Superkablar ska ge världen grön el

El från sol och vind ska nå ut snabbare. Därför lägger nu ingenjörer ut de kablar som ska bilda Europas nya elektronmotorväg. Och kanske kan en indisk upptäckt i ett laboratorium ge hela världen ström på några sekunder.

El från sol och vind ska nå ut snabbare. Därför lägger nu ingenjörer ut de kablar som ska bilda Europas nya elektronmotorväg. Och kanske kan en indisk upptäckt i ett laboratorium ge hela världen ström på några sekunder.

shutterstock/Claus Lunau

Använd vägguttaget och skänk en tanke åt elektronerna som far fram genom ledningen till lampan och brödrosten.

Tillsammans med triljarder andra elektroner har de färdats långt genom trånga kablar för att ta sig dit. Många av deras kamrater har dock gått förlorade på vägen.

För elektroner är kopparkablar som en klibbig sirap av motstånd. Med miljontals kilometer elkablar innebär det att cirka tio procent av all el som produceras i världen går förlorad innan den kommer fram.

I en kapplöpning med klimatförändringarna försöker vi ersätta svart kol med grön el från sol och vind, men elen behöver nå fram snabbt till förbrukarna och vägen går via tröga kablar.

Därför hoppas ingenjörerna och fysikerna kunna ersätta trafikstockningarna i kopparledningarna med framtidens elektronmotorvägar: Supraledande elkablar.

Miljövänlig el kräver långa kablar

De första elverken, exempelvis Holborn Viaduct i London, byggdes i slutet av 1800-talet. De försåg glödlampor på fabriker, hotell och gator med likström.

Elverken var små och drevs av kol och ånga. Sedan dess har anläggningarna fått ökad kapacitet och nätet av distributionskablar blivit större, men systemet är i grund och botten det samma.

Elektrownia Bełchatów i Polen är i dag Europas största koleldade elverk och det producerar 28 terawattimmar elektricitet om året – det vill säga 28 miljarder kilowattimmar.

Det motsvarar förbrukningen i över fem miljoner bostäder.

Se hur en undervattensrobot lägger kablar

På Elektrownia Bełchatów och övriga traditionella kraftverk produceras elen av en generator som drivs av en ångturbin.

När elbehovet ökar då det är dags att laga middag i de polska köken är det i princip bara att skyffla in mer kol i pannorna.

Förbränning av kol friger emellertid växthusgasen koldioxid och bidrar därmed till planetens klimatförändringar.

Det polska jättekraftverket släpper årligen ut omkring 37 miljoner ton koldioxid, vilket gör kraftverket till det mest klimatbelastande i Europa.

El producerad av hållbara källor som vindkraftverk, solceller eller vattenkraftverk släpper ut betydligt mindre växthusgaser, men produktionen behöver anpassas till efterfrågan.

Om de polska köken bara får använda el från hållbara energianläggningar i Polen, vad händer då på vindstilla dagar utan sol?

Fartyg lägger 17 000 ton kabel

/ 3

Sju propellrar håller kursen

Fartyget har två propellrar till framdrift och fem så kallade azimutpropellrar som kan vridas 360 grader. ­Propellrarna ­håller kursen med ­navigations­systemet DP3, som med hjälp av data från bland annat gps och ­vindmätare ­beräknar exempelvis hur fartyget ska kompensera för havsströmmar.

1

Kabeln rullas ut

Upp till tio mil sammanhängande kabel framställs på en fabrik och läggs på fartygets vindor. Därifrån rullar kabeln ut från aktern i exakt samma hastighet som ­fartyget, vilket i de flesta fall är fyra–fem ­kilometer i timmen. Förbindelsen Viking Link läggs under sju sådana turer.

2

Ubåt spolar ner kabeln

Havsströmmar eller trålar kan dra i ­kabeln och ankare kan råka slita av den. Därför spolar en fjärrstyrd ­undervattens­farkost ner kablarna på havets botten med hjälp av högtrycks­vatten. På de mest utsatta ­platserna grävs kablarna ner i tre meter djupa rännor.

3
© Claus Lunau & Prysmian Group

Det som krävs är nya kablar som snabbt leder elen till platsen där den behövs. Därför är ingenjörer i hela Europa nu i färd med att bygga ut elnätet.

