Transport er den næste elektrotekniske hovedpine

Frede Blaabjerg er hyppigt prisbelønnet. Her modtager han i 2019 Global Energy Prize, og i denne uge modtog han Scientific Award fra European Academy of Wind Energy for »fremragende bidrag og banebrydende indsats inden for forskningen om effektelektronik til vindenergi«. Illustration: Privatfoto

Skal CO2-udledningen bremses og helt undgås i fremtiden, skal hele samfundet elektrificeres i en grad, man ikke tidligere troede var mulig.

Den næste og helt afgørende brik bliver at elektrificere transport­sektoren. Nogle vil mene, at vi allerede er på vej – men der er stadig langt til målet.

En af de afgørende teknologier i denne omstilling er effektelektronik, som er systemer og komponenter, der kan håndtere høje spændinger, store effekter og varierende frekvenser.

»Kun med brug af avanceret effektelektronik kan man få en energi­effektiv transportsektor i fremtiden,« siger professor Frede Blaabjerg fra Aalborg Universitet.

Intet er nemlig lettere end at spilde elektrisk energi, når man omsætter den fra én form til en anden.

I forbindelse med den ­grønne omstilling var den første helt store elektrotekniske udfordring at koble vedvarende energi fra sol og vind ind i et elnet, hvor der er høje krav til stabilitet af frekvens og spænding.

Solceller leverer nemlig jævn­strøm, og vindmøller leverer vekselstrøm med varierende frekvens, alt efter hvor meget det blæser.

Fra altmodisch til hot

Ensretning og frekvensomformning er gamle elektrotekniske discipli­ner, som historisk set kan føres tilbage til kviksølvdamp-ensretteren fra 1902 og ikke mindst tyristoren fra 1957. Op gennem 1970’erne og 1980’erne blev det dog mange steder betragtet som en lidt altmodisch disciplin.

I 1990’erne og fremefter så man flere nye effektelektronikkomponenter og -løsninger blive taget i brug. Udviklingen var primært drevet af behovet for mere effektive motorstyringer til industrielle anvendelser, uden at der dog alvor kom mere fokus på området.

Da Frede Blaabjerg på dette tidspunkt blev færdig som ph.d. og ansat ved Aalborg Universitet, var det vindmøllebranchen, han havde øje for.

»Jeg kunne se et stort potentiale i at gøre de elektriske systemer bedre,« forklarer han.

Og det blev da også både sol og vind, som efter årtusindskiftet var med til at drive effektelektronikken fremad og fik flere til at blive opmærksom på dens betydning – ikke mindst i forbindelse med behovet for at opskalere ­systemerne til at håndtere stadigt større energimængder.

Da Danmark industrielt var i forreste linje, og elektroteknik mange steder var gledet noget i baggrunden i forhold til it og computerteknologi, kunne Aalborg Universitet indtage en førende position inden for forskning i og udvikling af nye elektriske systemer til håndtering af vind- og solenergi.

Med det resultat, at Frede Blaa­bjerg i dag er en af Danmarks kendteste og aller­mest citerede forskere, ligesom han er flittigt belønnet med internationale priser. Det er lige før, det er så godt som sikkert, at der hvert år er en ny stor pris til Frede Blaabjerg – her er de seneste:

I 2019 modtog han Global Energy Prize, som er en af de største priser, der uddeles af Rusland. I 2020 var det den amerikanske Edison-medalje, der tidligere er uddelt til bl.a. Alexander Graham Bell og Nikola Tesla. Og i denne uge har han så modtaget Scientific Award fra European Academy of Wind Energy – en sammenslutning af førende europæiske universiteter og forskningsinstitutioner inden for vindenergi.

Frede Blaabjerg får prisen for »fremragende bidrag og banebrydende indsats inden for forskningen om effektelektronik til vindenergi«.

Det altmodische er for længst forsvundet. Effektelektronik er blevet hot.

»I dag har ethvert førende universitet i verden professorater inden for området,« siger Frede Blaabjerg.

Komponenter og forståelse

Det kræver effektelektroniske systemer at tilkoble solceller til elnettet. Mange af principperne herfor er udviklet af Frede Blaabjerg m.fl. på Aalborg Universitet, hvor man i samarbejde med industrien og spinoff-virksomheder udvikler nye kompakte og energieffektive produkter. Illustration: Privatfoto

Udviklingen er drevet af to ting: Nye komponenter og en bedre forståelse af, hvordan man kan udnytte disse komponenter i praktiske systemer.

Det er på det sidste område, at Frede Blaabjerg og de nu flere hundrede forskere ved Aalborg Universitet holder fanen højt. Komponentudviklingen foregår hos de store virksomheder – her kan et universitet ikke være med.

De første komponenter var fremstillet i silicium. I dag er det materialer som galliumnitrid (GaN) og siliciumcarbid (SiC), der i stigende grad finder anvendelse. Det skyldes, at disse materialer har et større båndgab end silicium.

