Superkabler skal sætte grøn strøm til verden

El fra sol og vind skal hurtigere til stikkontakten, så ingeniører lægger nu kablerne til Europas nye elektronmotorvej. Og måske kan en indisk opdagelse i et laboratorium give hele kloden grøn strøm på sekunder.

El fra sol og vind skal hurtigere til stikkontakten, så ingeniører lægger nu kablerne til Europas nye elektronmotorvej. Og måske kan en indisk opdagelse i et laboratorium give hele kloden grøn strøm på sekunder.

shutterstock/Claus Lunau

Tænd for stikkontakten, og send en tanke til alle elektronerne, der vælter gennem ledningen ud til lampen og brødristeren.

Sammen med trilliarder af andre elektroner har de rejst langt gennem trange kabler for at nå frem.

Men mange af deres kammerater er gået tabt undervejs. For elektronerne er kobberkabler som en klæbrig sirup, der gør modstand.

Og med millioner af km elkabler betyder det, at omkring 10 pct. af al elektriciteten, der produceres i verden, går tabt, før den når frem.

I et kapløb med klimaforandringerne er kloden ved at udskifte sort kul med grøn strøm fra vind og sol, men strømmen skal hurtigt ud til forbrugerne, og vejen går via de klæge kabler.

Derfor står ingeniører og fysikere i kø for at erstatte trafikproppen i kobberledningen med fremtidens helt åbne elektronmotorvej: superledende elkabler.

Grøn strøm kræver kæmpe kabler

De første elværker, fx Holborn Viaduct-værket i London, blev etableret i slutningen af 1800-tallet og leverede jævn-strøm til belysning på fabrikker, hoteller og gader.

Værkerne var små og drevet af kul og damp. Siden da er anlæggene blevet kraftigere og nettet af distributionskabler større og større, men systemet er fundamentalt set stadig det samme.

I dag er det største kulfyrede elværk i Europa Elektrownia Bełchatów i Polen, som årligt producerer 28 terawatt-timer, altså 28 milliarder kilowatt-timer.

Det svarer til forbruget i mere end fem millioner boliger.

Video: Se hvordan en undervandsrobot lægger kabler

På Elektrownia Bełchatów og alle de andre traditionelle kraftværker bliver strømmen produceret af en generator, som drives af en dampturbine.

Hvis behovet for strøm stiger, når aftensmaden skal tilberedes i de polske køkkener, er det groft sagt bare at skovle mere kul på kedlerne.

Men forbrænding af kul frigiver drivhusgassen kuldioxid og bidrager på den måde til klodens klimaforandringer.

Det polske kæmpeværk udleder årligt omkring 37.000.000 tons kuldioxid, hvilket gør værket til det mest klimabelastende i Europa.

El produceret af vedvarende kilder som vindmøller, solceller eller vandkraftværker udleder langt mindre drivhusgas, men produktionen skal tilpasses efterspørgslen.

Hvis polske komfurer kun må bruge strøm fra vedvarende energianlæg i Polen, hvad så på vindstille dage uden sol?

Skib lægger 17.000 tons kabel

/ 3

Syv skruer holder kursen

Skibet har to skruer til fremdrift og fem såkaldte azimuth-skruer, der kan drejes 360 grader. Skruerne holder kursen vha. navigationssystemet DP3, der vha. data fra bl.a. GPS og vindmålere beregner fx, hvordan skibet skal kompensere for havstrøm.

1

Kablet rulles ud

Op til 100 km sammenhængende kabel fremstilles på en fabrik og bliver lagt i skibets tromler. Herfra ruller kablet ud af bagenden i præcis samme fart som skibet, hvilket typisk er 4-5 km/t. Forbindelsen Viking Link bliver lagt i løbet af syv af disse ture.

2

Ubåd spuler kablet ned

Havstrømme eller trawl kan rykke i kablet, og vildfarne ankre kan rive det over. Derfor spuler et fjernstyret undervandsfartøj kablerne ned i havbunden ved hjælp af højtryksvand. Kablerne bliver nedgravet i 3 m dybe render på de mest udsatte steder.

3
© Claus Lunau & Prysmian Group

Svaret er nye kabler, der hurtigt fordeler strømmen hen, hvor den skal bruges, og derfor er ingeniører i hele Europa i gang med at udbygge elnettet voldsomt.

