Suprajohtava sähkömagneettinen energiavarasto

Abstract

Suprajohtavuuden löytyminen 1900-luvun alussa aloitti kiinteän olomuodon fysiikan yhden tämän päivän suurimmista vallankumouksista aineiden sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien tutkimisessa. Yhteiskunnallisella tasolla suprajohtavuus ja sen tutkiminen saattavat olla avainasemassa energiakriisien ja ilmastonmuutoksen ratkaisussa. Tässä tutkielmassa käsitellään lyhyesti suprajohtavuuden yleisiä ominaisuuksia ja historiaa sekä tutkielman pääaihetta, suprajohtavaa sähkömagneettista energiavarastoa SMES:iä, sen eri kehityksen vaiheita, teoriaa sekä tulevaisuutta. Suprajohtavuus voidaan jaotella tyypin I ja tyypin II sekä matalan ja korkean lämpötilan suprajohteisiin, joilla kullakin on luonteenomaiset suprajohtavat ominaisuudet ja piirteet. Perinteinen energian varastointi perustuu usein potentiaalieron luomiseen ja vapauttamiseen. Useat uusiutuvat energiamuodot kohtaavat haasteita varastoinnin helppouden, kapasiteetin sekä varastoinnin pitkäaikaisuuden kanssa perinteisiä energiamuotoja käytettäessä. Suprajohtavuus sekä erityisesti SMES saattavat olla avainasemassa kyseisiä ongelmia ratkaistessa. SMES varastoi energiansa suprajohtavasta materiaalista rakennettuun käämiin, jossa energia saadaan säilymään tehohäviöttömästi niin sanotusti aina. Suprajohtavasta käämistä on erilaisia geometrioita sekä tekniikkaa, joilla on omat hyödyt ja haitat. SMES:in hyötysuhde muihin energiavarastoihin verrattuna on huippuluokkaa. Sen lisäksi ympäristöystävällinen, suuren tehotiheyden omaava, myrkytön ja turvallinen SMES tarjoaa lyhyen vasteajan energian käyttöönotossa. SMES:llä suuren energiamäärän valjastaminen suurienergisiin kohteisiin on hyvin tehokasta perinteisiin varastointimenetelmiin verraten kyseisessä mittakaavassa. Suuren mittakaavan käyttöönottoa rajoittaa energiavaraston muun tekniikan haasteet kuten jäähdytysjärjestelmä, sen kustannukset sekä koko. Suprajohtavaan tilaan jäähdyttäminen vaatii jatkuvan kryotekniikan ylläpitämistä, joko nestemäisen heliumin tai typen avulla. Suprajohtava energiavarasto myös kilpailee perinteisten varastointimenetelmien, johtimien sekä komponenttien kanssa kasvavan kysynnän, niille jo olemassa olevan markkinan sekä niiden tutkimustyön kanssa. SMES ei ole täysin uusi tutkimuskohde suprajohtavuuden tai energian varastoinnin aloilta ja vaikka menetelmän käyttöönottoaste on melko alhainen, on sen tulevaisuus silti valoisa. Korkean lämpötilan suprajohtavuus sekä sen kehitys saattavat positiivisesti vaikuttaa SMES:n käyttöönottoon, sillä jäähdytyskustannuksien alentaminen sekä erilaisten teknisten ongelmien ratkaisu tekevät SMES:stä houkuttelevamman yleisille markkinoille. Energiantarpeen eksponentiaalinen kasvu myös vauhdittaa suprajohteiden sekä energian varastoinnin tutkimusta ja kehitystä ja uusien menetelmien valjastusta ja käyttöönottoa.