Energiforskeren: Superledere og permanente magneter kan blive gamechangere

Illustration: Ingeniøren

Frede Blaabjerg er professor i effektelektronik ved Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet, AAU, og forsker i elektrisk energiomformning. Han håber på gennembrud via materialeforskningen, som kan booste omlægningen til det fuldt elektrificerede samfund:

Jeg tror på et elektrisk baseret samfund, hvor vi kun bruger brint og anden kemisk baseret energi, når det er nødvendigt. I dag dækker el 30 procent af vores energiforbrug. Om 30 år vil det være 75 procent.

Tænk, hvis vi kunne overføre hundredvis af gigawatt uden energitab over meget lange afstande.
Frede Blaabjerg er professor i effektelektronik ved Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet, AAU, og forsker i elektrisk energiomformning Illustration: Privatfoto

En tredjedel af vores energi bruges af biler, og de vil alle sammen blive elektriske inden for en overskuelig fremtid. På ønskesedlen er først og fremmest lettere og billigere batteriteknologi med højere energitæthed og kortere ladetid. Jeg håber på en tredobling af energitætheden og en fuld opladning på 10 minutter.

Læs også: Elbiler kan med bare et års kørsel kompensere høj udledning fra selve fremstillingen

De næste store spring på mit område baserer sig næsten alle sammen på, at grundvidenskaben leverer nye materialer. Ekstremt hurtig opladning afhænger af materialeforskningen, og der er helt nye batterier på vej, hvor vi går fra væske til fast stof.

Små skridt, store spring

Nøgternt set vil det første store gennembrud være solcellerne. Et materiale, som kunne øge virkningsgraden af solceller til det dobbelte, ville gøre en kæmpe forskel i overgangen til et fossilfrit samfund.

Energiområdet ser ud til at udvikle sig inkrementelt, men bagved ligger grundvidenskabelige kvantespring. Man opdager bare ikke den teknologiske revolution, når man står midt i den. Men når man kigger tilbage, kan man se disruptionen.

Læs også: Verdens længste elkabel på vej mellem Marokko og England

For to år siden var under fem procent af de danske biler elektriske. I november i år var halvdelen af de nye biler elektriske på en eller anden måde. Westinghouse, Tesla og vores egen Poul la Cour ville juble, hvis de havde levet i dag.

Tre store ønsker

Superledning ved højere temperaturer vil være en game changer for energioverførslen. Et materiale, som er superledende ved stuetemperatur under normalt tryk, ville gøre det samme for energioverførsel, som fiberoptiske kabler har gjort for it.

Tænk, hvis vi kunne overføre hundredvis af gigawatt uden energitab over meget lange afstande. Fra solcellefarme i Afrika eller kæmpevindmøller langt ude på havet.

Mit andet store ønske er permanente magneter, der ikke er baseret på sjældne jordmetaller. Det ville gøre en stor forskel for forsyningssikkerheden, hvis vi fik et materiale med samme magnetstyrke, der ikke mister sin styrke, og som ikke er en begrænset ressource.

Læs også: Kæmpemagnet giver næring til drømmen om kommerciel fusionsenergi

Permanente magneter er ekstremt attraktive i energiteknologi, men når der er tvivl om tilgængeligheden, opgiver industrien at investere i udviklingen.

På mit eget forskningsfelt vil vi se komponenterne skifte inden for elektronikken. Vi har haft silicium siden 1957, og vi kigger allerede ind i nye materialer som siliciumkarbid og galliumnitrid, der har langt mere effektiv energiomsætning.

Ønsketænkningen er en kunstig diamant med samme egenskaber som den ægte. Det ville være et 10 gange bedre materiale til halvledere end de bedste, vi har i dag.«

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Så vidt jeg vet så er ikke virkningsgraden særlig dårligere i induksjonsmotorer (generatorer) enn i motorer (generatorer) med permanentmagneter. Hadde vært interessant å fått høre mer om dette!

  • 4
  • 0

Men der bliver brugt meget kobber for at holde tabene nede.

Supermagneter (sjældne jordarter baserede) gjorde meget stærkere elmotorer muligt i forhold til størrelse og massen.

stanfordmagnets.com: Magnets Commonly Used in Permanent Magnet Motors: Citat: "... This makes it possible to reduce the size, weight, and thickness of equipment ..."

horizontechnology.biz: "Permanent magnet motor efficiency curve vs. induction motors"

  • 3
  • 0

Supermagneter (sjældne jordarter baserede) gjorde meget stærkere elmotorer muligt i forhold til størrelse og massen.

Her er to svært tvilsomme påstander. Det viktigste metallet i permanentmagneter neodym er ikke en sjelden jordart. Det finnes massevis av det, selv om konsentrasjonen er lav. Dysprosium er derimot en sjelden jordart og brukes sammen med neodym (i langt mindre kvanta) og kan erstattes av andre metaller.

At permanentmagnetmotorer er meget sterkere i forhold til størrelse og masse, har jeg ikke tro på. Sterkere kan jeg gå med på, men tror ikke det er så stor forskjell verken i størrelse vekt på Teslas motorer i tomotorvariantene (en induksjonsmotor og en permanentmotor). Foleløpig avventer jeg bedre informasjon!

  • 4
  • 1

Men der bliver brugt meget kobber for at holde tabene nede.

