Supraleitende magnetische Energiespeicherung (SMES)
Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) speichern Energie in dem Magnetfeld, das durch den Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule entsteht. Die Energie kann unbegrenzt gespeichert werden, solange die Spule auf supraleitenden Temperaturen gehalten wird, da es praktisch keine Energieverluste aufgrund des elektrischen Widerstands gibt. Die gespeicherte Energie ist gegeben durch [latex]E = \frac{1}{2} L I^2[/latex].
Eine SMES-Einheit besteht aus drei Hauptbestandteilen: einer supraleitenden Spule, einem Leistungskonditionierungssystem (Power Conditioning System, PCS) und einem Tieftemperaturkühler. Die Spule besteht aus einem supraleitenden Material (z. B. Niob-Titan), das, wenn es unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird, einen elektrischen Widerstand von nahezu Null aufweist. In die Spule wird ein Gleichstrom eingespeist, der ein starkes Magnetfeld erzeugt, in dem Energie nach der Formel [latex]E = frac{1}{2} gespeichert wird L I^2[/latex], wobei L für die Induktivität der Spule und I für den Strom steht. Da der Widerstand vernachlässigbar ist, kann der Strom ununterbrochen mit minimalem Verlust zirkulieren, was die Speicherung sehr effizient macht. Das PCS, in der Regel mit Halbleiter-Wechselrichtern/Gleichrichtern, steuert den Stromfluss, wandelt Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom um, um die Spule aufzuladen, und wandelt die gespeicherte Gleichstromenergie zur Entladung wieder in Wechselstrom um. Die gesamte Spule muss durch einen Kryokühler auf extrem niedrigen Temperaturen gehalten werden (ca. 4,2 K bei Niedertemperatursupraleitern), was die größten kontinuierlichen Energiekosten verursacht. SMES-Systeme zeichnen sich durch einen extrem hohen Wirkungsgrad (>95%), eine sofortige Reaktionszeit (Millisekunden) und eine unbegrenzte Lebensdauer aus. Ihre Energiedichte ist jedoch relativ gering und die Kapitalkosten, vor allem für den supraleitenden Draht und das kryogene System, sind sehr hoch, was ihren Einsatz auf hochwertige, kurzzeitige Energieanwendungen beschränkt.
UNESCO Nomenclature: 2211
- Festkörperphysik
Verwendung
Nische/Spezialisiert
Vorläufer
- Entdeckung des Elektromagnetismus durch Hans Christian Ørsted (1820)
- Das Induktionsgesetz von Michael Faraday
- Entdeckung der Supraleitung durch Heike Kamerlingh onnes (1911)
- Entwicklung von Typ-II-Supraleitern, die in der Lage sind, hohe Ströme in starken Magnetfeldern zu leiten
Anwendungen
- Verbesserung der Stromqualität und Spannungsstabilisierung in Stromnetzen
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für kritische Einrichtungen
- Frequenzregelung
- Antrieb für Experimente in der Hochenergiephysik
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: SMES, Supraleitung, Magnetfeld, Energiespeicherung, supraleitende Spule, Kryogenik, Stromqualität, hoher Wirkungsgrad, Induktivität, Gleichstrom.