Systèmes supraconducteurs de stockage d'énergie magnétique (SMES)

Le stockage d'énergie est un processus qui se déroule avec des appareils ou des supports physiques qui stockent l'énergie afin qu'ils puissent l'utiliser efficacement plus tard.

Les systèmes de stockage d'énergie peuvent être divisés en systèmes mécaniques, électriques, chimiques et thermiques. L'une des technologies modernes de stockage d'énergie est les systèmes SMES - stockage d'énergie magnétique supraconducteur (systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteurs).

Les systèmes supraconducteurs de stockage d'énergie magnétique (SMES) stockent l'énergie dans un champ magnétique créé par un flux de courant continu dans une bobine supraconductrice qui a été cryogéniquement refroidie à une température inférieure à sa température supraconductrice critique. Lorsque la bobine supraconductrice est chargée, le courant ne diminue pas et l'énergie magnétique peut être stockée indéfiniment. L'énergie stockée peut être restituée au réseau en déchargeant la bobine.

Le système de stockage d'énergie magnétique supraconducteur est basé sur un champ magnétique généré par le flux de courant continu dans une bobine supraconductrice.

La bobine supraconductrice est continuellement refroidie cryogéniquement, de sorte qu'elle est constamment en dessous de la température critique, c'est-à-dire supraconducteur… En plus du serpentin, le système SMES comprend un réfrigérateur cryogénique ainsi qu'un système de climatisation.

La conclusion est qu'une bobine chargée dans un état supraconducteur est capable de supporter par elle-même un courant continu, de sorte que le champ magnétique d'un courant donné peut stocker l'énergie qui y est stockée pendant une durée infiniment longue.

L'énergie stockée dans la bobine supraconductrice peut, si nécessaire, être fournie au réseau lors de la décharge d'une telle bobine. Pour convertir le courant continu en courant alternatif, onduleurs, et pour charger la bobine à partir du réseau - redresseurs ou convertisseurs AC-DC.

Au cours d'une conversion très efficace de l'énergie dans un sens ou dans l'autre, les pertes en PME représentent un maximum de 3%, mais le plus important ici est que dans le processus de stockage d'énergie par cette méthode, les pertes sont les moins inhérentes à l'un quelconque des procédés actuellement connus pour le stockage et le stockage de l'énergie. L'efficacité minimale globale des PME est de 95 %.

En raison du coût élevé des matériaux supraconducteurs et compte tenu du fait que le refroidissement nécessite également des coûts énergétiques, les systèmes SMES ne sont actuellement utilisés que lorsqu'il est nécessaire de stocker de l'énergie pendant une courte période et d'améliorer en même temps la qualité de l'alimentation électrique. . Autrement dit, ils ne sont traditionnellement utilisés qu'en cas de besoin urgent.

Le système PME comprend les éléments suivants :

• bobine supraconductrice,
• Cryostat et système de vide,
• Système de refroidissement,
• Système de conversion d'énergie,
• Dispositif de contrôle.

Les principaux avantages des systèmes PME sont évidents. Tout d'abord, c'est un temps extrêmement court pendant lequel la bobine supraconductrice est capable d'accepter ou de renoncer à l'énergie emmagasinée dans son champ magnétique. De cette façon, il est possible non seulement d'obtenir des forces de décharge instantanées colossales, mais également de recharger la bobine supraconductrice avec un délai minimal.

Si l'on compare le SME aux systèmes de stockage d'air comprimé, aux volants d'inertie et aux accumulateurs hydrauliques, alors ces derniers se caractérisent par un retard colossal lors de la conversion de l'électricité en mécanique et inversement (voir — Stockage d'énergie du volant).

L'absence de pièces mobiles est un autre avantage important des systèmes SMES, ce qui augmente leur fiabilité. Et, bien sûr, en raison de l'absence de résistance active dans un supraconducteur, les pertes de stockage sont ici minimes. L'énergie spécifique du SMES est généralement comprise entre 1 et 10 Wh/kg.

Les PME de 1 MWh sont utilisées dans le monde entier pour améliorer la qualité de l'énergie là où elles sont nécessaires, comme les usines de microélectronique qui nécessitent une énergie de la plus haute qualité.

En outre, les PME sont également utiles dans les services publics. Ainsi, dans l'un des États des États-Unis, il existe une usine de papier qui, pendant son fonctionnement, peut provoquer de fortes surtensions dans les lignes électriques. Aujourd'hui, la ligne électrique de l'usine est équipée de toute une chaîne de modules SMES qui garantissent la stabilité du réseau électrique. Un module PME d'une capacité de 20 MWh peut fournir durablement 10 MW pendant deux heures ou l'ensemble des 40 MW pendant une demi-heure.

