Almacenamiento de energía magnética por superconducción

29 Prisma  Tecnológico | Vol. 4, n.° 1, edición 2013. Tecnología a fondo Almacenamiento de energía magnética por superconducción Guadalupe G. González Universidad Tecnológica de Panamá [email protected] Resumen:  en este artículo presentamos una de las tecnologías  de almacenamiento de energía actualmente utilizadas en sistemas  de potencia, Almacenamiento de Energía por Superconducción.  Primero, presentamos una pequeña reseña histórica sobre la  superconductividad, sus orígenes y primeras aplicaciones, ya que es  la base de este sistema de almacenamiento. Luego, explicamos los  principios básicos de su funcionamiento y detallamos sus componentes  principales. Finalmente, presentamos su aplicación en sistemas de  potencia. Palabras claves: almacenamiento de energía, electromagnetismo,  sistema de potencia, SMES, superconductor. Title: Superconducting Magnetic Energy Storage. Abstract:  in this article we present one of the energy storage  technologies currently used in power systems, Energy Storage  by Superconduction. First, we present a small historical review on  superconductivity,  its  origins  and  first  applications,  since  it  is  the  base of this storage system. Then, we explain the basic principles  of operation and detail its main components. Finally, we present its  application in power systems. Keywords:  electromagnetism, energy storage, power system,  SMES, superconductor. 1. Introducción E l mundo industrializado gira alrededor de energía. En los  últimos años, casi el 90% de la energía primaria en el mundo  proviene de derivados del petróleo, ya sea en forma de carbón,  petróleo crudo o gas natural [1]. Dado que éstos no son renovables  no podemos depender de ellos como fuentes primarias de energía. En las últimas décadas se han incrementado los esfuerzos para  reducir el uso del petróleo a nivel mundial. Hemos visto cómo se han  desarrollado los sistemas de energías renovables para generación  eléctrica así como la comercialización de vehículos eléctricos,  híbridos  y  de  combustible  flexible,  entre  otros;  sin  embargo,  todas  estas tecnologías parecen tener un punto débil en común: el sistema  de almacenamiento de energía. En los sistemas de potencia con generación eólica o solar, por  ejemplo, la energía se extrae de manera intermitente; ya sea debido  a variaciones en la velocidad del viento o a la presencia de nubes  durante el día. Estas fluctuaciones pueden afectar significativamente  el sistema de potencia por consiguiente, se necesitan sistemas de  almacenamiento capaces de almacenar grandes cantidades de  energía  que  puedan  amortiguar  dichas  fluctuaciones.  También,  se  necesita asegurar la extracción de la energía en cualquier momento  que sea posible no sólo cuando la carga lo requiera. Finalmente,  se requieren métodos de almacenamiento capaces de satisfacer  variaciones en la demanda [2,3]. Para satisfacer las necesidades previamente mencionadas, se han  desarrollado diferentes tipos de sistemas de almacenamiento, entre  ellos: térmico, químico, electroquímico, de aire comprimido, mecánico  con volantes de inercia, bombeo hidroeléctrico, banco de capacitores y  por superconducción, siendo esta última el tema de este artículo. Los sistemas de almacenamiento de energía magnética por  superconducción (SMES – Superconducting Magnetic Energy  Storage) fueron diseñados originalmente para satisfacer variaciones  en la demanda diurna. Quizás su mejor característica es que es  altamente eficiente; se ha estimado que una unidad puede tener un  90% de eficiencia mientras que los sistemas de almacenamiento por  bombeo hidroeléctrico, las baterías y las volantes de inercia tienen  una eficiencia típica del 60-70% [4]. 2.  Reseña histórica La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike  Kamerlingh Onnes, quien se encontraba estudiando la resistencia del  mercurio sólido a temperaturas criogénicas, utilizando helio líquido  como refrigerante [5]. Alrededor  de  los  años  60’s,  científicos  americanos,  japoneses  y europeos realizaron los primeros pasos en la creación de  almacenadores de energía magnética por superconducción. Pero no  fue hasta 1971, en el Centro de Superconductividad Aplicada de la  Universidad de Wisconsin, cuando Peterson y Boom inventaron el  sistema de SMES tal y como lo conocemos hoy en día. Después de  esto, distintas compañías y centros de investigación han desarrollado  y diseñado SMES para su uso en redes eléctricas. 3. Almacenamiento de energía magnética por  superconducción Las unidades de almacenamiento de energía magnética por  superconducción (SMES) almacenan energía de la misma forma que  lo haría un inductor convencional. Ambos, almacenan energía en el  campo magnético creado por las corrientes que fluyen a través de un  alambre bobinado. La principal diferencia radica en que en el SMES,  una corriente directa fluye a través de un alambre superconductor;  esto significa que el alambre se encuentra a temperaturas criogénicas  y no muestra resistencia conductiva alguna. El hecho que no exista resistencia óhmica en el alambre implica  que no hay disipación térmica, por consiguiente, la energía puede  almacenarse  en  el  SMES  virtualmente  por  tiempo  indefinido  hasta  que sea requerida. Dado que la energía es almacenada como  corriente  circulatoria,  puede  extraerse  de  las  unidades  SMES  con  una respuesta casi instantánea siendo entregada o almacenada en 

