Almacenamiento de energía del volante: ¿Por qué no usar diamagnetos a temperatura ambiente en lugar de superconductores?

El almacenamiento de energía del volante ha despertado el interés de la academia y la industria por su potencial para almacenar el excedente de energía eléctrica de manera eficiente en forma cinética.

Los diseños modernos utilizan cojinetes magnéticos para minimizar el arrastre en el que incurre la masa giratoria al levitarla en su totalidad dentro de una cámara de vacío. Los esfuerzos de investigación más serios parecen implementar estos rodamientos con imanes superconductores enfriados a 50 K o menos, para aprovechar un fenómeno llamado pinning de flujo que aparentemente ocurre bajo estas condiciones.

Esta fijación de flujo estabiliza el volante de una manera que los ferroimanes permanentes a temperatura ambiente por sí solos (que son una colección de cargas puntuales) no pueden hacerlo, debido al teorema de Earnshaw .

Sin embargo, también existen materiales como el bismuto y el carbón pirolítico, que incluso a temperatura ambiente ejercen fuerzas diamagnéticas bastante capaces de estabilizar objetos que son levitados magnéticamente por ferroimanes permanentes.

¿Por qué no utilizar estos materiales diamagnéticos en lugar de la variedad superconductora y reducir en gran medida la complejidad, el costo y las pérdidas por refrigeración del diseño del volante?

Aquí hay una ilustración que hice para demostrar el tipo de configuración que tengo en mente:Volante estabilizado diamagnéticamente

Una posible razón para usar superconductores podría ser que la fijación de flujo podría sufrir menos las corrientes de Foucault ("arrastre electromagnético") que los diamagnetos a temperatura ambiente, pero no estoy seguro de cómo evaluar el impacto de este efecto, si lo hay; por lo que una respuesta que intente arrojar algo de luz sobre este aspecto sería muy apreciada.

Todo eso está bien, excepto que los cojinetes no son el problema con el almacenamiento de energía del volante, sino la estabilidad a largo plazo del volante. Estas cosas solo tienen un modo de falla y es absolutamente catastrófico/explosivo. La densidad de energía también está por debajo de la de los métodos de almacenamiento de productos químicos, por lo que no está ganando mucha tracción con el método, excepto quizás en aplicaciones como autobuses híbridos. En ese caso, sin embargo, los accionamientos eléctricos ya han demostrado ser simples, fiables, económicos y estables a largo plazo.
+1 de mi parte. Parece una pregunta potencialmente interesante.
@CuriousOne Parece poner mucho énfasis en la portabilidad, pero me inclino a ver que el almacenamiento de energía del volante se instale principalmente en un entorno estacionario, preferiblemente subterráneo. No creo que sea una gran catástrofe si el rotor se rompe mientras todo está enterrado bajo tierra. De todos modos, esto está más allá del alcance de esta pregunta, pero, como demuestra el tercer enlace que incluí, creo que es seguro decir que algunos grandes jugadores de la industria se están tomando en serio el almacenamiento de energía del volante.
La catástrofe con los volantes es que pierdes toda tu inversión a la vez, el sistema no es reparable como debería ser una buena solución técnica. Otros métodos de almacenamiento simplemente no tienen ese problema, cuando fallan, fallan levemente y pueden repararse por una fracción de su costo inicial. En cuanto a la seriedad de los jugadores... Dejaré que la realidad decida sobre eso. Cuando obtengo el 1% de mi energía de los volantes, entonces se ha tomado en serio en algún nivel.
Eso es como decir que hasta que el 1% de su energía se genere a partir de la fusión nuclear, la energía de fusión nuclear no se ha tomado en serio en ningún nivel... a pesar de proyectos multimillonarios como ITER. Espero que no podamos actuar como si tuviéramos una agenda que impulsar y, en cambio, centrarnos en la física de la pregunta que hice.
Scientific American publicó un artículo sobre esto hace algunos años. El diseño de volante más interesante (en mi opinión) consistía en una cuerda larga enrollada en forma de cilindro y atada en esa forma. Cuando este volante se hizo girar demasiado, se fracturó un hilo a la vez, creando una "bola de pelusa" que pulió el interior de su contenedor. Por lo tanto, los modos de falla de algunos volantes no son catastróficos.
Hay un error de polaridad tonto en los ferromagnetos estacionarios 2 y 4 de mi ilustración (como se ve desde arriba), pero probablemente no tendré tiempo de arreglarlos hasta el jueves.
@WilliamBudd He estado investigando esto últimamente y he llegado a la conclusión de que el efecto del diamagnetismo probablemente no sea lo suficientemente fuerte. No tengo números exactos, pero si consideras que un trozo de bismuto apenas puede estabilizar un imán de neodimio de ~ 1 gramo (campo magnético muy fuerte) con la ayuda de un imán levantador, estamos hablando de restaurar fuerzas en el orden. de <1 milinewton. Probablemente podría estabilizar un "volante" muy ligero con esto, pero los volantes reales pesan al menos unas pocas toneladas, cualquier cantidad de vibración sistemática o efecto giroscópico hará que su eje choque con los diamagnetos.
Sin embargo, podría ser viable en naves espaciales (creo que hay una investigación en curso sobre cojinetes diamagnéticos).