For eksempel er danske og britiske energiselskaber netop gået i gang med at lægge forbindelsen Viking Link – et søkabel, der skal strække sig 630 km tværs over Nordsøen.

I de kommende år skal kabelskibet Leonardo da Vinci lægge de mange km søkabel mellem Storbritannien og Danmark.

Og når elforbindelsen er færdig i december 2023, kan den flytte 1400 megawatt (MW) mellem de to lande.

Når blæsten rammer de britiske vindmøller, kan overskudsstrømmen sendes til det europæiske fastland, og når vejrfronten ca. 36 timer senere når frem til de danske havvindmølleparker i Nordsøen, kan strømmen sendes tilbage til de britiske forbrugere.

Forventningen er, at Viking Link i 2030 hvert år skal flytte ni terawatt-timer (TWh) frem og tilbage. Det svarer til strømforbruget i ca. 1,5 mio. husholdninger.

Når den kraftige strøm fra dybhavet går i land, skal den omdannes fra jævnstrøm til vekselstrøm, før den når frem til stikkontakten, og det sker på en omformerstation. Herefter går strømmen via nedgravede kabler eller luftledninger videre til lokale stationer, hvor den omdannes fra 400.000 volt til de 230 volt vekselstrøm, som kommer ud af stikkontakten. Verdens kraftigste omformer her kan håndtere hele 1.100.000 volt og er bygget af firmaet Siemens.

© Siemens Energy

Kabler som Viking Link på kryds og tværs af Europa skal sikre, at polske komfurer kan få strøm fra britiske havvindmøller, når det blæser op, og briterne kan lave deres eftermiddagste på spansk solcellestrøm, inden det er fyraften i Spanien.

Vandkraft krydser havet

Fremtidens søkabler kan nå meget videre end på tværs af Nordsøen.

Grønland har for eksempel et stort vandkraftpotentiale – ikke fordi indlandsisen smelter, men fordi det regner, og regnen samles i store søer tæt på kysten.

I dag råder landet kun over fem små vandkraftværker, da der ikke er nogen til at aftage strømmen, men med et søkabel til Island og videre til Skotland kunne grønlandsk el sendes til det europæiske kontinent.

Grønlands Energiforsyning, Nukissiorfiit, skønner, at vandkraftværker langs kysterne kan sende op til 20 TWh energi ud på elnettet pr. år – næsten lige så meget som det polske kulfyrede kæmpeværk Elektrownia Bełchatów.

Den store udfordring for projektet er at lægge 1500 km søkabel, før vandværkerne kan kobles på det europæiske net. Kablet skal lægges i vanskelige farvande, og rejsen er lang for elektronerne.

Lederen inde i kablet består normalt af kobber. Ud over sølv er kobber nemlig det materiale, som giver mindst modstand for elektronerne.

Men selv det reneste kobber giver stor modstand over flere hundrede km.

Selve lederen i centrum af et søkabel – ligesom det, der anvendes til Viking Link – har en diameter på ca. 48 mm og dermed et tværsnitsareal på 1800 mm2, og den elektriske spænding er ikke 230 volt som hjemme i stikkontakten, men langt højere: Viking Link drives ved 525.000 volt, da større spænding mindsker tabet af energi undervejs.

Men på trods af at spændingen er enorm, og kablets tykkelse er omtrent en voksens håndled, når en del af strømmen aldrig frem.

Højspænding på land er oftest 50 Hz vekselstrøm – dvs. at strømmen skifter retning 50 gange pr. sekund. Men over de enorme afstande, som søkabler lægges, virker vekselstrøm ikke, da strømmen ikke længere kan skifte retning i samme takt i begge ender. Derfor bruges de såkaldte HVDC-kabler, der transporterer jævnstrøm ved spændinger på typisk 4-500.000 V, da højere spænding betyder, at mindre energi går tabt undervejs.

© Sumitomo Electric

Af de 1400 MW, som løber gennem lederne i Viking Links to kabler, vil godt 20 MW gå tabt undervejs i form af varme.

20 MW lyder måske ikke af meget, men det er fx over 200 gange så meget, som det gamle Holborn Viaduct-elværk i London i bedste fald kunne producere.

Lægger elselskaberne kabler, der er tykkere end Viking Link, og fordeler strøm ved endnu højere spændinger, ville tabet være mindre.

