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超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムは、超伝導臨界温度以下の温度まで極低温冷却された超伝導コイルに 直流電流を流すことで生成される磁場にエネルギーを蓄積します。磁気エネルギーを蓄積するために超伝導コイルを使用するこの方法は、1970年にM. Ferrierによって発明されました。[ 2 ]
一般的なSMESシステムは、超伝導コイル、電力調整システム、極低温冷却冷凍機の3つの部分から構成されます。超伝導コイルに電流が流れると、電流は減衰せず、磁気エネルギーを無期限に蓄積することができます。
蓄積されたエネルギーは、コイルを放電することでネットワークに放出できます。電力調整システムは、インバータ/整流器を使用して交流（AC）電力を直流に変換したり、直流を交流電力に戻したりします。インバータ/整流器は、各方向で約2～3%のエネルギー損失を生じます。SMESは、他のエネルギー貯蔵方法と比較して、エネルギー貯蔵プロセスで失われる電力が最も少ないです。SMESシステムは非常に効率的で、往復効率は95%を超えます。[ 3 ]
冷凍に必要なエネルギー量と超電導線の高コストのため、SMESは現在、短時間のエネルギー貯蔵にのみ使用されています。したがって、SMESは主に電力品質の向上に利用されています。
超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）を他のエネルギー貯蔵方法の代わりに採用する理由はいくつかあります。SMESの最も重要な利点は、充電と放電の際の時間遅延が非常に短いことです。電力はほぼ瞬時に供給され、短時間であれば非常に高い出力を得ることができます。揚水発電や圧縮空気などの他のエネルギー貯蔵方法では、蓄積された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するのにかなりの時間遅延が発生します。したがって、需要が即時である場合は、SMESが有効な選択肢となります。もう1つの利点は、電流が抵抗を受けないため、他の貯蔵方法よりも電力損失が少ないことです。さらに、SMESの主要部品は静止しているため、高い信頼性が得られます。
商用利用可能な小型SMESユニットがいくつかあり、より大規模なテストベッドプロジェクトもいくつか存在する。1MW ·hユニットは、世界中の設備で電力品質制御に使用されており、特にマイクロチップ製造施設など、超クリーンな電力を必要とする製造工場で電力品質を確保するために使用されている。 [ 4 ]
これらの設備は配電システムのグリッド安定性を提供するためにも使用されています。[ 5 ] SMESは公益事業にも使用されています。ウィスコンシン州北部では、送電ループの安定性を向上させるために、分散型SMESユニットのストリングが展開されました。[ 6 ] 送電線は製紙工場の操業により、大きくて急激な負荷変動にさらされ、制御不能な変動や電圧崩壊の可能性があります。
エンジニアリングテストモデルは、容量約20MW·hの大型SMESであり、 30分間40MWの電力、または2時間10MWの電力 を供給することができる。 [ 7 ]
SMESシステムは通常4つの部分から構成される。
このシステムは、超伝導コイル、磁石、およびコイル保護装置から構成されています。ここでは、コイルをより大きなシステムから切り離し、磁石からの電磁誘導を利用して超伝導コイルに電流を誘導することでエネルギーを蓄積します。このコイルは、より大きなシステムに再接続されるまで電流を保持し、その後、コイルは部分的に、または完全に放電します。
冷凍システムは、コイルを動作温度まで冷却することにより、コイルの超伝導状態を維持する。
電力調整システムには通常、直流電流を交流電流に変換したり、その逆の変換を行ったりする電力変換システムが含まれています。
制御システムは、電力網の電力需要を監視し、コイルへの電力の流れを制御します。また、制御システムは冷凍機を制御することで、SMESコイルの状態を管理します。
ファラデーの誘導法則の結果として、時間とともに変化する磁場を生成するワイヤーのループは、電場も生成します。このプロセスでは、起電力（EMF）によってワイヤーからエネルギーが取り出されます。EMFは、単位電荷が導電性ループを1周したときに行われる電磁仕事として定義されます。このエネルギーは、電場に蓄えられていると考えることができます。このプロセスでは、ワイヤーからエネルギーが使用され、その電力は電位に総電荷を掛け、それを時間で割った値に等しくなります。ここで、ℰは電圧または起電力です。電力を定義することで、このような電場を生成するために必要な仕事を計算できます。エネルギー保存の法則により、この仕事量は電場に蓄えられたエネルギーと等しくなければなりません。
この式は、より測定しやすい変数である電流を用いて、置換によって書き換えることができる。
ここで、Iはアンペア単位の電流です。起電力ℰはインダクタンスであり、次のように書き換えることができます。
代入すると次のようになる。
ここで、Lはヘンリー単位で測定されるインダクタンスと呼ばれる線形定数です。これで電力が求められたので、あとは仕事の式に代入して仕事を求めるだけです。
前述のように、仕事は場に蓄えられたエネルギーと等しくなければなりません。この計算全体は、1本のループ状のワイヤに基づいています。ワイヤが複数回ループされている場合、インダクタンスLは増加します。Lは電圧と電流の変化率の比として単純に定義されるからです。結論として、コイルに蓄えられたエネルギーは次のようになります。[ 8 ]
どこ
長方形断面の導体を持つ円筒形コイルを考えます。コイルの平均半径はRです。aとbは導体の幅と深さです。fは形状関数と呼ばれ、コイルの形状によって異なります。ξ (xi) とδ (delta) は、コイルの寸法を特徴付ける 2 つのパラメータです。したがって、このような円筒形コイルに蓄積される磁気エネルギーは、以下のように表すことができます。このエネルギーは、コイルの寸法、巻数、および流れる電流の関数です。
