Объединенный институт ядерных исследований ведет строительство коллайдера NICA, флагманской российской физической установки. При проектировании было разработано множество технологий, которым можно найти применение за пределами фундаментальной науки. В том числе, ученые из Дубны начали создавать новый накопитель энергии с рекордной для своего класса емкостью.
Магнитные системы ускорительных колец коллайдера NICA – «Нуклотрона» и «Бустера» – потребляют энергию крайне неравномерно. Они создают импульсное поле с периодом колебаний от четырех секунд и выше, что вызывает пульсации энергии в сети. Это приводит к нагрузке на систему и ухудшает работу самих ускорителей и измерительной аппаратуры.
Чтобы сглаживать пики потребления, можно установить накопитель энергии. Поскольку колебания происходят слишком быстро, химические аккумуляторы не в состоянии их скомпенсировать: они слишком долго заряжаются и недостаточно быстро отдают заряд.
«В нашей системе питания накопителя будет два: емкостной, то есть, конденсаторы, и индуктивный. Индуктивный накопитель – это магнитная катушка, или соленоид. Его полная энергия будет равна 3,65 МДж, а полезная – 1,7. Ее он будет перебрасывать из «Нуклотрона» в «Бустер» и обратно, предварительно накапливая», – рассказал старший научный сотрудник ОИЯИ Михаил Новиков, создатель накопителя.
Индуктивный накопитель энергии создан на основе главного элемента ускорителя NICA – мощных магнитов.
«Обмотки магнитов NICA сделаны из сверхпроводящего кабеля. Магнит представляет собой мельхиоровую трубку, обмотанную проводником из сплава ниобия и титана, внутри течет жидкий гелий при температуре -269 градусов по Цельсию – практически абсолютный ноль. Из этого кабеля можно создавать изделия сложной геометрии, и в нем могут течь очень большие, килоамперные токи. Мы предложили помимо основных магнитов из этого кабеля сделать «батарейку» на несколько мегаватт. То есть, это накопитель энергии, в который вы можете завести ток, накопить несколько мегаджоулей, и потом от него запитать потребителя – например, огромный ускоритель», – пояснил «Газете.Ru» директор ОИЯИ академик Григорий Трубников.
Наглядным аналогом этого накопителя можно считать индукционную катушку, которую многие видели на школьном уроке физики. Если подключить лампочку не прямо к аккумулятору, а через катушку, то при замыкании и размыкании цепи она будет зажигаться и гаснуть не сразу, а плавно. Это происходит потому, что катушка накапливает энергию в свое магнитное поле при замыкании электроцепи, и затем отдает. Аналогичным образом работает и индуктивный накопитель коллайдера NICA, с той лишь разницей, что обмотка этой катушки сделана из высокотемпературного сверхпроводника (работающего при температуре жидкого неона, около 20 кельвинов), что приводит к неизмеримо меньшим потерям энергии.
«Наша катушка сохраняет энергию примерно в течение часа. Долгое хранение нам не требуется, но если бы мы сделали сверхпроводящими не только обмотку, но и контакты, запасенная энергия хранилась бы бесконечно и без потерь»,
– пояснил Новиков. Для сохранения запасенной мощности катушку необходимо замкнуть с наименьшим сопротивлением.
Устройство работает одновременно как накопитель энергии и как сетевой фильтр. В качестве примера Трубников приводит схему работы гидроаккумулирующих станций: «Такие станции работают круглые сутки, днем энергия расходуется, а ночью, когда потребление меньше, выработанная, но не востребованная энергия собирается в накопителе. Им может быть как аккумулятор, так и водоем».
Установка весит около полутора тонн и способна запасать несколько мегаджоулей. Это не много, если сравнивать с аккумуляторами: например, батарея Tesla Model S хранит до cотни киловатт-час (360 МДж) при весе в 540 килограмм. Однако накопитель ОИЯИ относится к совсем другому классу, и его задача отдавать и принимать энергию максимально быстро. Таким образом, его нужно сравнивать не с химическими источниками тока, а с конденсаторами и механическими маховиками.
«В нем нет вращающегося «волчка», в отличие от кинетических накопителей, и потому нет опасности взрыва или возникновения опасных вибраций. Наш магнит надежен, и должен выдержать 70 миллионов циклов разрядки-зарядки.
Этими преимуществами обладают и конденсаторы, но наш накопитель превосходит их с точки зрения плотности энергии. Емкостный накопитель с аналогичной энергией занял бы не кубический метр, а несколько больших шкафов»,
– рассказал Новиков.
В нынешнем состоянии индуктивному накопителю требуется массивная криогенная установка, но в будущем ее можно заменить на миниатюрный криокулер, помещающийся в невысокую тумбочку. В этом случае накопитель можно будет устанавливать в электрические системы для сглаживания пульсаций, в том числе в городские, промышленные и транспортные. Например, с его помощью можно будет создать систему рекуперации энергии для электрического автобуса. Современные электродвигатели умеют вырабатывать ток при торможении, но аккумуляторы не в состоянии быстро его потребить. Поэтому добавление в схему мощного и быстрого накопителя позволит экономить заряд батарей. Кроме того, на его основе можно изготовить источники бесперебойного питания для промышленности, где требуется высокая токоотдача.