ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems....

28
ENMEGAVOLTSUTMANINGEN En strategisk forsknings- och innovations- agenda för hur Sverige ska utveckla framtidens högspänningskabelsystem. Sverige har år 2030 en ledande position på den globala marknaden för kabelsystem med högspänd likström och har tagit fram lösningar för överföring av stora mängder elenergi, som möter samhällsutmaningarna inom energi- och miljöpolitiken. ELFORSK

Transcript of ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems....

Page 1: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGENEn strategisk forsknings- och innovations-agenda för hur Sverige ska utveckla framtidens högspänningskabelsystem.

Sverige har år 2030 en ledande position på den globala marknaden för kabelsystem med högspänd likström och har tagit fram lösningar för överföring av stora mängder elenergi, som möter samhällsutmaningarna inom energi- och miljöpolitiken.

ELFORSK

Page 2: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

2 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Elforskrapport 14:21Slutrapport för Vinnovaprojekt 2013-02408 "Enmegavoltsutmaningen"Agendan kan laddas ner från Elforsks webbsida www.elforsk.seOmslagsfoto: Borealis

InnehållSammanfattning/Summary .................................... 4Inledning ............................................................. 5Begrepp, prefix och förkortningar .......................... 6Introduktion till området ........................................ 7Motiv ................................................................ 10Marknadspotential ............................................. 11Vision och mål ................................................... 13Utmaningar ....................................................... 14Aktörer ............................................................. 15Vägen framåt .................................................... 19Rekommendation ............................................... 21Medverkande organisationer ............................... 26Hur agendan tagits fram ..................................... 27

Page 3: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 3

” Enabling long distance transmission of energy by elaborating a cable system with a capacity of 1 MV

HVDC is indeed a true research challenge. It requires collaboration with many parties from industry as well as research communities. ENTSO-E supports this innovation leap which will be important for the European power industry and part of the solution in solving the societal and environmental challenges that the world is facing. Chavdar Ivanov, Ph.D. Research and Development Senior Advisor ENTSO-E , European Network of Transmission System Operators for Electricity

Page 4: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

4 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

SummarySweden has a long tradition of being the major player in the high voltage transmission market. This strategic research and innova-tion agenda describes how the country’s leadership position can be taken a step further, and envisions how global challenges can be met by enabling energy transmission over long distances with high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population, integration of renewables into the power system, and creation of a common electricity market.

The agenda provides an overview of today’s technology and outlines the way forward. Per the vision statement, it is anticip-ated that in the year 2030 a cable system for 1 megavolt HVDC with a capacity of transmitting 2 000 to 5 000 MW will be available on the market. In order to achieve that vision, the parties behind the agenda suggest forming a collaborative plat-form where industry, society and academia can share knowledge and find ways to jointly and efficiently achieve the next giant innovation leap – the megavolt challenge.

SammanfattningSverige har en lång tradition av att vara marknadsledande inom kraftöverföringsområdet. Denna strategiska forsknings- och innovationsagenda beskriver hur detta ska tas ett steg vidare och målar upp hur globala samhällsutmaningar kan mötas genom att via kabelsystem för högspänd likström möjliggöra överföring av elenergi över långa avstånd. De globala utmaningarna omfattar den växande befolkningens ökade efterfrågan på elektricitet, integrationen av förnybara energikällor i kraftsystemet och skapande av en gemensam elmarknad.

Agendan beskriver dagens teknik och vägen framåt. Agendans vision innebär att det år 2030 finns ett kabelsystem för 1 megavolt likström och med överföringsförmåga om 2 000 till 5 000 MW att beställa. För att nå visionen föreslår aktörerna bakom agendan att en samverkansplattform bildas där industri, myndigheter och universitet kan utbyta erfarenheter och finna vägar att på ett effektivt sätt arbeta tillsammans för att ta det stora innovationsklivet – enmegavoltsutmaningen.

Page 5: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 5

Utbyggnaden av kraftöverföringssystem-en står inför en stor utmaning globalt. Behovet av energi i allmänhet och el-energi i synnerhet ökar. I strävan efter att sänka koldioxidemissionerna ökar även efterfrågan på energi från förny-bara källor. Energibärare såsom kol, olja och gas kan fysiskt transporteras till en plats där energianvändningen är stor och där omvandlas till elenergi. Detta är generellt sett inte fallet med sol-, vatten- och vindenergi. Denna energi behöver omvandlas till el och överföras, ofta långa avstånd, till användarna. Lika viktigt som tekniken för generering av el från förnybara källor är alltså att det finns överföringsmöjligheter för energin. Dessutom ökar elhandeln mellan länder och kontinenter vilket betyder att på-litliga system för överföring av energi över långa distanser behöver byggas upp. Robusta och pålitliga system är en förutsättning för att världens energiför-sörjning ska vara tryggad.

Högspänd el kan överföras via luft-ledningar eller via markförlagd kabel eller sjökabel. Traditionellt är transmis-sionsnäten i världen konstruerade med luftledningar med högspänd växelström.

Vid överföring långa sträckor kan likström vara ett alternativ, bland annat minskar förlusterna om likström används i sådana tillämpningar. Likströmskablar kan användas när det är svårt att komma fram med luftledningar eller då luftled-ningar av olika skäl inte är lämpliga, till exempel över långa vattenpassager. Hög-spänd likström, HVDC, har en potential att utvecklas ytterligare för att utgöra en viktig del i det framtida överförings-systemet.

ENTSO-E som är det europeiska sam- arbetsorganet för stamnätsoperatörer arbetar med en vision om ”Electricity Highways” från år 2030 och framåt och i den får högspänd likströmsteknik med högre kabelkapacitet en avgörande roll. För att få trovärdighet för en sådan vision behöver det demonstreras betyd-ligt tidigare att tekniken kan finnas kom-mersiellt tillgänglig år 2030. Greenpeace argumenterar i sin rapport från mars 2014 för en mer optimerad utbyggnad av ett överordnat nät med högspänd likström för att möjliggöra högre andel förnybart och utfasning av kol- och kärnkraft.

Syftet med denna agenda är att visa på hur Sverige ska använda sin kom-petens inom området för högspänd likström för att stärka sin världsledande position. Det finns förutsättningar för att skapa fler arbetstillfällen inom landet samtidigt som området i sig är en del av lösningen på hur världen ska kunna hantera klimathotet och ge förbättrad levnadsstandard för en växande befolk-ning.

Agendan har tagits fram genom ett samarbete mellan de största svenska aktörerna inom området.

Inledning

VISION: Sverige har år 2030 en ledande position på den globala marknaden för kabelsystem med högspänd likström och har tagit fram lösningar för överföring av stora mängder elenergi, som möter samhällsutmaningarna inom energi- och miljöpolitiken.