どこ
Besides the properties of the wire, the configuration of the coil itself is an important issue from a mechanical engineering aspect. There are three factors that affect the design and the shape of the coil – they are: Inferior strain tolerance, thermal contraction upon cooling and Lorentz forces in an energized coil. Among them, the strain tolerance is crucial not because of any electrical effect, but because it determines how much structural material is needed to keep the SMES from breaking. For small SMES systems, the optimistic value of 0.3% strain tolerance is selected. Toroidal geometry can help to lessen the external magnetic forces and therefore reduces the size of mechanical support needed. Also, due to the low external magnetic field, toroidal SMES can be located near a utility or customer load.
For small SMES, solenoids are usually used because they are easy to coil and no pre-compression is needed. In toroidal SMES, the coil is always under compression by the outer hoops and two disks, one of which is on the top and the other is on the bottom to avoid breakage. Currently, there is little need for toroidal geometry for small SMES, but as the size increases, mechanical forces become more important and the toroidal coil is needed.
The older large SMES concepts usually featured a low aspect ratio solenoid approximately 100 m in diameter buried in earth. At the low extreme of size is the concept of micro-SMES solenoids, for energy storage range near 1 MJ.
Under steady state conditions and in the superconducting state, the coil resistance is negligible. However, the refrigerator necessary to keep the superconductor cool requires electric power and this refrigeration energy must be considered when evaluating the efficiency of SMES as an energy storage device.
Although high-temperature superconductors (HTS) have higher critical temperature, flux lattice melting takes place in moderate magnetic fields around a temperature lower than this critical temperature. The heat loads that must be removed by the cooling system include conduction through the support system, radiation from warmer to colder surfaces, AC losses in the conductor (during charge and discharge), and losses from the cold–to-warm power leads that connect the cold coil to the power conditioning system. Conduction and radiation losses are minimized by proper design of thermal surfaces. Lead losses can be minimized by good design of the leads. AC losses depend on the design of the conductor, the duty cycle of the device and the power rating.
