Väte kryomagnetik
Vätekryomagnetik är en term som används för att beteckna användningen av kryogent flytande väte för att kyla lindningarna på en elektromagnet . En viktig fördel med vätekryomagnetik är att flytande väte vid låg temperatur kan användas samtidigt både som en kryogen för att kyla elektromagnetlindningar och som en energibärare . Det vill säga kraftfulla synergistiska fördelar kommer sannolikt att uppstå när väte används som bränsle och som kylvätska . Även utan bränsle/kylmedelssynergierna är vätekryomagnetik ett attraktivt alternativ för kylning av supraledande elektromagneter eftersom det eliminerar beroendet av alltmer knappa och dyrare flytande helium. För vätekryomagnetiska applikationer lindas specialiserade vätekylda elektromagneter med antingen koppar eller supraledare . Vätskevätekylda kopparlindade magneter fungerar bra som pulsfältsmagneter . Supraledare har egenskapen att de kan arbeta kontinuerligt och mycket effektivt eftersom elektriska resistiva förluster nästan helt undviks. Vanligast används termen "vätekryomagnetik" för att beteckna användningen av kryogent flytande väte direkt eller indirekt för att möjliggöra högtemperatursupraledning i elektromagnetlindningar.
Vätekryomagnetik är särskilt användbart där höga magnetiska fält krävs, till exempel i elektriska motorer med högt vridmoment . Vid atmosfärstryck kokar flytande väte vid ungefär 20,3 K (-259,3 °C). Flytande väte vid en sådan temperatur är betydligt kallare än de temperaturer vid vilka supraledning först kan induceras i en rad viktiga högtemperatursupraledare inklusive yttriumbariumkopparoxid (YBCO), eftersom YBCO har en supraledande övergångstemperatur (Tc) på 93 K. Driften av YBCO-baserade supraledande magneter vid en temperatur mer än 70 K under Tc möjliggör användning av mycket höga strömtätheter och mycket höga magnetfält utan förlust av supraledning. Materialegenskaperna hos YBCO är sådana att det inte kan göras till duktila trådar även om mycket framsteg har gjorts mot högfälts YBCO-elektromagneter baserade på användningen av tejper snarare än trådar. En annan supraledare som är lämplig för kryomagnetisk användning av väte är magnesiumdiborid . Magnesiumdiborid är en konventionell supraledare och den kan framställas i flexibla trådar som underlättar dess potentiella tillämpning i till exempel tokamakfusionsreaktorer. Magnesiumdiborid har en övergångstemperatur på 39 K. Medan flytande väte vid atmosfärstryck är tillräckligt kallt för att kyla magnesiumdiborid till supraledande tillstånd , finns det fördelar med att pumpa på vätet för att sänka dess temperatur ytterligare när en sådan magnet används lindning (denna använder samma fysik som säger att vattnets kokpunkt kan sänkas genom att minska trycket ovanför vätskan, se t.ex.). Generellt sett är det bättre ju större skillnaden är mellan ledartemperatur och supraledande övergångstemperatur. Flytande väte är inte det enda sättet att kryogeniskt kyla en magnet, faktiskt kyls konventionellt supraledare med hjälp av flytande helium vid 4,2K och för konventionella pulsade magneter (inklusive koppar) har mest uppmärksamhet ägnats flytande kväve vid 77 K. Flytande väte kan vara förväntas ge bättre prestanda än flytande kväve och, som diskuteras nedan, undviker flytande väte flera problem kring tillgängligheten av helium.
All användning av vätekryomagnetik kräver noggrant övervägande av vätesäkerheten .
Vätekryomagnetik är ett koncept som skiljer sig från användningen av gasformigt väte med högre temperatur som kylmedel i kraftverksturbiner .
