Superkabler skal sende grønn strøm til verden

Strøm fra sol og vind skal raskere til stikkontakten, så ingeniører legger nå kablene til Europas nye elektronmotorvei. Og kanskje kan en indisk oppdagelse i et laboratorium gi hele kloden grønn strøm på sekunder.

Strøm fra sol og vind skal raskere til stikkontakten, så ingeniører legger nå kablene til Europas nye elektronmotorvei. Og kanskje kan en indisk oppdagelse i et laboratorium gi hele kloden grønn strøm på sekunder.

shutterstock/Claus Lunau

Når du skrur på en bryter, og send en tanke til alle elektronene som velter gjennom ledningen ut til lampen eller brødristeren.

Sammen med trilliarder av andre elektroner har de reist langt gjennom trange kabler for å nå fram.

Men mange av kameratene deres har gått tapt underveis. For elektronene er kobber­kabler som sirup.

Og med millioner av kilometer strømkabler betyr det at omkring 10 prosent av all elektrisiteten som produseres i verden, går tapt før den når fram.

I et kappløp med klimaendringene holder kloden på å skifte ut svart kull med grønn strøm fra vind og sol, men strømmen må raskt ut til forbrukerne, og veien går via de treige kablene.

Derfor står ingeniører og fysikere i kø for å erstatte trafikkorken i kobberledningen med framtidens helt åpne elektronmotorvei: superledende strømkabler.

Grønn strøm krever enorme kabler

De første kraftverkene, for eksempel Holborn Viaduct-verket i London, ble etablert på slutten av 1800-tallet og leverte likestrøm til belysning ved fabrikker, hoteller og gater.

Verkene var små og drevet av kull og damp. Siden den gang har anleggene blitt kraftigere og nettet av distribusjonskabler større og større, men systemet er fundamentalt sett fortsatt det samme.

I dag er det største kullfyrte kraftverket i Europa Elektrownia Bełchatów i Polen, som årlig produserer 28 terawattimer, altså 28 milliarder kilowattimer.

Det svarer til forbruket i mer enn fem millioner boliger.

Se hvordan en undervannsrobot legger kabler

På Elektrownia Bełchatów og alle de andre tradisjonelle kraftverkene blir strømmen produsert av en generator som drives av en dampturbin.

Hvis behovet for strøm stiger når kveldsmaten skal tilberedes på de polske kjøkkenene, er det strengt tatt bare å skyfle på mer kull.

Men forbrenning av kull frigir drivhusgassen karbondioksid og mange andre typer av forurensning.

Det polske kjempeverket slipper årlig ut omkring 37 000 000 tonn karbondioksid, noe som gjør det til det mest klimabelastende i Europa.

Strøm produsert av fornybare kilder som vindmøller, solceller eller vannkraftverk slipper ut langt mindre drivhusgass, men produksjonen må tilpasses til etterspørselen.

Hvis vi bare kan bruke strøm fra fornybare energianlegg, hva skal vi egentlig gjøre når det er vindstille og solen ikke skinner?

Skip legger 17 000 tonn kabel

/ 3

Sju propeller holder kursen

Skipet har to propeller til framdrift og fem azimuth-propeller som kan svinges 360 grader. Det holder kursen ved hjelp av navigasjonssystemet DP3, som på grunnlag av data fra GPS og vindmålere beregner kompensering for blant annet havstrøm.

1

Kabelen rulles ut

Opptil 100 kilometer sammenhengende kabel produseres på en fabrikk og blir lagt i skipets tromler. Deretter ruller kabelen ut av skipet med samme fart som det beveger seg, typisk er 4–5 km/t. Forbindelsen Viking Link blir lagt i løpet av sju av disse turene.

2

Ubåt spyler ned kabelen

Havstrømmer eller tråling kan forstyrre kabelen, og det samme gjelder skipsankre. Derfor spyler et fjernstyrt undervannsfartøy ned kablene i havbunnen ved hjelp av høytrykk. Kablene blir gravd ned i tre meter dype renner på de mest utsatte stedene.

3
© Claus Lunau & Prysmian Group

Svaret er nye kabler som raskt fordeler strømmen der den skal brukes, og derfor er ingeniører i hele Europa i gang med å bygge ut strømnettet i høyt tempo.

For eksempel har danske og britiske energiselskaper nettopp gått i gang med å legge forbindelsen Viking Link – en sjøkabel som skal strekke seg 630 kilometer tvers over Nordsjøen.