Page 6: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

6 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Begrepp, prefix och förkortningarGrundläggande begrepp inom elektrotekniken är spänning, strömstyrka och effekt. För att överföra stora mängder energi och begränsa förlusterna strävar man efter att hålla spän-ningen så hög som möjligt. I det följande finns

en förenklad beskrivning av dagens teknik och kraftsystem. För den som inte är expert inom området ger denna beskrivning en bas för att förstå behovet av att utveckla framtid-ens kabelsystem – enmegavoltsutmaningen.

GRUNDläGGANDE BEGREpp

Spänning (U) mäts i volt (V) Ström (I) mäts i ampere (A)Effekt (P) mäts i watt (W)Energi (W) mäts i J (joule) eller (wattsekund) Ws och anges ofta med enheten kWh

AllMäNT ANVäNDA pREFIx

För att undvika många decimaler eller nollor används prefix1012, T, tera109, G, giga106, M, mega103, k, kilo10-3, m, milli10-6, µ, mikro10-9, n, nano

Exempel:1 MV = 1 000 kV = 1 000 000 V1 kWh = 3 600 000 Ws

FÖRKORTNINGAR

Vanliga förkortningar som används i samband med högspänd likström och som förekommer i denna agenda.

• HVDC,HighVoltageDirectCurrent,högspänd likström

• AC,AlternatingCurrent,växelström• DC,DirectCurrent,likström• ENTSO-E,EuropeanNetworkofTrans-

mission System Operators for Electricity, det europeiska samarbetsorganet för stamnätsoperatörer

• TSO,TransmissionSystemOperator,stamnätsoperatör

• Cigré,CouncilonLargeElectricSystems• IEC,InternationalElectrotechnicalCom-

mission, Internationella standardiserings-organet för elektroteknik

• TYNDP,TenYearNetworkDevelopmentPlan,ENTSO-E'stioårsplan

Page 7: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 7

Introduktion till områdetSverige har en lång historik av att vara marknadsledande på kraftöverförings-området. Den högspända likströms-kabeln som gav Gotland el från fast-landet redan år 1954 var den första i världen. Svenska ASEA låg bakom den likströmsöverföring över Engelska kanalen som driftsattes år 1961. ABB är fortsatt världsledande. Sverige har även en omfattande och marknads-ledande polymerindustri. Borealis är en viktig producent av de isolermaterial som används inom kabelteknologin idag. De stora svenska lärosätena har spetskunskap inom elektroteknik och polymerteknik och goda samarbeten med svensk industri.

I den förestående utbyggnaden och förnyelsen av världens transmis-sionsnät har Sverige en viktig roll att spela. För att behålla och utveckla sin position som marknadsledande har de svenska aktörerna samlats kring denna agenda.

Dagens svenska transmissionsnät har byggts ut, först i takt med vatten-kraftsutbyggnaden i norr, senare för att hantera kärnkraftsutbyggnaden i södra Sverige. I samband med utbyggnaden av vindkraft ställs nu andra krav på överföringssystemet; krav som syste-met ursprungligen inte var byggt för.

Världens första 400 kV-växelströms- ledning byggdes i Sverige år 1952 och är fortfarande i drift. 220 kV-systemet har vissa delar som är ännu äldre. Kraftsystemet är ständigt i behov av förnyelseåtgärder av olika slag.

I Sverige liksom utomlands är transmissionsnätet till övervägande del uppbyggt med luftledningar för växel-ström. Växelströmstekniken är i dag dominerande inom elförsörjningens alla led. I stort sett all el produceras och används som växelström. Möjlig-heterna att med växelström anpassa

spänningsnivåerna i elnäten är också en värdefull egenskap på det lokala och kundnära planet. Med lämpligt val av standardiserade konstruktionsspän-ningar i matningsledningar, fastighets-installationer och elektriska apparater i användarledet kan kraven på kapa-citet, användbarhet och elsäkerhet förenas på ett sätt som är allmänt accepterat.

Luftledningar har traditionellt använts för överföring av elenergin och är den dominerande tekniken i världen.

Denvänstrabildenvisarentypiskmarkförlagdkraftkabelochdenhögra bilden visar en typisk sjökabel. Funktionen av de olika skikten är i princip densamma. En sjökabel har armeringstrådar som ger kabeln mekanisk hållfasthet som är nödvändig under installationen.

Page 8: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

8 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Kablar (markförlagda eller på sjöbot-ten) används som komplement där till exempel terrängförhållandena gör luftledningar mindre lämpliga.

I många tätbebyggda områden tar det lång tid att få luftledningar på plats eftersom tillståndsprocessen kan vara utdragen. Luftledningar ifrågasätts eftersom de gör ett intrång i landskap-et. Då kan kabelförläggning vara ett snabbare och mer attraktivt alternativ.

När el transporteras uppkommer energiförluster. Genom att använda sig av högre spänningar i överförings-systemet kan förlusterna reduceras. Vid långa överföringsavstånd minskar förlusterna ytterligare om likström an-vänds istället för växelström. Ju högre spänningsnivå, desto längre avstånd kan alltså energin transporteras. Den högsta spänningsnivån som används för likström idag är 800 kV, i luft-ledningar. Markkablar, med isolation av lindad teknik som beskrivs nedan, finns installerade för spänningar upp till 500 kV likström.

Likström används idag som ett komplement i överföringssystemet där växelström har begränsningar, till exempel vid sammankoppling av elsys-tem som är olika stora. Därför är det nordiska systemet enbart kopplat med likströmsförbindelser till det mycket större europeiska systemet.

Likström och växelström har olika egenskaper vilket gör dem lämpliga eller mindre lämpliga för olika till-lämpningar. En kabel som transporte-rar växelström förlorar betydligt mer av sin kapacitet än vad motsvarande likströmskabel gör. Ju längre kabeln är desto större är förlusterna. Av den an-ledningen är likström ett utmärkt sätt att transportera stora mängder energi över långa avstånd.

Kraftsystemet i Sverige, liksom i de flesta länder, dimensioneras enligt det så kallade n-1-kriteriet som innebär att systemet ska klara bortfall av en kom-ponent utan konsekvens för användar-

en. I praktiken betyder det att även om den största komponenten (som i Sverige är det största kärnkraftsblocket om 1 450 MW) frånkopplas så klarar systemet att leverera el till användarna. Luftledningar och kablar utgör också komponenter i kraftsystemet och deras storlek har betydelse för dimensione-ringen av kraftsystemet

I kontinentaleuropa är kraftsystem-et större och består av flera parallella kraftledningar vilket gör att bortfall av en kraftledning, även med mycket hög spänning och hög överföring, normalt inte får allvarliga konsekvenser för systemet.

