide, la altura o 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 del campo magnético máximo produce una reducción tanto del volumen (mayor densidad de energía) como del coste (menor longitud del conductor). Un volumen menor significa una mayor densidad de energía y se reduce el coste 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, es posible lograr más reducciones de volumen con un aumento mínimo del coste. El límite hasta el 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 dejar espacio para el cilindro de flexión.
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 deformación y en reducir el costo de fabricación del cable .
La densidad energética, la eficiencia y la alta tasa de descarga hacen que los sistemas SMES sean útiles para incorporarlos 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.
Los dispositivos FACTS ( sistema de transmisión de CA flexible ) son dispositivos estáticos que se pueden instalar en redes eléctricas . Estos dispositivos se utilizan para mejorar la capacidad de control y transferencia de potencia 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 de energía de Bonneville en 1980. Este sistema utiliza sistemas SMES para amortiguar las frecuencias bajas, lo que contribuye a la estabilización de la red eléctrica. [9] [6] [10] En 2000, se introdujeron sistemas FACTS basados en SMES en puntos clave en la red eléctrica del norte de Winston para mejorar la estabilidad de la red.
El uso de energía eléctrica requiere un suministro de energía estable que proporcione 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 energía generada es mayor que la demanda/carga, y liberar energía cuando la carga es mayor que la energía generada, compensando así las fluctuaciones de energía. [11] El uso de estos sistemas permite que las unidades generadoras convencionales funcionen a una salida constante que es más eficiente y conveniente. [12] Sin embargo, cuando el desequilibrio de energía entre la oferta y la demanda dura mucho tiempo, el SMES puede descargarse por completo. [13]
Cuando la carga no cumple con la potencia de salida generada, debido a una perturbación de 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 falta repentina 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 . [14] Esta disparidad de carga puede compensarse con la potencia de salida de los sistemas SMES que almacenan energía cuando la generación es mayor que la carga. [15] 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.
Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) se utilizan para protegerse contra subidas y bajadas de tensión suministrando un suministro de energía continuo. Esta compensación se realiza conmutando la fuente de alimentación defectuosa por un sistema SMES que puede suministrar casi instantáneamente la energía necesaria para continuar con el funcionamiento de los sistemas esenciales. Los SAI basados en SMES son más útiles en sistemas que necesitan mantenerse en determinadas cargas críticas. [16] [17]
Cuando la diferencia de ángulo de potencia a través de un disyuntor es demasiado grande, los relés de protección impiden que los disyuntores se vuelvan a conectar. Los sistemas SMES se pueden utilizar en estas situaciones para reducir la diferencia de ángulo de potencia a través del disyuntor, lo que permite que el disyuntor se vuelva a conectar. Estos sistemas permiten la rápida restauración de la energía del sistema después de cortes importantes en la línea de transmisión. [12]
La reserva de energía es la capacidad de generación adicional que se obtiene al aumentar la generación de energía de los sistemas conectados a la red. El operador del sistema reserva esta capacidad para compensar las 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 de energía cuando una red principal o una línea de transmisión está fuera de servicio. [18] [19]
Los limitadores de corriente de falla superconductores (SFCL) se utilizan para limitar la corriente en caso de falla en la red. En este sistema, un superconductor se apaga (se eleva su temperatura) cuando se detecta una falla en la línea de 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 red más grande. Una vez que se elimina la falla, la temperatura del SFCL se reduce y se vuelve invisible para la red más grande. [20] [15]
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 pulsos 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 futuros desarrollos en los componentes de los sistemas SMES 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 los superconductores. El desarrollo reciente de un cable HTS hecho de YBCO con una temperatura de transición superconductora de alrededor de 90 K es prometedor. Por lo general, 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 de 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 el almacenamiento de energía de manera cuadrática, lo que puede hacer que los SMES y otras aplicaciones industriales de los superconductores sean rentables. [22]
El contenido energético de los sistemas SMES actuales suele ser bastante pequeño. Los métodos para aumentar la energía almacenada en los SMES 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 enormes fuerzas de Lorentz generadas por y sobre las bobinas magnéticas. El coste dominante de los SMES es el superconductor, seguido del sistema de refrigeración y el resto de la estructura mecánica.
Necesario debido a las grandes fuerzas de Lorentz generadas por el fuerte campo magnético que actúa sobre la bobina y el fuerte campo magnético generado por la bobina sobre la estructura más grande.
Para alcanzar niveles de almacenamiento comercialmente útiles, alrededor de 5 GW·h (18 TJ ), una instalación de PYME necesitaría un bucle de unos 800 m. Esto se representa tradicionalmente como un círculo, aunque en la práctica podría ser más bien un rectángulo redondeado. En cualquier caso, se requeriría acceso a una cantidad significativa de terreno para albergar la instalación.
Existen dos problemas de fabricación en torno a los SMES. El primero es la fabricación de cables a granel adecuados para transportar la corriente. Los materiales superconductores HTSC encontrados hasta la fecha son cerámicas relativamente delicadas, lo que dificulta el uso de técnicas establecidas para estirar longitudes extensas de cables superconductores. Gran parte de la investigación se ha centrado en técnicas de depósito de capas, aplicando una película delgada de material sobre un sustrato estable, pero actualmente esto solo es adecuado para circuitos eléctricos de pequeña escala.
El segundo problema es la infraestructura necesaria para la instalación. Hasta que se encuentren superconductores a temperatura ambiente , el bucle de 800 m de cable tendría que estar contenido dentro de un frasco de vacío lleno de nitrógeno líquido . Esto, a su vez, requeriría un soporte estable, que normalmente se concibe enterrando la instalación.
Por encima de una determinada intensidad de campo, denominada campo crítico, el estado superconductor se destruye. Esto significa que existe una tasa máxima de carga para el material superconductor, dado que la magnitud del campo magnético determina el flujo captado por la bobina superconductora.
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, las corrientes grandes pueden generar campos magnéticos mayores que el campo crítico debido a la Ley de Ampere . Por lo tanto, los materiales actuales tienen dificultades para transportar la corriente suficiente para que una instalación de almacenamiento comercial sea económicamente viable.
Varios problemas al inicio de la tecnología han dificultado su proliferación:
Estos siguen planteando 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 la eficiencia de los sistemas de refrigeración han mejorado significativamente.
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 al reiniciarse después de fallas operativas. [23]
Debido a la gran cantidad de energía almacenada, es necesario tomar ciertas medidas para proteger las bobinas de daños en caso de que fallen. La rápida liberación de energía en caso de que falle la bobina podría dañar los sistemas circundantes. Algunos diseños conceptuales proponen incorporar un cable superconductor al diseño con el objetivo de absorber energía después de que falle la bobina. [6] [18] El sistema también debe mantenerse en un excelente aislamiento eléctrico para evitar la pérdida de energía. [6]
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