Waarom Supergeleiders de toekomst van de transmissie van energie zijn

Elk jaar, miljarden dollars aan elektriciteit verdwijnen in dunne lucht. Als stroom door traditionele transmissielijnen gemaakt van koper of aluminium, een deel van die energie zet om in warmte als gevolg van de materiaal elektrische weerstand. Voor lange afstand elektriciteitsleidingen, deze verliezen kunnen oplopen tot 8 tot 10 procent van de totale overgedragen macht. In de Verenigde Staten alleen, de jaarlijkse kosten van lijnverliezen wordt geschat op meer dan $ 20 miljard. Dat afval is niet alleen een economische drainit betekent ook meer koolstof-emissies, omdat nutsbedrijven moeten extra stroom alleen maar te dekken wat verloren gaat.

Supergeleiders bieden een radicale oplossing: materialen die elektriciteit geleiden met nulweerstand. Wanneer goed gekoeld, kan een supergeleiderdraad enorme stromen dragen zonder warmte te genereren. De implicaties voor de transmissie van energie zijn diepgaand. Als we supergeleiders op schaal kunnen inzetten, kunnen we in wezen transmissieverliezen elimineren, dubbele of drievoudige capaciteit van bestaande gangen, en bouwen we een veerkrachtiger, efficiënter elektrisch net.

Dit artikel onderzoekt de wetenschap achter supergeleiders, hun praktische voordelen voor de transmissie van energie, de huidige obstakels voor wijdverspreide adoptie, en het spannende onderzoek dat hen binnen het volgende decennium tot een mainstream technologie zou kunnen maken.

Wat zijn Supergeleiders?

Een supergeleider is een materiaal dat, wanneer gekoeld onder een bepaalde kritische temperatuur (Tc)), alle elektrische weerstand verliest. Dit fenomeen werd voor het eerst ontdekt in 1911 door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, die merkte dat de kwikweerstand daalde tot nul bij koeling tot 4,2 Kelvin (−269°C). Onder die kritische temperatuur komt het materiaal in een aparte quantum mechanische staat waar elektronen paren (Cooper pairs) en stromen zonder verstrooiing van onzuiverheden of trillingsuitdrukkingen de normale oorzaak van weerstand.

De nulweerstand is niet de enige eigenschap die bepalend is. Supergeleiders vertonen ook het Meissner-effect: ze verdrijven magnetische velden uit hun interieur. Deze uitzetting betekent dat een magneet boven een supergeleider kan zweven, een opvallende visuele demonstratie van het fenomeen. Voor krachttransmissie is nulweerstand het belangrijkste voordeel, maar het Meissner-effect maakt ook efficiënte magnetische energieopslag en storingsstroombegrenzing mogelijk.

Typen supergeleiders

Supergeleiders zijn in grote lijnen onderverdeeld in twee categorieën op basis van hun kritische temperatuur:

  • Low-temperatuur supergeleiders (LTS) . . Materialen zoals .Titanium (NbTi) en .Tin (Nb3Sn) die koeling nodig hebben tot ongeveer 4
  • Hogetemperatuursupergeleiders (HTS) . Ontdekt in 1986, deze materialen (bv. bariumkoperoxide, of YBCO) worden supergeleidende bij temperaturen boven 77 K, het kookpunt van vloeibare stikstof. Vloeibare stikstof is veel goedkoper en gemakkelijker te hanteren dan vloeibaar helium, waardoor de koelkosten drastisch worden verminderd. HTS-materialen zoals bismut strontium calciumkoperoxide (BSCCO) en zeldzame aardsche bariumkoperoxide (REBCO) zijn nu het zwaartepunt van het meeste onderzoek naar de transmissie van energie.

Een derde klasse, ijzer-gebaseerde supergeleiders, werd ontdekt in 2008 en heeft belangstelling gewekt vanwege hun hoge kritieke velden en ongebruikelijke koppelingsmechanismen, hoewel commerciële toepassingen verder weg blijven.