Supermagneter (sjældne jordarter baserede) gjorde meget stærkere elmotorer muligt i forhold til størrelse og massen.

Spændende hvad de to har gang i : https://www.energy-supply.dk/article/view/...

Laaangt bedre at bruge superledere for at opnå høj fluxtæthed end med supermagneter ( sjældne jordarter ). Oplagt til direkte drevet generatorer i langsomtgående 15 MW vindmøller.

  • 1
  • 1

Svar på:

At permanentmagnetmotorer er meget sterkere i forhold til størrelse og masse, har jeg ikke tro på.

Wikipedia: Force on a current-carrying wire: Citat: "... When a wire carrying an electric current is placed in a magnetic field, each of the moving charges, which comprise the current, experiences the Lorentz force, and together they can create a macroscopic force on the wire (sometimes called the Laplace force). By combining the Lorentz force law above with the definition of electric current, the following equation results, in the case of a straight, stationary wire:[28]

F = I ℓ × B

where ℓ is a vector whose magnitude is the length of wire, and whose direction is along the wire, aligned with the direction of conventional current charge flow I. [magnetfeltet B ]

If the wire is not straight but curved... ..."

Så sætter du stærkere magneter (med ca. samme masse) i en permanent magnet elmotor, kan kobbertrådslængden (med samme tværsnit og strømformåen) gøres kortere for at opnå samme kraft. Dvs mindre kobber dvs mindre masse. Og tabet vil være lavere (medmindre kobbertværsnittet også mindskes).

Wikipedia: Lorentz force and Faraday's law of induction: Citat: "... Given a loop of wire in a magnetic field, Faraday's law of induction states the induced electromotive force (EMF) in the wire is:

dphi/dt = eta ( induced electromotive force (EMF); spænding)

[dphi er ændringen i magnetisk flux]

... The sign of the EMF is determined by Lenz's law. Note that this is valid for not only a stationary wire – but also for a moving wire.

From Faraday's law of induction (that is valid for a moving wire, for instance in a motor) and the Maxwell Equations, the Lorentz Force can be deduced. The reverse is also true, the Lorentz force and the Maxwell Equations can be used to derive the Faraday Law. ..."

For samme rotationshastighed vil spændingen være den samme i den svage magnet (mange vindinger) - og stærke magnet (få vindinger). Dvs effektformåen vil være den samme, men massen i elmotoren med den stærke magnet vil være lavere - og have lavere ohmske tab. (håber en anden kan verificere - eller rette fejl...)

  • 4
  • 0

ABB har lavet motorer med virkningsgrad over 99%. I betragtning af, at en motor med superledere kræver køling, så er det næppe meget at hente.

Hej Jens

Fra din kilde:

Backup: 12 Jul 2017, abb-conversations.com: ABB reaches 99.05% efficiency, the highest ever recorded for a synchronous motor: Citat: "... Today, electric motors use an estimated 28% of the total electrical power consumed worldwide. Reducing that consumption by just a fraction of a percent can have a very significant impact on electricity consumed ... we recorded a result of 99.05% full load efficiency on a 44 megawatt, 6-pole, synchronous motor ..."

Dvs at dens "effekttab" er 0,0095 x 44 megawatt = 418kW (ved fuld belastning, som de skriver i artiklen)

Hvis superledere erstatter den metaltråd der er anvendt, kan effekttabet på 418kW reduceres til næsten nul. (ser bort fra evt. reluktantstab osv.) Dét lave effekttab (energitab per tidsenhed) vil formentligt gøre, at en lignende elmotor skal have betydeligt lavere køling, end den originale motor. Den nødvendige køling med superleder afhænger dog af, hvor isoleret motoren er fra omgivelserne (medmindre superledningen virker op til 100-200 grader Celsius - i så fald er luftkøling nok).

Så jo, superledere vil med stor sikkerhed gøre en forskel - og muligvis kunne gøre motoren betydeligt mindre.

  • 2
  • 1

Så jo, superledere vil med stor sikkerhed gøre en forskel - og muligvis kunne gøre motoren betydeligt mindre.

Det er rigtigt nok, for du kan skippe jernet, som alligevel ville mætte. Til gengæld får du problemet med køling og ikke at forglemme magnetfeltet omkring motoren. Der er ikke mere noget jern til at holde på feltet. Husker gaffeltrucken der sad fast på Hvidovre hospital omkring MR-skanneren.

P.S. Hvordan får man afladet en superledende magnetspole på kontrolleret vis?

  • 0
  • 1

Ved at tænde 9V batteriet. Det varmer et lile stykke af superlederen, så superlederen her ikke mere er superleder - strømmens (spolens) energi afsættes derfor i dioderne:

Kredsløbet man lader med kan selvfølgelig klare strømmen, men jeg vil tro at det lille stykke tråd brænder af under afladningen. Under opladning vil spolen kun have en spænding bestemt af dB/dt, som kan holdes meget lav hvis man bruger dage på opladningen. Modstanden i trådstykket kan være meget lille, men ved afladningen kan al strømmen derfor gå i tråden i stedet for i det eksterne kredsløb.

Fra Philips har jeg hørt at de bruger mange dage på at oplade en MR skanner.

  • 1
  • 2
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten