Polymer isolation för ett grönare elektrisk nät
- Diarienummer
- APR20-0025
- Projektledare
- Unge, Mikael
- Start- och slutdatum
- 210501-270430
- Beviljat belopp
- 1 500 000 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
För att kunna möta utmaningarna med klimatförändringarna är den pågående elektrifieringen av transportsektorn, införande av förnybara energikällor och avlägsnande av fossilbaserade kraftverk avgörande. I kombination med ett ökande behov av el, utmanar elnätet på flera sätt. Den föreslagna forskningen i denna ansökan behandlar utmaningar relaterade till energiöverföring, speciellt HVDC kabel isolation. Polyeten är basmaterialet som används i isoleringen. Även om kablarna kan vara 1000 km, är isoleringens prestanda beroende av egenskaper ned till atomskalan. För att ytterligare förbättra isoleringsmaterialet måste kunskap på flera längdskalor beaktas. För att möta dessa utmaningar kommer förbättrade simuleringsmodeller att utvecklas och användas för att undersöka både nuvarande material och bidra till utvecklingen av nya material. Ett särskilt fokus kommer att vara att överbrygga gapet mellan makro och atomskala genom att utforska egenskaper relaterade till morfologin från båda skalorna. Nanokompositer är en klass av lovande isoleringsmaterial, där de extraordinära egenskaperna kan relateras till gränsskiktet mellan nanopartiklarna och polymeren. Optimering av egenskaperna kan göras genom atom design av gränsskiktet, detta kommer att utforskas i projektet med atomskalssimuleringar.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.