Almacenamiento de energía superconductor: una tecnología central que lidera la transformación eficiente del campo del almacenamiento de energía

En la era actual de transformación de la estructura energética global hacia la limpieza y la inteligencia, la tecnología de almacenamiento de energía, como apoyo clave para equilibrar el suministro y la demanda de energía y absorber energía renovable, está entrando en un período dorado de desarrollo diversificado. Desde el almacenamiento de energía electroquímica convencional y el almacenamiento de energía mecánica hasta el almacenamiento de energía electromagnética de vanguardia, varias tecnologías desempeñan su papel en diferentes escenarios. Entre ellos, el sistema de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES), como representante central del almacenamiento de energía electromagnética, se ha diferenciado claramente de otras tecnologías de almacenamiento de energía en virtud de su principio de funcionamiento único y su excelente rendimiento, convirtiéndose en un 'punto de referencia de eficiencia' muy prometedor en el campo del almacenamiento de energía e inyectando nueva vitalidad al funcionamiento estable de los sistemas de energía.

La lógica central del sistema de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) es utilizar bobinas hechas de cables superconductores para almacenar de manera eficiente la energía del campo magnético generada por el suministro de energía de la red y la excitación, y luego enviar de manera estable la energía almacenada de regreso a la red cuando la demanda de energía alcanza su punto máximo, logrando una 'regulación de cambio de pico' de la energía. Un sistema SMES completo normalmente consta de tres componentes principales: una bobina superconductora colocada en un contenedor de enfriamiento aislado al vacío, que es el soporte central para el almacenamiento de energía; un sistema criogénico y de bomba de vacío que garantiza el estado superconductor y proporciona un entorno de trabajo de temperatura extremadamente baja para la bobina; y dispositivos electrónicos de potencia para el control, que realizan un control preciso del almacenamiento y liberación de energía. Su característica de funcionamiento más destacada es que la corriente puede circular sin resistencia en el inductor cerrado compuesto por bobinas superconductoras, manteniendo la estabilidad de la corriente sin consumo de energía adicional, lo que es fundamentalmente diferente de otras tecnologías de almacenamiento de energía que requieren un consumo de energía continuo para mantener el estado de almacenamiento.

En comparación con las principales tecnologías de almacenamiento de energía actuales, el sistema SMES tiene ventajas particularmente destacadas, que pueden denominarse 'líderes en rendimiento' en el campo del almacenamiento de energía. Sus principales ventajas se concentran en tres dimensiones: eficiencia, velocidad y capacidad de regulación, cada una de las cuales aborda con precisión los puntos débiles de las tecnologías tradicionales de almacenamiento de energía.

En primer lugar, la eficiencia del almacenamiento de energía es extremadamente alta, logrando una resistencia casi sin pérdidas. Ésta es la principal ventaja del almacenamiento de energía superconductor y la característica clave que lo distingue de otras tecnologías de almacenamiento de energía. Las tecnologías tradicionales de almacenamiento de energía generalmente tienen problemas de pérdida de energía: el almacenamiento de energía electroquímico (como las baterías de iones de litio) genera calor debido a reacciones químicas durante la carga y descarga, lo que conduce a una pérdida de energía, con una eficiencia de ida y vuelta generalmente entre 90% y 95%; el almacenamiento de energía mecánica (como el almacenamiento por bombeo y el almacenamiento de energía de aire comprimido) tiene pérdidas debido a la fricción mecánica y los enlaces de conversión de energía, entre los cuales la eficiencia del almacenamiento de energía de aire comprimido tradicional es incluso inferior al 50%; Incluso el almacenamiento de energía del volante, que también es un tipo de almacenamiento de energía electromagnética, experimenta una rápida atenuación de energía debido a la resistencia del aire. Por el contrario, el sistema SMES utiliza la característica de resistencia cero de los superconductores, por lo que la corriente circula en la bobina cerrada casi sin pérdida de energía. Los experimentos han demostrado que su tiempo de desintegración actual no es inferior a 100.000 años, y la eficiencia energética de ida y vuelta puede superar el 95%, incluso cerca del 100% para sistemas a gran escala. Puede lograr una 'retención sin pérdidas' de energía a largo plazo, mejorando en gran medida la eficiencia de utilización de la energía y es especialmente adecuado para escenarios con requisitos extremadamente altos de pérdida de energía.

