Stoccaggio energetico superconduttore: una tecnologia fondamentale che guida la trasformazione efficiente del campo dello stoccaggio energetico

Nell’era odierna della trasformazione della struttura energetica globale verso la pulizia e l’intelligenza, la tecnologia di stoccaggio dell’energia, come supporto chiave per bilanciare l’offerta e la domanda di energia e assorbire l’energia rinnovabile, sta entrando in un periodo d’oro di sviluppo diversificato. Dallo stoccaggio di energia elettrochimica tradizionale e di energia meccanica allo stoccaggio di energia elettromagnetica all’avanguardia, varie tecnologie svolgono il loro ruolo in diversi scenari. Tra questi, il sistema Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), in quanto rappresentante principale dell'accumulo di energia elettromagnetica, ha formato differenze distinte rispetto ad altre tecnologie di stoccaggio dell'energia in virtù del suo principio di funzionamento unico e delle eccellenti prestazioni, diventando un 'punto di riferimento di efficienza' altamente promettente nel campo dell'accumulo di energia e iniettando nuova vitalità nel funzionamento stabile dei sistemi energetici.

La logica fondamentale del sistema Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) è quella di utilizzare bobine costituite da fili superconduttori per immagazzinare in modo efficiente l'energia del campo magnetico generato dall'alimentazione e dall'eccitazione della rete, e quindi inviare stabilmente l'energia immagazzinata alla rete quando la domanda di energia raggiunge il picco, realizzando una 'regolazione con spostamento del picco' dell'energia. Un sistema SMES completo è solitamente costituito da tre componenti principali: una bobina superconduttrice collocata in un contenitore di raffreddamento isolato sotto vuoto, che è il vettore principale per l'accumulo di energia; un sistema criogenico e di pompa a vuoto che garantisce lo stato superconduttore e fornisce un ambiente di lavoro a temperatura estremamente bassa per la bobina; e dispositivi elettronici di potenza per il controllo, che realizzano un controllo preciso dell'accumulo e del rilascio dell'energia. La sua caratteristica di funzionamento più importante è che la corrente può circolare senza resistenza nell'induttore chiuso composto da bobine superconduttrici, mantenendo la stabilità della corrente senza ulteriore consumo di energia, il che è fondamentalmente diverso da altre tecnologie di stoccaggio dell'energia che richiedono un consumo energetico continuo per mantenere lo stato di stoccaggio.

Rispetto alle attuali tecnologie tradizionali di stoccaggio dell'energia, il sistema PMI presenta vantaggi particolarmente importanti, che possono essere definiti un 'leader in termini di prestazioni' nel campo dello stoccaggio dell'energia. I suoi vantaggi principali sono concentrati in tre dimensioni: efficienza, velocità e capacità di regolazione, ognuna delle quali affronta con precisione i punti critici delle tradizionali tecnologie di stoccaggio dell’energia.

Innanzitutto, l’efficienza di accumulo dell’energia è estremamente elevata, raggiungendo una resistenza quasi senza perdite. Questo è il vantaggio principale dello stoccaggio dell’energia superconduttore e la caratteristica chiave che lo distingue da altre tecnologie di stoccaggio dell’energia. Le tradizionali tecnologie di accumulo dell'energia presentano generalmente problemi di perdita di energia: l'accumulo di energia elettrochimica (come le batterie agli ioni di litio) genera calore a causa di reazioni chimiche durante la carica e la scarica, portando a perdita di energia, con un'efficienza di andata e ritorno solitamente compresa tra il 90% e il 95%; l'accumulo di energia meccanica (come l'accumulo con pompaggio e l'accumulo di energia con aria compressa) presenta perdite dovute all'attrito meccanico e ai collegamenti di conversione dell'energia, tra cui l'efficienza del tradizionale accumulo di energia con aria compressa è addirittura inferiore al 50%; anche l'accumulo di energia del volano, che è anche un tipo di accumulo di energia elettromagnetica, subisce una rapida attenuazione dell'energia a causa della resistenza dell'aria. Al contrario, il sistema SMES utilizza la caratteristica di resistenza zero dei superconduttori, quindi la corrente circola nella bobina chiusa quasi senza perdita di energia. Gli esperimenti hanno dimostrato che il suo attuale tempo di decadimento non è inferiore a 100.000 anni e che l'efficienza energetica di andata e ritorno può superare il 95%, anche vicino al 100% per i sistemi su larga scala. Può realizzare una 'ritenzione senza perdite' di energia a lungo termine, migliorando notevolmente l'efficienza di utilizzo dell'energia ed è particolarmente adatto a scenari con requisiti estremamente elevati di perdita di energia.