Danska och brittiska energibolag har exempelvis påbörjat förbindelsen Viking Link, en sjökabel som ska sträcka sig 63 mil tvärs över Nordsjön.

Under de närmaste åren ska kabelfartyget Leonardo da Vinci lägga de många milen sjökabel mellan Storbritannien och Danmark.

När elförbindelsen är klar i december 2023 ska den kunna flytta 1 400 megawatt mellan de två länderna.

När vinden träffar de brittiska vindkraftverken kan överskottselen skickas till det europeiska fastlandet, och när väderfronten når de danska vindparkerna i Nordsjön cirka 36 timmar senare kan elen sändas tillbaka till brittiska förbrukare.

Man räknar med att Viking Link från 2030 varje år kommer att flytta nio terawattimmar fram och tillbaka. Det motsvarar elförbrukningen i cirka 1,5 miljoner hushåll.

När den starka strömmen från havsdjupet når land ska den omvandlas från likström till växelström innan den når fram till vägguttaget - och det sker på en omvandlarstation. Därefter leds strömmen vidare via nedgrävda kabler eller luftledningar till lokala stationer där den omvandlas från 400 000 volt till de 230 volt växelström som kommer ut ur vägguttaget. Världens starkaste omvandlare här kan hantera hela 1 100 000 volt och är byggd av företaget Siemens.

© Siemens Energy

Kablar som Viking Link genom Europa ska se till att polska spisar kan få el från brittiska vindkraftverk när det blåser upp och att britterna kan brygga sitt eftermiddagste på spansk solel innan solen går ner i Spanien.

Vattenkraft korsar havet

Framtidens sjökablar kommer att gå betydligt längre än bara över Nordsjön. Potentialen för vattenkraft är stor på Grönland, inte för att inlandsisen smälter utan för att det regnar och vattnet samlas i stora sjöar nära kusten.

I dag har Grönland bara fem små vattenkraftverk, eftersom det inte finns någon större efterfrågan på el, men med en sjö­kabel till Island och vidare till Skottland skulle grönländsk el kunna ledas till den europeiska kontinenten.

Nukissiorfiit, Grönlands nationella bolag för vatten, el och värme, uppskattar att vattenkraftverk längs kusterna kommer att kunna leverera upp till 20 terawattimmar energi på elnätet per år, nästan lika mycket som det polska koleldade jättekraftverket Elektrownia Bełchatów.

Den stora utmaningen i projektet blir att lägga 150 mil sjökabel innan vattenkraftverken kan anslutas till det europeiska nätet. Kabeln ska läggas i besvärliga farvatten och det blir lång väg att färdas för elektronerna.

I de flesta fall är ledaren i kabeln av koppar. Förutom silver är nämligen koppar det material som ger minst motstånd för elektronerna.

Över tiotals mil skapar dock även den renaste koppar stort motstånd. Själva ledaren i mitten av en sjökabel som den som används till Viking Link har en diameter på cirka 48 millimeter och därmed en tvärsnittsyta på 1 800 kvadratmillimeter.

Den elektriska spänningen är inte 230 volt som i vägguttaget, utan betydligt högre. Viking Link drivs vid 525 000 volt, eftersom större spänning minskar energiförlusten på vägen.

Men en del av elen når aldrig fram trots att spänningen är enorm och kabelns tjocklek är ungefär som en vuxen persons handled.

Högspänning på land är vanligtvis 50 Hz växelström – det vill säga att strömmen ändrar riktning 50 gånger per sekund. Men över de enorma avstånden som sjökablar läggs på fungerar inte växelström eftersom strömmen inte kan ändra riktning i samma takt i båda ändar. Därför använder man så kallade HVDC-kablar som transporterar likström med spänning på vanligtvis mellan 400 000 och 500000 volt eftersom högre spänning innebär att mindre energi går förlorad på vägen.

© Sumitomo Electric

Av de 1 400 megawatt som passerar genom ledarna i Viking Links två kablar går över 20 megawatt förlorade i form av värme.

20 megawatt låter kanske inte så mycket, men det är över 200 gånger så mycket som det gamla elverket Holborn Viaduct i London i bästa fall kunde producera.

Om elbolagen hade lagt tjockare kablar än Viking Link och fördelat elen vid ännu högre spänning hade förlusten blivit mindre.

