Kriomagnetyki wodorowe
Kriomagnetyka wodorowa to termin używany do określenia użycia kriogenicznego ciekłego wodoru do chłodzenia uzwojeń elektromagnesu . Kluczową zaletą kriomagnetyki wodorowej jest to, że niskotemperaturowy ciekły wodór może być stosowany jednocześnie zarówno jako czynnik kriogeniczny do chłodzenia uzwojeń elektromagnesu, jak i jako nośnik energii . Oznacza to, że wykorzystanie wodoru jako paliwa i chłodziwa prawdopodobnie przyniesie potężne korzyści synergiczne . Nawet bez synergii paliwa i chłodziwa kriomagnetyki wodorowe są atrakcyjną opcją chłodzenia nadprzewodzących elektromagnesów, ponieważ eliminują zależność od coraz bardziej deficytowego i kosztownego ciekłego helu. Do zastosowań kriomagnetycznych wodoru specjalistyczne elektromagnesy chłodzone wodorem są uzwojone za pomocą miedzi lub nadprzewodników . Magnesy miedziane chłodzone ciekłym wodorem działają dobrze jako magnesy pola pulsacyjnego . Nadprzewodniki mają tę właściwość, że mogą działać w sposób ciągły i bardzo wydajny, ponieważ prawie całkowicie unika się strat rezystancji elektrycznej. Najczęściej termin „kriomagnetyki wodorowe” jest używany do określenia bezpośredniego lub pośredniego użycia kriogenicznego ciekłego wodoru w celu umożliwienia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w uzwojeniach elektromagnesu.
Kriomagnetyki wodorowe są szczególnie przydatne tam, gdzie wymagane są silne pola magnetyczne, na przykład w silnikach elektrycznych o wysokim momencie obrotowym . Pod ciśnieniem atmosferycznym ciekły wodór wrze w temperaturze około 20,3 K (-259,3 ° C). Ciekły wodór w takiej temperaturze jest znacznie niższy niż temperatury, w których nadprzewodnictwo może być po raz pierwszy indukowane w szeregu ważnych nadprzewodników wysokotemperaturowych, w tym tlenku miedzi itru i baru (YBCO), ponieważ YBCO ma temperaturę przejścia w stan nadprzewodzący (Tc) równą 93 K. Praca magnesów nadprzewodzących na bazie YBCO w temperaturze ponad 70 K poniżej Tc pozwala na stosowanie bardzo dużych gęstości prądu i bardzo silnych pól magnetycznych bez utrata nadprzewodnictwa. Właściwości materiałowe YBCO są takie, że nie można go przekształcić w ciągliwe druty, chociaż poczyniono znaczne postępy w kierunku elektromagnesów YBCO o wysokim polu w oparciu o użycie taśm zamiast drutów. Innym nadprzewodnikiem odpowiednim do zastosowań kriomagnetycznych wodoru jest diborek magnezu . Dwuborek magnezu jest konwencjonalnym nadprzewodnikiem i można go przygotować w postaci elastycznych drutów, co ułatwia jego potencjalne zastosowanie na przykład w reaktorach termojądrowych tokamaków. Diborek magnezu ma temperaturę przejścia 39 K. Podczas gdy pod ciśnieniem atmosferycznym ciekły wodór jest wystarczająco zimny, aby schłodzić diborek magnezu do nadprzewodnika stan, istnieją zalety pompowania wodoru, aby jeszcze bardziej obniżyć jego temperaturę, gdy używane jest takie uzwojenie magnesu (wykorzystuje to tę samą fizykę, która mówi, że punkt wrzenia wody można zmniejszyć, zmniejszając ciśnienie nad cieczą, patrz np.). Ogólnie rzecz biorąc, im większa różnica między temperaturą przewodnika a temperaturą przejścia nadprzewodzącego, tym lepiej. Ciekły wodór nie jest jedynym sposobem kriogenicznego chłodzenia magnesu, w rzeczywistości konwencjonalne nadprzewodniki są chłodzone za pomocą ciekłego helu o temperaturze 4,2 K, a w przypadku konwencjonalnych magnesów impulsowych (w tym miedzi) większość uwagi poświęcono ciekłemu azotowi przy 77 K. Można oczekiwać, że ciekły wodór zapewni lepszą wydajność niż ciekły azot, a jak omówiono poniżej, ciekły wodór pozwala uniknąć kilku problemów związanych z dostępnością helu.
Każde zastosowanie kriomagnetyków wodorowych wymaga starannego rozważenia bezpieczeństwa wodoru .
Kriomagnetyka wodoru jest koncepcją odrębną od zastosowania gazowego wodoru o wyższej temperaturze jako chłodziwa w turbinach elektrowni .