Waarom Supergeleiders Materie voor Power Transmission

Conventionele stroomkabels gebruiken koper- of aluminium geleiders. Zelfs met de beste ontwerpen, deze metalen hebben non-zero weerstand. Meer dan een 500-km transmissielijn, tot 10% van het ingangsvermogen wordt verwijderd als warmte. Dat verlies vereist nutsbedrijven om extra opwekking capaciteit toe te voegen, bouwen grotere transformatoren, en installeren koelapparatuur bij onderstations. De stijgende kosten van koper nu meer dan $ 4 per pond . Ook duwt transmissie project budgetten hoger.

Supergeleidende kabels daarentegen hebben geen gelijkstroomweerstand. In wisselstroomsystemen is er een klein wisselstroomverlies door hysterese en wervelstroom, maar het is verwaarloosbaar in vergelijking met weerstandsverliezen in koper. Voor een bepaalde kabeldoorsnede kan een supergeleider 3 tot 5 keer stroom hebben zonder oververhitting van koper. Dit vertaalt zich in de mogelijkheid om bestaande ondergrondse leidingen of bovenliggende gangen met een hogere capaciteit zonder nieuwe loopgraven of nieuwe torens te graven.

Bovendien kunnen supergeleidende kabels bij veel lagere spanningen voor dezelfde stroomdoorvoer de behoefte aan omvangrijke transformatoren en onderstations elimineren of verminderen, waardoor de infrastructuur op lange termijn compacter, efficiënter en goedkoper wordt.

Belangrijkste voordelen van Supergeleider-gebaseerde transmissie

Geëlimineerde resistente verliezen

Het meest voor de hand liggende voordeel is bijna perfecte efficiëntie. Een supergeleidende elektriciteitsleiding kan elektriciteit van een windmolenpark of zonne-energiecentrale honderden kilometers met slechts enkele minuten verliezen overbrengen. In een wereld die streeft naar netto-nulemissies, vertaalt deze efficiëntie zich direct naar minder primair energieverbruik en lagere broeikasgasemissies.

Hoger vermogen

Supergeleidende kabels kunnen stroomdichtheiden 50 tot 100 keer groter dan koper dragen. Dit betekent dat een bestaande ondergrondse kanaalbank die momenteel 200 megawatt verwerkt, kan worden opgewaardeerd om 1000 megawatt te verwerken door simpelweg de conventionele kabels te vervangen door supergeleidende, ervan uitgaande dat het koelsysteem is geïnstalleerd. Deze capaciteitsverhoging is van cruciaal belang in dichte stedelijke gebieden waar het installeren van nieuwe leidingen onbetaalbaar duur is.

Compacte infrastructuur

Omdat supergeleidende kabels dunner zijn en dichter bij elkaar kunnen worden geplaatst zonder thermische interferentie, nemen ze minder ruimte in beslag. Voor onderzeese stroomverbindingen, zoals die welke offshore windplatforms verbinden met walletjes, vermindert een slankere kabel de kosten voor het leggen van schepen en de milieu-impact.

Verbeterde stabiliteit van het raster

Supergeleidende breukstroombegrenzers (SFCL's) kunnen de piekstroom die optreedt tijdens een kortsluiting onmiddellijk beperken. In tegenstelling tot conventionele schakelaars die na meerdere wisselstroomcycli opengaan, handelen de SCCL's binnen milliseconden, beschermen transformatoren en voorkomen cascading blackouts. Wanneer ze geïntegreerd worden in transmissielijnen, verbeteren ze de algehele systeembetrouwbaarheid.

Milieu- en veiligheidsvoordelen

Supergeleidende kabels genereren geen extern magnetisch veld buiten hun eigen insluiting, en ze verwarmen de omringende bodem niet of zenden elektromagnetische interferentie uit. Bovendien, omdat ze werken bij lagere spanning, wordt het risico van elektrische schok verminderd. Vloeibare stikstof is niet-ontvlambaar en niet-toxisch, waardoor het koelsysteem veiliger is dan olie-gevulde kabelsystemen.

Toepassingen en proefprojecten in de reële wereld

Supergeleidende krachtoverdracht is niet louter theoretisch. Meerdere demonstratieprojecten hebben de technologie op schaal bewezen.

