Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (SMES, D-SMES)


Статус статьи

Не проверено экспертами


Назначение

Сверхпроводящие накопители энергии (СПИНЭ) запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, в которой ток циркулирует без потерь. Важнейшим преимуществом индуктивного накопителя является его быстродействие, достигающее единиц миллисекунд, что позволяет реагировать на самые внезапные аварии в энергосистеме.

В конструкции СПИНЭ можно условно выделить три основных конструктивных узла: собственно, магнитная система, криогенная система и система связи с внешней сетью, т.н. преобразователь-инвертор. Метод накопления электроэнергии с помощью СПИНЭ отличается экологической чистотой. Не используются вредные материалы, никаких химических реакций не происходит. Отходы производства отсутствуют.


Общие сведения

Имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии в форме магнитной энергии, что позволяет создавать системы с высоким уровнем времени готовности. Важной в практическом отношении особенностью СПИНЭ является возможность его «запитки» от источника с малой электрической мощностью.


Актуальность использования

Применение накопителей энергии в электроэнергетике позволяет решить две важные задачи: снизить затраты на производство электроэнергии и увеличить надежность энергосистем в целом. Накопители позволяют демпфирование (принудительное подавление) пиков нагрузки (как импульсных, так и долгосрочных), что способствует повышению устойчивости энергосистем и повышает их надежность. Затраты уменьшаются за счет сглаживания пиков нагрузки и поддержания тем самым режима турбогенераторов в области максимального КПД (наименьшие затраты и наибольшая производительность). Демпфирование пиков нагрузки способствует повышению устойчивости энергосистем и, следовательно, повышает надежность.

Новые технические возможности в создании СПИНЭ могут быть связаны с разработкой высокотемпературных сверхпроводников. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы характеризуются сравнительно высокими значениями критических полей (~100 Тл) и все еще высокими температурами сверхпроводящих состояний.

В настоящее время в качестве накопителей энергии используются (могут использоваться) емкостные накопители (аккумуляторы и конденсаторные батареи), механические накопители, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и газоаккумулирующие электростанции. Емкостные и механические накопители энергии в силу их малой энергоемкости имеют ограниченные области применения. В качестве накопителей энергии используются в ограниченных масштабах гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), способные компенсировать суточные и часовые пики нагрузки. Однако, их строительство требует больших капитальных затрат и не везде возможно географически. Кроме того, инерционность ГАЭС не позволяет сглаживать кратковременные пики нагрузки, что зачастую приводит к перегрузкам энергосистемы и выходу из строя энергопреобразовательного и потребляющего оборудования, что в свою очередь приводит к огромным потерям у потребителей энергии, у которых это оборудование встроено в непрерывные производственные циклы, ответственные участки производства и др.


Эффекты от внедрения (использования)

Изменения, которые могут привнести массовое использование СПИН в российской энергетике.

Во-первых, существенно повысится надежность энергосистем, что приведет к снижению потерь как на стадии транспорта и распределения электроэнергии, так и при ее потреблении. Одним из основных элементов станет сведение к минимуму потерь надежности при возникновении низкочастотных колебаний в сети.

Во-вторых, существенно снизятся коммерческие потери у потребителей электроэнергии, особенно так называемых ответственных потребителей. Например, на нефтехимических комбинатах и нефтеперерабатывающих заводах имеются производственные линии и участки, которые не допускают перерыва энергоснабжения даже на несколько секунд. Нефтекомбинаты запитываются поэтому четырьмя линиями подачи энергии, что даже больше, чем на атомных станциях (три). При потере энергоснабжения для поддержания работы оборудования должны сработать резервные дизель-генераторы, иначе оборудование стоимостью в десятки миллионов долларов выйдет из строя. Огромных потерь также будет стоить простой производства. Дизель запускается в течение 10-13 секунд. За это время производство обесточено. Именно в этот промежуток может работать СПИН с запасенной энергией 6-30 МДж (например, 13 МВт-сек или 1 МВт за 13 сек). За это время, пока надежно снабжается запасенной энергией производственное оборудование, дизель разогреется и начнет подавать энергию в резервную систему питания. Эта же ситуация аналогична для алюминиевого производства, выращивания кристаллов, атомных станций и других многочисленных ответственных производств. Можно ещё отметить, как одну из возможных областей применения – поддержание бесперебойного питания медицинских учреждений, проводящих сложные операции с привлечением современной техники.

В-третьих, существенно повышается надежность энергосистем, в которых в качестве одного из элементов подстанций используется СПИН. Его применение позволяется демпфировать колебания напряжения низкой частоты, что в настоящее время является одной из серьезнейших проблем обеспечения качества и надежности работы ЕНЭС России.

В-четвертых, использование крупных СПИН в качестве накопителей энергии позволяет осуществлять их зарядку от мощностей атомных электростанций в часы снижения энергопотребления в системе и выдачу дополнительной электроэнергии и мощности в часы пиковой нагрузки потребителей. Это позволит в свою очередь сгладить график нагрузки такого ответственного базового производителя электроэнергии как АЭС, тем самым создавая условия для повышения надежности и безопасности их работы. Работа атомных станций в условиях необходимости маневра мощностью становится более возможной.


Принцип функционирования

Схема использования СПИН показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН)
Рисунок 1. Применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН)


Особенностью типичных СПИНЭ является сравнительно малое значение рабочего тока (~10 кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд.


Опыт применения

Работа по созданию ВТСП генераторов активно ведется в США, Японии, Европе.


Ссылки

Электрические накопители энергии


Архитектурные кейсы, связанные с технологией