Fondamenti dei sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva / Fundamentals of superconducting magnetic energy storage systems

 Fondamenti dei sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva / Fundamentals of superconducting magnetic energy storage systems

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I sistemi di accumulo di energia magnetica

 superconduttiva (SMES) utilizzano bobine

 superconduttrici per immagazzinare in modo

 efficiente energia in un campo magnetico generato

 da una corrente CC che viaggia attraverso le

 bobine. A causa della resistenza elettrica di un cavo

 tipico, l'energia termica viene persa quando viene

 trasmessa la corrente elettrica, ma questo problema

 non esiste in un sistema SMES. La tecnologia si

 basa su un cavo costruito utilizzando un materiale

 superconduttore raffreddato a una temperatura

 criogenica inferiore alla sua temperatura

 critica. Pertanto, i sistemi SMES possono

 immagazzinare energia più a lungo poiché il filo

 offre una resistenza trascurabile alla corrente che

 lo attraversa.

I materiali superconduttori comunemente usati sono

 niobio-titanio, vanadio e mercurio. L'energia

 accumulata nel sistema SMES viene rilasciata

 collegando la sua bobina conduttiva a un

 convertitore di corrente alternata, responsabile di

 circa il 23% della perdita di calore per ciascuna

 direzione. A differenza di altre tecnologie di

 stoccaggio, come le batterie e l'idroelettrico, i

 sistemi SMES perdono la potenza più bassa

 durante il periodo di stoccaggio, raggiungendo

 un'efficienza di andata e ritorno di oltre il 95%.

Struttura di un sistema PMI

Un sistema SMES standard è composto da quattro

 elementi: un sistema di condizionamento

 dell'alimentazione, un magnete a bobina

 superconduttore, un sistema criogenico ed un

 controller. Due fattori influenzano la quantità di

 energia che può essere immagazzinata dalle

 correnti circolanti nella bobina superconduttiva. Il

 primo è la dimensione e la geometria della bobina,

 che determinano l'induttanza della

 bobina. Chiaramente, più grande è la bobina, più

 energia è contenuta. Il secondo elemento sono le

 proprietà del conduttore, che sono responsabili

 della determinazione della corrente massima. I

 superconduttori sono in grado di trasportare grandi

 correnti sotto forti campi magnetici. Per mantenere

 carico il sistema, la batteria deve essere

 sufficientemente raffreddata. In particolare, l'unica

 operazione di conversione del sistema PMI è da

 CA a CC; quindi, non ci sono perdite

 termodinamiche intrinseche coinvolte nella

 conversione.

Fattibilità dei sistemi PMI

Materiale superconduttore

Ad oggi, quasi tutti i sistemi SMES pratici sono

 stati installati utilizzando una lega di niobio e

 titanio (Nb-Ti), che supporta l'attività a

 temperature superconduttive di circa 4,2 K. Alcune

 bobine SMES utilizzate nella ricerca sono

 realizzate con superconduttori ad alta

 temperatura. Tuttavia, l'attuale stato di produzione

 di questi prodotti li rende antieconomici per le

 PMI.

Inoltre, a causa del fatto che solo poche bobine

 SMES sono state costruite e assemblate, la

 familiarità con un progetto generico è limitata. La

 massima corrente consentita nel conduttore è una

 preoccupazione primaria durante la progettazione

 di una bobina SMES. Dipende dalle dimensioni del

 conduttore, dai materiali superconduttori coinvolti,

 dal campo magnetico prodotto e dalla

 temperatura. Nella bobina superconduttiva, le forze

 magnetiche possono essere notevoli ed alle quali

 dovrebbe rispondere un materiale

 strutturale. Queste forze devono essere assorbite

 dalla potenza meccanica del sistema di

 contenimento all'interno o attorno alla

 bobina. Un'altra considerazione quando si progetta

 la bobina superconduttiva è la tensione massima

 che può tollerare.

