Säkerställer morgondagens energiöverföring

I ett samarbete mellan KTH och NKT utvecklar en tvärdisciplinär forskningsgrupp nya beräkningsmodeller och material för att optimera isoleringsförmågan hos HVDC-kablar – en förutsättning för framtidens energiförsörjning.

Samtidigt som världen ställer om till en fossilfri framtid, ökar elektrifieringen och därmed samhällets energibehov. Därför planeras en stor utbyggnad av fossilfri energiproduktion. Många av dessa placeras på ett sätt som kräver långväga energiöverföringar innan energin når konsumenterna. Ett typexempel är de många vindkraftparker som planeras långt ute till havs, ett annat är Saharas solcellsparker som är tänkta att leverera energi till Europa.
För så långa distanser är HVDC-kablar (High Voltage Direct Current), den mest genomförbara lösningen. Utmaningen är att utöka kapaciteten av dagens kablar för morgondagens krav.
– Ju längre kabel desto mer kraft tappar vi på vägen. För att motverka det behöver vi ha så hög spänning som möjligt i kablarna, från dagens 525/640 kV och kanske ända upp till 1 MV. Och det ställer höga krav på isolationsmaterialet i kablarna, säger Mikael Unge.
Han är senior principal scientist hos kraftkabelproducenten NKT och driver som adjungerad professor KTH-projektet Polymer isolation för ett grönare elektriskt nät som ska bidra till att lösa denna knut. Projekett bygger bland annat beräkningsmodeller för att simulera hur olika materialsammansättningar i kabelisolering beter sig vid högre spänning.
– Isoleringsmaterialet består av väldigt rena polymerer, men det kan finnas molekyler i det som kan påverka vilken ström vi får ut i slutändan. Det gör att trots att kablarna kan vara 100–1000 km långa, måste vi hålla koll på materialet på molekylär nivå, säger han.
NKT, som är en ledande leverantör av HVDC-kablar i Europa, har sin huvudsakliga produktion av HVDC-sjökablar i fabriken i Karlskrona. Efterfrågan är stor och företaget har en orderstock på 11 miljarder euro.

Multidisciplinärt engagemang
De långa polymerkedjorna i materialet formerar sig i strukturer som kan vara 100 µm stora. Och det är mycket som händer längs vägen. Genom projektets beräkningsmodeller kan Mikael Unge och hans kollegor beskriva hur olika materialsammansättningar formerar sig längs hela kedjan, från det morfologiska till det kristallina, något tidigare modeller inte klarat av.
– Det är svårt att ta något på en mikrometerskala och lösa det med kvantkemimetoder. Det vi har gjort är att skapa en strukturkedja för att se hur elektroner rör sig längs den, och en förenklad modell som visar det stegvis från det atomära hela vägen till morfologin. Och vi kan se helheten på en gång, säger han.
Det ger möjligheten att studera olika materialsammansättningar och lösningar. Projektet tittar främst på elektriska egenskaper, men även termiska och mekaniska egenskaper är av stor vikt. Arbetet engagerar en multidisciplinär grupp av kemister, materialvetare, fysiker och elektroingenjörer.
– Vi tittar bland annat på effekten av att blanda in olika typer av nanopartiklar i polymeren för att fånga upp laddningar i materialet. Ett annat angreppssätt är att tillföra molekyler som ökar materialets isoleringsförmåga. Vi undersöker även hur morfologin påverkar.

Enorm betydelse för utvecklingen
Projektets beräkningsmodeller i kombination med nya materialformuleringar har potentialen att bidra till nya material som skulle möjliggöra en nästan 100-procentig ökning av driftspänningen i energiöverföringar. Ur ett svenskt – och globalt – industriperspektiv skulle ett så stort steg vara av enorm betydelse och kunna bidra till infrastrukturell utveckling, elproduktion och försörjningstrygghet såväl som klimatmässig hållbarhet, konkurrenskraft och innovationer. Med finansiering från SSF pågår projektet till mitten av 2027.
– Det är med stöd från SSF, KTH och NKT vi har den här möjligheten. Förutom all framtida potential har vårt projekt redan blivit en plattform att arbeta utifrån med anknytande projekt vilka vi driver med stöd från Energimyndigheten och WISE. Det innebär såklart en än bredare fördel för utvecklingen, säger Mikael Unge.