Respuestas (2)

Es una buena idea. La razón básica por la que nadie lo ha hecho es que los diamagnetos tienen una permeabilidad de 4 a 5 órdenes de magnitud más pequeña. Además, si tiene una configuración superconductora, puede obtener un imán superconductor que es mucho más fuerte que un imán permanente.

La configuración que muestra probablemente tendría que ser ~ 1000 veces mayor para funcionar. Aunque tal vez en el espacio. Pero, de nuevo, hacer girar cosas en el espacio podría no ser la mejor idea...

+1, porque estoy de acuerdo en que estructuralmente las asignaciones de ingeniería serán bastante estrictas. Aún así, al colocar el recinto diamagnético muy cerca de los ferroimanes giratorios (la variedad de "tierras raras" de neodimio notablemente fuerte), y al mantener los ferroimanes externos a la distancia máxima para permitir una curvatura mínima de la línea de campo, I -intuitivamente al menos -- esperar que esto sea una proposición factible. La presencia de un efecto giroscópico estabilizador también podría ser una buena ventaja.

Las fuerzas diamagnéticas son demasiado débiles a temperatura ambiente para proporcionar una levitación/estabilización adecuada de los volantes que pesan más de unos pocos gramos. Agradable para demostraciones de hojuelas de grafito pirolítico flotante entre bloques de bismuto, pero no interesante desde el punto de vista del almacenamiento práctico de energía.

La única excepción a esto son los superconductores, que son básicamente materiales con constantes diamagnéticas infinitas cuando están en modo superconductor. Boeing ha estado fabricando volantes con rodamientos HTS durante más de una década. El comunicado de prensa sobre el volante RTRI 100kWhr/300kW es interesante. También utiliza rodamientos superconductores. Para las instalaciones que pueden pagar los costos de los enfriadores criogénicos de funcionamiento continuo para mantener los rodamientos en superconducción, la tecnología funciona bien.

Los diamagnetos no proporcionan ninguna de las fuerzas necesarias para levantar el rotor: ese es el trabajo de los imanes permanentes (los cilindros rojo y verde en mi ilustración). El propósito del material diamagnético es simplemente convertir un equilibrio inestable en un equilibrio estable. Dada una instalación de alta precisión, las fuerzas netas que los diamagnetos necesitan contrarrestar son minúsculas (podría visualizarlo como un gradiente muy suave cerca de la cima de una colina de líneas de campo). En cualquier caso, su afirmación de que las fuerzas diamagnéticas son demasiado débiles necesita ser respaldada con algo de ciencia para que yo la tome en serio.
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