30 Prisma  Tecnológico | Vol. 4, n.° 1, edición 2013. El contenido energético en un campo electromagnético es  determinado por la corriente que fluye a través de las espiras de una  bobina magnética y puede ser calculado con (1). (1) periodos que varían de fracciones de segundos a algunas horas [6]. Una unidad típica de almacenamiento de energía por  superconducción consta principalmente de: la bobina superconductora,  el sistema de refrigeración y la interfaz eléctrica. 3.1. Bobina superconductora Los superconductores son capaces de transportar altos niveles de  corrientes en la presencia de altos niveles de campos magnéticos a  bajas temperaturas con cero resistencia al flujo de corriente eléctrica,  a menos que sus valores críticos: temperatura (Tc), densidad de flujo  magnético (Bc) y densidad de corriente (Ic), sean excedidos. Los materiales que exhiben superconductividad han ido creciendo  en número y variedad, pero la cantidad de superconductores utilizados  en aplicaciones prácticas y comerciales todavía es limitada, siendo la  aleación de Niobio-Titanio (NbTi) la más utilizada en aplicaciones a  altos niveles de potencia [5]. En la Tabla 1 podemos ver una lista de  superconductores con sus valores críticos de temperatura, densidad  magnética y su densidad energética (Wm) [7]. Tabla 1. Lista de Superconductores Superconductor  Tc [K]  Bc [T]  Wm [J/m3] Metales     Niobio (Nb)  9.26  0.82  2.68E+05 Tántalo (Ta)  4.48  0.30  3.58E+04 Vanadio (V)  5.03  1  3.98E+05 No-Metales     C6Ca  11.5  0.95 3.59E+05 Diamante:B  11.4  4 6.37E+06 In2O3  3.30  3 3.58E+06 Si:B  0.40  0.40 6.37E+04 Aleaciones Binarias    MgB2  39  74 2.18E+09 Nb3Ge  23.2  37 5.45E+08 Nb3Sn  18.3  30 3.58E+08 NbTi  10  15 8.95E+07 donde W m   es la energía almacenada [Joules].   L  es la inductancia [Henrios].   i  es la corriente eléctrica [Amperios]. W m  = 1 2 Li 2 1.  Tubería de Helio 2.  Espira superconductora 3.  Anillo de refuerzo 4.  Cámara de vacío 5.  Columna de soporte Figura 1. Pictórico de una bobina superconductora dentro de un  contenedor criogénico de Helio, con capacidad de almacenar 100 MJ  de energía. Figura modificada de la versión original [8], traducida al español. Tecnología a fondo Dado que la densidad de campo magnético en materiales  ferromagnéticos no sobrepasa los 3 Teslas, las bobinas utilizadas para  almacenar energía magnética por superconducción son usualmente  colocadas en aire o al vacío con permeabilidad μ=μo=4πx10-7 [H/m]. Para obtener altos valores de energía (Wm) con una corriente (i)  limitada por el superconductor utilizado es necesario incrementar la  inductancia; lo cual se puede hacer utilizando la geometría adecuada.  Existen tres configuraciones en el diseño de SMES: •  Solenoide sencillo con forma circular. •  Conexión en serie de solenoides coaxiales. •  Toroide de forma circular, ovalado o D comprendido por una serie  de espiras conectadas en series. [6] Cabe señalar que la configuración del inductor afecta la masa total de  la estructura del SMES. Inductores con configuración toroidal compuesto  por espiras sencillas tienen un campo magnético externo mínimo, lo cual  es ideal para no afectar a los sistemas de navegación, la salud de las  personas y las líneas de transmisión, pero utilizan aproximadamente el  doble  de  superconductor,  mientras  que  la  configuración  de  solenoide  sencillo es superior en términos de energía almacenada por peso. 3.2. Sistema de enfriamiento El sistema de enfriamiento de un SMES está compuesto por el  refrigerador, en donde se prepara el refrigerante y el contendedor  criogénico en donde reposa la bobina superconductora para ser  refrigerada y aislada térmicamente del medio ambiente (ver Figura.1). El sistema de enfriamiento utiliza normalmente Helio como refrigerante  ya sea como baño de Helio o por circulación forzada. Éste remueve todo  el calor que entra al contenedor criogénico y por consiguiente asegura  que la temperatura del superconductor no exceda la temperatura crítica.  Dado que la planta de refrigeración posee una eficiencia límite, el calor  que penetra por las tuberías, los soportes mecánicos y por radiación  deben ser tan bajo como sea posible; para asegurar esto, se provee de  un enfriamiento intermedio llamado “escudo térmico”. La refrigeración de la bobina y el aislamiento térmico son  problemas  técnicos  de  extrema  dificultad  dado  a  las  bajas  temperaturas (alrededor de 1.8 K) que se necesitan para mantener el  superconductor trabajando de manera eficiente. El refrigerador consume energía eléctrica y por consiguiente  disminuye la eficiencia del SMES. Un sistema de refrigeración típico  requiere  aproximadamente  1.5  kW  por  mega  watt-hora  de  energía  almacenada [9].

