Введение
Основной особенностью современной энергетики является почти полная невозможность складировать энергию про запас – все произведенные киловатт-часы должны быть сразу и потреблены. Работа же большинства потребителей электроэнергии неравномерна в течение суток. График нагрузки отдельного города, района или области имеет свои максимумы и минимумы потребления, которые приходятся, как правило, на дневные и ночные часы соответственно. Это приводит к тому, что днем генерирующие мощности нередко работают на пределе, а ночью, наоборот, имеется избыток энергии, который некуда девать. Энергетики предпринимают различные меры по сглаживанию графика суммарной нагрузки. Однако в целом сейчас возможности выравнивания потребления в энергосистеме невелики.
Разрешить эту ситуацию могли бы накопители энергии, запасающие драгоценные киловатт-часы в периоды малого потребления и выдающие их в пиковое время. До недавнего времени единственным приемлемым типом накопителя энергии считались гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Однако энергоемкость и мощность существующих ГАЭС несоизмеримо мала по сравнению с мощностью всей энергосистемы, а их удельные энергетические параметры довольно низки. ГАЭС капиталоемки, затратны, требуют отчуждения больших площадей под водохранилища, и поэтому не получили широкого распространения.
Проблема
Применение накопителей энергии в электроэнергетике позволяет решить две важные задачи: снизить затраты на производство электроэнергии и увеличить надежность энергосистем в целом. Накопители позволяют демпфирование 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.
Традиционные технологии
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.
Новые технологии
Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии в форме магнитной энергии, что позволяет создавать системы с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку ~1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИНЭ является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью.
Применение СПИНЭ в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпровод-ников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. 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.
Принципиальное преимущество
СПИН представляет собой, по сути, магнитную катушку из сверхпроводника. Упрощая, можно сказать, что эффект сверхпроводимости заключается в полном исчезновении электрического сопротивления сверхпроводника при охлаждении его ниже некой критической температуры. Естественно, пропадают и все потери энергии, связанные с электрическим сопротивлением.
Подобное устройство может хранить энергию сколь угодно долго в виде энергии магнитного поля, создаваемого с помощью сверхпроводящего соленоида. Очевидно, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы на охлаждение, однако выгода от использования в итоге существенно покрывает эти расходы.
Принципиальное преимущество индуктивных накопителей заключается в том, что энергия в них запасается в том же виде, в каком и используется, – электромагнитном. А раз нет необходимости в преобразовании из одного вида энергии в другой, то нет и связанных с преобразованием потерь энергии и затрат времени на сам процесс, чем грешат иные типы аккумуляторов, например, химические или гидравлические. Поэтому уникальным свойством сверхпроводящего индуктивного накопителя является возможность практически мгновенного перехода из режима накопления энергии в режим ее выдачи.
Серийное производство
По словам генерального директора компании «Русский Сверхпроводник» Александра Владимировича Кацая, вРоссии уже был создан ряд СПИН для фундаментальных научных исследований, проведены успешные испытания прототипов в действующей энергосистеме Москвы. Налаживание серийного производства индуктивных накопителей позволит повысить надежность энергосистем и сделать серьезные шаги по широкому внедрению сверхпроводниковых технологий в энергетику.
В настоящее время отраслевая компания «Русский Сверхпроводник» совместно с разработчиками технологии ведет активную работу над созданием компактного сверхпроводящего индуктивного накопителя энергоемкостью 24 МДж, состоящего из четырех модулей по 6 МДж. Впоследствии из таких модулей возможно будет собирать накопители большей емкости.
Развитие сверхпроводниковой индустрии, в т.ч. производства сверхпроводящих материалов, обеспечивает возможность изготовления накопителей на основе СПИН практически для любой энергетической системы.
Материалы взяты из источников: