Armazenamento de energia supercondutora: uma tecnologia central que lidera a transformação eficiente do campo de armazenamento de energia

Na era actual de transformação da estrutura energética global no sentido da limpeza e da inteligência, a tecnologia de armazenamento de energia, como suporte fundamental para equilibrar a oferta e a procura de energia e absorver energias renováveis, está a entrar num período dourado de desenvolvimento diversificado. Desde o armazenamento de energia eletroquímica convencional e armazenamento de energia mecânica até o armazenamento de energia eletromagnética de ponta, várias tecnologias desempenham seu papel em diferentes cenários. Entre eles, o sistema de armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES), como principal representante do armazenamento de energia eletromagnética, formou diferenças distintas de outras tecnologias de armazenamento de energia em virtude de seu princípio de funcionamento único e excelente desempenho, tornando-se uma "referência de eficiência" altamente promissora no campo de armazenamento de energia e injetando nova vitalidade na operação estável dos sistemas de energia.

A lógica central do sistema de armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES) é usar bobinas feitas de fios supercondutores para armazenar com eficiência a energia do campo magnético gerada pela fonte de alimentação e excitação da rede e, em seguida, enviar de forma estável a energia armazenada de volta à rede quando a demanda de energia atinge o pico, realizando a "regulação de mudança de pico" da energia. Um sistema SMES completo geralmente consiste em três componentes principais: uma bobina supercondutora colocada em um recipiente de resfriamento isolado a vácuo, que é o principal transportador para armazenamento de energia; um sistema de bomba criogênica e de vácuo que garante o estado supercondutor e fornece um ambiente de trabalho de temperatura extremamente baixa para a bobina; e dispositivos eletrônicos de potência para controle, que realizam o controle preciso do armazenamento e liberação de energia. Sua característica de funcionamento mais proeminente é que a corrente pode circular sem resistência no indutor fechado composto por bobinas supercondutoras, mantendo a estabilidade da corrente sem consumo adicional de energia, o que é fundamentalmente diferente de outras tecnologias de armazenamento de energia que requerem consumo contínuo de energia para manter o estado de armazenamento.

Em comparação com as atuais tecnologias convencionais de armazenamento de energia, o sistema PMES tem vantagens particularmente proeminentes, que podem ser chamadas de "líder de desempenho" no campo de armazenamento de energia. As suas principais vantagens estão concentradas em três dimensões: eficiência, velocidade e capacidade de regulação, cada uma das quais aborda com precisão os pontos problemáticos das tecnologias tradicionais de armazenamento de energia.

Em primeiro lugar, a eficiência do armazenamento de energia é extremamente elevada, alcançando uma resistência quase sem perdas. Esta é a principal vantagem do armazenamento de energia supercondutora e a principal característica que o distingue de outras tecnologias de armazenamento de energia. As tecnologias tradicionais de armazenamento de energia geralmente apresentam problemas de perda de energia: o armazenamento de energia eletroquímica (como baterias de íons de lítio) gera calor devido a reações químicas durante a carga e a descarga, levando à perda de energia, com uma eficiência de ida e volta geralmente entre 90% e 95%; o armazenamento de energia mecânica (como armazenamento bombeado e armazenamento de energia de ar comprimido) tem perdas devido ao atrito mecânico e às ligações de conversão de energia, entre as quais a eficiência do armazenamento de energia de ar comprimido tradicional é ainda inferior a 50%; até mesmo o armazenamento de energia do volante, que também é um tipo de armazenamento de energia eletromagnética, sofre rápida atenuação de energia devido à resistência do ar. Em contraste, o sistema SMES utiliza a característica de resistência zero dos supercondutores, de modo que a corrente circula na bobina fechada quase sem perda de energia. Experimentos mostraram que seu tempo de decaimento atual não é inferior a 100.000 anos, e a eficiência energética de ida e volta pode exceder 95%, até perto de 100% para sistemas de grande escala. Ele pode realizar 'retenção sem perdas' de energia a longo prazo, melhorando muito a eficiência da utilização de energia e é especialmente adequado para cenários com requisitos extremamente altos de perda de energia.

Em segundo lugar, a velocidade de libertação de energia é extremamente rápida, com resposta precisa e imediata. Quando o sistema de energia enfrenta situações de emergência, como flutuações repentinas de carga e quedas de tensão, a velocidade de resposta do sistema de armazenamento de energia determina diretamente a estabilidade da rede elétrica. As tecnologias tradicionais de armazenamento de energia têm frequentemente atrasos de resposta óbvios: o armazenamento bombeado requer o arranque de bombas de água ou turbinas, com um tempo de resposta geralmente ao nível dos minutos; embora o armazenamento de energia eletroquímica possa atingir uma resposta de milissegundos, sua estabilidade é insuficiente durante a produção de alta potência; o tempo de resposta do armazenamento de energia do ar comprimido chega a dezenas de minutos. Em contraste, o sistema SMES não requer processos complexos de conversão de energia, e a energia armazenada do campo magnético pode ser convertida diretamente em energia elétrica para saída. O tempo de resposta pode ser reduzido para o nível de milissegundos, até menos de 1 milissegundo no máximo, e geralmente leva apenas alguns segundos para completar a liberação total de energia. Ele pode preencher instantaneamente a lacuna de carga da rede, suprimir efetivamente as flutuações de frequência da rede, evitar apagões causados ​​por mudanças repentinas de carga e fornecer suporte de emergência rápido e confiável para a rede elétrica. Esta capacidade de resposta ultrarrápida torna-o insubstituível em cenários como regulação de frequência da rede e compensação instantânea de energia.

Finalmente, possui excelente capacidade de regulação da rede elétrica e ampla adaptabilidade. Com a ligação à rede em grande escala de energias renováveis ​​intermitentes, como a energia eólica e a energia fotovoltaica, as flutuações da tensão da rede, frequência, potência activa e potência reactiva estão a tornar-se cada vez mais severas, apresentando requisitos mais elevados para a capacidade de regulação dos sistemas de armazenamento de energia. Através de dispositivos avançados de controle eletrônico de potência, o sistema SMES pode realizar uma regulação precisa dos parâmetros da rede. Ele pode não apenas absorver o excesso de energia elétrica para armazenamento durante o período de baixa carga da rede, mas também liberar energia durante o período de pico de carga, ajustar de forma flexível a potência ativa e a potência reativa da rede, estabilizar a tensão e a frequência da rede e tornar a operação da rede mais estável e eficiente. Em contrapartida, o armazenamento reversível é limitado pelas condições geográficas e tem um âmbito de regulação limitado; a precisão da regulação do armazenamento de energia eletroquímica é facilmente afetada pelo estado da bateria; o armazenamento de energia do volante é principalmente adequado para regulação de energia de curto prazo e é difícil de alcançar uma regulação abrangente da rede. Esta vantagem do armazenamento de energia supercondutora permite-lhe adaptar-se perfeitamente às necessidades de desenvolvimento do novo sistema de energia e fornecer um forte apoio para a absorção eficiente de energia renovável.

Além disso, o sistema SMES também apresenta vantagens implícitas de alta confiabilidade e baixos custos de manutenção. Seu componente central, a bobina supercondutora, não possui movimento mecânico, o que reduz o risco de falhas causadas por desgaste mecânico e prolonga sua vida útil; ao mesmo tempo, devido à perda de energia extremamente baixa, não há necessidade de suplementar energia com frequência, o que também reduz a carga de trabalho e o custo da manutenção diária. Embora o atual sistema SMES ainda seja limitado pelo custo dos materiais supercondutores e da tecnologia de resfriamento de baixa temperatura e ainda não tenha alcançado aplicação comercial em larga escala, com o avanço da tecnologia de materiais supercondutores de alta temperatura e a diminuição do custo, seus cenários de aplicação continuarão a se expandir. Ele não só pode ser usado para regulação de frequência da rede e fornecimento de energia de emergência, mas também pode ser aplicado em sistemas UPS industriais, experimentos de pesquisa científica de ponta, equipamentos militares e outros campos, proporcionando um novo caminho para o desenvolvimento eficiente e de baixo carbono do campo energético.

No padrão diversificado de tecnologias de armazenamento de energia, o sistema SMES, com as suas notáveis ​​vantagens de eficiência sem perdas, resposta ultra-rápida e regulação precisa, quebrou o gargalo de desempenho das tecnologias tradicionais de armazenamento de energia e tornou-se uma força importante na promoção da construção do novo sistema de energia. Com a contínua iteração e atualização da tecnologia, o armazenamento de energia supercondutora certamente desempenhará um papel mais importante na onda de transformação energética, conduzindo o campo do armazenamento de energia a um novo estágio de desenvolvimento eficiente, estável e de baixo carbono, e fornecendo um suporte sólido para a realização dos objetivos globais de "carbono duplo".