Sistema criogenico

La temperatura della bobina SMES superconduttore

 deve essere mantenuta sufficientemente bassa da

 preservare una condizione superconduttiva nei

 fili. Oggi questa temperatura è di circa 4,5 K per le

 PMI commerciali. Raggiungere e preservare questa

 temperatura richiede l'uso di un frigorifero

 criogenico unico che si raffredda con l'elio. L'elio

 deve essere incluso come solvente di lavoro di un

 frigorifero perché è l'unica sostanza che non si

 solidifica a tali temperature. Come con un

 frigorifero tradizionale, il frigorifero criogenico è

 alimentato dall'elettricità. Di conseguenza, viene

 speso un lavoro considerevole nella costruzione di

 SMES ed altre strutture criogeniche per mitigare le

 perdite all'interno delle bobine superconduttrici e

 per mitigare il trasferimento di calore da tutte le

 fonti nella zona fredda.

Trasformatore di energia

Il convertitore di potenza dovrebbe fornire una

 tensione positiva alla bobina superconduttiva

 durante la carica e l'immagazzinamento

 dell'energia. Allo stesso modo, quando si vuole

 cedere energia al carico, occorre invertire la

 polarità della tensione di ingresso; ad esempio,

 l'elettronica nel convertitore di potenza deve ora

 fornire una tensione negativa. La potenza elettrica

 è data moltiplicando la tensione applicata e la

 corrente istantanea. I produttori di sistemi SMES

 decidono la corrente della bobina e la tensione

 ammissibile considerando le prestazioni e gli

 standard di sicurezza. Pertanto, la capacità di

 potenza del convertitore di potenza normalmente

 determina la capacità nominale dell'unità

 SMES. Inoltre, il convertitore di potenza funge da

 collegamento tra l'energia immagazzinata e la

 corrente alternata nella rete elettrica nazionale.

Controllore

Il controller fornisce una connessione tra l'energia

 elettrica fornita dalla rete e il flusso di energia da e

 verso la bobina SMES quando funge da dispositivo

 di accumulo di energia nelle reti

 intelligenti. Riceve notifiche di spedizione dalle

 stazioni della rete e dettagli sullo stato della bobina

 SMES. La risposta del sistema è determinata

 dall'incorporazione della richiesta di spedizione e

 dello stato di carica della bobina SMES. Inoltre, il

 controller controlla il frigorifero, la bobina SMES

 e altri dispositivi. Garantisce la sicurezza del

 sistema e fornisce all'operatore informazioni sullo

 stato del sistema. I recenti sistemi PMI sono

 collegati in rete a Internet per consentire il

 monitoraggio ed il controllo a distanza.

Conclusione

I sistemi SMES includono materiali raffreddati a

 temperature criogeniche che possono

 immagazzinare energia sotto forma di campo

 magnetico. A differenza di altri dispositivi di

 accumulo di energia, questi sistemi hanno una

 minore perdita di calore e forniscono un'elevata

 capacità di potenza. Sono ideali per risolvere

 problemi di qualità dell'alimentazione e stabilità

 della tensione per aziende elettriche, clienti

 industriali e militari. Tuttavia, lo svantaggio

 principale delle PMI è la necessità di costosi

 frigoriferi e materiali superconduttori e la ricerca

 continua ad affrontare questi problemi.

ENGLISH

Superconducting magnetic energy storage (SMES)

 systems use superconducting coils to efficiently

 store energy in a magnetic field generated by a DC

 current traveling through the coils. Due to the

 electrical resistance of a typical cable, heat energy

 is lost when electric current is transmitted, but this

 problem does not exist in an SMES system. The

 technology is based on a cable constructed using a

 superconducting material cooled at a cryogenic

 temperature less than its critical temperature.

 Therefore, SMES systems can store energy for

 longer as the wire offers negligible resistance to

 the current flowing through it.

Superconducting materials that are commonly used

 are niobium-titanium, vanadium and mercury. The

 energy accumulated in the SMES system is

 released by connecting its conductive coil to an AC

 power converter, which is responsible for

 approximately 23% of heat loss for each direction.

 In contrast to other storage technologies, such as

 batteries and pumped hydro, SMES systems lose

 the lowest power during the storage period,

 achieving a round-trip efficiency of more than

 95%.