  • LIPA-1 (Long Island, New York) .Er werd een 600-meter HTS-kabel van 138‐kV geïnstalleerd en met succes geëxploiteerd, met een capaciteit van 574 megawatt. Dit project, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft de betrouwbaarheid van HTS-kabels in een echte netwerkomgeving gevalideerd.
  • AmpaCity (Essen, Duitsland)
  • Shanghai (China)
  • JT‐60SA (Japan)

Deze projecten tonen aan dat supergeleidende kabels onder reële netomstandigheden kunnen worden vervaardigd, geïnstalleerd en bediend.De belangrijkste resterende barrières zijn kosten en de noodzaak van een betrouwbaar multidecade-onderhoudsplan voor de cryogene koelsystemen.

Uitdagingen die blijven

Koelkosten en complexiteit

Zelfs bij hoge temperatuur supergeleiders gekoeld met vloeibare stikstof, voegt het cryogene systeem kapitaal en operationele kosten toe. Voor een lange transmissielijn moeten cryocoolers om de 1 tot 5 kilometer worden geplaatst om de temperatuur te handhaven. De energie die deze koelers verbruiken compenseert een deel van de transmissie efficiëntie winsten. Echter, wanneer de lijn zwaar belast is (die typisch is voor transmissie), de netto besparingen zijn nog steeds positief. Doorlopende verbeteringen in cryocooler efficiëntie en betrouwbaarheid zijn gestaag verminderen deze overhead.

Kosten en fabricage van materialen

HTS-draden worden gemaakt met behulp van complexe dunne-film- of poeder-in-buisprocessen. De huidige productie is beperkt, waardoor de prijs hoog blijft 50 tot 200 dollar per kilometer in vergelijking met 1 tot 5 dollar voor koper. Naar verwachting zullen de kosten naar verwachting dalen naarmate de vraag toeneemt en de productie toeneemt. Verschillende bedrijven, waaronder SuperPower, AMSC en Fujikura, hebben hun productiecapaciteit voor HTS-draad de afgelopen jaren uitgebreid.

Verzachting en mechanische problemen

Veel HTS keramiek zijn broos en kunnen barsten als onderworpen aan buitensporige buigen of spanning. Dit maakt kabelbehandeling en installatie delicater dan conventionele kabels. Geavanceerde kabelontwerpen (bijv. de .CORC . kabel . Conducteur op ronde kern) zijn ontwikkeld om supergeleiders meer flexibiliteit te geven terwijl het handhaven van hoge stroomcapaciteit.

AC-verliezen in wisselstroom

Terwijl DC supergeleidende kabels vrijwel nul verlies hebben, produceren AC-systemen kleine verliezen als gevolg van magnetische hysterese. Deze verliezen zijn meestal 0,1 tot 1% van het overgedragen vermogen, dat nog steeds veel minder is dan koper 5

Recente onderzoeken en doorbraken

Supergeleiders voor kamer-temperatuur?

De heilige graal van supergeleideronderzoek is een materiaal dat werkt bij kamertemperatuur en omgevingsdruk. In 2023 beweerde een team aan de Universiteit van Rochester supergeleiding te hebben waargenomen in een gedoopte lutetiumhydride bij 20°C, maar het resultaat is niet onafhankelijk gereproduceerd en blijft controversieel. Andere materialen zoals waterstofsulfide (H3S) worden supergeleidende bij −70°C maar vereisen extreme druk. Ondanks de tegenslagen, de race voor een kamertemperatuur supergeleider blijft, en elk succes zou drastisch versnellen de goedkeuring in het elektriciteitsnet.

Vooruitgang in HTS Wire Performance

Moderne REBCO tapes (gecoate geleiders) bereiken nu kritische stromingen boven de 1000 A per centimeter breedte bij 77 K. Onderzoekers hebben dit tot meer dan 2000 A geduwd door het verbeteren van de pinning centra. Defecten die magnetische fluxlijnen op hun plaats vergrendelen. Flux pinning is cruciaal omdat het de supergeleider in staat stelt hoge stromingen te dragen, zelfs in aanwezigheid van sterke magnetische velden. Hogere pinning krachten betekenen dat de geleider kan werken bij hogere temperaturen of met dunnere koelmarges.