I de kommende årene skal kabelskipet Leonardo da Vinci legge mange kilometer sjøkabel mellom Storbritannia og Danmark. Og når forbindelsen er ferdig i desember 2023, kan den flytte 1400 megawatt (MW) mellom de to landene.

Når vinden treffer de britiske vindmøllene, kan overskuddsstrømmen sendes til det europeiske fastlandet, og når værfronten om lag 36 timer senere når fram til de danske vindmølleparkene i Nordsjøen, kan strømmen sendes tilbake til de britiske forbrukerne.

Forventningen er at Viking Link i 2030 skal flytte fram ni terawattimer (TWh) fram og tilbake hvert år. Det svarer til strømforbruket i om lag 1,5 millioner husholdninger.

Når den kraftige strømmen fra dyphavet går i land, må den omdannes fra likestrøm til vekselstrøm, før den når frem til stikkontakten, og det skjer på en omformerstasjon. Deretter går strømmen via nedgravde kabler eller luftledninger videre til lokale stasjoner, der den omdannes fra 400.000 volt til 230 volt vekselstrøm som kommer ut av stikkontakten. Verdens kraftigste omformer her kan håndtere hele 1.100.000 volt og er bygget av firmaet Siemens.

© Siemens Energy

Kabler som Viking Link på kryss og tvers av Europa skal sikre at polske komfyrer kan få strøm fra britiske havvindmøller når det blåser opp, og britene kan lage ettermiddags­teen sin på spansk solcellestrøm før spanjolene går i gang med middagen.

Vannkraft krysser havet

Framtidens sjøkabler kan komme til å gå mye lengre enn på tvers av Nordsjøen. Grønland har for eksempel et stort vannkraftpotensial – ikke fordi innlandsisen smelter, men fordi det regner, og regnet samles i store sjøer like ved kysten.

I dag har landet bare fem små vannkraftverk, siden det ikke er noen etterspørsel etter strømmen, men med en sjøkabel til Island og videre til Skottland kunne grønlandsk elektrisitet sendes til det europeiske kontinentet.

Grønlands Energiforsyning, Nukissiorfiit, anslår at vannkraftverk langs kystene kan sende opptil 20 TWh energi ut på strømnettet per år – nesten like mye som det polske kullfyrte kjempeverket Elektrownia Bełchatów.

Den store utfordringen for prosjektet er å legge 1500 kilometer sjøkabel, før vannverkene kan kobles på det europeiske nettet.

Kabelen skal legges i vanskelige farvann, og reisen er lang for elektronene. Lederen inne i kabelen består normalt av kobber.

Sammen med sølv er kobber nemlig det materialet som gir minst motstand for elektronene. Men selv det reneste kobber gir stor motstand over flere hundre kilometer.

Selve lederen i sentrum av en sjøkabel – akkurat som det som brukes til Viking Link – har en diameter på om lag 48 millimeter og dermed et tverrsnittsareal på 1800 mm2, og den elektriske spenningen er ikke 230 volt, som i stikkontakten du har hjemme, men mye høyere: Viking Link drives ved 525 000 volt, siden større spenning reduserer tapet av energi underveis.

Men selv om spenningen er enorm, og kabelens tykkelse er omtrent som håndleddet til en voksen person, er det en god del av strømmen som aldri kommer fram.

Høyspenning på land er oftest 50 Hz vekselstrøm – dvs. at strømmen skifter retning 50 ganger pr. sekund. Men over de enorme avstandene, som sjøkabler legges, virker ikke vekselstrøm, for strømmen kan ikke lenger kan skifte retning i samme takt i begge ender. Derfor brukes såkalte HVDC-kabler, som transporterer likestrøm ved spenninger på typisk 4-500.000 V, ettersom høyere spenning betyr at mindre energi går tapt underveis.

© Sumitomo Electric

Av 1400 MW som passerer gjennom de to kablene i Viking Link, vil vel 20 MW gå tapt underveis i form av varme.

20 MW høres kanskje ikke så mye ut, men det er for eksempel over 200 ganger mer enn det gamle Holborn Viaduct-kraftverket i London kunne produsere.

Hvis strømselskapene legger kabler som er tykkere enn Viking Link, og sender strøm ved enda høyere spenninger, vil tapet bli mindre.