I halvledermaterialer kan elektroner ikke have alle mulige energier. Elektroner befinder sig normalt i det såkaldte valensbånd, men får de tilført en vis energi, kan de springe op i det såkaldte ledningsbånd. Det er denne egenskab, der gør, at halvledermaterialer generelt kan virke som ensrettere og transistorer.

Båndgabet er afstanden i energi mellem toppen af valensbåndet og bunden af ledningsbåndet. Energi­forskellen måler man traditionelt i elektronvolt. Den er 1,1 eV for silicium, men omkring 3,3 eV i GaN og SiC.

Jo større båndgabet er, jo mere velegnet er materialet til brug inden for høje spændinger, og jo mere termisk stabilt er det også. Det er derfor, GaN og SiC er interessante.

»De har tidligere været for dyre, og yield (produktionsudbyttet, red.) har været for lavt. Det skyldes bl.a., at de produceres på meget tynde wafers, som gør det vanskeligt at opskalere produktionen,« siger Frede Blaabjerg.

»Men nu er der for alvor kommet gang i wide-bandgap-komponenterne. Tesla benytter eksempelvis SiC-teknologi. Man skal dog ikke afskrive silicium til mange anvendelser,« fortsætter han.

Transportsektoren trækker

Hvor det oprindelig var koblingen af vedvarende energi og først og fremmest vindenergi til elnettet, der havde Frede Blaabjergs interesse, er det nu i stigende grad transportsektoren, han har rettet sin opmærksomhed mod. Det er her, han ser de store udfordringer og det store potentiale.

Lave tab og høj pålidelighed er de to afgørende krav til effektelektroniske systemer. I transportsektoren er der helt særlige krav forbundet med høje temperaturer, vibrationer og krav til mindre og mindre størrel­ser, der gør, at mange systemer skal gennemtænkes på ny.

Sammen med kolleger fra Aalborg Universitet er det emner, som Frede Blaabjerg har taget under behandling i en stor artikel i juni-udgaven af et af verdens førende elektroniktidsskrifter, Proceedings of the IEEE.

Artiklen beskriver bl.a. de stigende krav til driftstimer for komponenterne – fra 8.000-12.000 timer i dag til 36.000 timer i fremtiden – samt kravene til billigere og mere kompakte systemer til opladning. Her skal ske en halvering af omkostningen pr. kilowatt fra 2025 til 2035, samtidig med at effekttæt­heden (kW/L) næsten skal firedobles.

En af de ting, som Frede Blaa­bjerg selv arbejder med, er at udvikle modeller for pålideligheden og fejlrater i effektelektroniksystemer, for meget vil kunne vindes, hvis man på forhånd kunne udtale sig om en forventede levetid eller ligefrem estimere, hvornår en komponent kan forventes at fejle.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

DSD om Halvledere:

Også en lille off-topic omvej; Det er lidt kedeligt at debatten efter en artikel så hurtigt ender i den sædvanlige mudderkastning mellem velkendte fronter. Da jeg ikke har en baggrund som elektronikingenier ender jeg hurtigt tilbage i Google for at slå grundbegreber op. På den civile software teknologi bachelordel var det obligatoriske fysikkursus renset for elektronik - sådan noget har ikke jeg set siden gymnasiet i '72-75, hvor vi heldigvis havde en fornuftig fysiklærer på "Metro" (som nu hedder noget andet).

IT-folk kan klare sig med distret matematik + Newton og Co., og det var rigeligt mens jeg var digitaler. Ikke engang et defekt griskhedsgen var nogen hindring for at få mine ideer igennem, men så i '92 kom jeg tilbage til mit fødeland, hvor grådighed ikke var sjælden mere ...

Tilbage på sporet: Selvfølgelig er "den store danske" ikke nok og måske må jeg finde nogle "gamle" fysikbøger for at komme på sporet af, hvad det her handler om. Hypotese-0 siger at mange andre også har spørgsmål, så jeg håber af "de tilsammen alvidende" vil være med på at afklare lidt uvidenhed.

  • 3
  • 0

Det er heldigvis lykkedes at flytte kvaliteten af disse højeffekt komponenter. Den første jeg prøvede i 72 virkede slet ikke. Breakdown har været et stort problem i mange år - pålideligheden i power MOSFET har ikke været god nok, så derfor har Blåbjergs indsats sammen med halvlederfabrikernes forbedringer været en utrolig vigtig faktor for udviklingen. Og stadig er transportsektoren både fly og skibe utrolig ressourcekrævende, og der er indtil nu sket utrolig lidt - det er virkelig svært at konkurrere med den utroligt energieffektivitet i afbrænding af af olie. Men vens solcelle anlæg er nede for andet år igen power MOSFET har svigtet - forstå det nu der er stadig betydelige udfordringer, når man skal switche meget store spændinger halvledere er født til at arbejde i nogle hundrede volt området ikke til tusinder og millioner af volt.

  • 0
  • 1

Tak for din uddybning og den norske kilde, Lone. I mellemtiden har jeg fundet "University Physics" (11th ed.) på min hylde; det er dog ikke et værk egnet til godnatlæsning ( >1.5 kg ;-), den har dog de savnede kapitler (21st - 32nd). Der er godt nok sket en del i området gennem årene.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten