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Jumat, 16 Oktober 2009

Supraleitender Magnetischer Energiespeicher I Berechnung der gespeicherten Energie

Supraleitender Magnetischer Energiespeicher

Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES) speichern Energie in einem durch Gleichstrom in einer supraleitenden Spule erzeugten Magnetfeld. Die Spule wird mittels Kryotechnik mit flüssigem Helium unter der Sprungtemperatur auf 4,3 Kelvin (= -269 °C) gekühlt.

Ein typischer SMES besteht aus einer supraleitenden Spule, einer Kühlung und einem Energieaufbereitungssystem. Wenn die supraleitende Spule einmal geladen ist, nimmt der Strom nicht ab und die magnetische Energie kann über längere Zeit gespeichert werden.

Die gespeicherte Energie kann wieder ins Netzwerk zurückgespeist werden, indem die Spule entladen wird. Das Energieaufbereitungssystem benutzt einen Wechselrichter/Gleichrichter, um den Wechselstrom in Gleichstrom, welcher im SMES gespeichert werden kann, und zurück in Wechselstrom umzuwandeln. Dabei kann je Wandelvorgang etwa 2 bis 3 % der Energie in Form von Wärmeabgabe nicht genutzt werden. SMES sind vergleichsweise effizient; beim Speichern selbst geht kaum Energie verloren.

Allerdings ist der Energieaufwand für die Kühlung hoch und durch die hohen Kosten von Supraleitern werden SMES im Jahre 2009 vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von Energie verwendet.


Vergleich mit anderen Methoden zur Energiespeicherung

Der wohl wichtigste Vorteil von SMES ist die kurze Verzögerung beim Laden und Entladen. Die Energie ist sofort verfügbar und es kann eine hohe Leistung in einer kurzen Zeit bereitgestellt werden. Andere Methoden zur Energiespeicherung, wie zum Beispiel die Pumpspeicherwerke haben eine wesentlich größere Verzögerung von einigen Minuten, da die Energie von mechanischer in elektrische Energie umgewandelt werden muss. Weitere Vorteile sind, dass der Energieverlust extrem klein ist und dass sie sehr zuverlässig sind, da die wesentlichen Teile des SMES unbeweglich sind. Nachteilig sind der hohe Aufwand an Leistungselektronik und Notwendigkeit der ständigen Kühlung auf extrem tiefe Temperaturen.

Berechnung der gespeicherten Energie

Um die in einem SMES gespeicherte Energie zu berechnen, multipliziert man die Hälfte der Induktivität mit dem Quadrat der Stromstärke.

E=\frac {1}{2}\cdot L\cdot I^2

Wobei

E = Energie in Joule
L = Induktivität in Henry
I = Stromstärke in Ampere

Praktischer Einsatz

Schneller Kompensator im Sägewerk

Der erste SMES in Europa wurde vom Forschungszentrum Karlsruhe und von der Universität Karlsruhe gemeinsam entwickelt und in einem Sägewerk in Fischweier/Albtal am Niederspannungsnetz des Badenwerks eingesetzt. Es hat eine Speicherkapazität von maximal 200 Kilojoule (kJ) und eine Leistung von 80 kVA. Der SMES besteht aus 6 Magnetmodulen die als Solenoid zusammengesetzt sind. Jedes Magnetmodul enthält 1000 Windungen des 1,3 mm dicken NbTi-Supraleiters und hat einen Durchmesser von 36 cm. Damit erreicht der Gesamtaufbau eine Induktivität von 4,37 H und kommt mit einem Strom von 300 A aus, um die geforderte Energie zu speichern. Die Energiedichte beträgt etwa 150 kJ/m³.


source: wikipedia

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