作者：Steven Shackell
尽管效率一再刷新，但全球耗电量仍在继续增加。发电和储能基础设施也必须发展。目前，抽水蓄能、电池、电容器组和飞轮等储能方法被用于电网层面的储能。每种技术在容量、速度、效率和成本方面都有不同的优势和限制。
另一项新兴技术，即超导磁储能 (SMES)，有望推动储能技术的发展。超导磁储能技术将彻底改变我们传输和储存电能的方式。本文将探讨超导磁储能技术，以确定它是什么、如何工作、如何使用以及与其他能源存储技术的比较。
什么是超导磁储能？
SMES 是一种先进的储能技术，其最高级别的储能方式与电池类似。外部电源可为 SMES 系统充电，并将其存储在系统中；需要时，可将相同的电源放电并在外部使用。然而，SMES 系统通过线圈中的直流电流，以磁场的形式储存电能。该线圈由电阻为零的超导材料组成，使磁场的产生非常高效。一旦超导线圈充满电，线圈中的直流电就会持续运行，不会有任何能量损失，从而可以无限期地完美储存能量，直到 SMES 系统有意放电为止。这种高效率使 SMES 系统的端到端效率超过 95%。
超导磁储能系统如何工作？
SMES 技术依靠超导和电磁感应原理，提供最先进的电能存储解决方案。存储来自外部电源的交流电需要 SMES 系统首先将所有交流电转换为直流电。有趣的是，功率转换是 SMES 中唯一效率不高的部分，占系统总损耗的全部
。然后，直流电通过超导线产生一个巨大的电磁场，最终用来储存这些能量。超导材料在冷却到临界温度以下时电阻为零，这就是为什么 SMES 系统与其他存储方法不同，没有能量存储衰减或存储损耗。
螺线管几何形状产生电磁场的演示
超导线缆被精确地缠绕成环形或螺线管几何形状，就像其他常见的感应设备一样，以产生存储磁场。随着 SMES 系统需要存储的能量不断增加，超导线的尺寸和数量也必须随之增加。例如，北美的一个大型 SMES 项目概念性地引入了 2400MW 的存储容量，其特点是将一个直径达数十公里的存储环埋在地下。
超导磁储能 (SMES) 系统的优势
SMES 系统的显著特点是其无与伦比的效率。在储存能量的过程中，能量浪费极少。SMES 系统的端到端效率接近 100%，而锂离子电池的效率在 80% 到 90% 之间，抽水蓄能水电系统的效率在 70% 到 85% 之间。在农村微电网或大型卫星等能源可能是间歇性或稀缺的应用中，节能是最重要的，最大限度地提高存储效率是必要的，即使前期成本较高。
此外，SMES 系统充电和放电的响应时间都很快，因此非常适合需要快速、精确电力输送和稳定的应用。例如，半导体制造或医疗设施可从 SMES 系统中获益匪浅，因为它们的设备会产生巨大的功率浪涌，而 SMES 系统可轻松应对这些浪涌，即使与高性能锂离子电池系统相比也不遑多让。
超导磁储能系统的缺点
与其他储能解决方案相比，SMES 系统的前期成本非常高。超导材料制造成本高昂，需要低温冷却系统来实现和维持线圈材料的超导状态。
钇钡铜氧化物 (YBCO) 和铋锶钙铜氧化物 (BSCCO) 等超导体是利用高纯度原材料，通过复杂的合成技术制造出来的，因此其制造成本远高于普通线材。此外，YBCO 和 BSCCO 在常压下的临界点分别为 93K (-292.3F) 和 110K (-261F)，这意味着它们只有在极低的温度下才能实现超导，并且需要复杂的低温系统来创造这样的环境。
此外，SMES 系统的可扩展性也很有限。除了无法扩展的前期成本外，SMES 系统还具有较高的维护要求，而且存储容量不易增加。相比之下，锂离子电池存储系统可以轻松连接，而组合 SMES 设备则需要扩展低温冷却基础设施。
超导磁储能是能源基础设施的未来吗？
虽然超导磁能存储与其他能源存储应用相比具有极其独特的优势，是真正的先进技术，但在不久的将来，超导磁能存储不太可能在大多数能源存储应用中得到广泛采用。目前，超导材料的能力和供应都很有限。目前的技术需要在低温条件下才能表现出超导性，而且尚未实现批量、可并网的超导体生产。
不过，物理学家们正在努力发现新的高温超导体材料，这些材料有朝一日可能会实现室温超导。如果能够实现这一点，并且这种材料能够大规模生产，那么 SMES 的效率和性能将有可能领先于其他技术，推动市场应用。超导材料、低温技术和降低成本战略方面的进步可显著提高 SMES 系统的竞争力，但如今它们仅限于研究和利基能源基础设施。
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