Supergeleidende vermogenstransformatoren

Transformatoren die met HTS windingen worden gebouwd zijn kleiner, lichter en efficiënter dan conventionele transformatoren. Een 10‐MVA HTS transformator is ongeveer de helft van het gewicht en volume van zijn koperen tegenhanger. Verschillende prototypes zijn getest in Japan en Europa. Breedspreide implementatie zou kunnen krimpen van substation voetafdrukken en de kernverliezen verminderen.

Supergeleidende foutstroomlinters

De SCCL's zijn nu commercieel beschikbaar voor middelspanningsnetten. Ze kunnen foutstromen van 50 kA of meer verwerken, waardoor ze in milliseconden tot een veilig niveau worden beperkt. Omdat de nutsbedrijven te maken krijgen met toenemende storingsstromen als gevolg van gedistribueerde opwekking en integratie van hernieuwbare energie, bieden SCCL's een kosteneffectieve oplossing die geen onderstations met hogere stroomonderbrekers vereist.

Toekomstperspectieven en integratie van het net

Het wereldwijde elektriciteitsnet ondergaat zijn belangrijkste transformatie sinds de 20e eeuw. Hernieuwbare energie zoals wind en zonne-energie bevinden zich vaak ver van de bevolkingscentra, waarvoor lange transmissielijnen nodig zijn. Tegelijkertijd neemt de vraag naar elektriciteit toe door elektrische voertuigen, warmtepompen en digitale infrastructuur. Supergeleiders zijn uniek gepositioneerd om deze uitdagingen aan te gaan.

In verschillende landen zijn nationale routekaarten voor de invoering van supergeleiders opgesteld. Zuid-Korea heeft bijvoorbeeld tot doel om 30% van zijn hoogspanningstransmissie te vervangen door supergeleidende kabels tegen 2030. China . State Grid Corporation heeft een 10‐km supergeleidende kabel gebouwd in Shanghai die in 2023 van start ging. Het project van de Europese Unie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Een bijzonder veelbelovende toepassing is in metropolitane gebieden waar de ondergrondse kabelcorridors al vol zijn. In plaats van dure nieuwe tunnels te graven, kunnen nutsbedrijven oude koperen kabels uittrekken en supergeleidende kabels in dezelfde leidingen installeren, waardoor de capaciteit met 3 tot 5 keer zo groot wordt. Steden als New York, Londen, Tokio en Frankfurt bestuderen deze aanpak serieus.

Een andere grens is het aansluiten van offshore hernieuwbare energie. De grootste offshore windparken bevinden zich op 100.200 km van de kust. Met conventionele HVAC-kabels zijn de transmissieverliezen op die afstanden aanzienlijk, waarvoor dure compensatiestations nodig zijn. Hoogspanningsstroom (HVDC) wordt al gebruikt, maar HVDC met supergeleidende kabels kan de efficiëntie verder verbeteren en de omvang van offshore-platforms verminderen. Onderzeese supergeleidende kabels zijn met veelbelovende resultaten getest in Japan en Noorwegen.

Conclusie

Supergeleiders vormen een fundamentele verschuiving in de wijze waarop we elektriciteit kunnen leveren. Door weerstandsverliezen weg te nemen, beloven ze het net niet alleen efficiënter te maken, maar ook betrouwbaarder en milieuvriendelijker. Grote hindernissen blijven vooral de kosten van koeling en de prijs van HTS-draad.Maar de gestage vooruitgang in materiaalwetenschap en -productie brengt deze kosten omlaag. Modelprojecten wereldwijd hebben aangetoond dat supergeleidende kabels werken in reële omstandigheden. In het komende decennium zullen waarschijnlijk de eerste commercieel levensvatbare grootschalige installaties, aanvankelijk in stedelijke gebieden met hoge dichtheid en voor strategische hernieuwbare verbindingen worden gezien.

Terwijl de wereld races om koolstofvrij te maken, supergeleidende energietransmissie biedt een krachtig instrument om het volledige potentieel van schone energie te ontsluiten. De nulweerstandsdraad is niet langer een laboratorium nieuwsgierigheid; het is een opkomende infrastructuurtechnologie die ons energielandschap kan hervormen.

Verdere lezing: