Skladování energie – setrvačníky
Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2017
Odpovědný řešitel: prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc., Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.
Další zúčastněné pracoviště: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
Akumulace energie v setrvačnících
V setrvačnících je energie akumulována ve formě kinetické energie rotoru otáčejícího se vysokou úhlovou rychlostí. Rotor má obvykle tvar válce, kola, prstence, disku nebo dutého válce. Setrvačníky jsou konstruovány tak, aby měly co možná největší moment setrvačnosti při co nejmenších rozměrech a hmotnosti. Vyrábějí se z oceli, ocelolitiny, ale i z kompozitních materiálů. Jejich otáčky se pohybují od 5 000 (pomaloběžné) do 50 000 (rychloběžné) ot./min. Existují i lehké setrvačníky s otáčkami až 100 000 ot/min. Rotory se často otáčejí v pracovním prostoru s vakuem nebo sníženým tlakem, což snižuje jejich odpory proti pohybu a opotřebení, a jsou uloženy v ložiscích valivých, aerodynamických nebo magnetických v závislosti na úhlové rychlosti otáčení. Rotory jsou umístěny v robustních kontejnerech, které musejí odolat následkům v případě jejich mechanické poruchy. Průměrné měrné množství akumulované energie se pohybuje přibližně od 5 Wh/kg (u pomaloběžných setrvačníků) do 100 Wh/kg (u rychloběžných setrvačníků). Největší vyráběné setrvačníky jsou schopny akumulovat energii až 5 MJ a mají hmotnost kolem 10 tun. K dodávání energie do setrvačníku a k jejímu uvolňování slouží elektrický rotační stroj, který pracuje buď jako motor, nebo jako generátor.
Setrvačníkové akumulátory patří spolu s akumulátory elektrickými k nejčastěji používaným prostředkům pro skladování energie. Na rozdíl od elektrických akumulátorů mají některé přednosti: dlouhou životnost (ta je dána životností a mechanickým opotřebením rotujících částí a v průměru činí asi 20 let), počet cyklů nabití a hlubokého vybití je prakticky neomezen, mají možnost velkého příkonu a výkonu při nabíjení a vybíjení a ani hluboké vybití nezpůsobí jejich poškození. Nevýhodou je vysoká míra samovybíjení. Ta je způsobena odpory proti pohybu zejména z důvodu tření mezi pláštěm rotoru a okolním prostředím a energetickými ztrátami v uložení rotoru (mechanické, elektrické atd.). První problém se řeší umístěním rotoru do vakua, případně do prostoru vyplněného zředěným plynem s nízkou viskozitou (např. hélium). Ztráty způsobené třením v uložení lze snížit použitím vhodných ložisek, např. aktivních magnetických ložisek, aerodynamických ložisek, keramických nebo hybridních valivých ložisek.
Nová možnost, jak snížit samovybíjení roztočeného setrvačníku, spočívá v umístění rotoru do vakuové nádoby a ve spojení rotoru se stacionární částí pomocí vysokoteplotních supravodivých magnetických ložisek. Tato koncepce je používána také v rámci tohoto výzkumu. Vysokoteplotní supravodivá ložiska pracují na principu Meissnerova jevu. Ukázalo se, že ve zvláštních keramických materiálech na bázi sloučenin Y, B, C a dalších prvků se po zchlazení a v přítomnosti vnějšího magnetického pole vybudí supravodivé proudy vytvářející svá magnetická pole, a obě magnetická pole spolu vzájemně interagují. Uvnitř keramického materiálu se vzájemně ruší (Meissnerův jev). Výsledkem je, že mezi keramickým materiálem (supravodivým magnetem) a zdrojem vnějšího magnetického pole (permanentním magnetem) působí síla, která udržuje obě tělesa od sebe v konstantní vzdálenosti. Zároveň však, na rozdíl od dvou permanentních magnetů, stabilizuje jejich vzájemnou polohu ve směru kolmém k magnetickým indukčním čarám. Meissnerův jev umožňuje stabilní levitaci permanentního magnetu nad (případně pod) magnetem supravodivým. K vybuzení Meissneriova jevu je zapotřebí keramický materiál zchladit na nízkou teplotu. Postačuje teplota tekutého dusíku (77 K), nižší teplota zvyšuje únosnost supravodivého magnetu.
Problematika setrvačníků je multidisciplinární. Jevy spojené s provozem setrvačníku jsou multifyzikální povahy, zejména mechanické, elektrické, magnetické, tepelné. Koncepty a návrhy musejí odpovídat zásadám strojního a elektroinženýrství.
Návrh a výroba experimentálního setrvačníkového zařízení v roce 2017
V roce 2017 byly rozpracovány dva koncepční návrhy setrvačníkového zařízení se svislým rotorem. První zařízení je založeno na uložení rotoru ve dvou axiálních supravodivých ložiskách vykazujících únosnost i v radiálním směru. Pro účely testování jsou součástí zařízení dva rotory, jeden lehčí z hliníku a druhý těžší vyrobený z nemagnetické oceli. Zařízení bylo vyrobeno a smontováno. Před započetím experimentů musí být ještě opatřeno tepelnou izolací. Druhé experimentální zařízení je založeno na uložení svislého rotoru v radiálních supravodivých ložiskách s axiální únosností. K uvedení do provozu je nutné ještě navrhnout a vyrobit nosnou konstrukci. V obou konstrukčních variantách je ke chlazení supravodivých ložisek použit tekutý dusík.
V rámci prací na návrhu, konstrukci a výrobě setrvačníků se supravodivými ložisky byly navázány styky s firmami CAN Superconductors z České republiky a MAG SOAR ze Španělska.
