Dispositifs de stockage d'énergie cinétique pour l'industrie de l'énergie
Le thème de l'amélioration de l'efficacité énergétique ne perdra probablement jamais de sa pertinence. De ce fait, de nombreuses institutions développent aujourd'hui des dispositifs de stockage d'énergie plus efficaces. Et l'une des solutions prometteuses dans ce domaine est l'utilisation du stockage d'énergie cinétique (en mouvement) basé sur des volants d'inertie à haute énergie.
Leurs domaines d'application peuvent varier des petites alimentations sans coupure indépendantes pour les particuliers aux grandes installations industrielles qui accumulent de l'énergie lors de la rotation d'un volant d'inertie et la libèrent au bon moment au niveau de puissance requis, protégeant ainsi le réseau des surtensions.
L'avantage de telles unités est que le volant d'inertie massif est capable de convertir immédiatement l'énergie cinétique accumulée en énergie électrique, fournissant ainsi à l'équipement consommateur la puissance nécessaire.
De tels appareils se caractérisent par des coûts d'exploitation minimes, un haut degré d'automatisation et aucun besoin d'entretien régulier.
Après une charge à pleine capacité en quelques minutes, le volant d'inertie libérera l'énergie stockée si nécessaire pendant quelques secondes, alors que les paramètres de fonctionnement normaux du réseau peuvent ne pas supporter des courants de crête élevés.
Comment ça fonctionne
Le volant reçoit la rotation d'une machine électrique via un arbre ou via un autre mécanisme de transmission et, si nécessaire, donne l'énergie accumulée via l'arbre en mode générateur, et la machine qui fait tourner le volant lui-même peut fonctionner à ce moment comme un générateur.
Un système de contrôle automatisé avec des capteurs pour contrôler les paramètres sécurisera le processus de prise de vitesse et, dans une situation critique, réagira à la fois à l'atteinte d'une vitesse de rotation dangereuse du volant et à la nécessité de passer immédiatement au mode de retour du énergie cinétique accumulée.
Caractéristiques et capacités
De cette manière, les dispositifs de stockage cinétique permettent de résoudre les problèmes d'accumulation, de stockage temporaire et de conversion ultérieure d'énergie pour assurer des modes de puissance d'équipement optimaux, même avec des paramètres extrêmement non standard. En conséquence, la plus large gamme d'applications possibles de cette solution technique est couverte.
Un convertisseur électromécanique de ce type présente un certain nombre d'avantages. L'intensité énergétique spécifique des dispositifs de stockage cinétique est supérieure à celle des condensateurs et, en termes de puissance spécifique (courant) fournie à la charge, ils sont en avance sur les batteries à acide et les piles à combustible.
Dans le même temps, les dispositifs de stockage cinétiques sont compacts, respectueux de l'environnement, ont une efficacité d'environ 90%, ont une longue durée de vie de plus de 10 ans, sont faciles à entretenir et la ressource de travail est pratiquement illimitée, de plus, le système de refroidissement est cent fois moins cher que celui des dispositifs de stockage à induction supraconducteurs (SPIN). …
Centres médicaux, installations nucléaires, centres de stockage de données, entrepôts bancaires, industries chimiques - partout où une sauvegarde d'énergie est nécessaire pour alimenter les utilisateurs critiques, les dispositifs de stockage cinétique seront utiles. Que pouvons-nous dire sur la compensation des charges de pointe pour les grands systèmes électriques, ce qui explique pourquoi il y a des pannes de courant dans des zones urbaines entières.
Ce qui est utilisé maintenant
Depuis une dizaine d'années, le développement des dispositifs de stockage cinétique ne s'est pas arrêté dans plusieurs régions du monde, notamment aux USA et en Allemagne, et depuis quelques années en Russie.
L'Allemand ATZ produit des variateurs de 20 MJ capables de fournir une puissance allant jusqu'à 250 kW, équipés d'un système de synchronisation du réseau. De plus, les dimensions de l'appareil ne dépassent pas 1,5 mètre.
