Kraftelektroniken är en förutsättning för fossilfri framtid
Förnybar el från sol, vind, vatten och vågor tar sig inte ut på elnätet av sig själv. Överföringen kräver avancerad teknik som gör installationerna dyrare, vilket påverkar lönsamheten. Staffan Norrga och hans forskarkollegor på KTH vill sänka kostnaderna för kraftelektroniken och göra förnybar energi konkurrenskraftig.
Förnybara energikällor skiljer sig från vattenkraft, kärnkraft och fossilenergi som vi främst använder idag på en viktig punkt: Effekten varierar med vädret, med hur solen skiner och hur vinden blåser. Det innebär tekniska utmaningar eftersom energin inte bara ska överföras, utan också anpassas i flera led innan den kan skickas ut på elnätet. Kraftelektroniken som löser problemen är redan etablerad, men kostnaderna är fortfarande höga.
- Målet är att göra förnybar energi så pass konkurrenskraftig att den får en dominant roll i energisystemet, säger Staffan Norrga, universitetslektor vid KTH. Det stora problemet idag är variabiliteten, dvs. att man inte kan styra effekten ur källorna, den varierar med vädret. En annan utmaning är att vår konsumtion varierar med tiden. För att balansera produktion och konsumtion behövs starkare och mer omfattande överföringsnät för att kunna skicka energin över långa avstånd, alternativt någon form av energilagring.
Höga kostnader en utmaning
Staffan Norrga är en av de forskare som får delar av sin finansiering genom STandUP for Energy. Han är ett tungt namn inom forskning kring kraftelektronik, inte minst efter 17 år på ABB, den svenska industrijätte som ligger långt fram på området även internationellt sett.
- Under de senaste tjugo åren har kraftelektroniken utvecklats enormt, säger Staffan Norrga. Vi har uppnått högre verkningsgrader och mycket lägre kostnader tillsammans med högre flexibilitet, men trots det blir kostnaderna höga.
Den dyra utrustningen för överföringen av kraften är ett stort hinder för utvecklingen och utbyggnaden av de förnybara energisystemen. Något som bidrar till de höga kostnaderna är att tillverkarna arbetar med dyra halvledare. På kraftelektronikens område finns inte någon Moores lag om att effektiviteten ökar exponentiellt, vilket gör att priserna inte sjunker på samma sätt. Samtidigt sker hela tiden framsteg.
- Forskningen sker inom många fält och det finns stora vinster att göra med varje komponent som vi lyckas göra bättre och billigare, säger Staffan Norrga. Min kollega Hans-Peter Nee forskar om nya halvledarmaterial som kiselkarbid, ett alternativ till kisel som har stora miljöfördelar och kräver mindre kylning. Där kan vi skapa stora besparingar.
Med kiselkarbiden kan forskarna skapa komponenter som klarar högre spänning. Det gör att varje system kräver färre enheter, vilket i sin tur sänker kostnaderna. Utrustningen blir dessutom i förlängningen mer kompakt och redan idag finns ganska små, kompakta omvandlare som ger väsentligt lägre energiförluster.
Ny teknik konkurrerar med gammal
En ytterligare utmaning är att få upp tillförlitligheten i utrustningen. Ett område som är viktigt för energiöverföring på långa sträckor och därmed för exempelvis förnybara energikällor till havs, är likströmsöverföring.
- Jämfört med ett växelströmsystem med enkla och tillförlitliga komponenter som har utvecklats under hundra år, så är systemen för likström väsentligt mer komplexa, vilket tyvärr också gör dem mindre tillförlitliga. Här finns mycket arbete att göra.
Staffan Norrga målar upp ett scenario där avancerad elektronik ska fungera i extrema miljöer och ha en livslängd på minst 30 år. Vind- och vågkraftparker långt ute till havs innebär mycket svåra förhållanden för elektroniken, som dessutom är besvärlig att få på plats och blir kostsam att reparera.
- Idag jobbar vi för att minska investeringen för kunderna och för att minska storleken på utrustningen, säger Staffan Norrga. Kostnaden för varje kubikmeter som transporteras ut och monteras på en vindkraftpark till havs är enormt hög, att placera ut utrustningen kan bli dyrare än själva inköpet.
Den kompakta och billiga kraftelektronik som Staffan Norrga och hans forskarkollegor strävar mot behövs därför, utan den blir det omöjligt att skapa uthålliga fossilfria energisystem – vilket är en förutsättning för en framtid utan klimatpåverkan.