Men det er ikke praktisk mulig å legge større kabler hvis vi skal ha et strømnett som ikke bare dekker hele Europa, men hele kloden. I stedet trenger vi hjelp fra de såkalte superlederne.

Superledere gjør ikke motstand

Viking Link taper 20 MW over 600 kilometer, men en tilsvarende superleder ville tapet være null. All elektrisiteten som sendes inn i én ende, når fram i den andre.

Begrepet «superleder» stammer fra 1911, da den nederlandske fysikeren Kamerlingh Onnes forsket på materialers egenskaper ved veldig lave temperaturer.

Forskere som lord Kelvin, som har gitt navn til temperaturskalaen kelvin, mente at metaller ville ha uendelig stor elektrisk motstand ved 0 kelvin, som er –273,15 °C.

Men Onnes var uenig, og lørdag 8. april 1911 sendte han strøm gjennom kvikksølv nedkjølt til –269 °C og konstaterte at den elektriske motstanden – den såkalte resistiviteten – var null. Materialet var, som Onnes senere omtalte det, «superledende».

Kabler av supernedkjølt kvikksølv kan ikke brukes i praksis, så oppdagelsen til Onnes ble startskuddet til jakten på et materiale med samme egenskap ved en høyere temperatur.

Fysikere kaller fenomenet høytemperatursuperledere (HTS). I årevis har rekordholderen vært en legering av kvikksølv, barium og kalsium, som er superledende ved –140 °C under normalt trykk.

Men nå er kanskje rekorden slått.

Den 10. mars 2014 ble verdens hittil lengste superledende strømkabel innviet i den tyske by Essen. Kabelen er 1 kilometer langt og forbinder de to omformerstasjonene Herkules og Dellbrügge i byens sentrum. Superlederkabelen kan flytte opptil 40 MW uten nevneverdige tap. Superledere i kabelen består av yttrium-barium-kobberoksid, som har en moTstand på nær null, så lenge materialet holdes nede på -200 °C. Testprosjektet ved navn AmpaCity er en del av Essens strømnet på like vilkår med kobberkabler.

© innogy

Indisk funn forundrer fysikere

Sommeren 2018 offentliggjorde de to indiske fysikerne Anshu Pandey og Dev Kumar Thapa fra Indian Institute of Science i Bangalore et sensasjonelt forskningsresultat.

De hadde skapt gull- og sølvnanopartikler som var superledende ved helt opptil 13 °C. Resultatet ble offentliggjort i arXiv – et åpent onlinemedium for forskningsartikler som ikke er underlagt fagfellevurdering.

Det gikk ikke lenge før andre forskere begynte å undre seg over de indiske resultatene. Da fysikeren Brian Skinner fra MIT studerte de indiske målingene, kom han over noen påfallende mønstre som ikke kan forklares med kjent kunnskap.

Skinner stilte spørsmål til de indiske fors­kerne, men Pandey og Thapa svarte at de ventet på at kolleger skulle verifisere resultatene.

I mai 2019 sendte de ut en revidert artikkel på arXiv, men det er fortsatt mange spørsmål som ikke blir besvart.

Det er fortsatt ikke mulig å reprodusere de indiske resultatene, så foreløpig vet vi ikke om Pandey og Thapa faktisk har gjort en av de viktigste oppdagelsene i fysikkens historie.

Men hvis det ut fra oppdagelsen blir mulig å masseprodusere superledende kabler, kan det føre til både lynraske datamaskiner, ultrapresise måleinstrumenter – og et globalt strømnett som fritt og uhindret kan sende strøm dit behovet er.

Strøm skal sendes kloden rundt

Et globalt strømnett av superledende kabler kan innebære at du på en vinterdag får strømmen fra solceller i Sahara, og Europas vindmøllestrøm blir sendt til Australia om natten, når vi ikke trenger den.

Hvis verdensomspennende fordeling av strøm uten motstand blir mulig, er det ikke lenger så relevant å forske på for eksempel nye typer kjempebatterier som lagrer energien fra grønne kilder, for det er alltid et sted på kloden der solen skinner, regnet faller eller vinden blåser, og det er alltid et sted der noen har behov for strømmen.

Et slikt system ligger mange tiår inn i fremtiden. Foreløpig kan vi bare minnes fem trillioner (milliarder milliarder) elektronene som har gått tapt på reisen, mens 50 trillioner andre strømmer ut av stikkontakten.