77 K、20 K、4.2 Kの基準温度における高温超伝導（HTSC）および低温超伝導（LTSC）トロイダルコイルの冷凍要件は、この順に増加します。ここでいう冷凍要件とは、冷凍システムを動作させるための電力のことです。蓄積エネルギーが100倍に増加しても、冷凍コストは20倍にしか増加しません。また、HTSCシステムの冷凍コスト削減効果は、LTSCシステムよりも大きく（60%～70%）、より顕著です。
HTSCシステムとLTSCシステムのどちらが経済的かは、SMESのコストを決定する他の主要な構成要素によって決まります。超伝導体と銅製安定器およびコールドサポートからなる導体はそれ自体が大きなコストです。これらは、装置全体の効率とコストで判断する必要があります。真空容器の絶縁などの他の構成要素は、大型コイルのコストに比べると小さな部分であることがわかっています。トロイダルコイルの導体、構造、冷凍機の合計コストは、超伝導体のコストが大部分を占めます。ソレノイドコイルでも同様の傾向が見られます。HTSCコイルはLTSCコイルよりも2～4倍高価です。HTSCは冷凍要件が低いため安価になると予想されていましたが、そうではありませんでした。
コストを理解するために、2、20、200 MW·h の 3 つの典型的な蓄積エネルギーレベルに対応する HTSC コイルと LTSC コイルの両方の主要コンポーネントの内訳を検討します。導体コストは、すべての HTSC ケースで 3 つのコストの中で最も大きく、特に小型の場合に重要です。主な理由は、LTSC 材料と HTSC 材料の電流密度の比較にあります。HTSC ワイヤの臨界電流は、一般的に動作磁場において LTSC ワイヤよりも低く、約 5 ～ 10テスラ(T) です。ワイヤのコストは重量で同じであると仮定します。HTSC ワイヤは LTSC ワイヤよりも ( J c ) 値が低いため、同じインダクタンスを生成するには、より多くのワイヤが必要になります。したがって、ワイヤのコストは LTSC ワイヤよりもはるかに高くなります。また、SMES のサイズが 2、20、200 MW·h に増加するにつれて、LTSC 導体のコストも各ステップで約 10 倍になります。 HTSC導体のコスト上昇率はやや緩やかだが、それでも依然として群を抜いて高価な品目である。
HTSCとLTSCのいずれの構造コストも、2MW・hから20MW・h、そして200MW・hへと段階的に上昇するごとに均一に（10倍ずつ）増加します。しかし、HTSCの構造コストは、 HTSCの構造コストの方が高くなります。これは、HTSCの歪み耐性（セラミックスは大きな引張荷重に耐えられない）が、Nb3TiやNb3SnなどのLTSCよりも低く、より多くの構造材料を必要とするためです。したがって、非常に大規模なケースでは、より高い磁場においてコイルサイズを小さくするだけでは、HTSCのコストを相殺することはできません。
ここで注目すべきは、いずれの場合も冷蔵庫のコストが非常に小さいため、高温での冷却需要の削減に伴う節約効果はごくわずかであるということです。つまり、例えばHTSCやBSCCOが20Kといった低温でより効率的に稼働する場合、当然ながらその温度で運転されることになります。非常に小規模なSMESの場合、冷蔵庫コストの削減はより大きなプラス効果をもたらすでしょう。
明らかに、超伝導コイルの体積は蓄積エネルギーとともに増加します。また、LTSCトロイダルの最大直径は、磁場強度が高いため、HTSC磁石の場合の方がLTSC磁石の場合よりも常に小さくなります。ソレノイドコイルの場合、高さまたは長さもHTSCコイルの方が小さくなりますが、それでもトロイダル形状の場合よりははるかに大きくなります（外部磁場が低いため）。
ピーク磁場が増加すると、体積（エネルギー密度の向上）とコスト（導体長の短縮）の両方が削減されます。体積が小さくなればエネルギー密度が高くなり、導体長が短くなればコストも削減されます。ピーク磁場には最適値があり、 この場合は約7テスラです。磁場を最適値以上に増加させると、コストの増加を最小限に抑えつつ、さらに体積を削減することが可能です。磁場を増加させる限界は通常、経済的なものではなく物理的なものであり、トロイドの内側の脚をこれ以上近づけると、バックリングシリンダーのためのスペースが残らなくなるという限界に関係しています。
