Högspänningslikströmskablar som effektivt kan transportera el över långa avstånd spelar en viktig roll i vår elförsörjning. Att optimera sina prestationer är därför en viktig utmaning. Med det målet i åtanke, forskare från Chalmers tekniska högskola, Sverige, presentera ett nytt isoleringsmaterial upp till tre gånger mindre ledande, erbjuder betydande förbättringar av egenskaperna och prestandan hos sådana kablar.

Om vi ​​ska gå över till en värld som drivs av förnybar energi, effektiv långväga transport av el är avgörande, sedan utbudet—förnybara energikällor som vind- och solkraftsparker, såväl som vattenkraftsdammar — ligger ofta långt från städer, där det mesta av efterfrågan finns. Högspänningslikströmskablar, eller HVDC-kablar, är det mest effektiva sättet att transportera el över långa avstånd. HVDC-kablar med ett isoleringsskikt kan grävas ner under jord eller läggas på havsbotten, möjliggör avsevärd expansion av nätverk, och många projekt pågår för närvarande för att koppla samman olika delar av världen. I Europa, till exempel, NordLink-projektet kommer att koppla samman södra Norge och Tyskland, och HVDC-kabelprojekt utgör en betydande del av energiwende, Tysklands övergripande plan för att gå över till en mer miljömässigt hållbar energiförsörjning.

"För att vi ska kunna hantera den snabbt ökande globala efterfrågan på el, effektiva och säkra HVDC-kablar är en viktig komponent. Tillgången på förnybar energi kan fluktuera, så att kunna transportera el genom långdistansnät är en nödvändighet för att säkerställa en stadig och pålitlig distribution, säger Christian Müller, ledare för forskningen och professor vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola.

Under transport, så lite energi som möjligt ska gå förlorad. Ett sätt att minska överföringsförluster som detta är att öka likströmsspänningsnivån.

"Dock, en ökning av överföringsspänningen påverkar isoleringen av en HVDC-kabel negativt, " förklarar Xiangdong Xu, forskningsspecialist vid institutionen för elektroteknik vid Chalmers tekniska högskola.

"De resulterande högre elektriska fältspänningarna skulle kunna hanteras om den elektriska ledningsförmågan hos isoleringsmaterialet reducerades tillräckligt."

Forskarna presenterar nu ett nytt sätt att minska ledningsförmågan hos ett isoleringsmaterial.

Ett material som ger kablarna tre gånger lägre ledningsförmåga

Grunden för det nya materialet är polyeten, som redan används för isolering i befintliga HVDC-kablar. Nu, genom att tillsätta mycket små mängder - 5 delar per miljon - av den konjugerade polymeren som kallas poly(3-hexyltiofen), forskarna kunde sänka den elektriska ledningsförmågan med upp till tre gånger

Tillsatsen, även känd som P3HT, är ett brett studerat material, och med tanke på de små mängder som krävs, öppnar nya möjligheter för tillverkarna. Andra möjliga ämnen som tidigare använts för att minska konduktiviteten är nanopartiklar av olika metalloxider och andra polyolefiner, men dessa kräver betydligt större mängder.

"Inom materialvetenskap, vi strävar efter att använda tillsatser i så små mängder som möjligt, för att öka möjligheterna för dem att användas inom industrin och för bättre återvinningspotential. Det faktum att endast en mycket liten mängd av denna tillsats krävs för att uppnå effekten är en stor fördel, säger Christian Müller.

En upptäckt som kan leda till ett nytt forskningsfält

Konjugerade polymerer, som P3HT, har använts tidigare för att designa flexibel och tryckt elektronik. Dock, det är första gången de har använts och testats som tillsats för att modifiera egenskaperna hos en råvaruplast. Forskarna tror därför att deras upptäckt kan leda till många nya tillämpningar och riktningar för forskning.

"Vår förhoppning är att denna studie verkligen kan öppna upp ett nytt forskningsfält, inspirera andra forskare att undersöka design och optimering av plaster med avancerade elektriska egenskaper för energitransport och lagringstillämpningar, säger Christian Müller.

Den vetenskapliga artikeln, med titeln "Återanvändning av poly (3-hexyltiofen) som en konduktivitetsreducerande tillsats för polyetenbaserad högspänningsisolering, " har publicerats i tidskriften Avancerade material .