Polymer insulation for a greener electrical grid
- Reference number
- APR20-0025
- Project leader
- Unge, Mikael
- Start and end dates
- 210501-270430
- Amount granted
- 1 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
In order to meet the challenges with the climate change the ongoing electrification of the transport sector, introduction of renewable energy sources and removal of fossil based power plants are critical. In combination with an increasing need of electricity, it put challenges on the electrical grid in several ways. The proposed research in this application address challenges related to energy transmission, in particular HVDC cable insulation. Polyethylene is the base material used in the insulation. Even though the cables can be 1000 of km the performance of the insulation is dependent on properties down to atomic scale. To further improve the insulation material knowledge on several length scales need to be considered. To address these challenges improved simulation models will developed and used to investigate both current materials and contribute in the development of new materials. A particular focus will be to bridge the gap between macro and atomic scale by addressing properties related to the morphology from both scales. Nanocomposites is a class of promising insulation materials, where the superior insulation properties can be related to the interface between the nanoparticles and the polymer. Optimization of the properties can be done by atomic design of the interface, this will be addressed in the project by atomic scale simulations.
Popular science description
Pågående elektrifieringen av transportsektorn, utbyggnad av datacenters och befolkningsökning gör att mer energi behövs. Förnybara energikällor såsom vind- och solkraft är populära sätt att minska beroendet av fossila energikällor när dessa fasas ut. De förnybara energikällorna behöver installeras där bäst effekt fås, blåsiga platser till havs eller bergsområden. En vision för solkraft är den om solcellsparker i Sahara (se www.desertec.org) som Europas elnät kopplas in mot, vilket förstås ger väldigt långa avstånd om det skall nå norra Europa. Effektbristen i elnätet nämns allt oftare i debatten, möjligheten att överföra stor effekt när energibehovet är som störst är förstås också viktigt. Överföring av stor effekt i elnätet påverkar förstås både komponenter och de material de är gjorda av. Det här projektet riktar in sig mot den isolation som används i högspänningskablar. För att minska förluster så mycket som möjligt i energiöverföring på långa avstånd så kan man öka spänningen som används, det ställer högre krav på resistansen och den elektriska hållfastheten av isolationen. Dagens högspänningskablar kan vara upp till 1000 km långa ändock bestäms de bästa materialens egenskaper av detaljer på atomär nivå, en skillnad i längdskala motsvarande 4 mm mot avståndet till Neptunus. I materialutvecklings projekt behövs dock initialt bara material prover som är omkring 1 mm tjocka, även detta ger stora skillnader i längdskala. För att kunna utforska och förstå material ner på atomärskala är matematiska modeller baserade på den bakomliggande fysiken och kemin viktiga verktyg. De polymera material som används som isolation har även strukturer på mikrometernivå samtidigt som de innehåller olika kemiska komponenter som beskrivs av ett fåtal atomer, de kan både vara sådant som är tillsatt och defekter. För att beskriva egenskaperna på alla dessa längdskalor behövs olika modeller. Inom detta område finns det behov av förstå materialen bättre på atomär nivå samt förbättra beskrivningarna hur strukturer på mikrometerskala påverkar isolationsegenskaperna. Det här projektet kommer bidra till förbättrade beräkningsmodeller på olika längdskalor och även nyttja dessa för att föreslå förbättringar av materialen. Speciellt kommer så kallade nanokompositer att studeras. I dessa material blandas nanopartiklar med polymeren för att förbättra isolations egenskaperna.