Kan en superleder bruges som batteri? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Kan en superleder brug...

12. november 2012

Kan en superleder bruges som batteri?

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et lille spørgsmål, som jeg er sikker på, at I hurtigt kan svare på. Kan en superleder bruges som batteri, og vil det være muligt at opbevare energi ud tab, ved at "fylde" overskudsstrøm fra f.eks. vindenergi ind i et "superlederbatteri"?

Håber i kunne give mig en kort , men fyldig forklaring på dette.

Med venlig Hilsen
B E J

Jo principielt kan en superledende spole anvendes til energilagring i form af et magnetfelt. Man kan endda få over 95 % af energien ud igen.

Man kan kun lagre jævnstrøm (man kan godt sende en vekselstrøm igennem en superleder men det kan ikke bruges til lagringsformål). Der er et lille antal firmaer som laver superledende lagringssystemer. Det sker altså ikke i stor udstrækning, hvorfor fremgår nedenfor.

Man har i dag mindre superledende installationer til energiopbevaring. Superledende energiopbevaring opnås ved at have en superledende spole, og sende jævnstrøm igennem. Opbevaringen sker så i spolens magnetfelt. Hvis spolen har selvinduktionen L (som bestemmes af spolens geometri, og især antal vindinger), og I er jævnstrømmen i spolen, så er energien i feltet E = ½ L I2.

Man kan ikke energiopbevare vekselstrøm på den måde, så skal man have vekselstrøm fra en energiopbevaring i en superledende spole, så må man (som ved solceller) have en elektronisk omsætter, og omvendt ensrettersystem for at oplagre en vekselstrøm.

Den superledende spole er lavet af en lang tråd der løber tilbage i sig selv, så strømmen kan løbe rundt og tilbage i sig selv uhindret. Man tilfører strømmen ved at opvarme et punkt på tråden lokalt, så det bliver normaltledende, og på hver side af det punkt at have en ledning udefra, som man kan lægge en spænding over, og derved sende strømmen igennem spolen, undtagen det opvarmede stykke. Når man har nået den ønskede strøm, afkøles punktet, så hele kredsen bliver superledende, hvorefter strømmen bare fortsætter af sig selv, uden væsentligt energitab i meget lange perioder (op til flere år). Tilsvarende får man energien ud ved at skrue den ydre spænding op, til det den var før, og så opvarme stedet igen. Der er ofte tale om meget store strømme.

Felt omkring superledende magnet vist med papirclips

2 slags superledere

De superledere man har i dag, kan deles i to grupper, såkaldte højtemperatursuperledere som kan fungerer ved de temperaturer man kan nå med flydende nitrogen, - 196 ˚C eller lavtemperatursuperledere som normalt bruges med flydende helium ved – 269 ˚C. Højtemperatursuperlederne er oftest keramikagtige og mekanisk skrøbelige. Til gengæld er det væsentligt billigere at holde dem kolde, men fylder ofte mere for samme strøm.

Der er ved begge typer en række tekniske besværligheder. De er dyre, de der tåler høje magnetfelter endog meget dyre. Man kan have problemer i omgivelserne med de store magnetfelter, der er omkring spolerne, op fra 10 til 22 Tesla (en meget kraftig permanent magnet er omkring 0,3 T lige ved polfladerne), problemet kan til dels klares ved passende udformning af spolen, men det stiller også store krav til omgivelsernes udformning. Da den magnetiske kraft på omgivelserne også virker på spolen, giver det også store krav til montage og understøtning af den superledende spole.  

