Di Steven Shackell
Nonostante le nuove efficienze, il consumo di elettricità a livello mondiale continua ad aumentare. Le infrastrutture per la produzione e l'accumulo dell'energia devono crescere di pari passo. Attualmente, a livello di rete vengono utilizzate metodologie di accumulo, come le centrali idroelettriche a pompaggio, le batterie, i banchi di condensatori e i volani, per immagazzinare l'energia. Ciascuna tecnologia presenta vantaggi e limiti diversi in termini di capacità, velocità, efficienza e costi.
L'accumulo energetico in superconduttori (SMES) rappresenta un'altra tecnologia emergente che si dimostra promettente per l'accumulo dell'energia. Lo SMES potrebbe rivoluzionare il modo in cui l'energia elettrica viene trasferita e immagazzinata. Questo articolo illustra la tecnologia SMES per capire cos'è, come funziona e come può essere utilizzata, anche mettendola a confronto con altre tecnologie di accumulo dell'energia.
Che cos'è l'accumulo energetico in superconduttori?
Lo SMES è una tecnologia avanzata di accumulo dell'energia che immagazzina l'energia come fa una batteria. La corrente esterna carica il sistema SMES in cui viene immagazzinata. All'occorrenza, la stessa corrente può essere scaricata e utilizzata all'esterno. Tuttavia, i sistemi SMES immagazzinano l'energia elettrica sotto forma di campo magnetico attraverso il flusso di corrente continua in una bobina. Tale bobina è composta da un materiale superconduttore con resistenza elettrica pari a zero, che rende la creazione del campo magnetico perfettamente efficiente. Una volta caricata la bobina superconduttrice, la corrente continua nella bobina funziona continuamente senza alcuna perdita di energia, consentendo di immagazzinare perfettamente l'energia a tempo indeterminato fino a quando il sistema SMES non viene scaricato intenzionalmente. Questa efficienza elevata consente ai sistemi SMES un rendimento end-to-end superiore al 95%.
Come funziona un sistema SMES?
La tecnologia SMES sfrutta i principi della superconduttività e dell'induzione elettromagnetica per fornire una soluzione all'avanguardia per l'accumulo dell'energia elettrica. Per l'immagazzinamento della corrente alternata da una fonte di alimentazione esterna, il sistema SMES deve prima convertire tutta la corrente alternata in corrente continua. È interessante notare come la conversione della corrente sia l'unica parte di uno SMES a non essere perfettamente efficiente, tenendo conto di tutte le perdite totali di sistema.
La corrente continua viene quindi fatta passare attraverso il filo superconduttore per generare un grande campo elettromagnetico, che viene utilizzato per immagazzinare l'energia. I materiali superconduttori hanno una resistenza elettrica pari a zero quando vengono raffreddati al di sotto della relativa temperatura critica: per questo motivo i sistemi SMES non presentano decadimento o perdita di accumulo dell'energia, a differenza di altri metodi di immagazzinamento.
Dimostrazione della geometria di un solenoide che genera un campo elettromagnetico
Il filo superconduttore viene avvolto con precisione in una geometria toroidale o solenoidale, come in altri dispositivi a induzione di uso comune, per generare il campo magnetico di accumulo. Man mano che aumenta la quantità di energia che deve essere immagazzinata dal sistema SMES, aumentano anche le dimensioni e la quantità dei cavi superconduttori. Ad esempio, è stato presentato un grande progetto SMES nordamericano con una capacità di accumulo di 2400 MW e una zona d'immagazzinamento con un diametro di decine di chilometri, interrato.
Vantaggio dei sistemi SMES
La caratteristica distintiva dei sistemi SMES è la loro efficienza imbattibile. L'energia sprecata nel processo di immagazzinamento è minima. I sistemi SMES presentano un'efficienza end-to-end prossima al 100%, mentre quella delle batterie agli ioni di litio va dall'80% al 90% e le centrali idroelettriche a con pompaggio hanno un'efficienza di sistema compresa tra il 70% e l'85%. Nelle applicazioni in cui la corrente può essere intermittente o scarsa, come una microrete rurale o un satellite di grandi dimensioni, la conservazione dell'energia può essere fondamentale e può essere necessario massimizzare l'efficienza di immagazzinamento, anche se questo fa aumentare i costi iniziali.
Inoltre, i sistemi SMES offrono tempi di risposta rapidi sia per la carica che per la scarica e questo li rende candidati ideali per le applicazioni che richiedono un'erogazione e una stabilizzazione rapida e precisa della corrente. Ad esempio, gli impianti di produzione di semiconduttori o le strutture mediche traggono grande vantaggio dai sistemi SMES, perché hanno apparecchiature in grado di generare grandi picchi di potenza facilmente gestibili da un sistema SMES, anche rispetto ai sistemi di batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni.
Svantaggi dei sistemi SMES
I costi iniziali dei sistemi SMES sono molto elevati rispetto ad altre soluzioni di accumulo dell'energia. I materiali superconduttori sono costosi da produrre e richiedono un sistema di raffreddamento criogenico per raggiungere e mantenere lo stato superconduttivo del materiale della bobina.
I superconduttori come l'ossido di ittrio bario e rame (YBCO) e l'ossido di rame calcio stronzio bismuto (BSCCO) vengono creati mediante complesse tecniche di sintesi che utilizzano materie prime di elevata purezza e questo rende la loro produzione molto più costosa rispetto ai fili comuni. Inoltre, YBCO e BSCCO hanno temperature critiche a 93 K (-292,3 F) e 110 K (-261 F) alla pressione atmosferica. Ciò significa che sono superconduttori solo se vengono mantenuti a temperature estremamente basse e la creazione di tali ambienti richiede complessi sistemi criogenici.
Inoltre, i sistemi SMES hanno una scalabilità limitata. A parte i costi iniziali non scalabili, i sistemi SMES hanno importanti requisiti di manutenzione e la loro capacità di accumulo non può essere aumentata facilmente. Al contrario, i sistemi di accumulo a batteria agli ioni di litio sono facilmente collegabili, mentre per realizzare una combinazione di dispositivi SMES è necessario ridimensionare l'infrastruttura di raffreddamento criogenico.
I sistemi SMES sono il futuro dell'infrastruttura energetica?
I sistemi SMES offrono un enorme vantaggio rispetto ad altre applicazioni di accumulo dell'energia e rappresentano una tecnologia veramente all'avanguardia, ma è improbabile che vengano adottati su larga scala nella maggior parte delle applicazioni di accumulo dell'energia nel prossimo futuro. Attualmente, i materiali superconduttori hanno capacità e disponibilità limitate. Le tecnologie attuali richiedono temperature criogeniche per esprimere la superconduttività e non è ancora stata raggiunta una produzione di massa di superconduttori in grado di funzionare in rete.
Tuttavia, la fisica è al lavoro per scoprire nuovi materiali superconduttori ad alta temperatura che un giorno potrebbero consentire la superconduttività a temperatura ambiente. Se questo obiettivo verrà raggiunto e il materiale potrà essere prodotto in serie, l'efficienza e le prestazioni dei sistemi SMES porteranno probabilmente alla loro adozione sul mercato prima di altre tecnologie. I progressi a livello di materiali superconduttori, tecnologie criogeniche e strategie di riduzione dei costi potrebbero aumentare notevolmente la competitività dei sistemi SMES, ma oggi sono limitati alla ricerca e alle infrastrutture energetiche di nicchia.
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