Создатели коллайдера NICA разработали новый перспективный накопитель энергии
Скачки потребления энергии представляют проблему для многих электросистем, поскольку большинство источников тока рассчитаны на стабильную генерацию. Российские ученые разработали накопитель для сглаживания таких пульсаций на основе сверхпроводящего магнита. Он гораздо компактнее конденсаторов и способен отдавать и принимать энергию во много раз быстрее аккумуляторов. Такую "батарейку" создали для нового дубненского коллайдера NICA, но потенциально ее можно применять где угодно, от электроавтобусов до промышленных предприятий.
Объединенный институт ядерных исследований ведет строительство коллайдера NICA, флагманской российской физической установки. При проектировании было разработано множество технологий, которым можно найти применение за пределами фундаментальной науки. В том числе, ученые из Дубны начали создавать новый накопитель энергии с рекордной для своего класса емкостью.
Магнитные системы ускорительных колец коллайдера NICA – "Нуклотрона" и "Бустера" – потребляют энергию крайне неравномерно. Они создают импульсное поле с периодом колебаний от четырех секунд и выше, что вызывает пульсации энергии в сети. Это приводит к нагрузке на систему и ухудшает работу самих ускорителей и измерительной аппаратуры.
Чтобы сглаживать пики потребления, можно установить накопитель энергии. Поскольку колебания происходят слишком быстро, химические аккумуляторы не в состоянии их скомпенсировать: они слишком долго заряжаются и недостаточно быстро отдают заряд.
"В нашей системе питания накопителя будет два: емкостной, то есть, конденсаторы, и индуктивный. Индуктивный накопитель – это магнитная катушка, или соленоид. Его полная энергия будет равна 3,65 МДж, а полезная – 1,7. Ее он будет перебрасывать из "Нуклотрона" в "Бустер" и обратно, предварительно накапливая", – рассказал старший научный сотрудник ОИЯИ Михаил Новиков, создатель накопителя.
Индуктивный накопитель энергии создан на основе главного элемента ускорителя NICA – мощных магнитов.
"Обмотки магнитов NICA сделаны из сверхпроводящего кабеля. Магнит представляет собой мельхиоровую трубку, обмотанную проводником из сплава ниобия и титана, внутри течет жидкий гелий при температуре -269 градусов по Цельсию – практически абсолютный ноль. Из этого кабеля можно создавать изделия сложной геометрии, и в нем могут течь очень большие, килоамперные токи. Мы предложили помимо основных магнитов из этого кабеля сделать "батарейку" на несколько мегаватт. То есть, это накопитель энергии, в который вы можете завести ток, накопить несколько мегаджоулей, и потом от него запитать потребителя – например, огромный ускоритель", – пояснил "Газете.Ru" директор ОИЯИ академик Григорий Трубников.
Наглядным аналогом этого накопителя можно считать индукционную катушку, которую многие видели на школьном уроке физики. Если подключить лампочку не прямо к аккумулятору, а через катушку, то при замыкании и размыкании цепи она будет зажигаться и гаснуть не сразу, а плавно. Это происходит потому, что катушка накапливает энергию в свое магнитное поле при замыкании электроцепи, и затем отдает. Аналогичным образом работает и индуктивный накопитель коллайдера NICA, с той лишь разницей, что обмотка этой катушки сделана из высокотемпературного сверхпроводника (работающего при температуре жидкого неона, около 20 кельвинов), что приводит к неизмеримо меньшим потерям энергии.
"Наша катушка сохраняет энергию примерно в течение часа. Долгое хранение нам не требуется, но если бы мы сделали сверхпроводящими не только обмотку, но и контакты, запасенная энергия хранилась бы бесконечно и без потерь",
– пояснил Новиков. Для сохранения запасенной мощности катушку необходимо замкнуть с наименьшим сопротивлением.
Устройство работает одновременно как накопитель энергии и как сетевой фильтр. В качестве примера Трубников приводит схему работы гидроаккумулирующих станций: "Такие станции работают круглые сутки, днем энергия расходуется, а ночью, когда потребление меньше, выработанная, но не востребованная энергия собирается в накопителе. Им может быть как аккумулятор, так и водоем".
Установка весит около полутора тонн и способна запасать несколько мегаджоулей. Это не много, если сравнивать с аккумуляторами: например, батарея Tesla Model S хранит до cотни киловатт-час (360 МДж) при весе в 540 килограмм. Однако накопитель ОИЯИ относится к совсем другому классу, и его задача отдавать и принимать энергию максимально быстро. Таким образом, его нужно сравнивать не с химическими источниками тока, а с конденсаторами и механическими маховиками.
"В нем нет вращающегося "волчка", в отличие от кинетических накопителей, и потому нет опасности взрыва или возникновения опасных вибраций. Наш магнит надежен, и должен выдержать 70 миллионов циклов разрядки-зарядки.
Этими преимуществами обладают и конденсаторы, но наш накопитель превосходит их с точки зрения плотности энергии. Емкостный накопитель с аналогичной энергией занял бы не кубический метр, а несколько больших шкафов",
– рассказал Новиков.
В нынешнем состоянии индуктивному накопителю требуется массивная криогенная установка, но в будущем ее можно заменить на миниатюрный криокулер, помещающийся в невысокую тумбочку. В этом случае накопитель можно будет устанавливать в электрические системы для сглаживания пульсаций, в том числе в городские, промышленные и транспортные. Например, с его помощью можно будет создать систему рекуперации энергии для электрического автобуса. Современные электродвигатели умеют вырабатывать ток при торможении, но аккумуляторы не в состоянии быстро его потребить. Поэтому добавление в схему мощного и быстрого накопителя позволит экономить заряд батарей. Кроме того, на его основе можно изготовить источники бесперебойного питания для промышленности, где требуется высокая токоотдача.