Ursprung
Termen vätekryomagnetik användes först offentligt vid en Institute of Physics- konferens som hölls i Manchester England i april 2010. Presentationen hölls av professor WJ Nuttall och medförfattare av professor BA Glowacki och Dr L Bromberg. Resan till termen hade inneburit att tänka kring väte som bränsle och som kylvätska – ur supraledningsperspektivet . Tidigare relaterad övervägande av flytande väte som ett kryogent kylmedel inkluderar arbete av Glowacki och medförfattare från 2005 och 2006. Begreppet vätekryomagnetik har vidareutvecklats och diskuterats under 2012, 2015 och 2019.
Attribut
Framväxten av vätekryomagnetik kan förväntas dra nytta av utvecklingen av ett starkt industriellt intresse för flytande väte som kan förväntas inträffa av andra skäl, inklusive tillväxten av en allmän väteekonomi och behovet av att transportera och lagra väte i bulk. Det globala intresset växer för framväxten av en väteekonomi där väte är en energibärare med låga koldioxidutsläpp som kommer från förnybara energikällor ( grönt väte ) eller alternativt från naturgas med avskiljning och lagring av kol (detta kallas ibland för "blått väte n"). När pipelines inte är tillgängliga. användningen av flytande väte för bulktransport och distribution av vätemolekyler har visat sig vara effektivare än högtrycksgasflaskor när man flyttar de stora mängderna över stora avstånd. Vätgas (som vätska eller gas) är ett energilagringssystem i konkurrens med elektrisk batteriteknik. Vätgas vinner över batterier för de största mängderna energi som lagrats under den längsta perioden. Vätgasbränsleceller vinner över batterielektriska teknologier för de tyngsta transportformerna - som tåg, lastbilar och bussar Vätgastekniken konkurrerar med batteritekniken och gasformig väteteknik konkurrerar med tekniken för flytande väte. När dessa konkurrenskrafter betalar ut är det mycket möjligt att en betydande roll kommer att uppstå för flytande väte som ett stationärt långsiktigt och storskaligt energilagringssystem och bränslesystem för tyngre fordon. I sådana scenarier kan den framväxande ekonomiska rollen för produktion och distribution av flytande väte förväntas i hög grad gynna den efterföljande användningen av väte i kryomagnetiska tillämpningar.
Undviker problemen med helium
Det konventionella sättet att kyla supraledande magneter är att använda flytande helium (atmosfäriskt tryck kokpunkt 4,2K). Helium är en biprodukt från den nuvarande naturgasindustrin och dess fluktuerande pris och tillgänglighet har varit en orsak till stor oro de senaste åren. Förbättrad användningseffektivitet och undvikande av avfall kan förväntas sträcka heliumtillförseln. Ytterligare helium från naturgas kan inte nödvändigtvis förväntas fortsätta om naturgasen ska fasas ut på en resa till Net-Zero. Det finns ett behov för de helium som använder sektorer som kan ersätta bort från helium för att göra det. De användare som säkert kan byta till kryomagnetisk väte kan se en betydande minskning av driftskostnaderna och undvika risker förknippade med heliumtillförselbrist.
Bättre elmotorer
På 1900-talet var den dominerande typen av elmotor en induktionsmotor som använde tätt lindade koppartrådsspolar för att generera de nödvändiga interna magnetfälten. På senare tid, och delvis påskyndat av tillväxten av batteridrivna elfordon, har det skett mycket innovation inom permanentmagnetmotorer . Dessa förlitar sig på permanentmagneter med högt fält som förlitar sig på sällsynta jordartsmetaller . Vätekryomagnetik ger möjligheten att supraledande induktionsmotorer kylda av flytande väte vid ungefär 20K. Sådan kryogen vätska kan vara tillgänglig på ett fordon (som ett flygplan, tåg, lastbil, buss eller till och med bil) om högrent väte används för elproduktion ombord på bränsleceller .
Flytande väte - en källa till högrent väte
Avkokningsgasen från en tank med flytande väte kan förväntas vara extremt ren och ren. På sätt och vis har det flytande vätet destillerats. Förlängd drift av bränslecellselektriska fordon beror till exempel på behovet av att skydda bränslecellsmembran och katalysatorer från kontaminering. Bränslecellsnedbrytning vid användning kan ha många orsaker, men ändå kan bränslerenheten (under normala förhållanden och vid fel på tankningsutrustningen) förväntas vara ett stort problem för alla system som förlitar sig på högtrycksvätgashantering.
