Högspända likströmskablar spelar en viktig roll för energiförsörjningen när en stor del av produktionen sker långt från användarna. Ny forskning från Chalmers förbättrar kablarnas egenskaper. Detta tack vare ett nytt isoleringsmaterial där ledningsförmågan är tre gånger lägre än i de kablar som används idag.
Bild: Yen Strandqvist/Chalmers
Grunden i det nya materialet är polyeten som även används i befintliga isoleringsmaterial i högspända likstömskablar. Genom att tillsätta mycket små mängder (5 ppm) av den konjugerade polymeren poly(3-hexyltiofen) (P3HT) har Christian Müller och hans kollegor kunnat få fram en tre gånger lägre elektrisk ledningsförmåga jämfört med en polyeten utan tillsatsen.
Högspända likströmskablar har många fördelar. I omställningen till förnybar energi har de visat sig vara extra intressanta eftersom vind- och solfångare liksom vattenkraftverk ofta är placerade långt från städer där de flesta slutanvändarna finns. Med ett isolerande lager kan kablarna grävas ner eller läggas på havsbotten, vilket gör en avsevärt större utbyggnad av nätet möjlig och innebär att olika delar av världen kan kopplas ihop. Flera projekt pågår just nu i Europa, till exempel projektet ”NordLink” som ska skapa ett sammanbundet elnät från södra Norge till norra Tyskland.
– För vi ska kunna klara av den snabbt ökande efterfrågan på el och hantera det varierade utbudet av förnybar energi, är effektiva och säkra högspända likströmskablar en nyckelfråga. Vi måste kunna transportera el långa vägar för att säkra upp en stadig och pålitlig distribution, säger Christian Müller, professor och forskningsledare på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola.
Fotograf: Anna-Lena Lundqvist/Chalmers
Så lite energi som möjligt bör förloras under transporten av elen. Ett sätt att minska en sådan överföringsförlust är att öka spänningen i kablarna.
– Men det påverkar isoleringsmaterialet negativt. De påfrestningarna skulle däremot kunna avhjälpas om den elektiska ledningsförmågan i isoleringsmaterialet minskade tillräckligt, säger Xiangdong Xu, forskare på Institutionen för Elektroteknik på Chalmers.
Det är det problemet som forskarna nu presenterar en ny intressant lösning på.
Materialet ger kablarna tre gånger lägre ledningsförmåga
Grunden i det nya materialet är polyeten, en plast som redan används i befintliga isoleringsmaterial i högspända likströmskablar. Genom att tillsätta mycket små mängder (5 miljondelar) av den konjugerade polymeren poly(3-hexyltiofen) (P3HT) har Christian Müller och hans kollegor åstadkommit en tre gånger lägre elektrisk ledningsförmåga jämfört med en polyeten utan tillsatsen. I förhållande till de små mängderna som krävts bedömer forskarna det som det bästa resultatet som uppvisats hittills, för en ledningsreducerande tillsatts i dessa kablar.
Tillsatsen är ett välkänt material och eftersom det dessutom endast krävs så små mängder av den bedömer forskarna att den nya kunskapen i förlängningen öppnar upp nya möjligheter för tillverkare och industrin. Andra möjliga ämnen som kan minska ledningsförmågan är nanopartiklar av olika metalloxider och andra polyolefiner, men där behöver man tillsätta betydligt mer material vilket inte ses som den bästa vägen framåt.
– Inom materialvetenskapen strävar vi efter att använda så få tillsatser som möjligt för att skapa bättre förutsättningar för att de ska komma till nytta i industrin och för att materialen ska kunna återvinnas bättre. Det är därför vi ser just att det endast krävs en mycket liten mängd tillsats för att uppnå goda resultat, som en stor fördel med det här materialet, säger Christian Müller.
Upptäckt som kan leda till nytt forskningsfält
Konjugerade polymerer, som till exempel P3HT, har tidigare använts för att konstruera böjbar och tryckt elektronik. Däremot är det enligt Chalmers första gången som de används och prövas som tillsats för att förändra egenskaperna i en vanlig plast. Forskarna tror därför att deras upptäckt ska öppna för en mängd nya applikationer och forskningsinriktningar.
– Vår förhoppning är att den här studien kan dra igång ett nytt forskningsfält och inspirera andra forskare att undersöka design och optimering av plaster med avancerade elektiska egenskaper, för energitransporter och lagrings applikationer, säger Christian Müller.
Mer om forskningen
- Studien har letts av Christian Müller och hans forskargrupp på Chalmers och gjorts i samarbete med kollegor verksamma i både Sverige och utomlands. Forskningsstudien ingår i ett projekt finansierat av Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF.
- Den vetenskapliga artikeln: Repurposing Poly(3-hexylthiophene) as a Conductivity-Reducing Additive for Polyethylene-Based High-Voltage Insulation har publicerats i Advanced Materials och är skriven av Amir Masoud Pourrahimi, Sarath Kumara, Fabrizio Palmieri, Liyang Yu, Anja Lund, Thomas Hammarström, Per-Ola Hagstrand, Ivan G. Scheblykin, Davide Fabiani, Xiangdong Xu och Christian Müller. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Bolognas universitet, Lunds universitet och Borealis AB.