Men det er ikke praktisk muligt at lægge større kabler, hvis vi skal have et elnet, som ikke bare dækker hele Europa, men hele kloden. Vi får i stedet brug for hjælp fra de såkaldte superledere.

Superledere gør ikke modstand

Kabelforbindelsen Viking Link taber 20 MW over sine 630 km, men en tilsvarende superleder ville tabe nul. Al elektriciteten, der sendes ind i én ende, når frem i den anden.

Begrebet “superleder” stammer fra 1911, hvor den hollandske fysiker Kamerlingh Onnes forskede i materialers egenskaber ved meget lave temperaturer.

Forskere som lord Kelvin, der har lagt navn til temperaturskalaen kelvin, mente, at metaller ville have uendelig stor elektrisk modstand ved 0 kelvin, som er -273,15 °C. Alt ville fryse fast.

Men Onnes var uenig, og lørdag d. 8. april 1911 sendte han strøm igennem kviksølv nedkølet til -269 °C og konstaterede, at den elektriske modstand – den såkaldte resistivitet – var nul.

Materialet var, som Onnes efterfølgende kaldte det, “superledende”.

Kabler af supernedkølet kviksølv er ikke praktisk anvendelige, så Onnes’ opdagelse blev startskuddet til jagten på et materiale med samme egenskab ved en højere temperatur.

Fysikere kalder fænomenet højtemperatursuperledere (HTS). I årevis har rekordholderen været en legering af kviksølv, barium og kalcium, som er superledende ved -140 °C under normalt tryk. Men måske er rekorden slået.

Den 10. marts 2014 blev verdens hidtil længste superledende elkabel indviet i den tyske by Essen. Kablet er 1 kilometer langt og forbinder de to omformerstationer Herkules og Dellbrügge i byens centrum. Superlederkablet kan flytte op til 40 MW uden nævneværdige tab. Superledere i kablet består af yttrium-barium-kobberoxid, som har en modstand på nær nul, så længe materialet holdes nede på -200 °C. Testprojektet ved navn AmpaCity er en del af Essens elnet på lige vilkår med kobberkabler.

© Innogy

Indisk fund forundrer fysikere

I sommeren 2018 offentliggjorde de to indiske fysikere Anshu Pandey og Dev Kumar Thapa fra Indian Institute of Science i Bangalore et sensationelt forskningsresultat.

De havde skabt guld- og sølvnanopartikler, der var superledende ved helt op til 13 °C.

Resultatet blev offentliggjort i arXiv – et åbent onlinemedie for forskningsartikler, der ikke er underlagt såkaldt peerreview, en evaluering af eksperter på området.

Der gik ikke længe, før andre forskere begyndte at undre sig over de indiske resultater. Da fysikeren Brian Skinner fra MIT nærstuderede de indiske målinger, faldt han over nogle påfaldende mønstre, som ikke kan forklares med kendt viden.

Skinner stillede spørgsmål til de indiske forskere, men Pandey og Thapa meldte blot ud, at de afventede at få deres resultater verificeret af kolleger.

I maj 2019 udsendte de så en revideret artikel på arXiv, men den efterlader stadig mange spørgsmål.

Det er endnu ikke muligt at reproducere de indiske resultater, så lige nu ved vi ikke, om Pandey og Thapa rent faktisk har gjort en af de vigtigste opdagelser i fysikkens historie.

Men hvis det ud fra deres opdagelse bliver muligt at massefremstille superledende kabler, kan det føre til både lynhurtige computere, ultrapræcise måleinstrumenter – og et globalt elnet, som frit og uhindret kan sende strøm derhen, hvor behovet er.

Strøm skal løbe kloden rundt

Et globalt elnet af superledende kabler kan betyde, at du på en vinterdag får din strøm fra solceller i Sahara, og Europas vindmøllestrøm bliver sendt til Australien om natten, når vi ikke bruger den.

Hvis verdensomspændende fordeling af strøm uden modstand bliver mulig, er det ikke længere så relevant at forske i for eksempel nye typer kæmpebatterier, der lagrer energien fra grønne kilder, for der er altid et sted på kloden, hvor solen skinner, regnen falder eller vinden blæser, og der er altid et sted, hvor nogen har behov for strømmen.

Sådan et system ligger årtier ude i fremtiden. Indtil da må du stadig mindes de fem trillioner (mia. mia.) elektroner, der er gået tabt på rejsen, mens 50 trillioner af deres kammerater strømmer ud af stikkontakten.