Large-Scale Superconductive Magnetic Energy Storage

 

Temporary storage of energy is a topic of today. This is because of the tremendous growth rates of solar and wind power. Challenge is, that sun is providing it's power, when it is least needed. Northern Europe has the lowest electricity consumption during summer, when the solar generation peaks. Wind power in turn, often fails to deliver during the peak consumption periods.

Thus comes the need to store energy on a temporary basis. A lot of research is going on in this area. One of the areas is concerned about using large superconducting coils to store energy. When the high temperature superconductors were invented, the cost of cooling down the coils were reduced considerably and the technology became more feasible.

Let us investigate the limits of the Superconductive Magnetic Energy Storage (SMES) for use in large scale applications. The energy stored in a long solenoidal coils is :

Trial values (seeking high value of energy) and descriptions of the parameters of the above formulas are:

=permeability of air, 4π x 10^-7 T m/A

N=number of turns in a solenoid, 300

A=cross sectional area of the solenoid, 10 000 m²

l=length of the solenoid, 10m

With these assumptions we get, that the inductance (L) is: 113 H.

From /1/ we know, that a current of 100kA can be achieved with high temperature superconducting wires. Using this value for I we get the energy of the coil to be 156 MWh. Let us take Finland as an example. We see that wind power capacity is 147 MW in 2009 /2/.

Thus,this hypothethical SMES described above, can store the energy of all wind power plants for one hour. This is a decent solution for a short-term load following power plant, as the power output can be controlled very rapidly. This would not, however, serve the needs for a longer-term energy storage.

The energy of the coil increases proportional to the square of the current. From /3/ it is found, that the critical current of some low temperature superconductors can be 1 MA / mm3. If it were possible to construct windings of the coil supporting 1 MA with such superconducting material, then the energy of the coil would increase to a level of 15 GWh. This would serve the electiricty needs for Helsinki city area for an average of 30 hours /4/. This would make large scale SMES feasible. But, the challenges are great:

• Achieving the high currents in the superconducting coil
  
• DC/AC conversions to connect SMES to grid
  
• potential side effects created by the high magnetic fields
  
• high forces inside the coil caused by the high currents
  

 

/1/ http://www.smartgridnews.com/artman/uploads/1/new_epri.pdf

/2/ http://www.tuulivoimatieto.fi/tuulivoima_suomi

/3/http://www.w2agz.com/Library/Classic%20Papers%20in%20Superconductivity/DewHughes%20LTP27%20Jc%20history.pdf

/4/ http://www.tekniikkatalous.fi/energia/article362518.ece

 

Ruotsin isku

Ruotsissa on tehty itsemurhaisku, jossa kuoli tekijä itse. Hän oli irakilaistaustainen nuori mies, joka oli viimeisinä vuosinaan radikalisoitunut. Uhkausviestissään hän oli purkanut vihaansa länsimaita vastaan. Erityisesti häntä oli hiertänyt ns. Muhammed kohu.

Olen nyt lukenut asiasta kirjoitettuja uutisjuttuja. Sieltä nousee kaksi näkökulmaa yli muiden:
- Ruotsalaiset ovat kauhistuneita siitä, että tällainen tapaus voi tapahtua Ruotsissa.
- Suomessa ja Ruotsissa ollaan erityisen huolissaan siitä, että tällainen tapahtuma voi lisätä ulkomaalaispolitiikan kritiikkiä (lue: lisää ääniä Ruotsidemokraateille tai Perussuomalaisille).

Ymmärrän ruotsalaisten hädän ja huolen. Toisaalta, asiaa voisi yrittää laittaa yhteyksiinsä. Iskussa ei kuollut ketään muuta, kuin tämä häiriintynyt ihminen. Hänen pommiviritelmänsä olivat ilmeisesti niin alkeelliset, että sillä tuskin olisi kovin isoa vahinkoa voinut saada aikaan, paitsi vahingossa.

Tällaisia iskuja on Euroopan isoissa maissa ollut paljonkin. Esimerkiksi Britanniassa ja Espanjassa ne ovat olleet arkipäivää monen vuosikymmenen aikana. Olen itsekin monta kertaa joutunut muuttamaan matkustussuunnitelmiani Lontoon metrossa johtuen joko toteutuneista iskuista, tai isku-uhkauksista.

Tässä mielessä minusta ruotsalaisten (ja suomalaisten) reaktiot tuntuvat jotenkin ylimitoitetulta. Ei tässä nyt kuitenkaan mitään suurkatastrofin aineksia ollut kasassa. Huolissaan on syytä olla. Perimmältään tässä on kysymys siitä, että ruotsalaisten tulisi herätä todellisuuteen. Welcome to the real world. Tuolla ulkona on paha maailma ja paljon pahoja ihmisiä. Ota se huomioon, ruotsalaisinen, niin selviydyt.

Toinen mielenkiintoinen kehityskulku on tällaisisssa tapauksissa toistuva rasistitematiikka. Tampereella kurdit polttivat ravintolansa vakuutuspetoksena ja tappoivat siinä samalla kolme ihmistä. Mikä oli suomalaisten poliitikkojen suurin huoli tuossa tilanteessa? Itkivätkö heidän sydämensä verta turhaan kuolleiden nuorten ihmisten takia? Monen nuoren elämä päättyi aivan liian aikaisin. Ei, sellaista empatiaa ei näkynyt. Suurin huoli kohdistui siihen, että tämä isku mahdollisesti lisäisi maahanmuuttovastaisuutta ja saisi aikaan lisäkannatusta Timo Soinille. Makaaberia.

Samanlainen suuntaus on näkynyt tässä Ruotsin tapauksessa. Erityisen huolissaan ruotsalaiset ovat siitä, miten tämä mahdollisesti lisää ruotsidemokraattien suosiota. Aika kylmä asenne minusta. Erityisen varovaisia ruotsalaiset ovat puhumaan yhtään mitään islamin radikalisoituneesta siivestä (tämä itsemurhaiskijä oli liittynyt tällaiseen). On poliittisesti epäkorrektia edes puhua tällaisesta. On jotenkin kummallista, että tätä tapausta kauhistellaan kovaan ääneen, mutta tapahtuman perimmäisiä syitä ei saa analysoida.

Otetaan vastaesimerkki. Jokela, Kauhajoki, Myyrmanni. Kaikki kolme ovat samanlaisia tapauksia siinä mielessä, että häiriintynyt mieli tappoi itsensä ja siinä samalla monta muuta. Nämä olivat kertaluokkaa pahempia tapauksia, koska tekijä onnistui tavoitteessaan. Näiden tapausten yhteydessä ei ollut mitään ongelmaa analysoida asiaa pohjia myöten - puhki. Useimmiten näissä yhteiskunnallisissa analyyseissä päädyttiin siihen, että jotain mätää on suomalaisessa yhteiskunnassa. Psykiatrien lisäämistä ehdotettiin. Joku taisi sanoa, että 500 psykiatria tarvitaan lisää koulujen takahuoneisiin. En ollut silloin, enkä nytkään, samaa mieltä noista analyyseistä. Se kuitenkin on selvää, että suomalaisten henkillön syyllistyessä tuollaisiin karmeisiin tekoihin, on aivan korrektia analysoida asiaa perinpohjaisesti ja ratkaisujakin saa hakea. Jostain syystä tällainen ei ole sallittua tekijän ollessa ulkomaalaistaustainen.

Suprajohtava sähkönsiirto

Generation of electricity via wind and solar plants is increasing at exponential growth rates as can be seen from the historical figures of installed solar power.

This kind of growth is natural at early stages of an innovation. We are at early phases of an S-curve for solar power.

This growth, however, will face some challenges in the years ahead. This is, because:
- Generation of wind/solar power is typically far away from the areas, where the higher population densities are.
- Generation does not happen at the times, when electricity would be most needed in the area, where generation takes place.

A good example of the challenges is the gigantic plan to build solar power plants in Sahara and other location with high solar radiation levels /1/. A relatively small area in Sahara could supply all energy, that Europe needs. The biggest challenge in that project is not, whether the generation capacity can be build. No. Solar power technology exists. There is more, than enough energy. The challenge is, how to transfer the energy from Sahara to the the cities and factories in Europe.

A well known technology to transfer larger amount of electrical energy longer distances is High Voltage Direct Current (HVDC). Technology is relatively mature and big plans exist to build, for example, a European Electrical Superhighway /2/. Longest long distance power line is 1700 km (in Kongo). This technology, however, may not make it possible to reach the goals as set out by the rapid proliferation of geographically distributed large scale solar power production plans. This is, because HVDC is very expensive, it has high amount of losses in very long distances (albeit considerably smaller, than in AC transmission).

Building high capacity DC grids is also important from the point of view of market efficiency. When electricity production and consumption can be further away geographically, trading of electricity becomes more competitive, and ultimately prices to end-users get lower.

The possibility to build low-loss transmission DC lines using superconducting cables has been investigated for a long time. The invention of high temperature superconductors in the late 1980’s was a major step, as it made it economically feasible to build the cryogenic environment needed.

Electric Power Research Institute has made an interesting feasibility study related to the implementation of superconducting DC cables /3/. The present a cable design as follows:



The paper presents quite a convincing story:
- The authors envision a single superconducting cable system, which can achieve 10 GW power capacity. It operates on 100 kV and carries 100 kA. These are huge numbers. Perspective to this is, that a single nuclear power plant can typically produce 1 GW. Thus, a single cable system can take care of the transmission of several nuclear power plants. In deed, huge amount.
- A lot of benefits are seen: less environmenal impact (less pylons in your neighborhood), significantly lower losses, considerably smaller costs, higher reliability.
- The technology seems at such level, that large-scale manufacturing should be possible within the next few years.

My bet is, that by 2020 we see several long distance ultra high capacity superconductive power lines.

/1/ http://www.desertec.org/
/2/ http://www.friendsofthesupergrid.eu/
/3/ http://www.smartgridnews.com/artman/uploads/1/new_epri.pdf

Suprajohteen paradoksi

Sähkömagnetiikan tutkimuksissani havaitsin oudon paradoksin, joka liittyy suprajohtavuuteen.

Suprajohtava kappale hylkii magneettikenttää niinsanotun Meissnerin efektin selittämänä.

Toisaalta, materiaali menettää suprajohtavuutensa mikäli siihen kohdistuu tietty raja-arvoa suurempi magneettikenttä (ns. kriittinen kenttä).

Suprajohtavan käämin sisällä on metallipala. Tämä metallipala on lähellä (mutta suurempi) suprajohtavaa tilaa johtuen siitä magneettikentästä, joka aiheutuu käämin virrasta. Metallipala on siis ei-suprajohtavassa tilassa.

Nyt voin pienellä ulkoisella magneettikentällä aiheuttaa sen, että metallipala saavuttaa suprajohtavan tilan. Tällöin tapahtuu suuri muutos. Suprajohtavan kelan induktanssi pienenee. Sähkömagnetiikan mukaan suprajohtavan kelan energia on kääntäen verrannollinen induktanssiin. Näinollen, tämä faasimuutos, joka itsessään ei kuluttanut energia, sai aikaan sitoutuneen magneettisen energian kasvun.

On mysteeri ja paradoksi, mistä tämä energia ilmestyi. Tyhjiöstäkö?