I denna agenda ligger fokus på kabelsystem för likström där överför-ingen sker i kablar förlagda i marken eller på sjöbotten.

Markkablar består av ledare (den inre kärnan som leder ström) och iso-lermaterial samt olika skyddsskikt. En god elektrisk ledare har låg resistivitet, alltså stor förmåga att leda ström. Dagens ledarmaterial är antingen kop-par eller aluminium. Det finns inga kända processer för att dramatiskt minska resistiviteten av dessa material. Forskning kring andra möjliga ledar-material pågår. Dagens isolermaterial delas in i två grupper, lindat oljeim-pregnerat papper eller extruderad poly-mer. Ökad spänning i en kabel betyder i första hand att isolerlagrets tjocklek behöver ökas. Isolermaterialet ska, oavsett teknik, ha låg konduktivitet det vill säga låg ledningsförmåga och hög elektrisk hållfasthet.

Isolation med impregnerat papper som lindas runt ledare är en gammal beprövad teknik som fortfarande an-vänds och är gängse för de allra högsta likspänningarna.

Polymeren som används i extrude-rade kablar är i de flesta fall en tvär-bunden polyeten. Materialet, i form av granulat, smälts under friktionstryck och värme och extruderas i en cirkulär form runt ledaren. Under uppvärm-

Page 9: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 9

ningen bildas de nödvändiga tvärbind-ningarna i polymeren.

Viktiga komponenter i ett kabel-system är, förutom själva kablarna, skarvar och avslut. Dessa kabeltillbe-hör innehåller ett elektriskt fältstyr-ande material vars syfte är reducera det lokala elektriska fältet, så att det inte överstiger det kritiska värdet för genomslag på någon punkt. Funktion-en av en skarv är att koppla ihop två kabellängder med varandra. Det ställs samma krav på skarvar som på själva kablarna. Det betyder att de elektriska och mekaniska egenskaperna ska vara desamma som i kablarna som ska kopplas samman. Generellt finns två typer av skarvar, prefabricerade skarvar och fabriksskarvar. En pre-fabricerad skarv är en gummikropp i vilken kablarna kopplas samman. Den används för markkabelskarvning och reparationsskarvning av sjökablar. En fabriksskarv görs i fabrik för att koppla samman kortare extruderings-längder till ännu längre leveransläng-der. Fabriksskarvar omfattar samtliga skikt i den skarvade kabeln.

Kablar tillverkas i stora kvantiteter och det ställs höga krav på att pro-duktionen ska resultera i kontinuerligt identiska egenskaper.

Speciellt är det kvalitetsaspekter som renhet och homogenitet i såväl ledare som isolation som betonas i kraven. Orenheter försämrar de öns-kade elektriska egenskaperna och för-svagar kabeln. Jämnhet i ytorna på de olika skikt som bygger upp en kabel är extremt viktigt för att minimera risken för elektriska genomslag.

Kablar utsätts för mekaniska på-känningar vid tillverkning, förläggning och drift. De yttre lagren i en kabel är till för att minska konsekvenserna av mekanisk påkänning och yttre meka-nisk påverkan.

Kablar designas alltså för att ha goda ledaregenskaper, isolationsskikt som klarar elektriska och termiska

påkänningar samt en konstruktion som skyddar kabeln under såväl produktion, förläggning som drift. Kabeltillverkning har en lång historia och förbättringar avseende material, processer och konstruktion har skett kontinuerligt och under lång tid. Kraven på extrem renhet och välkon-trollerade processer gör att det idag tillverkas kablar, med lindad isolertek-nik, för spänningsnivåer om maximalt 500 kV likström. Likspänningskablar med extruderad teknik når idag 320 kV.

En viktig aspekt vid design av kablar är att de ska vara kompatibla med de tillbehör som tillsammans med kablarna utgör kabelsystemet.

I ett systemperspektiv är det också viktigt att ha kunskap om och ta hän-syn till installation, förläggning och driftsättning.

Page 10: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

10 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Skiss på möjlig nätutbyggnad för överföring över långa avstånd. Källa: wikipedia

MotivÖkande energiefterfrågan i världen, ökad andel el från förnybara källor belägna på stora avstånd från för-brukningen, ökad handel med el över gränser och mellan kontinenter samt behovet av en tillförlitlig elförsörjning till den växande befolkningen är motiv till utbyggnaden av världens kraftöver-föringssystem.

I Europa finns idag organisationer som Dii (f.d Desertec Industrial Initiative), Friends of the supergrid och MEDGRID vilka studerar framtida transmissionsvisioner. Gemensamt för dessa organisationer är att de identifie-rat behovet av att på lång sikt kunna använda transmissionsnätet för över-föring av stora mängder energi från förnybara källor i Nordsjön och över Medelhavet med efterfrågan i centrala delar av Europa. Bland annat finns tankar kring att vattenkraft i Norden och Alperna skulle kunna användas för

att balansera solkraft i södra Europa och vindkraft från kustnära områden.

Att skala upp dagens kabelteknik till att möta behovet av större energi-överföring är inte möjligt, främst bero-ende på att kablarna skulle bli ohanter-ligt stora. En möjlig utvecklingsväg är att utveckla förbättrade isolermaterial som ger högre utnyttjandegrad. Det, tillsammans med en högre renhet och homogenitet i isolermaterialet, skulle kunna leda till en ökad kapacitet utan att öka dimensionerna.

För att ta ett så stort tekniksprång som utvecklingen av ett kabelsystem för 1 MV innebär behöver aktörerna samverka och få samhälleligt stöd för denna samverkan. När Sverige stärker sin konkurrenskraft medför det goda förutsättningar för fler och långvariga arbetstillfällen. En effektiv transport av energi är i sig en del av lösningen på klimatfrågan.

Page 11: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 11

Bilden visar utbyggnad enligt Greenpeaces ”PowE[R] 2030 – A European Grid for 3/4 Renewable Energy by 2030”.

MarknadspotentialMarknaden för högspänd likströmstek-nik är global. Ökad andel energi från förnybara källor, ökad elhandel över gränserna och ökad befolkningsandel som behöver tillgång till el är alla fak-torer som gör utveckling av ny teknik inom området både nödvändig och kommersiellt motiverad.

ENTSO-E är de europeiska stamnäts-företagens samverkansorganisation. I sin tioårsplan (TYNDP 2012, Ten Year Network Development Plan) beräknar ENTSO-E att det enbart i Europa kom-mer att krävas investeringar på 104 mil-jarder euro under perioden 2012–2022, varav 23 miljarder euro för undervat-tenskablar, för att kunna hantera utbygg-naden av ny generering i Europa, där en stor del är förnybar energi.

Utbyggnaden kommer i mycket större grad än i det befintliga elnätet, att baseras på kraftöverföring med högspänd likström av den senaste generationen. I TYNPD 2012 beräknas att cirka en fjärdedel av utbyggnaden sker med likström.

Greenpeace tar i sin rapport, PowE[R] 2030 – A European Grid for 3/4 Renewable Energy by 2030, fram argument för att utbyggnad av ett mer optimerat överlagrat nät med hög-spänd likström i Europa skulle inne-bära lägre investeringar än vad som anges i TYNDP 2012, men ge större möjligheter för användning av energi från förnybara källor och snabbare utfasning av kol- och kärnkraft.

Nya länkar för högspänd likström i Europa som SydVästlänken i Sverige, INELFE mellan Spanien och Frankrike samt Western Link mellan Skottland och Wales är alla kabelbaserade system.

Marknaden finns inte bara i Europa. I Kina, Indien, Japan, USA, Brasilien och Kanada planeras projekt med hög-spänd likström. Som exempel kan näm-

nas det förslag som lagts fram av JREF, Japan Renewable Energy Foundation.

Klart ledande inom området är Kina. För de högsta spänningsnivåerna är det luftledningar som gäller. En trend är att allt fler människor söker sig till storstäderna, vilket ökar beho-vet av elöverföring in till städerna. Det förutsätter i många fall användning av nedgrävd kabel då det ofta är svårt att komma fram med luftledning.

Omfattande investeringar i kabel-baserade system planeras till havs för anslutning av havsbaserad vindkraft och länkar mellan länder. För en större ut-byggnad av transmissionskapaciteten på land kommer det att behövas kablar där inte luftledningar är möjligt att bygga.

Page 12: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

12 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Det är av central betydelse att över- föringskapaciteten på de nämnda länk-arna på sikt kan höjas främst genom att öka spänningen i kabelsystem till betydligt högre nivåer för att kunna hantera större energimängder på ett kostnadseffektivt sätt.

I Kina finns idag luftledningar med spänningsnivå om 800 kV likström. Dessa ledningar är upp till 2 000 km långa. Där planeras nu projekt på 1 100 kV-nivån.

Kraftöverföringstekniken utvecklas. Inom kort kommer luftledningar, om-riktarstationer och tillhörande utrust-ning alltså att klara av spänningar på 1 MV. Det kommer att leda till efter-frågan på motsvarande likströmsöver-föringsmöjligheter och därmed är det också nödvändigt att utveckla kablar för denna spänningsnivå.

De system som finns idag kan inte skalas upp till högre spänningsnivåer. Främst beror det på att kablarna skulle bli ohanterligt tunga. Enkelt uttryckt behöver ett system med högre överföringskapacitet per viktenhet utvecklas. Däremot kan den framtida tekniken skalas ner och användas där spänningsbehovet är mindre. Det ökar marknadspotentialen och är därför

ytterligare ett motiv till att utveckla kabelsystem som klarar högre spän-ningsnivåer än dagens.

Förslag till ett asiatiskt supernät enligt JREF, Japan Renewable Energy Foundation

ETT ENkELT ExEMpEL: Ett kabelpar på 1 MV (1000 kV) och 2 500 A skulle kunna användas för att göra en HVDC-länk på 5 000 MW, vilket är långt över de nivåer som används i Europa idag. Det skulle göra det möjligt att ansluta elproduk-tion på avstånd upp till 2 000 km.

Diagrammetvisardenförväntadeglobalamarknadsutvecklingen,uttryckt i effekt, för system med högspänd likström av den senaste tekni-kenochmedsåkalladspänningsstyvaomriktare.Källa:ISGAN2013

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

01997 2000 2005 2010 2015 2020

MW

Page 13: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 13

Vision och målVISION

Sverige har år 2030 en ledande position på den globala marknaden för kabelsystem med högspänd likström och har tagit fram lösningar för överföring av stora mäng-der elenergi, som möter samhällsutmaningarna inom energi- och miljöpolitiken.

MÅlBIlDER

ÅR 2016:• finnsenhandlingsplansominne-

håller en tydlig forsknings- och utvecklingsstrategi för ett 500 kV-kabelsystem år 2020 samt en plan för fortsatt ökning av spänningen till 1 MV år 2030.

ÅR 2020:• finnsengrundförståelseförvilka

mekanismer som utgör begräns-ningar för dagens material att nå 1 MV,

• finnsformuleradekravpåmaterial-egenskaper för 1 MV,

• finnsen”verktygslåda”förfortsattutveckling mot 1 MV,

• finnsexperimentkablarförverifie-ring av framtagna materialsystem

• pågårutökattvärvetenskaplig samverkan mellan aktörerna på området,

• ärspin-offstillandraapplikations-områden identifierade,

• finnsmätmetodikförattsäkerställalångtidsegenskaper och stödja stan-dardiseringsarbete.

ÅR 2030 HAR VISIONEN NÅTTS VIlKET INNEBäR ATT• kabelsystemför1MVlikströmoch

med överföringsförmåga om 2 000– 5 000 MW kan beställas,

• teknologinföreffektivalänkarmel-lan kontinenter och från avlägset belägna energikällor är tillgänglig

• Sverigeharenfortsattledandeposi-tion och har stärkt sin konkurrens-kraft,

• områdetharpåvisbartbidragittilluppfyllnad av miljö/klimatmålen,

• områdethargettspinoff-effektersom resulterat i ett stort antal arbets-tillfällen genom till exempel nystar-tade företag.

Om utvecklingen av extruderad likströmskabel fortsätter i samma takt som hittills nås 1 MV-nivån år 2045. Men är det ens möjligt? Och kan vi vänta så länge? Källa: ABB

0

200

400

600

800

1000

1200

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060

kV

Page 14: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

14 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

UtmaningarEnmegavoltsutmaningen består av flera delar som hänger ihop. För att nå visionen behöver dessa delar fogas samman och samverka. Sverige ligger långt framme i forsknings- och utveck-lingsfronten och kan bygga vidare på den kompetens som aktörerna besit-ter. När det finns kunskap kring vilka faktorer som utgör begränsningarna i dagens material och teknik går det att formulera vilka krav som behöver ställas på det framtida konceptet. Det krävs ingående kunskaper om material på molekylnivå samtidigt som resul-tatet är produkter som bokstavligen är milslånga. Att området spänner från nanoskala till makroskala gör det

både utmanande och ytterst intressant. Bestämning, kontroll och styrning av elektriska, fysiska och kemiska egen-skaper är viktiga. Till det behövs nya mätmetoder och tillverkningsprocesser utvecklas. Förståelse för åldringsfeno-men och uppskalningseffekter är avgö-rande. För att inom en rimlig tidsperi-od kunna bygga upp den kunskap och förståelse behöver modellering- och simuleringsverktyg utvecklas. Mark-nadspotentialen finns, det behöver dock förankras hos beslutsfattarna att system för högspänd likström kan vara en del i lösningen av de globala klimatutmaningarna.

