Förnybar energi ökar i Europa eftersom ekonomin utvecklas bort från användningen av fossila bränslen som kol och olja, men ett åldrande elnät kämpar för att hänga med i den snabba utvecklingen.

Ursprungligen utformat för att erhålla och distribuera energi från några få stora källor, Europas elnät måste nu klara en växande klass av energikällor, som sol, vind, tidvatten och värme, från ett antal olika leverantörer. Förnybara energikällor kan också ha intermittent tillgänglighet eller producera överspänningar i el.

Denna oegentlighet kan betona nätverket av distributionsledningar och transformatorstationer som utgör nätet, orsaka fel som kan leda till frekventa strömavbrott, skadad utrustning och produktivitetsförlust för ekonomin.

Av sådana skäl, oberoende kraftproducenter får inte ansluta förnybara energikällor förrän nätet har uppgraderats, skapa en flaskhals för energileverantörer.

'Anslutningar kan försenas med år eller så kanske de inte händer alls, sa Yoram Valent, medgrundare av det israeliska företaget GridON. 'Detta har en negativ inverkan på den kraftkapacitet som operatörer kan erbjuda, samtidigt som den potentiella intäktsströmmen fördröjs från önskvärda koldioxidsnåla förnybara källor. '

GridON gör enheter som kallas felströmbegränsare (FCL), som installeras vid nyckelpunkter på nätet för att begränsa onormala elektriska strömmar.

Genom att omedelbart reagera på fel och strömspikar, FCL förbättrar nätets motståndskraft och gör att energikapaciteten kan ökas-vilket kan inkludera att lägga till nya källor från oberoende producenter-utan den mycket kostsamma och tidskrävande uppgiften att renovera hela nätet.

Förnybara producenter

Valent och hans kollegor har skapat en FCL som har funnits på marknaden sedan 2013. Men det visade sig vara för stort och dyrt för förnybara producenter, till exempel vindkraftparker som matar in nätets distributionsnivå.

Som en del av ett EU-stödt projekt som slutade förra året, de kombinerade kärntekniken som används i sin storskaliga enhet med ett kraftelektroniksystem, att skapa en mycket mindre och lättare FCL lämplig för produktion av förnybar energi. Den är utformad för att installeras i elstationerna eller på kraftproduktionsplatserna och mildra alltför stora felströmmar från den förnybara källan. Att minska FCL:s storlek bidrog också till att sänka kostnaden.

Det betyder att i framtiden, nya energikällor borde få godkännande för att ansluta till nätet mycket snabbare. I UK, ett av de länder där nätet är föråldrat och behöver en större uppgradering, Valent och hans kollegor är medvetna om hundratals förfrågningar från förnybara producenter som vill koppla upp sig.

'Genom att använda vår FCL, vi garanterar att nätet inte kommer att utsättas för stora fel och anslutningsgodkännanden kan gå igenom snabbare, sa Valent. 'Det är en möjliggörare för att ansluta nya källor, förnybar eller något, till rutnätet. '

Användningen av superledare - material som leder elektricitet utan att tappa energi - kan också förbättra FCL -tekniken. Konventionella material som koppartråd förlorar en del av sin energi när laddningen passerar genom metallen. Superledare tillåter inte själva att energi går förlorad vid överföring, även om operativa superledare förbrukar energi genom dyra kryogena kylsystem.

Superledande felströmbegränsare (SCFCL) bör vara mycket effektivare när det gäller höga spänningar, kombinerar låg effektförlust, högkänslighet och hög hastighet.

Den största utmaningen är att få superledarna att arbeta vid högre temperaturer - vanligtvis måste de vara nära absolut noll för att fungera effektivt. Det betyder att SCFCL är för dyra för utbredd kommersiell användning.

Kraftöverföring

Professor Pascal Tixador och hans grupp från Institut Néel, ett av laboratorierna för French National Center for Scientific Research, och partners, syftar till att göra SCFCL mer prisvärda och robusta som en del av FASTGRID -projektet för att utveckla bättre kraftöverföring.

För att sänka kostnaden för SCFCL, laget utvecklar bättre versioner av ReBCO (sällsynta jordartsmetaller, barium, kopparoxid) trådar som nu används i sina enheter.

De fortsätter tillämpningen av nya supraledande trådar med en komponent av safir för användning i SCFCL. De senaste genombrotten har gjort det möjligt att producera tunna skikt av mineralet. När en supraledande beläggning tillsätts, dessa ledningar har en enastående förmåga att begränsa onormal ström och bära många gånger mer ström än sina kopparföregångare, egenskaper som har validerats i labbet.

Nästa steg är att utvärdera hur de skulle kunna implementeras i SCFCL i industriell skala och att hitta ett sätt att göra dem kostnadseffektiva.

Tekniken kan vara avgörande för planer på att skapa ett europeiskt supernät och en enda energimarknad. Just nu, varje land har sin egen energiinfrastruktur och energi flyter inte fritt över gränserna. But a new network to pool electricity that spans Europe and the surrounding region has been proposed. It should help with the adoption of renewables, where short blackouts are an issue. An area depending on energy from a wind farm, till exempel, could use energy produced elsewhere by solar in times of low wind.

Direct current

Developing a supergrid will require a new high voltage direct current (HVDC) grid system. Direct current is required to transport electricity over long distances instead of alternating current, which is more efficient in smaller networks. Dock, fault current can be more severe when direct current is used, making FCLs even more crucial. 'FCLs can reduce the fault current that needs to be cut by a factor of 10, ' said Prof. Tixador.

SCFCLs are the only viable solution to limit abnormal currents produced by high voltages, according to Prof. Tixador. The goal of the EU-funded FASTGRID research is to provide high-voltage superconducting transmission lines that can be used in the next generation transmission network. SCFCLs, together with future energy storage systems, would be an important element in assuring the safety and reliability of the network.