超伝導材料はSMESにとって重要な課題である。超伝導体の開発努力は、臨界電流密度Jcと歪み範囲の拡大、およびワイヤ製造コストの削減に重点を置いている。
SMESは、そのエネルギー密度、効率性、および高い放電率により、現代の電力網やグリーンエネルギー構想に組み込むのに適したシステムです。SMESシステムの用途は、電力供給システム、制御システム、および緊急時／非常用システムの3つのカテゴリーに分類できます。
FACTS（フレキシブル交流送電システム）デバイスは、電力網に設置できる静止型デバイスです。これらのデバイスは、電力網の制御性と電力伝送能力を向上させるために使用されます。FACTSデバイスへのSMESの適用は、SMESシステムの最初の適用でした。FACTSデバイスを使用したSMESの最初の実現は、 1980年にボンネビル電力公社によって設置されました。このシステムは、SMESシステムを使用して低周波を減衰させ、電力網の安定化に貢献します。[ 9 ] [ 6 ] [ 10 ] 2000年には、グリッドの安定性を向上させるために、北ウィンストン電力網の主要ポイントにSMESベースのFACTSシステムが導入されました。
電力の使用には、一定の電力を供給する安定したエネルギー供給が必要です。この安定性は、使用される電力の量と生成される電力の量に依存します。電力使用量は一日を通して変動し、季節によっても変動します。SMESシステムは、発電量が需要/負荷よりも多いときにエネルギーを蓄積し、負荷が発電量よりも多いときに電力を放出するために使用できます。これにより、電力の変動を補償できます。[ 11 ]これらのシステムを使用することで、従来の発電ユニットをより効率的で便利な一定出力で運転することが可能になります。[ 12 ]しかし、供給と需要の間の電力の不均衡が長時間続くと、SMESが完全に放電される可能性があります。[ 13 ]
負荷変動により、負荷が発電出力に見合わない場合、負荷が発電機の定格出力を超えることがあります。これは、例えば、突然の風不足により風力発電機が回転しない場合に発生します。この負荷変動は、負荷周波数制御の問題を引き起こす可能性があります。この問題は、DFIGベースの風力発電機で増幅される可能性があります。[ 14 ]この負荷の不均衡は、発電量が負荷よりも大きい場合にエネルギーを蓄積するSMESシステムからの出力によって補償できます。[ 15 ] SMESベースの負荷周波数制御システムは、従来の制御システムと比較して応答が速いという利点があります。
無停電電源装置（UPS）は、連続的な電力供給を行うことで、電力サージや電力不足からシステムを保護するために使用されます。この補償は、故障した電源から、重要なシステムの動作を継続するために必要な電力をほぼ瞬時に供給できるSMESシステムに切り替えることによって行われます。SMESベースのUPSは、特定の重要な負荷を維持する必要があるシステムで最も役立ちます。[ 16 ] [ 17 ]
遮断器の両端の電力角度差が大きすぎると、保護リレーが遮断器の再投入を阻止します。このような状況では、SMESシステムを使用して遮断器の両端の電力角度差を低減できます。これにより、遮断器の再投入が可能になります。これらのシステムにより、大規模な送電線障害後のシステム電力の迅速な復旧が可能になります。[ 12 ]
回転予備力とは、系統に接続されているシステムの発電量を増やすことで得られる追加の発電容量のことです。この容量は、系統運用者が電力系統の障害を補償するために確保しています。SMESシステムは充電時間が短く、交流から直流への変換プロセスも速いため、主要な送電線が停止しているときに回転予備力として使用できます。[ 18 ] [ 19 ]
超伝導故障電流制限器（SFCL）は、送電網の故障時に電流を制限するために使用されます。このシステムでは、送電線に故障が検出されると、超伝導体がクエンチ（温度上昇）されます。超伝導体をクエンチすることで抵抗が上昇し、電流は他の送電線に迂回されます。これは、より大きな送電網を中断することなく行われます。故障が解消されると、SFCLの温度は低下し、より大きな送電網からは見えなくなります。[ 20 ] [ 15 ]
