De bygger framtidens superelnät
Morgondagens moderniserade elnät – i sig en förutsättning för att förnybara energikällor ska kunna användas på allvar – ställer stora krav på tekniken. Dagens elnät hållet inte måttet då det ger energiförluster och samtidigt skapar onödiga utsläpp. KTH-forskare har nu varit med och optimerat delar av framtidens elnät. Resultat: minskade koldioxidutsläpp om 200 000 ton per år.
Många av Europas elnät är byggda på 50-talet och är idag föråldrade. Således behöver dessa uppgraderas. Ett sätt har varit att gå från strömstyva strömriktare (current source converters, CSC) till spänningsstyva strömriktare (voltage source converters, VSC).
Den senaste tekniken VSC har flera viktiga funktionella fördelar som gör att den kan användas för olika tillämpningar. Faktum är att VSC är ett krav för att kunna mata in förnybar energi från stora havsbaserade vindkraftsparker på grund av de effektvariationer som den förnybara elgenereringen orsakar. Om man sedan vill gå vidare till ett helt elnät med likström är man hänvisad till VSC-tekniken, eftersom CSC-tekniken är anpassad för punkt-till-punkt-förbindelser.
Dock har VSC samtidigt haft större energiförluster och varit dyrare än CSC. Dessa två svagheter försöker forskare dock genom intensiv teknikutveckling att åtgärda, och det är här KTH kommer in i bilden.
Energiförlusterna uppstår nämligen i omvandlingen mellan likström som används för transport av energi över längre avstånd och växelström, som används i ändan av elkabeln av industri och vanliga konsumenter. För att göra det används multinivåomvandlare.
Hans-Peter Nee, professor i effektelektronik vid KTH, har tillsammans med forskarkollegor jobbat med en sådan multinivåomvandlare som uppfunnits av den tyska professorn Rainer Marquardt, verksam vid Bundeswehr University Munich.
Deras forskning har bland annat gått ut på att förbättra multinivåomvandlaren för att minimera energiförluster och att styrningen av den ska bli effektivare.
– När likström ska omvandlas till växelström hackas den upp i delar. Man får en fyrkantsvåg. Vad man vill ha istället är en sinusvåg, och för att uppnå detta innehåller multinivåomvandlaren i sig en rad seriekopplade omvandlare som gör detta i många steg. Det vill säga många små fyrkantsvågor, säger Hans-Peter Nee.
Det är denna process som han och de andra KTH-forskarna sett över och förfinat. Detta bland genom att använda tyristorer istället för transistorer. Resultatet är att energiförlusten i omvandlingen, som tidigare låg på 1,7 procent idag ligger på 0,7 procent.
Skillnaden kan tyckas pluttigt, med det är den definitivt inte.
– Den mängd energi som på grund av omvandlarna går förlorad under exempelvis 20 år är omfattande, säger Hans-Peter Nee.
Forskarkollegan Staffan Norrga, universitetslektor på avdelningen för elektriska maskiner och effektelektronik på KTH, tar vid.
– Det finns cirka 150 gigawattstora HVDC-länkar i värden idag av vilka cirka 5 gigawatt utgörs av VSC-baserade omvandlare. Den förlustminskning som vi pratar om här – från 1,7 procent till 0,7 procent – kan då för dessa 5 gigawatt översättas till en minskning av C02-utsläpp på 200 000 ton per år. Detta med rimliga antaganden on kapacitetsutnyttjande, säger Staffan Norrga.
Men det finns fler än ett sätt som miljön tjänar på de nya, mer effektiva multinivåomvandlarna. De är en förutsättning för morgondagens elnät.
– Allt fler förnybara energikällor ställer allt högre krav på elnätet. Inte minst eftersom inmatningen av el från vind- och solkraft går upp och ner. Morgondagens superelnät kan hantera detta, något som dagens elnät inte klarar av, säger Hans-Peter Nee.
Han tillägger att länder som exempelvis Tyskland satsar stort på att se över elnätet, vilket ligger i linje med landets ökade satsningar på förnybara energikällor. Även Sverige kommer att byta modernisera sitt elnät och delvis gå över till likström.
– Jag är övertygad om att det kommer att byggas superelnät så väl i Europa, Asien och USA. Industrin som gör dessa elnät finns bland annat i Sverige, vilket ger fina exportmöjligheter, säger Hans-Peter Nee.
Han avslutar med att betona att introduktionen av multinivåtekniken hade skett även utan KTH:s medverkan, men samtidigt har KTH-forskarna varit en av de mest framstående grupperna när det gäller att analysera tekniken och föreslå förbättringar. Några exempel är övergången från transistorer till tyristorer, förbättra styrningen, föreslå nya kretslösningar för submoduler och minska mängden kondensatorer.
– Det vi har gjort kommer att användas om några år. Vissa saker inom kanske ett år, medan andra kanske först om 6-7 år, säger Hans-Peter Nee.
Multinivåomvandlare är en del av marknaden för högspänd likström, HVDC. Denna marknad beräknas ha säljvolymer för HDVC-relaterad teknik på mellan 110 till 120 miljarder amerikanska dollar mellan åren 2012 till 2020. Detta enligt studien ”High-Voltage Direct Current Transmission Systems” gjord av Pike Research, 2012.
Förutom Hans-Peter Nee har även KTH-forskarna och doktoranderna Antonios Antonopoulos, Tomas Modeer, Kalle Ilves, Noman Ahmed, Arman Hassanpoor och Tomas Jonsson varit med i arbetet.