La quantité d'énergie stockée par une bobine supraconductrice peut être calculée à l'aide de la formule suivante (où L est l'inductance, E est l'énergie, I est le courant):

Du point de vue de la configuration structurelle de la bobine supraconductrice, il est très important qu'elle résiste à la déformation, qu'elle ait des indicateurs minimaux de dilatation et de contraction thermiques et qu'elle ait également une faible sensibilité à la force de Lorentz, qui survient inévitablement au cours de la fonctionnement de l'installation (Les lois les plus importantes de l'électrodynamique). Tout cela est important pour éviter la destruction de l'enroulement au stade du calcul des propriétés et de la quantité de matériaux de construction de l'installation.

Pour les petits systèmes, un taux de déformation global de 0,3 % est considéré comme acceptable. De plus, la géométrie toroïdale de la bobine contribue à la réduction des forces magnétiques externes, ce qui permet de réduire le coût de la structure porteuse, et permet également de placer l'installation à proximité des objets de charge.

Si l'installation SMES est petite, une bobine solénoïde peut également convenir, qui ne nécessite pas de structure de support spéciale, contrairement à un tore. Cependant, il convient de noter que la bobine toroïdale nécessite des anneaux et des disques de presse, en particulier lorsqu'il s'agit d'une structure plutôt énergivore.

Comme indiqué ci-dessus, un réfrigérateur supraconducteur refroidi nécessite en permanence de l'énergie pour fonctionner, ce qui réduit bien sûr l'efficacité globale du SMES.

Ainsi, les charges thermiques à prendre en compte lors de la conception de l'installation comprennent : la conductivité thermique de la structure de support, le rayonnement thermique du côté des surfaces chauffées, les pertes de joule dans les fils traversés par les courants de charge et de décharge, ainsi que les pertes au réfrigérateur pendant le travail.

Mais bien que ces pertes soient généralement proportionnelles à la puissance nominale de l'installation, l'avantage des systèmes SMES est qu'avec une capacité énergétique multipliée par 100, les coûts de refroidissement ne sont multipliés que par 20. De plus, pour les supraconducteurs à haute température, les économies de refroidissement sont plus importantes que lors de l'utilisation de supraconducteurs à basse température.

Il apparaît qu'un système de stockage d'énergie supraconducteur basé sur un supraconducteur à haute température est moins exigeant en termes de refroidissement et devrait donc coûter moins cher.

En pratique, cependant, ce n'est pas le cas, car le coût total de l'infrastructure d'installation dépasse généralement le coût du supraconducteur, et les bobines des supraconducteurs à haute température sont jusqu'à 4 fois plus chères que les bobines des supraconducteurs à basse température. .

De plus, la densité de courant limite pour les supraconducteurs à haute température est inférieure à celle des supraconducteurs à basse température, cela s'applique aux champs magnétiques de fonctionnement dans la plage de 5 à 10 T.

Donc, pour obtenir des batteries avec la même inductance, il faut plus de fils supraconducteurs à haute température. Et si la consommation d'énergie de l'installation est d'environ 200 MWh, le supraconducteur à basse température (conducteur) s'avérera dix fois plus cher.

De plus, l'un des principaux facteurs de coût est le suivant : le coût du réfrigérateur est de toute façon si faible que la réduction de l'énergie de refroidissement en utilisant des supraconducteurs à haute température donne un pourcentage d'économie très faible.

Il est possible de réduire le volume et d'augmenter la densité d'énergie stockée dans le SMES en augmentant le champ magnétique de fonctionnement de crête, ce qui entraînera à la fois une réduction de la longueur du fil et une réduction du coût global. La valeur optimale est considérée comme un champ magnétique de crête d'environ 7 T.

Bien sûr, si le champ est augmenté au-delà de l'optimum, d'autres réductions de volume sont possibles avec une augmentation minimale du coût. Mais la limite d'induction de champ est généralement limitée physiquement, du fait de l'impossibilité de rapprocher les parties internes du tore tout en laissant de la place au cylindre compensateur.

Les matériaux supraconducteurs restent un problème clé dans la création d'installations rentables et efficaces pour les PME. Les efforts des développeurs visent aujourd'hui à augmenter le courant critique et la plage de déformation des matériaux supraconducteurs, ainsi qu'à réduire le coût de leur production.

En résumant les difficultés techniques sur la voie de l'introduction généralisée des systèmes PME, on peut clairement distinguer ce qui suit. Le besoin d'un support mécanique solide capable de supporter l'importante force de Lorentz générée dans la bobine.

La nécessité d'un terrain important, puisqu'une installation de PME, par exemple d'une capacité de 5 GWh, contiendra un circuit supraconducteur (circulaire ou rectangulaire) d'environ 600 mètres de long. De plus, le conteneur sous vide d'azote liquide (600 mètres de long) entourant le supraconducteur doit être situé sous terre et un support fiable doit être fourni.

Le prochain obstacle est la fragilité des céramiques supraconductrices à haute température, ce qui rend difficile le tirage de fils pour des courants élevés.Le champ magnétique critique qui détruit la supraconductivité est également un obstacle à l'augmentation de l'intensité énergétique spécifique du SMES. NS a un problème de courant critique pour la même raison.