電磁ランチャーは、磁場を利用して発射体を非常に高速に加速する電気式発射兵器です。これらのランチャーは、動作するために高出力パルス源を必要とします。これらのランチャーは、SMESシステムのクイックリリース機能と高出力密度を利用することで実現できます。 [ 21 ]
SMESシステムの構成要素の将来的な発展により、他の用途、特に臨界温度と臨界電流密度が高い超伝導体への適用がより実現可能になる可能性がある。これらの制限は、超伝導体の他の産業用途で直面しているものと同じである。最近開発された、超伝導転移温度が約90 KのYBCO製のHTSワイヤは有望である。一般的に、超伝導転移温度が高いほど、クーパー対破壊前に超伝導体が維持できる最大電流密度が高くなる。臨界温度が高い物質は、一般的に、臨界温度が低い超伝導体よりも低温での臨界電流が高くなる。この高い臨界電流により、エネルギー貯蔵は2乗に比例して増加するため、SMESや超伝導体の他の産業用途のコスト効率が向上する可能性がある。[ 22 ]
現在のSMESシステムのエネルギー容量は通常かなり小さい。SMESに蓄積されるエネルギーを増やす方法としては、大規模な蓄電装置を用いることが多い。他の超伝導応用と同様に、極低温技術は不可欠である。磁石コイルによって発生する非常に大きなローレンツ力を抑えるためには、堅牢な機械構造が必要となる。SMESのコストの大部分は超伝導体であり、次いで冷却システム、そしてその他の機械構造が続く。
コイルに作用する強い磁場によって発生する大きなローレンツ力と、コイルがより大きな構造体に及ぼす強い磁場のために必要となる。
商業的に有用な蓄電レベル（約5 GW・h、18 TJ）を達成するには、SMES設備には約800mのループが必要となる 。これは従来、円形として描かれてきたが、実際には角丸長方形に近い形状になる可能性もある。いずれの場合も、設備を設置するためには相当な広さの土地が必要となる。
SMESに関する製造上の課題は2つあります。1つ目は、電流を流すのに適したバルクケーブルの製造です。これまでに発見された高温超伝導材料は比較的繊細なセラミックであるため、既存の技術を用いて長尺の超伝導線材を引き出すのは困難です。多くの研究は、安定した基板上に材料の薄膜を塗布する層状堆積技術に焦点を当ててきましたが、これは現状では小規模な電気回路にしか適していません。
2つ目の問題は、設置に必要なインフラ整備である。室温超伝導体が発見されるまでは、800メートルのワイヤーループを液体窒素の真空フラスコ 内に封入する必要がある。そのためには安定した支持構造が必要となり、最も一般的な方法は設置場所を地中に埋めることである。
臨界磁場と呼ばれる一定の磁場強度を超えると、超伝導状態は破壊される。これは、磁場の大きさが超伝導コイルによって捕捉される磁束を決定するため、超伝導材料には最大充電速度が存在することを意味する。
一般的に、電力システムは処理できる電流を最大化しようとします。これにより、システムの非効率性による損失は比較的小さくなります。しかしながら、アンペールの法則により、大電流は臨界磁場を超える磁場を発生させる可能性があります。そのため、現在の材料では、商業用蓄電施設を経済的に実現するのに十分な電流を流すことが困難です。
この技術の普及を阻害してきた要因は、初期段階におけるいくつかの問題点にある。
これらは依然として超伝導応用における課題ではあるものの、時間とともに改善されつつある。超伝導材料の性能は向上しており、さらに冷凍システムの信頼性と効率も大幅に向上している。
現在、コイルを室温から動作温度まで冷却するには4ヶ月かかります。これは、SMESがメンテナンス後と運転障害後の再起動時に動作温度に戻るのに同じくらいの時間がかかることを意味します。[ 23 ]
蓄積されるエネルギー量が多いため、コイル故障時にコイルが損傷しないように保護するための対策を講じる必要があります。コイル故障時のエネルギーの急速な放出は、周囲のシステムに損傷を与える可能性があります。いくつかの概念設計では、コイル故障後のエネルギー吸収を目的として、超電導ケーブルを設計に組み込むことを提案しています。[ 6 ] [ 18 ] また、エネルギー損失を防ぐために、システムは優れた電気的絶縁状態に保つ必要があります。[ 6 ]
