Nanobollar av kol kan bidra stort till hållbar energiförsörjning

Forskare vid Chalmers har upptäckt att isoleringsplasten som används i högspänningskablar tål minst 26 procent högre spänning om man tillsätter nanometerstora kolbollar. Det skulle kunna ge enorma effektivitetsvinster i morgondagens elnät, som behövs för att uppnå ett hållbart energisystem.
Framtidens förnybara energikällor befinner sig ofta långt borta från slutanvändaren. Till exempel är vindkraftverk som mest effektiva om de placeras ute till havs. Solenergi får störst betydelse i det europeiska energisystemet om man satsar på transport av sol-el från Nordafrika och Sydeuropa till norra Europa.

– Att minska energiförlusterna vid elkraftöverföring är en av de tre viktigaste faktorerna för morgondagens energisystem, säger chalmersforskaren Christian Müller. De andra två är utveckling av förnybara energikällor och tekniker för att lagra energin.

Han har hittat en kraftfull metod för att minska energiförlusterna i växelströmskablar, tillsammans med kollegor på Chalmers och företaget Borealis i Stenungsund. Resultaten publicerades nyligen i den högrankade vetenskapliga tidskriften Advanced Materials.

Forskarna har visat att olika varianter av kolbollen C60, ett nanomaterial i molekylgruppen fullerener, ger ett starkt skydd mot nedbrytning av isoleringsplasten som används i högspänningskablar. Idag måste man begränsa spänningen i kablarna för att isoleringslagret inte ska bli förstört. Ju högre spänningen är desto fler elektroner läcker ut i isoleringsmaterialet, en process som bryter ner det.

Det räcker att tillsätta mycket små mängder av fulleren i isoleringsplasten för att den ska tåla en spänning som är 26 procent högre än spänningen som plast utan tillsatsen kan klara utan nerbrytning.

– Möjligheten att höja spänningen så mycket skulle kunna ge enorma effektivitetsvinster i eltransporter världen över, säger Christian Müller. Inom industrin är det en stor fråga hur man ska kunna höja effektiviteten utan att göra strömkablarna tjockare, eftersom de redan idag är mycket tunga och krävande att hantera.








En högspänningskabel i genomskärning. Den elektriskt ledande kärnan täcks av ett svart skyddslager, ett vitt isoleringslager av plast och ytterligare ett svart skyddslager.










Att man kan skydda isoleringsplasten med hjälp av tillsatser har varit känt sedan 70-talet, men hittills har ingen vetat exakt vad och hur mycket man ska tillsätta. Därför använder man idag inga tillsatser alls för det ändamålet, utan tillverkar isoleringsmaterialet så rent som möjligt.

Andra forskare har på senare år experimenterat med fullerener i de elektriskt ledande delarna av högspänningskablar. Men ingen har hittills känt till att ämnet kan göra så stor nytta i isoleringsmaterialet.

Chalmersforskarna har nu visat att fullerener är den bästa spänningsstabilisatorn för isoleringsplasten som hittills har identifierats. Det innebär att de har en hittills oöverträffad förmåga att suga upp elektroner och därmed skydda andra molekyler från att slås sönder av elektronerna.

För att komma fram till detta har forskarna testat en mängd molekyler som också används inom solcellforskningen på Chalmers. Molekylerna undersöktes med flera olika metoder, och tillsattes i bitar av isoleringsplast för högspänningskablar. Plastbitarna utsattes sedan för ett ökande elektriskt fält tills de krackelerade. Sammantaget visade det sig att fullerener är den typ av molekyl som skyddar plasten mest effektivt.








Ett så kallat elektriskt träd, vilket är en viktig elektrisk nedbrytningsmekanism i isoleringsplast. Fullerener förhindrar uppkomsten av elektriska träd genom att suga upp elektroner som annars skulle slå sönder kemiska bindningar i plasten.








Nästa steg blir att testa metoden storskaligt i högspänningskablar för växelström. Forskarna kommer också att testa metoden i högspänningskablar för likström, eftersom likström är mer effektivt än växelström vid elstransport över mycket långa sträckor.

Text: Johanna Wilde
Bilder: Lina Bertling, Jan-Olof Yxell, Carolina Eek Jaworski, Anette Johansson, Markus Jarvid, Christian Müller


Fakta: Kolbollen C60
  • Kolbollen C60 kallas också för buckminsterfulleren. Den består av 60 kolatomer som är placerade så att molekylen liknar en nanometerstor fotboll. C60 ingår i molekylklassen fullerener.
  • Fullerenerna upptäcktes 1985, vilket belönades med nobelpriset i kemi 1996. De har unika elektroniska egenskaper och har länge setts som mycket lovande material för en mängd tillämpningar. Men hittills har de industriella användningsområdena varit få.
  • Fullerener är en av de fem formerna av rent kol som finns. De andra fyra är grafit, grafen/kolnanorör, diamant och amorft kol, till exempel sot.


Fakta: Högre spänning ger effektivare eltransport
Om man tillsätter små mängder fulleren i högspänningskablars isoleringsplast kan spänningen höjas med upp till 26 procent. Detta betyder att den överförda elektriska kraften också ökar med upp till 26 procent, eftersom den elektriska kraften = spänningen multiplicerat med strömstyrkan. Men energiförlusten i form av värme ökar inte om strömstyrkan hålls konstant, eftersom värmeutvecklingen till största delen beror av strömstyrkan. Elkraftöverföringen kan alltså höjas med upp till 26 procent samtidigt som energiförlusten stannar på samma nivå – en ökning av effektiviteten i eltransporten.


Fakta om forskningen
Forskningen har utförts av åtta chalmersforskare på institutionerna för kemi och kemiteknik samt material- och tillverkningsteknik, och en forskare på Borealis AB i Stenungsund. Chalmers styrkeområden Materialvetenskap och Energi har stått för finansieringen, liksom Borealis AB.

Läs den vetenskapliga artikeln, A New Application Area for Fullerenes: Voltage Stabilizers for Power Cable Insulation:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201404306/full


Sidansvarig Publicerad: on 28 jan 2015.