Foto

: Bor

ealis

Page 15: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 15

AktörerSverige har goda förutsättningar att stärka sin konkurrenskraft inom högspänd likström. Allt finns idag inom landets gränser. Kartan visar de största/viktigaste aktörernas geografiska placering.

För att uppnå effektivitet och säkrad position behöver samarbetet stärkas och tydligare samverkansformer etableras. De aktörer som bidrar till dagens utvecklings- och forsknings-front beskrivs nedan.

Borealis är marknadsledande produ-cent av den polymer som används i extruderad kabelisolation. De senaste åren har Borealis arbetat med att ut-veckla den tvärbundna polyetenen för att kunna nå högre spänningsnivåer. Denna utveckling har gjorts möjlig genom bland annat en investering i en ny produktionsanläggning i form av en polymerisationsreaktor i Stenungsund som startades år 2010.

ABB är marknadsledande tillverkare av kabelsystem med såväl extruderad som lindad isolationsteknik och bedriver kontinuerlig utveckling av dessa pro-dukter. Detta gäller även tillbehör som skarvar och avslut. ABB har tagit fram ett flertal applikationer för högspänd likström och har levererat flera av de allra största av världens projekt inom området.

kTH, fiber- och polymerteknologi (FpT) är den största akademiska polymerin-stitutionen i Norden. Vid institutionen bedrivs ledande forskning inom områ-den som polymersyntes, ytmodifiering av nanopoartiklar, syntes av nanopar-

tiklar, polymerers långtidsegenskaper samt modellering/simulering av po-lymerstruktur och egenskaper (elek-triska, mekaniska och transport). Alla dessa områden är relevanta för utveck-ling av ett framtida kabelkoncept. FPT har en mycket stor instrumentpark för alla typer av polymeranalys och bear-betning av polymera material samt ett mycket stort nätverk av nationella och internationella samarbetspartners.

kabel- och tillbehörstillverkarematerialtillverkarekomponenttillverkareprovninghögskolor och universitet

KARLSKRONAKARLSKRONA

ALINGSÅSALINGSÅS

STOCKHOLM

LUDVIKA

STOCKHOLM

LUDVIKA

STENUNGSSUNDSTENUNGSSUND

PITEÅPITEÅ

HALMSTADHALMSTAD

BORÅSBORÅSGÖTEBORGGÖTEBORGGÖTEBORG

LULEÅLULEÅ

LINKÖPINGLINKÖPING

SUNDSVALLSUNDSVALL

VÄSTERÅSVÄSTERÅS

Page 16: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

16 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Chalmers avdelningar för högspän-ningsteknik och polymerteknologi fokuserar verksamheten på att ta fram nya isolermaterial och utvärdera hur de beter sig när de blir utsatta för hög-spänd likström.

Vidare erbjuder Chalmers med sin vetenskapliga excellens koncentrerad inom styrkeområdena Energi, Mate-rialvetenskap samt Nanovetenskap och nanoteknik en unik möjlighet att rikta forskningen mot framtidens stora utmaningar. Chalmers grafencentrum samlar aktiviteterna inom grafen under ett paraply. Grafen är ett kolmaterial som är endast ett atomlager tjockt. Det har i sig en hög elektrisk ledningsför-måga och goda mekaniska egenskaper. EU:s forskningsflaggskepp om grafen leds av Chalmers. Flera av Chalmers institutioner som Material och tillverk-ningsteknik, Tekniks fysik och Kemi och bioteknik bedriver forskning kring kolbaserade nanopartiklar och nano-kompositer.

Luleå tekniska universitets grupp för elkraftteknik har en lång och bred erfarenhet av spänningsstörningar och elkvalitet i växelspänningsnät. Det gäller bland annat övertoner och kopplingstransienter. Denna kunskap och erfarenhet kan användas för att utveckla nya modeller som beskriver den elektromagnetiska miljön som kabelisolationen utsätts för. Gruppen forskar även kring olika aspekter av integrering av förnybar elproduk-tion och energieffektiv förbrukning i elnätet, från små apparater till stora anläggningar. Att kunna kvantifiera elnätets prestanda är viktigt i de flesta av forskningsprojekten och kunskapen kan direkt tillämpas för integrering av stora HVDC-anläggningar i framtida likströms- och växelströmsnät.

Sp, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut är en internationellt ledande instituts-koncern för forskning och innovation.

SP är nationellt metrologiinstitut för de vanligast förekommande mått-storheterna i SI och inom elområdet innebär detta utveckling av spårbar mätteknik som utgår från grundläg-gande kvantfysik. Verksamheten inom elområdet bedrivs från flera special-anpassade laboratorier. Vid SP finns omfattande tekniska resurser inom områden som brand, mekanik, kemi, materialteknik och klimatprovning vilka alla är av vikt vid forskning kring nya högspänningskoncept. SP har en framträdande roll i flera för området viktiga internationella standardise-ringsgrupperingar.

STRI är ett oberoende provnings- och konsultföretag med lång erfarenhet inom provning av högspänningsutrust-ning. Konsultverksamheten innefattar utveckling och användning av statistis-ka metoder för beräkning av överspän-ningar i kablar. Resultaten används för dimensionering och verifierande provning. Provningsverksamheten inom STRI är ackrediterad och STRI är del av nätverket för ledande hög-spännings- och högeffektlaboratorier i världen. Inom STRI finns en bred erfarenhet av provning på högspända växelströms- och likströmskablar. Provningen är uppbyggd för att vara flexibel och utrustningen är anpassad för att möta olika krav från kunder, både avseende standardiserad provning och utveckling av nya icke standardise-rade provmetoder.

Page 17: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 17

Svenska kraftnät är ett statligt affärsverk som förvaltar det svenska stamnätet och har systemansvaret för el i Sverige. Svenska kraftnät har en forsknings- och utvecklingsverksam-het, som syftar till att öka stamnätets driftsäkerhet, effektivitet och miljöan-passning.

SwedNanoTech är Sveriges paraply-organisation för svenska nanoteknik-aktörer. Där samlas nanokompetens under ett tak för att tillsammans bygga bilden av svensk nanoteknologi. Swed-NanoTech har tagit fram en strategisk forsknings- och innovationsagenda med titeln Nanoteknik för hållbar samhällsutveckling.