Structure of an SMES system

A standard SMES system is composed of four

 elements: a power conditioning system, a

 superconducting coil magnet, a cryogenic system

 and a controller. Two factors influence the amount

 of energy that can be stored by the circulating

 currents in the superconducting coil. The first is

 the coil's size and geometry, which dictate the

 coil's inductance. Clearly, the bigger the coil, the

 more energy is contained. The second element is

 the conductor properties, which are responsible for

 determining the maximum current.

 Superconductors are capable of carrying large

 currents under strong magnetic fields. To keep the

 system charged, the coil must be sufficiently

 cooled. Notably, the SMES system's sole

 conversion operation is from AC to DC; therefore,

 there are no intrinsic thermodynamic losses

 involved with the conversion. This results in

 increased cycle efficiency, rapid charge and

 discharge, and large storage efficacy.

Feasibility of SMES systems

Superconducting material

To date, almost all practical SMES systems have

 been installed using an alloy of niobium and

 titanium (Nb-Ti), which supports activity at

 superconducting temperatures of about 4.2 K

. Certain SMES coils used in research are made of

 high-temperature superconductors. However, the

 current state of production of these products makes

 them uneconomical for SMES.

Moreover, due to the fact that only a few SMES

 coils have been built and assembled, familiarity

 with a generic design is limited. The highest

 allowed current in the conductor is a primary

 concern when designing an SMES coil. It is

 dependent on the size of the conductor,

 the superconducting materials involved, the

 magnetic field produced and the temperature. In

 the superconducting coil, the magnetic forces may

 be substantial and should be responded to by a

 structural material. These forces must be absorbed

 by the mechanical power of the containment

 system inside or around the coil. Another

 consideration when designing the superconducting

 coil is maximum voltage that it can tolerate.

Cryogenic system

The temperature of the superconducting SMES coil

 must be kept low enough to preserve a

 superconducting condition in the wires. Today, this

 temperature is approximately 4.5 K for commercial

 SMES. Attaining and preserving this temperature

 requires the use of a unique cryogenic

 refrigerator that cools with helium. Helium must

 be included as a refrigerator's working solvent

 because it is the only substance that does not

 solidify at such temperatures. As with a traditional

 refrigerator, the cryogenic refrigerator is powered

 by electricity. As a consequence, considerable

 work is expended in the construction of SMES and

 other cryogenic structures to mitigate losses inside

 the superconducting coils and to mitigate heat

 transfer from all sources into the cold zone.

Power converter

The power converter should supply positive voltage

 to the superconducting coil when charging it and

 storing the energy. In the same way, when energy

 is to be released to the load, the polarity of the

 input voltage must be reversed; for example, the

 electronics in the power converter must now

 supply a negative voltage. The electrical power is

 given by multiplying the applied voltage and the

 instantaneous current. Manufacturers of SMES

 systems decide the coil current and allowable

 voltage by considering the performance and safety

 standards. Thus, the power converter’s power

 capacity normally dictates the SMES unit's rated

 capacity. Moreover, the power converter acts as a

 connection between the stored energy and the

 alternating current in the national electricity grid.

Controller

The controller provides a connection between grid-

supplied electrical power and the flow of energy to

 and from the SMES coil when it is acting as an

 energy storage device in smart grids. It gets

 dispatch notifications from the grid stations and

 details about the SMES coil's status. The system

 response is determined by the incorporation of the

 dispatch request and charge state of SMES coil.

 Additionally, the controller monitors the

 refrigerator, SMES coil and other devices. It

 ensures system security and provides the operator

 with system status information. Recent SMES

 systems are networked to the internet in order to

 allow remote monitoring and control.

Conclusion

SMES systems include materials cooled down to

 cryogenic temperatures that can store energy in the

 form of magnetic field. Unlike other power storage

 devices, these systems have lower heat loss and

 provide high power capacity. They are ideal for

 solving power quality and voltage stability issues

 for power companies, industrial customers and

 military. However, the primary drawback of

 SMESs is the need for expensive refrigerators and

 superconducting materials and research continues

 to address these issues.

Da:

https://electronics360.globalspec.com/article/17021/fundamentals-of-superconducting-magnetic-energy-storage-systems?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=210827&mh=0dd376&Vol=Vol16Issue12&Pub=65&LinkId=2075470&keyword=link%5F2075470&itemid=370204&frmtrk=newsletter&cid=nl