Сверхпроводящее хранение энергии: основная технология, ведущая к эффективной трансформации области хранения энергии

В сегодняшнюю эпоху трансформации глобальной энергетической структуры в сторону чистоты и интеллекта технологии хранения энергии, как ключевая поддержка для балансирования спроса и предложения электроэнергии и поглощения возобновляемой энергии, вступают в золотой период диверсифицированного развития. От обычных электрохимических и механических накопителей энергии до передовых электромагнитных накопителей энергии — различные технологии играют свою роль в разных сценариях. Среди них система сверхпроводящего магнитного хранения энергии (SMES), являющаяся основным представителем электромагнитного хранения энергии, имеет явные отличия от других технологий хранения энергии благодаря своему уникальному принципу работы и превосходным характеристикам, став многообещающим «эталоном эффективности» в области хранения энергии и привнося новую энергию в стабильную работу энергосистем.

Основная логика системы сверхпроводящего хранения магнитной энергии (SMES) заключается в использовании катушек, изготовленных из сверхпроводящих проводов, для эффективного хранения энергии магнитного поля, генерируемой электропитанием и возбуждением сети, а затем стабильной отправки накопленной энергии обратно в сеть, когда потребность в мощности достигает пика, реализуя «регулирование сдвига пика» энергии. Полная система SMES обычно состоит из трех основных компонентов: сверхпроводящей катушки, помещенной в охлаждающий контейнер с вакуумной изоляцией, который является основным носителем энергии; криогенно-вакуумная насосная система, обеспечивающая сверхпроводящее состояние и обеспечивающая крайне низкотемпературную рабочую среду катушки; и силовые электронные устройства управления, которые осуществляют точный контроль накопления и высвобождения энергии. Его наиболее заметной рабочей характеристикой является то, что ток может циркулировать без сопротивления в закрытом индукторе, состоящем из сверхпроводящих катушек, поддерживая стабильность тока без дополнительного потребления энергии, что принципиально отличается от других технологий хранения энергии, которые требуют постоянного потребления энергии для поддержания состояния хранения.

По сравнению с нынешними основными технологиями хранения энергии система SMES имеет особенно заметные преимущества, которые можно назвать «лидером производительности» в области хранения энергии. Его основные преимущества сосредоточены в трех измерениях: эффективность, скорость и возможности регулирования, каждое из которых точно устраняет болевые точки традиционных технологий хранения энергии.

Прежде всего, эффективность хранения энергии чрезвычайно высока, что обеспечивает долговечность практически без потерь. Это основное преимущество сверхпроводникового хранения энергии и ключевая особенность, которая отличает его от других технологий хранения энергии. Традиционные технологии хранения энергии обычно имеют проблемы с потерями энергии: электрохимическое хранилище энергии (например, литий-ионные батареи) генерирует тепло из-за химических реакций во время зарядки и разрядки, что приводит к потерям энергии, с КПД туда и обратно обычно составляет от 90% до 95%; механическое хранилище энергии (например, насосное хранилище и хранилище энергии на сжатом воздухе) имеет потери из-за механического трения и связей преобразования энергии, среди которых эффективность традиционного хранения энергии на сжатом воздухе составляет даже менее 50%; даже маховик накопителя энергии, который также является разновидностью электромагнитного накопителя энергии, испытывает быстрое затухание энергии из-за сопротивления воздуха. Напротив, система SMES использует характеристику сверхпроводников с нулевым сопротивлением, поэтому ток циркулирует в закрытой катушке практически без потерь энергии. Эксперименты показали, что его нынешнее время распада составляет не менее 100 000 лет, а эффективность передачи энергии туда и обратно может превышать 95%, а для крупномасштабных систем даже близка к 100%. Он может обеспечить долгосрочное «сохранение энергии без потерь», значительно повышая эффективность использования энергии, и особенно подходит для сценариев с чрезвычайно высокими требованиями к потерям энергии.

Во-вторых, скорость высвобождения энергии чрезвычайно высока, с точным и немедленным откликом. Когда энергосистема сталкивается с чрезвычайными ситуациями, такими как резкие колебания нагрузки и провалы напряжения, скорость реагирования системы хранения энергии напрямую определяет стабильность электросети. Традиционные технологии хранения энергии часто имеют очевидные задержки реакции: для гидроаккумулирования требуется запуск водяных насосов или турбин, время реакции обычно составляет минуты; хотя электрохимическое хранилище энергии может обеспечить отклик на уровне миллисекунд, его стабильность недостаточна при высокой выходной мощности; время срабатывания накопителя энергии сжатого воздуха может достигать десятков минут. Напротив, система SMES не требует сложных процессов преобразования энергии, а накопленная энергия магнитного поля может быть напрямую преобразована в электрическую энергию для вывода. Время отклика можно сократить до уровня миллисекунд, даже менее 1 миллисекунды в самом быстром случае, и обычно для полного высвобождения энергии требуется всего несколько секунд. Он может мгновенно заполнить пробел в нагрузке сети, эффективно подавлять колебания частоты сети, предотвращать отключения электроэнергии, вызванные внезапными изменениями нагрузки, а также обеспечивать быструю и надежную аварийную поддержку электросети. Такая сверхбыстрая реакция делает его незаменимым в таких сценариях, как регулирование частоты сети и мгновенная компенсация мощности.

Наконец, он обладает превосходными возможностями регулирования электросети и широкой адаптируемостью. При крупномасштабном подключении к сети прерывистой возобновляемой энергии, такой как энергия ветра и фотоэлектрическая энергия, колебания напряжения, частоты, активной и реактивной мощности в сети становятся все более серьезными, что предъявляет более высокие требования к возможностям регулирования систем хранения энергии. Благодаря передовым силовым электронным устройствам управления система SMES может осуществлять точное регулирование параметров сети. Он может не только поглощать избыточную электрическую энергию для хранения в период низкой нагрузки сети, но также выделять энергию в период пиковой нагрузки, гибко регулировать активную и реактивную мощность сети, стабилизировать напряжение и частоту сети, а также делать работу сети более стабильной и эффективной. Напротив, гидроаккумулирование ограничено географическими условиями и имеет ограниченный диапазон регулирования; на точность регулирования электрохимического хранения энергии легко влияет состояние батареи; Хранение энергии с маховиком в основном подходит для кратковременного регулирования мощности, и его трудно достичь комплексного регулирования сети. Это преимущество сверхпроводящего накопителя энергии позволяет ему идеально адаптироваться к потребностям развития новой энергосистемы и обеспечить мощную поддержку эффективному использованию возобновляемых источников энергии.

Кроме того, система SMES также имеет неявные преимущества, заключающиеся в высокой надежности и низких затратах на техническое обслуживание. Ее основной компонент, сверхпроводящая катушка, не имеет механического движения, что снижает риск отказа, вызванного механическим износом, и продлевает срок ее службы; в то же время, благодаря чрезвычайно низким потерям энергии, нет необходимости часто дополнять энергию, что также снижает рабочую нагрузку и стоимость ежедневного обслуживания. Хотя нынешняя система SMES по-прежнему ограничена стоимостью сверхпроводящих материалов и технологией низкотемпературного охлаждения и еще не достигла крупномасштабного коммерческого применения, с прорывом в технологии высокотемпературных сверхпроводящих материалов и снижением стоимости сценарии ее применения будут продолжать расширяться. Его можно не только использовать для регулирования частоты сети и аварийного электроснабжения, но также применять в промышленных системах бесперебойного питания, высокотехнологичных научно-исследовательских экспериментах, военной технике и других областях, открывая новый путь для эффективного и низкоуглеродного развития энергетической области.

В диверсифицированной структуре технологий хранения энергии система SMES с ее замечательными преимуществами эффективности без потерь, сверхбыстрого реагирования и точного регулирования преодолела узкое место в производительности традиционных технологий хранения энергии и стала важной силой, способствующей созданию новой энергосистемы. Благодаря постоянному обновлению и совершенствованию технологий сверхпроводящие накопители энергии, несомненно, будут играть более важную роль в волне трансформации энергии, выведя область хранения энергии на новый этап эффективного, стабильного и низкоуглеродного развития и обеспечив надежную поддержку для реализации глобальных целей «двойного углерода».