Feltet er ret kraftigt

Der er grænser for, hvor hurtigt man kan ”fylde” strøm på spolen, og få den ud igen. Det afhænger bl.a. af selvinduktionen. Gør man det for hurtigt, kan der opstå selvinduktionsspændinger (som i en biltændspole), som kan give overslag i spolen, og bevirke at al energi tabes, idet spolen pludseligt bliver normal. Det kaldes quenching, ikke alene tabes energien, men kølevæsken vil også ofte fordampe, og spolen kan blive ødelagt. I alle tilfælde skal den køles ned igen hvilket tager tid. Flere af NBIs superledende magneter krævede i størrelsesorden 20 min. for at nå fuldt felt henholdsvis tilbage til 0 felt. Hurtige ændringer kan også bevirke opvarmning af understøtningen og kobbermatrixen, som superlederen normalt ligger indstøbt i, samt ophæng af spolen med samme resultat. Spolen kan også blive normal, hvis feltstyrken bliver for høj (det er så på de inderste viklinger som oftest laves af en bedre og dyrere superleder).

Effektiviteten er høj, man kan genvinde omkring 95 % af energien i spolen. Derfra skal imidlertid trækkes energien anvendt til køling - enten med nitrogen eller helium, og de udgifter er ikke ubetydelige, specielt nedkøling fra stuetemperatur er dyr.

Varmeisolation og hjælpeapparater er dyre og komplicerede. Store superledende spoler er overordentlige dyre at fremstille, de anvender forholdsvis sjældne grundstoffer, som for højtemperatursuperledere kun findes i begrænsede mængder på verdensplan (bl.a. sjældne jordarter). Det kritiske felt, feltet hvor en superleder bliver normal, er mindre for højtemperatursuperledere end for lavtemperatursuperledere, samtidigt er omkostningerne højre for tråden. Det betyder, at selv om det er dyrere og mere besværligt køler man ofte til Heliumtemperaturer.

2 MJ system til energiopbevaring

Resultatet er, at det er mindre anlæg, der findes til lokal opbakning af f.eks. energiforsyning. De har en kapacitet op til i omegnen af 20 MWh, altså de kan levere 40 MW i ½ time eller 10 MW i 2 timer (til sammenligning, en almindelig et plans villa på 150 m2, 20 år gammel med el-opvarmning bruger ca. 16 MWh pr år). Hver gang man går 10 gange op i energiindhold, går prisen også ca. 10 gange op. Laves magneten som en torus (en vaniljekrans), som giver mindst spredningsfelt, vil en 1 GWh magnet til energiopbevaring nok få en størrelse, som en cirkel, der skal måles i mange km. i diameter, og skal nedgraves.

Der laves forsøg med denne type energilagring bl.a. i staten Wisconsin (USA), hvor der er anlæg, som kan give større el-net stabilitet i området op til 10 MW og brugstider 1-3 sek.  Omkostningerne er i 10 millioner kr. klassen eller mere, jeg kender ikke driftsomkostningerne eller fejlhyppigheden. Den billigste løsning er nok især på længere sigt højtemperatursuperledere, der nok skal kølet længere ned end med nitrogen, så de kan tåle høje felter før det kritiske felt nås, hvor de bliver normale. De fylder noget mere end lavtemperaturinstallationer, men har lidt mindre driftsomkostninger.

Quenching dvs. spolen bliver normal, energien
fordamper kølemidlet. Det der ses er kondenseret
vanddamp fra luften.

Der er altså lige nu tale om en teknik, man lige nu eksperimenterer med, og som nok mest er på stordriftsplan. Det er elværker der bruger metoden til stabilisering, samt f.eks. virksomheder der laver mikroprocessorer, har brug for meget stabil spænding, og bruger bl.a. denne type enheder til formålet. Det er muligt, at brugen breder sig, idet den har en fordel at den kan reagerer rimeligt hurtigt i modsætning til mekaniske (vandturbiner f.eks.) og termodynamiske (f.eks. dampturbiner) metoder. Desuden sker der stadig en udvikling af højtemperatursuperledere, så de bliver mere velegnede og måske efterhånden billigere. Det er indtil videre også forholdsvis teknisk komplicerede anlæg.

Med venlig hilsen
Malte Olsen