Potentiella applikationer
Olika potentiella tillämpningar av vätekryomagnetik har granskats av Mojarrad och medarbetare under 2022. Några potentiella tillämpningar listas nedan.
- Fusionsenergi
Konceptet med tillämpad vätekryomagnetik uppstod först i samband med magnetiskt begränsad kärnfusion . WJ Nuttall hade 2004 föreslagit att kommersialiseringen av fusionsenergi skulle kunna ske via de internationella oljebolagen snarare än via el. Av tekniska och ekonomiska skäl kan fusionsenergi vara ett gångbart sätt att producera flytande väte för väteekonomin på sätt som påminner om dagens ekonomi för flytande naturgas . Konventionell tokamakfusion kommer sannolikt att kräva mycket stora mängder dyrt och knappt flytande helium för att kyla supraledande magneter. Flytande helium är en viktig förbrukningsvara i det konventionella paradigmet. Med tanke på det potentiella överflöd av flytande väte vid en framtida fusionsanläggning som ägs av ett av dagens internationella oljebolag verkar det naturligt att använda det kryogena vätet för att bryta beroendet av helium. Vätekryomagnetik har potential att underlätta tokamakfusionsenergi. Dessa idéer kom samman som ett koncept känt som "Fusion Island" utvecklat av WJ Nuttall, BA Glowacki och RH Clarke. Fusion Island-konceptet beskrevs ytterligare 2008 och 2021. Commonwealth Fusion Systems i Massachusetts utforskar aktivt supraledande magnetteknologier kylda till temperaturer för flytande väte.
- Flyg
En annan betydande möjlighet för vätekryomagnetik ligger i flyg med låga CO2-utsläpp. Airbus, Rolls-Royce och medarbetare har varit banbrytande för användningen av flytande väte i flygplansframdrivning. Thierry Dubois skrev i Aviation Week i april 2021: "Airbus har lanserat ett ambitiöst demonstrationsprogram för användning av supraledande teknologi. Det syftar till en stor effektivitetsförbättring. Idén härrör från både svårigheten att designa en elektrisk framdrivningsarkitektur. med konventionella ledningar och möjligheten att använda flytande väte som en kall källa. Supraledande material kräver kryogena temperaturer." Vätekryomagnetik tillåter användning ombord på flygplan av vätebränslecellsteknik för att generera elektricitet för att driva HTS-baserade elmotorer med högt vridmoment som kan driva propellrar eller kanalfläktar med hög effektivitet. Programmet Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED) finansierat av Europeiska Unionen, arbetar på en 99 % effektiv supraledande flygplansmotor med ett effekt-till-viktförhållande på 20kW/kg. Forskare vid Moscow Aviation Institute har föreslagit en design för en 5MW väte kryomagnetisk flygmotor. Redan innan de fördelar som kan erhållas från användningen av väte kryomagnetiska supraledande induktionsmotorer tilldrar sig väte stort intresse som ett framtida flygbränsle med låga utsläpp. Airbus har ett aktivt vätgasprogram liksom andra stora industriella problem inom det globala flyget.
- Metallbearbetningsindustrin
Vätekryomagnetik har potentiellt fördelaktiga synergistiska kopplingar med den framväxande lågemissionsstålindustrin som pionjär av SSAB i Sverige. Väte utvecklas som ett alternativ till kokskol för reduktion av järnmalm för att producera tackjärn (" smältning "). Användningen av väte för sådana ändamål skulle avsevärt stärka kopplingarna mellan väte- och ståltillverkning. Med det i åtanke, om en smedja skulle ha tillgång till kryogent flytande väte så skulle storskalig magnetisk induktionssmidning baserad på kryomagnetisk väteteknologi vara extremt ekonomiskt attraktiv, särskilt för ämnesuppvärmning.