Men om vi vill ha ett elnät som inte bara täcker Europa utan hela jorden är det inte praktiskt möjligt att lägga större kablar. Då behöver vi så kallade supraledare.

Supraledare ger noll motstånd

På sina 63 mil förlorar Viking Link 20 megawatt, medan en motsvarande supraledare inte skulle förlora någonting. All el som leds in i ena änden kommer fram i den andra.

Termen supraledare myntades år 1911, då den nederländske fysikern Kamerlingh Onnes forskade på materials egenskaper vid mycket låga temperaturer.

Forskare som lord Kelvin, som har gett namn åt temperaturenheten Kelvin, trodde att metaller hade ett oändligt elektriskt motstånd vid noll grader Kelvin, vilket motsvarar -273,15 grader Celsius. Det trodde inte Onnes.

Den 8 april 1911 sände han ström genom kvicksilver som kylts ner till -269 grader och konstaterade att det elektriska motståndet, resistiviteten, var noll. Materialet var, som Onnes senare kallade det, supraledande.

Kablar av kraftigt nedkylt kvicksilver är inte praktisk användbara, så Onnes upptäckt blev början på jakten på ett material med samma egenskap vid högre temperatur.

Fysikerna kallar fenomenet högtemperatursupraledare. Under många år har rekordhållaren varit en legering av kvicksilver, barium och kalcium, som under normalt tryck är supraledande vid minus 140 grader.

Men nu har kanske rekordet blivit slaget.

Den 10 mars 2014 invigdes världens då längsta supraledande elkabel i den tyska staden Essen. Kabeln är en kilometer lång och förbinder de två strömriktarstationerna Herkules och Dellbrügge i stadens centrum. Supraledarkabeln kan flytta upp emot 40 MW utan betydande förluster. Supraledarna i kabeln består av yttrium-barium-kopparoxid, som har ett motstånd på nära noll så länge materialet hålls nere på -200 °C. Testprojektet, som kallas AmpaCity, är en del av Essens elnät på lika villkor med kopparkablar.

© innogy

Indiskt fynd förvånar fysikerna

Sommaren 2018 publicerade de indiska fysikerna Anshu Pandey och Dev Kumar Thapa vid Indian Institute of Science i Bengaluru ett sensationellt forskningsresultat.

De hade skapat nanopartiklar av guld och silver som var supraledande vid upp till 13 grader. Resultatet offentliggjordes i arXiv, ett öppet onlinemedium för forskningsartiklar som ännu inte har granskats av experter.

Det dröjde inte länge förrän andra forskare reagerade på de indiska resultaten. När fysikern Brian Skinner vid Massachusetts Institute of Technology i USA granskade de indiska mätningarna upptäckte han en rad slående mönster som inte kan förklaras med nuvarande kunskaper.

Skinner ställde frågor till de indiska forskarna, men Pandey och Thapa meddelade bara att de väntade på att få sina resultat verifierade av kollegor.

I maj 2019 publicerade de en reviderad artikel på arXiv. Många frågor kvarstår dock.

Det går ännu inte att reproducera de indiska resultaten, så just nu vet vi inte om Pandey och Thapa faktiskt har gjort en av de viktigaste upptäckterna i fysikens historia.

Om det utifrån deras upptäckt blir möjligt att massproducera supraledande kablar kan det emellertid leda till både blixtsnabba datorer, ultraprecisa mätinstrument samt ett globalt elnät som fritt och obehindrat kan leda ström till platser där behovet finns.

El ska ledas världen runt

Ett globalt elnät av supraledande kablar kan innebära att du en vinterdag får din ström från solceller i Sahara och att Europas vindkraft skickas till Australien på natten, när
vi inte själva använder den.

Om världs­omspännande fördelning av el utan motstånd blir möjlig är det inte längre lika relevant att forska på exempelvis nya typer av jättebatterier som lagrar energi från miljövänliga källor, eftersom det alltid finns någon plats på planeten där solen skiner eller där det regnar eller blåser och det alltid finns någon plats där någon behöver elen.

Ett sådant system kommer att dröja. Till dess får vi stå ut med att fem triljoner (miljarder miljarder) elektroner går förlorade längs vägen, samtidigt som 50 triljoner av deras kamrater strömmar ut ur vägguttaget.