Internationellt starka forskargrupper finns på Rensselaer Polytechnic Insti-tute (RPI) i USA, i Japan, på University of Southhampton och University of Leicester i Storbritannien, samt på Indian Institute of Technology i Bangalore, Indien. Majoriteten av denna materialforskning har en tydlig inriktning på det elektriska uppföran-det. Vetenskapliga uppsatser finns från år 2005 och senare.

ERA-Net Smart Grids plus är ett nätverk för nationella och regionala program och vars mål är att verka för samverkan över gränserna baserat på befintliga forsknings- och demonstra-tionprojekt inom smarta nät.

ISGAN är ett tekniksamarbete inom International Energy Agency (IEA) inom området för utveckling av smarta elnät. Syftet med ISGAN är att bidra till utvecklingen av smarta elnät globalt genom att främja erfarenhets-utbyte mellan deltagande länder och samarbete mellan statlig och privat sfär. ISGAN arbetar brett med policy-frågor, teknikutveckling, finansierings-frågor och utbildning.

InnoEnergy, EU:s innovationsprojekt inom energiområdet, bedriver forsk-ningsprojekt inom materialområdet som är direkt kopplade till isolerma-terial av betydelse för utvecklingen tillbehör för högspända likströmskab-lar. Förutom att syntes av oorganiska nanopartiklar tas en datorbaserad verktygslåda fram som ska användas för att förutsäga nanokompositer och polymerers elektriska egenskaper.

Dii (tidigare Desertec Industrial Initiative) är ett nätverk som verkar för att sol- och vindenergi i framförallt norra Afrika ska kunna användas dels i regionens storstäder och så småningom även kunna exporteras till EU.

Friends of the supergrid är en samman-slutning av företag som verkar för ett supernät och ser det som den lösning på en inre marknad för elektricitet i Europa.

Page 18: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

18 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Vägen framåtOavsett vilken inriktning utvecklingen av den nya tekniken tar är det av yttersta vikt att få till stånd en god samverkan mellan olika kompetensom-råden. Kravställare behöver förstå var begränsningarna hos tillverkarsidan finns. Utvecklingen av provmetoder och kriterier för utvärdering går hand i hand med utvecklingen av nya kabel-koncept och material. Mycket kompe-tens och resurser finns redan i Sverige men behöver stärkas och koordineras för en stark nationell position.

Denna agenda ritar upp en färdplan för utveckling av ett kabelkoncept som ännu inte är definierat vad gäller mate-rial och prestanda.

De kabelsystem som diskuteras i denna agenda ska vara installerade och fungera under mycket lång tid och fel-frekvensen ska vara i det närmaste noll. Forskning för långtidsuppförande är tvärvetenskaplig och behöver involvera forskare med olika specialiteter. Re-sultatet av de forsknings- och utveck-lingsaktiviteter som kommer att ske inom enmegavoltsutmaningen kommer med största sannolikhet att leda till en mängd positiva spinoffeffekter. Kabel-teknikområdet kommer med självklar-het att dra nytta av utvecklingen, men helt andra områden som textil-, for-dons- och medicinindustri kan utveckla tillämpningar baserat på de rön som kommer fram. Att utsätta material för de påfrestningar som högspänning inne-bär kommer att leda till nya kunskaper om hur materialet fungerar och skapa möjligheter för tillämpningar som idag inte går att förutse.

Renheten i dagens ledarmaterial, koppar och aluminium, är hög och att avsevärt minska resistiviteten i dem är troligen inte möjligt. Ett sätt att minska resistiviteten i en ledare är att använda sig av supraledande material.

Det finns forskning och tillämpning av sådana kablar. Dock bedöms dessa lösningar vara tillämpbara enbart i nischade marknader. De nackdelar som finns är att dessa kablar ska kylas ned till temperaturer långt under -100 °C. Detta medför nödvändigheten av komplexa kylsystem som kräver omfattande underhåll. Nya forsknings-rön har belyst intressanta egenskaper hos materialet grafen – en form av kol. Egenskapen som i detta sammanhang är av betydelse är minskning av resis-tiviteten. Den stora fördelen jämfört med supraledande material är att grafen har potentialen att visa minskad resistivitet vid rumstemperatur. Andra kolbaserade material kan också visa sig vara av stort intresse för utveckling av nya ledarmaterial.

Det sker också forskning på alter-nativa ledarmaterial såsom koppar med kompositmaterial. Nanoteknolo-gin som är under snabb framväxt kan också visa sig innebära lösningar för framtida ledarmaterial.

Ett annat utvecklingsområde är att få en jämnare yta på den elektriska ledaren. Detta minskar risker för ladd-ningsansamlingar i drift och därmed minskad risk för isolationsgenombrott.

Att utveckla isolermaterial som ska klara betydligt högre spänningsnivåer än dagens är ur ett materialperspektiv en stor utmaning. Kunskap om hur isolermaterial påverkas av höga spän-ningar, tillfälliga överhettningar och långa driftstider behöver byggas upp.

En sådan kunskap uppnås genom kombinerade experimentella och teoretiska (simulering och modelle-ring) studier av högsta vetenskapliga kvalitet. Kraven på renhet och jämn-het i sammansättning är mycket höga på dagens isolermaterial och kommer att vara ännu högre på material som

Page 19: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 19

ska tåla avsevärt högre spänningar. Renhetskraven innebär att mängden föroreningar i råvaran ska vara ytterst låg och att oönskade biprodukter vid bearbetningen kan kontrolleras. Isolermaterialet i högspänningskablar ska vara homogent i sina dielektriska egenskaper i både radiell och axiell led.

Tillverkningsprocessen ska klara att producera stora kvantiteter material med mycket hög och jämn kvalitet. Till detta kommer kraven att processen ska vara effektiv och ekonomisk.

Isolermaterialet i en skarv ska, precis såsom i ett vidareutvecklat ka-belkoncept för 1 MV motstå de högre elektriska fältpåkänningarna. Isolerma-terialet ska vara kompatibelt (kemiskt och fysiskt) med kabelns isolation. Isolermaterialet ska dessutom vara ho-mogent, ha en tillräckligt låg kondukti-vitet och vara mycket rent.

Ett koncept för en mycket hög-spänd skarv, som en enmegavoltskarv, ska förmodligen utrustas med ett elektriskt fältstyrande koncept. Det innebär ett isolermaterial med dielek-triska egenskaper som styr den elek-triska fältfördelningen nära gränsskik-tet mellan kabel och skarv såväl under normala driftförhållanden som vid tillfälliga spänningsvariationer. Sådana materialkoncept finns men behöver vidareutvecklas. Givet att den principi-ella kabeluppbyggnaden är någorlunda densamma som dagens ska vidareut-vecklingen koncentreras på strömöver-föringen och den högspända isolerför-mågan. Inga stora designförändringar förväntas i de återstående funktioner-na. I det fall ett helt nytt kabelkoncept väljs, behöver även skarvkonceptet ses över helt och hållet.