In secondo luogo, la velocità di rilascio dell’energia è estremamente elevata, con una risposta precisa ed immediata. Quando il sistema elettrico si trova ad affrontare situazioni di emergenza come improvvise fluttuazioni del carico e abbassamenti di tensione, la velocità di risposta del sistema di accumulo dell’energia determina direttamente la stabilità della rete elettrica. Le tecnologie tradizionali di stoccaggio dell’energia hanno spesso evidenti ritardi di risposta: lo stoccaggio con pompaggio richiede l’avvio di pompe o turbine dell’acqua, con un tempo di risposta solitamente al minuto; sebbene l'accumulo di energia elettrochimica possa raggiungere una risposta di livello millisecondo, la sua stabilità è insufficiente durante l'uscita ad alta potenza; il tempo di risposta dell'accumulo di energia tramite aria compressa arriva addirittura a decine di minuti. Al contrario, il sistema SMES non richiede complessi processi di conversione dell’energia e l’energia del campo magnetico immagazzinata può essere convertita direttamente in energia elettrica per la produzione. Il tempo di risposta può essere ridotto al livello del millisecondo, anche meno di 1 millisecondo nel caso più veloce, e di solito sono necessari solo pochi secondi per completare il rilascio completo dell'energia. Può colmare istantaneamente il divario di carico della rete, sopprimere efficacemente le fluttuazioni della frequenza della rete, prevenire blackout causati da improvvisi cambiamenti di carico e fornire un supporto di emergenza rapido e affidabile per la rete elettrica. Questa capacità di risposta ultrarapida lo rende insostituibile in scenari quali la regolazione della frequenza di rete e la compensazione istantanea della potenza.

Infine, ha un’eccellente capacità di regolazione della rete elettrica e un’ampia adattabilità. Con la connessione alla rete su larga scala di energie rinnovabili intermittenti come l’energia eolica e fotovoltaica, le fluttuazioni della tensione di rete, della frequenza, della potenza attiva e della potenza reattiva stanno diventando sempre più gravi, ponendo requisiti più elevati per la capacità di regolazione dei sistemi di accumulo dell’energia. Attraverso avanzati dispositivi di controllo elettronico di potenza, il sistema SMES può realizzare una regolazione precisa dei parametri di rete. Non solo può assorbire l'energia elettrica in eccesso per l'accumulo durante il periodo di basso carico della rete, ma anche rilasciare energia durante il periodo di picco di carico, regolare in modo flessibile la potenza attiva e la potenza reattiva della rete, stabilizzare la tensione e la frequenza della rete e rendere il funzionamento della rete più stabile ed efficiente. Al contrario, lo stoccaggio con pompaggio è limitato dalle condizioni geografiche e ha un intervallo di regolazione limitato; la precisione della regolazione dell'accumulo di energia elettrochimica è facilmente influenzata dallo stato della batteria; lo stoccaggio dell'energia del volano è adatto principalmente per la regolazione della potenza a breve termine ed è difficile ottenere una regolamentazione completa della rete. Questo vantaggio dell’accumulo di energia superconduttiva gli consente di adattarsi perfettamente alle esigenze di sviluppo del nuovo sistema energetico e fornire un forte supporto per l’assorbimento efficiente dell’energia rinnovabile.

Inoltre, il sistema PMI presenta anche vantaggi impliciti di elevata affidabilità e bassi costi di manutenzione. Il suo componente principale, la bobina superconduttrice, non ha movimento meccanico, il che riduce il rischio di guasti causati dall'usura meccanica e ne prolunga la durata; allo stesso tempo, grazie alla bassissima perdita di energia, non è necessario integrare frequentemente l'energia, il che riduce anche il carico di lavoro e i costi di manutenzione quotidiana. Sebbene l’attuale sistema PMI sia ancora limitato dal costo dei materiali superconduttori e dalla tecnologia di raffreddamento a bassa temperatura e non abbia ancora raggiunto un’applicazione commerciale su larga scala, con la svolta della tecnologia dei materiali superconduttori ad alta temperatura e la diminuzione dei costi, i suoi scenari applicativi continueranno ad espandersi. Può essere utilizzato non solo per la regolazione della frequenza di rete e l'alimentazione di emergenza, ma anche per sistemi UPS industriali, esperimenti di ricerca scientifica di fascia alta, attrezzature militari e altri campi, fornendo un nuovo percorso per lo sviluppo efficiente e a basse emissioni di carbonio del campo energetico.

Nel modello diversificato delle tecnologie di stoccaggio dell’energia, il sistema PMI, con i suoi notevoli vantaggi di efficienza senza perdite, risposta ultraveloce e regolamentazione precisa, ha rotto il collo di bottiglia prestazionale delle tradizionali tecnologie di stoccaggio dell’energia ed è diventato una forza importante che promuove la costruzione del nuovo sistema energetico. Con la continua iterazione e aggiornamento della tecnologia, lo stoccaggio dell’energia superconduttore svolgerà sicuramente un ruolo maggiore nell’ondata di trasformazione energetica, portando il campo dello stoccaggio dell’energia in una nuova fase di sviluppo efficiente, stabile e a basse emissioni di carbonio e fornendo un solido supporto per la realizzazione degli obiettivi globali del “doppio carbonio”.