31 Prisma  Tecnológico | Vol. 4, n.° 1, edición 2013. 3.3. Interfaz eléctrica La interfaz eléctrica entre el inductor superconductor y el sistema  de potencia es un convertidor. El mismo es un rectificador/inversor que  cambia la corriente alterna proveniente de la red a la corriente directa  que fluye continua en las bobinas. Para cargar o descargar el inductor,  el voltaje, a través de las bobinas, se hace positivo o negativo. Cuando  la unidad está en reposo, independientemente del nivel de energía  almacenado, la corriente se mantiene constante y el voltaje promedio,  a través de las bobinas superconductoras, es cero [2]. La  configuración  típica  de  un  convertidor  para  esta  aplicación  comprende  dos  puentes  de  tiristores  de  6  pulsos,  conectados  en  serie a la bobina superconductora en la parte directa del puente y  acoplados, en la parte alterna, al sistema de potencia a través de un  transformador. Las pérdidas correspondientes al convertidor de estado sólido se  estiman alrededor del 3 al 8% del total de la energía almacenada [6]. 4.  Almacenadores de energía magnética   por superconducción en sistemas de potencia En la Tabla 2, podemos ver algunos parámetros típicos de un  sistema de almacenamiento por superconducción [4]. Los sistemas  SMES son capaces de almacenar de 1 MW a 10 MW. La Figura 2  muestra una comparación entre la capacidad de almacenamiento y  el tiempo de descarga de distintos sistemas de almacenamiento de  energía. Tecnología a fondo Tabla 2. Parámetros típicos de un SMES Total de energía almacenada  10000-13000 MWh Energía disponible   9000-10000 MWh Tiempo de descarga  5-12 h Potencia máxima  1000-2500 MW Corriente máxima  50-300 kA Densidad de campo máximo   4-6 T Diámetro medio de la bobina  300 m Altura total de la bobina  80-100 m Profundidad media debajo de la superficie  300-400 m Eficiencia    85-90 % Pérdidas en el convertidor  2% de la potencia Potencia del refrigerador  20-30 MW   Asumiendo un ciclo completo de carga/descarga al día. Dado que los sistemas de almacenamiento de energía magnética  por  superconducción  son  altamente  eficientes  y  responden  rápidamente a las variaciones de la demanda, pueden ser de gran  utilidad a los sistemas de potencia ya que: •  tienen  la  capacidad  de  proveer  energía  al  sistema  (spinning  reserve) si se presenta una pérdida en la generación;  •  pueden proveer estabilidad durante transitorios ya que amortigua  las oscilaciones presentes en la línea de transmisión;  •  pueden amortiguar cambios bruscos de voltaje; •  y  finalmente,  el  sistema  de  almacenamiento  en  general  es  relativamente pequeño en tamaño en comparación con otros  sistemas de almacenamiento y su ubicación no se ve limitada a  algún área específica como es el caso de las hidroeléctricas. [10,4]. Figura 2. Tiempo de Descarga vs. Capacidad de almacenamiento en  distintos sistemas de almacenamientos de energía. Figura modificada de la versión original [10], traducida al español. El primer SMES utilizado tanto para experimentación como para uso  comercial fue diseñado por el Laboratorio Nacional Los Alamos (LANL, por  sus siglas en inglés) y construido para la Bonnevile Power Company en  1982. Estuvo en uso por cinco años y fue desmantelado para investigación.  