Den ökande och allt snabbare introduktionen av elproduktion från förnybara energikällor och trenden

att koppla samman kraftsystem för ökad handel skapar drivkrafter för att maximera överföringen i tillgängliga ledningskorridorer. I kraftsystem där likströmsöverföringar är lämpliga behövs också växelströmsnät för att kunna mata in och ta emot de stora elmängderna. Storleken på ingående komponenter i ett kraftsystem behöver anpassas till kraftsystemets storlek.

Vid all utveckling av ny teknologi finns ett behov av att vid olika tid-punkter kunna verifiera att denna mot-svarar förväntningarna hos inblandade parter. En grundförutsättning för att en sådan verifiering ska vara möjlig är att förväntningar man har på en teknologi eller produkt kan formuleras gemen-samt. Detta gäller under hela processen från idé till slutlig implementering. Användning av standarder är en metod för att formulera de gemensamma kraven.

Standarder kan vara produktspe-cifika och till exempel beskriva krav på utformning, val av material och materialegenskaper. Andra standarder innehåller procedurer för att genom prov praktiskt verifiera att produkten uppfyller överenskomna krav på funk-tion och prestanda.

När det gäller provning av kabel-system för högspänd likström existerar det i dagsläget ingen internationell standard. Provning utförs därför vanli-gen enligt rekommendationer definiera-de i dokument framtagna inom Cigré. Vid utveckling av nya produkter är det inte ovanligt att standarder tas fram parallellt med produktutvecklingen samtidigt som tillämpligheten av exis-terande procedurer kontinuerligt måste utvärderas och eventuellt modifieras.

En väl förankrad provmetodik, för att visa att till exempel ett kabelsystem och dess komponenter uppfyller ställda

Page 20: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

20 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

förväntningar och krav, är också en förutsättning för att kunna kommersia-lisera slutprodukten. Det är därför vik-tigt att ta initiativ i tongivande interna-tionella arbetsgrupper och därigenom säkerställa att arbetet i dessa får lämp-lig inriktning. Nya provmetoder som med tiden kan bli normgivande ska till exempel innehålla relevanta krav och får inte exkludera ett nytt koncept, samtidigt som proven ska vara prak-tiskt genomförbara. En annan aspekt av ett tydligt engagemang inom bland annat IEC och Cigré är positioneringen av Sverige som kompetenscenter inom kabelområdet. Sverige deltar aktivt i IEC och Cigré, men kan bli ännu

starkare i dessa organ. Lika viktigt som att driva nya standardiseringsinitiativ är att delta i uppdatering av standarder för att försäkra att innehållet är aktu-ellt, följer med utvecklingen och inte exkluderar nya produkter.

Sammanfattningsvis är det helt avgörande för att nå visionen att sam-arbetet mellan högskolor, tillverkare och användare fungerar mycket väl. Det behövs en nationell samverkans-plattform där aktörerna från olika discipliner får draghjälp av varandra. Då kan vi se en ökning av innovationer som i sin tur leder till produkter och arbetstillfällen.

Foto

: Sve

nska

Kra

ftnät

Page 21: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 21

RekommendationSverige har en stadig grund att stå på inför utvecklandet av ett kabel-system för 1 MV. För att påskynda utvecklingen och nå de mål som agendan ställer upp behöver arbe-tet fokuseras och samverkan öka. Aktörerna bakom denna agenda avser att ansöka om att initiera och genomföra ett SIO, Strategiskt innovationsområde. SIO:t ska bestå av en samverkansplattform där de

forsknings- och utvecklingsaktiviteter som krävs för att nå agendans vi-sion kan interagera och ge varan-dra lyftkraft. Skissen nedan ger en bild av några av de områden som är väsentliga för att nå de gemen-samma målen. Flera frågeställning-ar återkommer inom flera delom-råden vilket gör att helheten med nödvändighet är tvärvetenskaplig.

Samverkansplattform

Mat

eria

lM

ater

ialb

earb

etni

ng

HälsaMiljöSäkerhet

Marknadspotential

DesignTillverkningsteknologi

Page 22: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

22 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Här följer ett antal initiativ som aktörerna kommer att arbeta med för att möta de utmaningar som finns för att nå agendans vision.

Långtidsegenskaper av kabelsystem för högspänd likström för att möjliggöra och säkerställa överföring av energi upp till 1 MV

Målen är• attnåkunskapochförståelseför

de långtidsegenskaper som be-hövs för att säkerställa acceptans och transmissioner upp till 1 MV. Eftersom polymera likströmskablar med system är en förhållandevis ung teknologi är erfarenheterna begränsade avseende de högsta spänningsnivåerna. Elektriska och kemiska egenskaper behöver stude-ras, liksom åldringsfenomen (såväl elektriska som icke-elektriska),

• attutarbetarelevantatestmetoderför att säkerställa långtidsegenska-per för transmissioner upp till 1 MV.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare samt systemoperatörer.

Fundamentala egenskaper och faktorer som begränsar ett kabelsystem och dess komponenter att nå 1 MV

Målen är:• attkartläggadebegränsandefakto-

rerna som gör att dagens material inte når 1 MV,

• attgenommodelleringochsimule-ringar av olika materialkoncept nå djupare förståelse för deras möjlig-heter och begränsande faktorer att nå 1 MV,

• attformuleramaterialkravochbe-hov för de olika delarna av kabel-systemet,

• attformulerasystemkravochökaförståelsen för hur de olika kompo-nenterna samverkar.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare.

Foto

: ABB

Foto

: Sve

nska

Kra

ftnät

Page 23: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 23

Verktygslåda med materialkoncept med en potential att nå 1 MV

Målen är:• attbedrivagrundforskningpåkon-

ceptuella material för att stödja och underbygga förståelsen i initiativet om fundamentala egenskaper och begränsande faktorer,

• atttaframmaterialkonceptmedpotentialen att nå 1 MV för att lägga den vetenskapliga grunden för en industriell materialutveckling.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare.

Mätteknologi, provning och standardi-sering för 1 MV

Målen är:• attutvecklanyamätteknikersom

möjliggör snabb screening av mate-rialkoncept för att stödja undersök-ningarna i initiativet om fundamentala egenskaper och begränsande faktorer,

• attutrönaombefintligastandarderärapplicerbara och skalbara till 1 MV?