En segundo lugar, la velocidad de liberación de energía es extremadamente rápida, con una respuesta precisa e inmediata. Cuando el sistema eléctrico enfrenta situaciones de emergencia, como fluctuaciones repentinas de carga y caídas de voltaje, la velocidad de respuesta del sistema de almacenamiento de energía determina directamente la estabilidad de la red eléctrica. Las tecnologías tradicionales de almacenamiento de energía suelen tener retrasos de respuesta evidentes: el almacenamiento por bombeo requiere el arranque de bombas de agua o turbinas, con un tiempo de respuesta normalmente de un minuto; aunque el almacenamiento de energía electroquímica puede lograr una respuesta a nivel de milisegundos, su estabilidad es insuficiente durante la producción de alta potencia; el tiempo de respuesta del almacenamiento de energía de aire comprimido es incluso de decenas de minutos. Por el contrario, el sistema SMES no requiere procesos complejos de conversión de energía y la energía del campo magnético almacenada se puede convertir directamente en energía eléctrica para su salida. El tiempo de respuesta se puede acortar al nivel de milisegundos, incluso a menos de 1 milisegundo como máximo, y normalmente sólo se necesitan unos segundos para completar la liberación total de energía. Puede llenar instantáneamente la brecha de carga de la red, suprimir eficazmente las fluctuaciones de frecuencia de la red, prevenir apagones causados ​​por cambios repentinos de carga y proporcionar soporte de emergencia rápido y confiable para la red eléctrica. Esta capacidad de respuesta ultrarrápida lo hace irreemplazable en escenarios como la regulación de la frecuencia de la red y la compensación instantánea de energía.

Finalmente, tiene una excelente capacidad de regulación de la red eléctrica y una amplia adaptabilidad. Con la conexión a la red a gran escala de energías renovables intermitentes, como la energía eólica y la fotovoltaica, las fluctuaciones de la tensión de la red, la frecuencia, la potencia activa y la potencia reactiva son cada vez más graves, lo que plantea mayores requisitos para la capacidad de regulación de los sistemas de almacenamiento de energía. A través de dispositivos avanzados de control electrónico de potencia, el sistema SMES puede realizar una regulación precisa de los parámetros de la red. No solo puede absorber el exceso de energía eléctrica para almacenarla durante el período de baja carga de la red, sino también liberar energía durante el período de carga máxima, ajustar de manera flexible la potencia activa y la potencia reactiva de la red, estabilizar el voltaje y la frecuencia de la red y hacer que el funcionamiento de la red sea más estable y eficiente. En cambio, el almacenamiento por bombeo está limitado por las condiciones geográficas y tiene un rango de regulación limitado; la precisión de la regulación del almacenamiento de energía electroquímica se ve fácilmente afectada por el estado de la batería; El almacenamiento de energía del volante es adecuado principalmente para la regulación de energía a corto plazo y es difícil lograr una regulación integral de la red. Esta ventaja del almacenamiento de energía superconductor le permite adaptarse perfectamente a las necesidades de desarrollo del nuevo sistema eléctrico y brindar un fuerte apoyo a la absorción eficiente de energía renovable.

Además, el sistema SMES también tiene ventajas implícitas de alta confiabilidad y bajos costos de mantenimiento. Su componente central, la bobina superconductora, no tiene movimiento mecánico, lo que reduce el riesgo de falla causado por el desgaste mecánico y prolonga su vida útil; al mismo tiempo, debido a la pérdida de energía extremadamente baja, no es necesario complementar la energía con frecuencia, lo que también reduce la carga de trabajo y el costo del mantenimiento diario. Aunque el sistema SMES actual todavía está limitado por el costo de los materiales superconductores y la tecnología de enfriamiento de baja temperatura y aún no ha logrado una aplicación comercial a gran escala, con el avance de la tecnología de materiales superconductores de alta temperatura y la disminución del costo, sus escenarios de aplicación continuarán expandiéndose. No solo se puede utilizar para la regulación de la frecuencia de la red y el suministro de energía de emergencia, sino que también se puede aplicar en sistemas UPS industriales, experimentos de investigación científica de alto nivel, equipos militares y otros campos, proporcionando un nuevo camino para el desarrollo eficiente y con bajas emisiones de carbono del campo energético.

En el patrón diversificado de tecnologías de almacenamiento de energía, el sistema SMES, con sus notables ventajas de eficiencia sin pérdidas, respuesta ultrarrápida y regulación precisa, ha roto el cuello de botella de rendimiento de las tecnologías tradicionales de almacenamiento de energía y se ha convertido en una fuerza importante que promueve la construcción del nuevo sistema energético. Con la continua iteración y mejora de la tecnología, el almacenamiento de energía superconductor seguramente desempeñará un papel más importante en la ola de transformación energética, llevando el campo del almacenamiento de energía a una nueva etapa de desarrollo eficiente, estable y con bajas emisiones de carbono, y brindando un apoyo sólido para la realización de los objetivos globales de 'carbono dual'.