Pochodzenie
Termin kriomagnetyka wodorowa został po raz pierwszy użyty publicznie na konferencji Instytutu Fizyki, która odbyła się w Manchesterze w Anglii w kwietniu 2010 r. Prezentację wygłosił profesor WJ Nuttall, której współautorami są profesor BA Głowacki i dr L. Bromberg. Droga do tego terminu obejmowała myślenie o wodorze jako paliwie i chłodziwie – z perspektywy nadprzewodnictwa . Wcześniejsze rozważania dotyczące ciekłego wodoru jako kriogenicznego chłodziwa obejmują prace Głowackiego i współautorów z lat 2005 i 2006. Koncepcja kriomagnetyki wodorowej została rozwinięta i omówiona w latach 2012, 2015 i 2019.
Atrybuty
Można oczekiwać, że pojawienie się kriomagnetyków wodorowych przyniesie korzyści z rozwoju silnego zainteresowania przemysłu ciekłym wodorem, którego można się spodziewać z innych powodów, w tym wzrostu ogólnej gospodarki wodorowej oraz potrzeby transportu i magazynowania wodoru masowego. Na całym świecie rośnie zainteresowanie pojawieniem się gospodarki wodorowej, w której wodór jest niskoemisyjnym nośnikiem energii pozyskiwanym ze źródeł odnawialnych ( zielony wodór ) lub alternatywnie z gazu ziemnego z możliwością wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (jest to czasami określane jako „błękitny wodór”) n"). Gdy rurociągi są niedostępne. Wykorzystanie skroplonego wodoru do masowego transportu i dystrybucji cząsteczek wodoru okazało się bardziej wydajne niż butle z gazem pod wysokim ciśnieniem przy przemieszczaniu dużych ilości na duże odległości. Wodór (jako ciekły lub gaz) jest systemem magazynowania energii konkurującym z technologią akumulatorów elektrycznych. Wodór wygrywa z akumulatorami w przypadku największych ilości energii zmagazynowanej w najdłuższym okresie. Wodorowe ogniwa paliwowe wygrywają z technologiami akumulatorów elektrycznych w najcięższych formach transportu - takich jak jak pociągi, ciężarówki i autobusy Technologia wodorowa konkuruje z technologią baterii, a technologia wodoru gazowego konkuruje z technologią wodoru ciekłego. Gdy te siły konkurencyjne się opłacą, jest całkiem możliwe, że wodór ciekły odegra znaczącą rolę jako stacjonarny długo- długoterminowego i wielkoskalowego systemu magazynowania energii oraz systemu tankowania cięższych pojazdów.W takich scenariuszach można oczekiwać, że wyłaniająca się ekonomiczna rola produkcji i dystrybucji ciekłego wodoru znacznie sprzyja późniejszemu wykorzystaniu wodoru w zastosowaniach kriomagnetycznych.
Unikanie problemów z helem
Konwencjonalnym sposobem chłodzenia magnesów nadprzewodzących jest użycie ciekłego helu (temperatura wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym 4,2 K). Hel jest produktem ubocznym obecnego przemysłu gazu ziemnego, a jego zmienna cena i dostępność były powodem wielu obaw w ostatnich latach. Można oczekiwać, że zwiększona efektywność wykorzystania i unikanie marnotrawstwa zwiększy dostawy helu. Nie można oczekiwać, że hel pochodzący z gazu ziemnego będzie kontynuowany, jeśli gaz ziemny ma zostać wycofany w drodze do zera netto. Istnieje zapotrzebowanie na sektory wykorzystujące hel, które mogą zastąpić hel, aby to zrobić. Ci użytkownicy, którzy mogliby bezpiecznie przejść na kriomagnetyki wodorowe, mogliby odnotować znaczną redukcję kosztów operacyjnych i uniknąć ryzyka związanego z niedoborem helu.
Lepsze silniki elektryczne
W XX wieku dominującym typem silnika elektrycznego był silnik indukcyjny wykorzystujący ciasno uzwojone cewki z drutu miedzianego do generowania niezbędnych wewnętrznych pól magnetycznych. Niedawno, częściowo zainspirowany rozwojem pojazdów elektrycznych z akumulatorami, wprowadzono wiele innowacji w silnikach z magnesami trwałymi . Opierają się one na magnesach trwałych o dużym polu, opartych na pierwiastkach ziem rzadkich minerały. Kriomagnetyka wodorowa daje możliwość budowy nadprzewodzących silników indukcyjnych chłodzonych ciekłym wodorem o temperaturze około 20K. w ogniwach paliwowych na pokładzie .
Ciekły wodór - źródło wodoru o wysokiej czystości
Można oczekiwać, że odparowany gaz ze zbiornika ciekłego wodoru będzie wyjątkowo czysty i czysty. W pewnym sensie ciekły wodór został oddestylowany. Na przykład przedłużona eksploatacja pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi polega na konieczności ochrony membran ogniw paliwowych i katalizatorów przed zanieczyszczeniem. Degradacja ogniw paliwowych podczas użytkowania może mieć wiele przyczyn, niemniej jednak można oczekiwać, że czystość paliwa (w normalnych warunkach iw przypadku awarii sprzętu do tankowania) będzie głównym problemem dla każdego systemu opartego na obsłudze wodoru gazowego pod wysokim ciśnieniem.
Potencjalne aplikacje
Mojarrad i współpracownicy dokonali przeglądu różnych potencjalnych zastosowań kriomagnetyków wodorowych w 2022 r. Poniżej wymieniono niektóre potencjalne zastosowania.
- Energia fuzji
Koncepcja zastosowania kriomagnetyki wodorowej pojawiła się po raz pierwszy w związku z magnetycznie zamkniętą syntezą jądrową . WJ Nuttall zaproponował w 2004 r., że komercjalizacja energii termojądrowej może odbywać się za pośrednictwem międzynarodowych koncernów naftowych, a nie za pośrednictwem energii elektrycznej. Ze względów technicznych i ekonomicznych energia termojądrowa może być realnym sposobem produkcji ciekłego wodoru dla gospodarki wodorowej w sposób przypominający dzisiejszą gospodarkę skroplonego gazu ziemnego . Konwencjonalna synteza jądrowa tokamaka prawdopodobnie będzie wymagać bardzo dużych ilości drogiego i rzadkiego ciekłego helu do chłodzenia magnesów nadprzewodzących. Ciekły hel jest kluczowym materiałem eksploatacyjnym w konwencjonalnym paradygmacie. Biorąc pod uwagę potencjalną obfitość ciekłego wodoru w przyszłej elektrowni termojądrowej należącej do jednego z dzisiejszych międzynarodowych koncernów naftowych, naturalne wydaje się wykorzystanie wodoru kriogenicznego do przełamania zależności od helu. Kriomagnetyki wodorowe mogą potencjalnie ułatwić energię syntezy jądrowej tokamaka. Pomysły te połączyły się w koncepcję znaną jako „Wyspa Fuzji”, opracowaną przez WJ Nuttalla, BA Głowackiego i RH Clarke'a. Koncepcja Fusion Island została szczegółowo omówiona w 2008 i 2021 roku. Commonwealth Fusion Systems w Massachusetts aktywnie bada technologie magnesów nadprzewodzących chłodzonych do temperatury ciekłego wodoru.
- Lotnictwo
Inną znaczącą szansą dla kriomagnetyki wodorowej jest lotnictwo o niskiej emisji CO2. Airbus, Rolls-Royce i ich współpracownicy są pionierami wykorzystania ciekłego wodoru w napędzie samolotów. Pisząc w Aviation Week w kwietniu 2021 r., Thierry Dubois zauważył: „Airbus uruchomił ambitny program demonstracyjny wykorzystania technologii nadprzewodzącej. Jego celem jest znaczna poprawa wydajności. Pomysł wynika zarówno z trudności w projektowaniu architektury napędu elektrycznego z konwencjonalnym okablowaniem i możliwością wykorzystania ciekłego wodoru jako źródła zimna. Materiały nadprzewodzące wymagają temperatur kriogenicznych”. Kriomagnetyka wodoru umożliwia wykorzystanie w samolotach technologii wodorowych ogniw paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej do napędzania silników elektrycznych HTS o wysokim momencie obrotowym, zdolnych do napędzania śmigieł lub wentylatorów kanałowych z wysoką wydajnością. W ramach finansowanego przez Unię Europejską programu Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED) pracuje się nad nadprzewodzącym silnikiem lotniczym o sprawności 99% i stosunku mocy do masy wynoszącym 20 kW/kg. Naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Lotnictwa zaproponowali projekt kriomagnetycznego silnika lotniczego o mocy 5 MW. Jeszcze przed korzyściami, jakie można uzyskać z zastosowania kriomagnetycznych nadprzewodzących silników indukcyjnych wodoru, wodór cieszy się dużym zainteresowaniem jako niskoemisyjne paliwo lotnicze przyszłości. Airbus prowadzi program aktywnego wodoru , podobnie jak inne duże koncerny przemysłowe w światowym lotnictwie.
- Przemysł przetwórstwa metali
Kriomagnetyka wodorowa ma potencjalnie korzystne synergiczne powiązania z powstającym przemysłem stali niskoemisyjnych, którego pionierem jest SSAB w Szwecji. Wodór jest opracowywany jako alternatywa dla węgla koksującego do redukcji rud żelaza w celu produkcji surówki żelaza („ wytapianie ”). Wykorzystanie wodoru do takich celów znacznie wzmocniłoby powiązania między wodorem a produkcją stali. Mając to na uwadze, gdyby kuźnia miała dostęp do kriogenicznego ciekłego wodoru, wówczas kucie magnetyczne na dużą skalę oparte na technologii kriomagnetycznej wodoru mogłoby być niezwykle atrakcyjne ekonomicznie, zwłaszcza w przypadku ogrzewania kęsów.