• attbedrivaförarbeteförstandardi-sering för att förbereda och under-bygga implementeringen av kabel-transmissionssystem upp till 1 MV,

• attutvecklanyaprovmetoderförhögspänningskablars och -tillbehörs tolerans mot överspänningar, såväl kortvariga höga överspänningar som långtidsprov av höga drift-spänningar,

• attstandarderför1MV-systemfinns på plats till 2030.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare, systemoperatörer, provningslaborato-rier samt standardiseringsorgan.

Hälsa, miljö och säkerhetsaspekter av HVDC-teknologin på nivåer kring 1 MV

Målen är:• attidentifierapotentiellariskernär

transmissionsspänningen ökar till 1 MV,

• attutrönavilkafördelarinomhälsa, miljö och säkerhet det kan finnas med högspänd likström jäm-fört med andra sätt att transportera energin,

• taframplanerföråterbruk-ochåtervinning av materialen.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare, systemoperatörer samt tillsynsmyndig-heter.

Grundläggande forskning kring isoler-materials dielektriska egenskaper

Målen är:• attmodelleragrundläggandedielek-

triska egenskaper hos isolermaterial,• attkunnaförutsededielektriska

egenskaperna utifrån kemiska kän-netecken,

• attkunnaberäknaledningsförmå-ga, rymdladdningsansamlingar och elektriska fält under likströmsstress på ett tillförlitligt sätt.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare samt universitet och forskningsinstitut.

Page 24: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

24 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

Tillverkningsteknologier för att säker-ställa produktion av 1 MV-kabel och tillbehör

Målen är vidareutveckling av:• flerskiktsextrudering,• tillverkningavmerhomogenisola-

tion,• tillverkningavlindatkonceptmed

polymera tejper,• gummiinjektionförtillbehör.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare samt extruderingstillverkare.

Design av tillbehör samt utveckling av fältstyrande material

Målen är:• skarvarochavslutsomärkom-

patibla med 1 MV-kablar. Om nuvarande design inte klarar kraven behöver nya tillbehörskoncept tas fram,

• framtagningavfältstyrandemate-rial med hög hållfasthet.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare.

Utveckling av ledarmaterial

Målen är:• utvecklingavkolbaseradenano-

strukturer som grafen, nanokolrör eller liknande grundmaterial med väsentligt lägre vikt och/eller elek-trisk resistans än dagens ledarmate-rial,

• entillverkningsteknikavovanståen-de material som är attraktivt såväl ekonomiskt som prestandamässigt,

• förutsättningarattanvändamate-rialet i stor skala.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabeltillverkare samt universitet och forskningsinstitut.

Tillverkning av ledare med nyutvecklat ledarmaterial

Målen är:• ettledarkonceptsomanvändersig

av det nyutvecklade ledarmaterialet,• entillverkningstekniksommöjlig-

gör storskalig produktion av ledare som har en bättre prestanda än dagens och samtidigt är ekonomiskt gångbar.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare och kabeltillverkare.

Page 25: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 25

Integrering av 1 MV-likströmskablar i framtida likström- och växelströmsnät

Målen är:• atttäckabehovetpåstoradriftre-

server för att upprätthålla stabilitet vid bortfall av en 1 MV-likströms-kabel, i såväl likström- som växel-strömsnät,

• attkartläggadriftspänningar,inklusive spänningskvalitet och transienter som kabeln blir utsatt för vid kontakt med olika typer av omformare (mellan likström- och växelströmsnät) och spänningskva-litet i andra delar av likstöms- och växelströmsnät.

Målgruppen omfattar kraftsystem-operatörer, tillverkare av omformare, tillsynsmyndigheter samt universitet och forskningsinstitut.

Utveckling av marknadspotential

Målen är:• påtagligafaktasomvisarpåför-

delarna med integrerat högspänt likströmsnät,

• förutsättningarförattkabelsystemför 1 MV likström och med överfö-ringsförmåga om 2 000–5 000 MW kan beställas senast år 2030.

Målgruppen omfattar materialtillver-kare, kabel- och tillbehörstillverkare samt systemoperatörer.

Samtliga initiativ ovan har en gemen-sam drivkraft: enmegavoltsutmaning-en. Denna utmaning kommer att, om rätt förutsättningar ges, resultera i de innovationer som behövs för att möta agendans vision.

Agendans aktörer vill bilda en samverkansplattform för att driva utvecklingen framåt. Plattformen ska bestå av en koordinator som tillsam-mans med personer från de olika kom-petensområdena ser till att nya idéer och koncept utvärderas så att fokus snabbt kan riktas mot de mest lovande förslagen. Plattformen ska möjliggöra intensivt kunskapsutbyte och ökning av kontaktytorna mellan berörda parter. Kommunikationen mellan olika forskargrupper kommer att stärkas, men också mellan universitet, företag, myndigheter och andra intressenter blir kommunikationen bättre.

Vidare ska samverkansplattformen vara en del av det internationella sam-arbetet, vid exempelvis påverkan av nya standarder.

Page 26: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

26 | ENMEGAVOLTSUTMANINGEN

ABB

Borealis

Chalmers

Elforsk

KTH

luleå tekniska universitet

power Circle

Sp, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut

STRI

Svenska kraftnät

SwedNanoTech

Vattenfall

Medverkande organisationer

Page 27: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ENMEGAVOLTSUTMANINGEN | 27

HuragendantagitsframAgendaprojektet har möjliggjorts genom finansiellt stöd från Vinnova. Projektet har koordinerats av Elforsk som sammankallat de medverkande organisationerna till sju arbetsgruppsmöten där de gemensamma utmaningarna diskuterats. Mellan projektgrupps-mötena har personer inom och utom projektgruppen bidragit med synpunkter.

Den 4 februari 2014 hölls ett kvällsseminarium på IVA med rubriken "Enmegavoltsutmaningen – för ett globalt elnät" där ett 40-tal per-soner deltog. Diskussioner har även förts inom ramen för ERA-Net Smart Grids Plus. Agendan lanseras i samband med Almedalsveckan i juli 2014.

Kontakter har skapats med projektledarna för agendorna för grafen respektive nanoteknik. Dessa områden bedöms som ytterst viktiga att samverka med för att nå denna agendas vision.

Page 28: ELFORSK ENMEGAVOLTSUTMANINGEN - Vinnova€¦ · high voltage direct current (HVDC) cable systems. Global chal-lenges include increased demand for electricity from a growing population,

ELFORSKSVENSkA ELFÖRETAGENS FORSkNINGS- OCH UTVECkLINGS- ELFORSk – Aktiebolag

Elforsk AB, 101 53 Stockholm. Besöksadress: Olof palmes Gata 31Telefon: 08-677 25 30

www.elforsk.se

© E

lfors

k A

B. G

rafis

k fo

rm: f

orm

iogr

af. J

uni 2

014.