Magneettiset energiavarastot
Kokkonen, Hermanni (2023)
Kandidaatintyö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023050440927
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023050440927
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä on tehty kirjallisuuskatsaus magneettisista energiavarastoista (SMES). Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on saada yleiskuva magneettisten energiavarastojen toiminnasta, ominaisuuksista ja sovelluksista.
Magneettiset energiavarastot ovat sähköisiä energiavarastoja, eli ne pystyvät varastoimaan energiaa sähköenergian muodossa, ja kykenevät tekemään varastoidulla energialla työtä myöhemmin. Magneettisten energiavarastojen toiminta perustuu tasavirran aiheuttamaan magneettikentän syntyyn induktion seurauksena suprajohtavassa käämissä. Suprajohtavuus on materiaalin mahdollinen tila, jossa sen sähköinen resistanssi on nolla. Suprajohtavuutta esiintyy vain tietyillä aineilla, kun niitä jäähdyttää tarpeeksi alhaiseen lämpötilaan. Suprajohteet jaetaan matalan lämpötilan suprajohteisiin (LTS) ja korkean lämpötilan suprajohteisiin (HTS). HTS-johteita käyttävät magneettiset energiavarastot ovat tutkitumpia kuin LTS-johteita käyttävät.
SMES-järjestelmiä on tutkittu energian varastointisovelluksiin noin 50 vuoden ajan, mutta kaupallisia sovelluksia on vähän. SMES-järjestelmät ovat soveltuvia korkean tehon prosesseihin, koska ne pystyvät purkamaan latauksensa nopeasti sähköverkkoon. Korkeat pääomakustannukset ovat suurin syy, miksi magneettisia energiavarastoja ei ole kehitetty kaupallisiin sovelluksiin enempää. Suurin kustannus HTS-SMES-järjestelmissä on HTS-johteet. Magneettisten energiavarastojen hyötysuhde on yli 95 %.
SMES-järjestelmät ovat sopivia muun muassa tehon hallintaan ja häiriötilannetoimintaan, joita esiintyy älykkäissä sähköverkoissa, tuulivoimajärjestelmissä sekä sähköajoneuvojen latausjärjestelmissä. SMES-järjestelmien kilpailullisuus paranee, jos ne sisällytetään hybridienergiavarastojärjestelmään (HESS). In this bachelor’s thesis, a literature review of superconducting magnetic energy storage (SMES), was made. The goal of this thesis is to tell the basic functionality of SMES as well as the key properties and applications of SMES-systems.
Superconducting magnetic energy storages are electrical energy storages, which means that they can store electrical energy, and perform work with it at a later point. To load the SMES, a direct current (DC) must be inserted into a coil, which results in an induction and a magnetic field. The coil must be made from superconducting material to preserve the direct current in the coil at times when no outside direct current is inserted to the coil. Superconductivity is a state in which a material does not have any electrical resistance. Superconductivity can be found only in certain materials when cooled to a low temperature. Superconductors can be divided into low temperature superconductors (LTS) and high temperature superconductors (HTS). HTS-SMES are more researched than LTS-SMES.
SMES have been researched for about 50 years but still there are only a few commercial applications. SMES are applicable for high power processes because they can extract their load very quickly. Processes that require high energy capacities are not proper applications for SMES because of their low specific energy capacity. High capital costs are the biggest reason for only a small number of commercial applications for SMES. The biggest cost comes from the coil in HTS-SMES. The efficiency of SMES is above 95 %.
SMES are suitable for power control and fault ride through as part of the power grid. These tasks can be found in smart grids, in wind turbine systems as well as in charging systems on electric vehicles (EV). The competitiveness of SMES improves when being a part of a hybrid energy storage system (HESS).
Magneettiset energiavarastot ovat sähköisiä energiavarastoja, eli ne pystyvät varastoimaan energiaa sähköenergian muodossa, ja kykenevät tekemään varastoidulla energialla työtä myöhemmin. Magneettisten energiavarastojen toiminta perustuu tasavirran aiheuttamaan magneettikentän syntyyn induktion seurauksena suprajohtavassa käämissä. Suprajohtavuus on materiaalin mahdollinen tila, jossa sen sähköinen resistanssi on nolla. Suprajohtavuutta esiintyy vain tietyillä aineilla, kun niitä jäähdyttää tarpeeksi alhaiseen lämpötilaan. Suprajohteet jaetaan matalan lämpötilan suprajohteisiin (LTS) ja korkean lämpötilan suprajohteisiin (HTS). HTS-johteita käyttävät magneettiset energiavarastot ovat tutkitumpia kuin LTS-johteita käyttävät.
SMES-järjestelmiä on tutkittu energian varastointisovelluksiin noin 50 vuoden ajan, mutta kaupallisia sovelluksia on vähän. SMES-järjestelmät ovat soveltuvia korkean tehon prosesseihin, koska ne pystyvät purkamaan latauksensa nopeasti sähköverkkoon. Korkeat pääomakustannukset ovat suurin syy, miksi magneettisia energiavarastoja ei ole kehitetty kaupallisiin sovelluksiin enempää. Suurin kustannus HTS-SMES-järjestelmissä on HTS-johteet. Magneettisten energiavarastojen hyötysuhde on yli 95 %.
SMES-järjestelmät ovat sopivia muun muassa tehon hallintaan ja häiriötilannetoimintaan, joita esiintyy älykkäissä sähköverkoissa, tuulivoimajärjestelmissä sekä sähköajoneuvojen latausjärjestelmissä. SMES-järjestelmien kilpailullisuus paranee, jos ne sisällytetään hybridienergiavarastojärjestelmään (HESS).
Superconducting magnetic energy storages are electrical energy storages, which means that they can store electrical energy, and perform work with it at a later point. To load the SMES, a direct current (DC) must be inserted into a coil, which results in an induction and a magnetic field. The coil must be made from superconducting material to preserve the direct current in the coil at times when no outside direct current is inserted to the coil. Superconductivity is a state in which a material does not have any electrical resistance. Superconductivity can be found only in certain materials when cooled to a low temperature. Superconductors can be divided into low temperature superconductors (LTS) and high temperature superconductors (HTS). HTS-SMES are more researched than LTS-SMES.
SMES have been researched for about 50 years but still there are only a few commercial applications. SMES are applicable for high power processes because they can extract their load very quickly. Processes that require high energy capacities are not proper applications for SMES because of their low specific energy capacity. High capital costs are the biggest reason for only a small number of commercial applications for SMES. The biggest cost comes from the coil in HTS-SMES. The efficiency of SMES is above 95 %.
SMES are suitable for power control and fault ride through as part of the power grid. These tasks can be found in smart grids, in wind turbine systems as well as in charging systems on electric vehicles (EV). The competitiveness of SMES improves when being a part of a hybrid energy storage system (HESS).