Le volant d'inertie est en fibre de carbone à haute résistance et est monté sur une suspension en céramique HTSC. La machine électrique qui accélère le volant d'inertie de l'ATZ et génère de l'électricité est terminée à base d'aimants permanents aux terres rares.
American Beacon Power produit des dispositifs de stockage cylindriques de 6 kWh et 25 kWh utilisables en clusters pour assurer la stabilité des paramètres de courant dans les réseaux électriques industriels du pays.
Étapes de conception de KNE
Lors de la conception d'un dispositif de stockage cinétique, les développeurs résolvent les problèmes d'ingénierie suivants : calculez le moteur-générateur, sélectionnez les roulements, calculez le volant d'inertie, ainsi que les systèmes de refroidissement, de surveillance et de contrôle, puis passez à la production.
En fonction de l'objectif d'un modèle d'entraînement spécifique, les machines électriques qui y sont intégrées peuvent être différentes en principe. Cependant, il y a un avantage indéniable machines électriques synchrones… Dans les machines synchrones, il n'y a pas de balais, et les aimants permanents du rotor permettent d'obtenir une puissance spécifique élevée du moteur-générateur.
Les roulements et les suspensions sont mieux adaptés aux roulements sans contact, tels que ceux basés sur des supraconducteurs à haute température (HTSC).
Bien que de tels systèmes nécessitent un refroidissement particulier, ils sont néanmoins parfaitement stabilisés sans alimentation électrique : une inductance d'un ensemble d'aimants permanents interagit avec une matrice HTSP dans un état supraconducteur. Il n'y a pas de pertes par frottement, même dans l'air, les vibrations sont minimes même à grande vitesse et la structure est automatiquement centrée pendant le fonctionnement.
Un exemple d'appareil développé au MAI russe
Le champ magnétique des aimants permanents interagit avec les blocs HTSP activés, et après l'installation du support, le volant d'inertie se penche simplement sur le cryostat (lévite dessus à une distance inférieure à 1 cm), sans se déplacer dans la direction radiale.
L'interaction électromagnétique des pôles du stator et du rotor crée un couple résultant qui accélère le volant d'inertie et alimente ainsi l'entraînement.Et comme il n'y a pas de pertes dans les supports accumulés sous forme cinétique, l'énergie est stockée longtemps et, si nécessaire, consommée par conversion en mode générateur.
Dans le processus d'accumulation de l'énergie nominale complète de 500 kJ, le volant d'inertie est accéléré en 300 secondes à 6000 tours par minute. Il peut facilement fournir une puissance de 10 kW pendant 25 secondes en continu, puisque la puissance nominale prélevée sur l'installation est respectivement de 250 kJ, une charge de 1 kW peut être garantie d'être alimentée pendant 4 minutes.
La fréquence de la tension d'entrée lors de la charge est de 50 Hz à une tension secteur standard de 220-240 volts. Le volant d'inertie pèse 100 kg et le moment d'inertie est d'environ 3,6 kg * m2.
Quant au mode générateur, la fréquence du courant lors de la sélection est de 200 Hz sur trois phases à des tensions de 160 à 240 volts. La puissance nominale maximale pour la sélection est de 11 kW.
Perspectives pour la Russie et la CEI
Plus récemment, la société russe Kinetic Power a créé sa propre version de dispositifs de stockage d'énergie cinétique stationnaires basés sur des super volants. Un tel dispositif de stockage est capable de stocker jusqu'à 100 kWh d'énergie et de fournir une puissance à court terme allant jusqu'à 300 kW.
Dans les conditions du marché russe, un groupe de plusieurs de ces dispositifs de stockage est capable d'égaliser l'hétérogénéité quotidienne de la charge électrique de toute une région, en remplaçant les centrales électriques à pompage coûteuses et encombrantes.
De plus, comme indiqué au début, les dispositifs de stockage cinétique peuvent être utilisés pour fournir une alimentation ininterrompue aux équipements avec les niveaux de responsabilité les plus élevés.Les propriétés uniques de ces développements assurent une réponse de l'appareil au niveau des centièmes de seconde, ce qui permet aux utilisateurs de ne pas interrompre l'alimentation pendant une seconde.