Este proyecto tenía una capacidad energética de 30 MJ y fue utilizado para  estabilizar el sistema de potencia ya que amortiguaba las oscilaciones  presentes en una línea de transmisión de 1500 km de largo. [6] Según LANL, el costo de construcción de un sistema de almacenamiento  por superconducción se distribuye de la siguiente manera: •  Bobina superconductora, 45%. •  Estructura, 30%. •  Mano de obra, 12%. •  Convertidor, 8%. •  Sistema de enfriamiento, 5%. El mayor reto que presenta esta tecnología es reducir el costo  total del sistema. La Tabla 3 presenta una proyección de costo para  distintos sistemas de almacenamiento de energía [10]. Actualmente,  el costo del sistema de almacenamiento SMES depende del costo  de los superconductores. En el 2007, el costo del NbTi era de 1 $/ kAm, mientras que el Nb3Sn era de 1.50 $/kAm (Dólar/kilo ampere  por metro). Afortunadamente, una característica inusual de este  sistema es que el costo por unidad de energía almacenada (MJ o kW- hr) decrece a medida que la capacidad de almacenamiento aumenta,  es por esto que este tipo de sistema es preferible para aplicaciones de  gran tamaño como lo es el sistema de potencia, aunque también se  están realizando estudios para su aplicación en vehículos [11].

32 Prisma  Tecnológico | Vol. 4, n.° 1, edición 2013. Tabla 3. Proyección de costos para sistemas de almacenamiento de energía Sistema  Tamaños Típicos MW  $/kW  $/kWh Ultra capacitores  1-10  300  3600 Volantes de Inercia  1-10  200-500  100-800 SMES  10-1000  300-1000  300-000 Aire Comprimido  50-1000  500-1000  10-15 Bombeo Hidroeléctrico  100-1000  600-1000  10-15 5. Conclusión SMES es una tecnología de almacenamiento de energía que  tiene mucho potencial debido a su capacidad de almacenar grandes  cantidades de energía y aún ser rentable en comparación con otros  sistemas de almacenamiento. El mayor reto que presenta es reducir el  costo total del sistema, pero avances en los sistemas de refrigeración  criogénica y el desarrollo de mejores superconductores puede llevar a  que su aplicación sea mucho más comercial. Referencias [1]  R. L. Evans, Fueling our Future: An Introduction to Sustainable Energy, 1era  edición, Cambridge University Press, 2007, pp. 168. [2]  W. V. Hassenzahl, “Superconducting Magnetic Energy Storage,” IEEE Procee- dings, vol.71, No. 9, Septiembre, 1983. [3]  H.Y. Jung, A. Kim, J. Tamura, et. al, “A Study on the Operating Characteristics of  SMES for Dispersed Power Generation System”, IEEE Trans. on Applied Super- conductivity, vol.19, No.3, Junio 2009, pp.2028-2031. [4]  W. Buckles and W. V. Hassenzahl, “Superconducting Magnetic Energy Storage,”  IEEE Power Engineering Review, Mayo, 2000, pp.16-20. [5]  J. Bray, “Superconductors in Applications; Some Practical Aspects”, IEEE Trans.  on Applied Superconductivity, vol.13, No.3, Junio 2009, pp.2533-2539. [6]  A. Ter-Gazarian, Energy Storage for Power Systems, 1st edition, Peter Peregri- nus Ltd., 1994. [7]  http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors [8]  W. V. Hassenzahl, “Will Superconducting Magnetic Energy Storage be Used on  Electric Utilities Systems?” IEEE trans. On Magnetics, vol.Mag-11, No. 2, Marzo,  1975, pp.482-488 [9]  S. Vasquez, S.M. Lukic, E. Galvan and J. Carrasco, Energy Storage Systems for  Transport and Grid Applications, IEEE trans. On Industrial Electronics, vol.57,  No.12, Diciembre 2010, pp.3881-3895 [10]  F. Farret and M. Godoy Simoes, “Integration of Alternative Sources of Energy”,  IEEE Press/Wiley-Interscience, 2006, Hoboken New Jersey, 1era edición,pp. 290. [11]  L. Trevisani, A. Morandi, F. Negrini, P.L. Ribani and M. Fabbri, “Cryogenic Fuel- Cooled SMES for Hybrid Vehicle Application,” IEEE trans. On Applied Supercon- ductivity, vol. 19, No.3, Junio, 2009. Tecnología a fondo