Kada su se 2021. godine pojavili članci o usporavanju proizvodnje bakra i zabrinutosti oko mogućnosti zadovoljenja buduće potražnje za metalom, dr. Anders Wulff postao je zabrinut. Kao inženjer, Wulff je bolje od većine razumio da sadašnja generacija električnih mreža u Europi i drugdje ne bi mogla funkcionirati bez bakra. Ovaj crvenkasti metal vodič je u električnim kabelima i bez njega ne bi bilo načina za prijenos energije na velikim udaljenostima, piše Horizon.
Keramički kabel
Wulff je uključen u inovacijski projekt koji je dobio EU sredstva za razvoj kabela izrađenog od nečeg sasvim drugačijeg: keramike.
– To je u osnovi isti materijal koji biste koristili za šalice za kavu ili tanjure. Moja šalica za kavu je čvrsta, ali ako stanjim stijenke na nekoliko mikrometara, mogu je početi savijati – rekao je Wulff, glavni izvršni direktor SUBRA-e, danskog proizvođača supravodiča.
SUBRA proizvodi električne kabele temeljene na tehnologiji supravodiča i ubrzava ovaj posao u novom projektu pod nazivom SUBRACABLE koji podupire EU, a koji će trajati dvije godine do kolovoza 2025.
Supravodiči su materijali koji pri niskim temperaturama provode struju bez električnog otpora. A poseban vrsta keramike je među materijalima koji na niskim temperaturama mogu postati supravodljivi. Jedna od prednosti tehnologije supravodiča je ta što se mnogo manje oslanja na bakar, koji se u ovim novim kabelima koristi samo u ograničenoj mjeri kako bi pružio strukturnu potporu za inače krhki supravodič.
Bonus štednje
Još jedna ključna prednost je da, zbog nedostatka električnog otpora, supravodiči troše puno manje energije. Da biste razumjeli kako, razmotrite osnove električne struje i primjer tostera. Kada električna struja prolazi kroz materijal, postoji određeni otpor. U tosteru, grijaći element, koji se naziva zavojnica, ima posebno veliku otpornost na elektricitet. Kada struja prolazi kroz zavojnicu tostera, puno te energije se pretvara u toplinu kao rezultat velikog otpora. To je ono što proizvodi toplinu koja prži kruh.
Dok je u električnim mrežama otpor znatno niži nego u tosterima, ipak je značajan. Oko 16% energije u Europi izgubljeno je 2020. godine tijekom prijenosa električne energije po kontinentu.
Nasuprot tome, supravodljivi kabeli mogu, na niskim temperaturama koje se generiraju korištenjem isplativih rješenja za hlađenje, provoditi električnu energiju bez gubitka bilo kakve električne energije na zagrijavanje. To nudi izglede za smanjenje gubitaka energije i, prema tome, potražnje za energijom.
Manje rasipanja energije pomoglo bi svijetu u suzbijanju emisija stakleničkih plinova koji ubrzavaju klimatske promjene, povećavajući hitnost izgradnje veće i učinkovitije električne mreže.
– Morat ćemo udvostručiti ili utrostručiti brzinu prijenosa električne energije odmah ako se želimo odmaknuti od fosilnih goriva – rekao je Wulff.
Prototip koji obećava
U projektu SUBRACABLE tvrtka je dosad proizvela male prototipove – manje od metra duljine – inovativnog supravodljivog kabela izrađenog s keramikom. Prelaskom s trenutno korištene tehnologije plonsatih traka na višežilni kabel, nadaju se da će moći prevladati postojeće prepreke skalabilnoj i isplativoj proizvodnji supravodičkih kabela.
Prototip koristi 99% manje bakra i ima 90% smanjenje gubitka energije u usporedbi s konvencionalnim bakrenim kabelima.
Nadalje, SUBRA kabel ima prednost u odnosu na druge supravodiče na tržištu: manje zahtjevne temperaturne uvjete.
Obično se supravodiči moraju ohladiti na ekstremno niske temperature da bi radili – čak do minus 270 Celzija. Prototip SUBRACABLE je visokotemperaturni supravodič, što znači manje potrebe za hlađenjem. Potrebna temperatura je oko minus 196 Celzija, što ga čini oko 100 puta jeftinijim za hlađenje od niskotemperaturnih supravodiča.
– Sveti gral ljudskog društva bilo bi preskakanje dijela hlađenja – rekao je Wulff. ‘Tome smo se približili najviše što je moguće, iako nam još treba hlađenje’.
SUBRA se nada da će proizvesti 50-metarsku testnu verziju kabela tijekom sljedeće godine i 400-metarski puni demonstracijski kabel u roku od 18 mjeseci.
Do 2027. tvrtka namjerava uspostaviti novu, potpuno operativnu tvornicu za serijsku proizvodnju kabela, tvrdi Wulff.
Utrka za obnovljive izvore energije
Postavljanje supravodljivih kabela kako bi se ubrzao prijelaz na čišću energiju cilj je još jednog projekta koji financira EU. Nazvan SCARLET , traje četiri i pol godine do veljače 2027. godine. Istraživači rade na modeliranju dva potencijalna kabela s ciljem početka testiranja prototipova početkom 2026.
Jedan kabel je visokotemperaturni vodič sličan SUBRACABLE-u, dok je drugi izrađen od magnezijevog diborida – tamnosivog spoja koji nastaje zajedničkom reakcijom magnezija i bora na visokim temperaturama.
– Ideja je da bi kabeli trebali biti spremni za proizvodnju nakon projekta za svakoga tko ih želi kupiti – rekao je dr. Niklas Magnusson, inženjer u norveškoj neovisnoj istraživačkoj organizaciji SINTEF i koordinator SCARLET-a.
Pad troškova
Istraživači ovakvim projektima nastoje smanjiti troškove postavljanja infrastrukture za obnovljive izvore energije. Na primjer, na morskim vjetroelektranama, velike platforme skupljaju svu električnu energiju koju generiraju turbine. Otprilike veličine pola nogometnog stadiona, platforme sadrže obilje opreme poput AC/DC pretvarača potrebnog za isporuku električne energije do obale.
Supravodljivi kabel čini dobar dio te opreme nepotrebnim. Obično se električna energija šalje na obalu visokonaponskim kabelima, što zahtijeva velike transformatorske stanice na kolektorskoj platformi.
Budući da supravodiči nemaju otpor, mogu prenositi visoku struju, čineći skupu transformaciju u visoki napon nepotrebnom.
Tako bi, tvrdi Magnusson, primjerice, na vjetroelektrani koja proizvodi gigavat energije moglo biti uklonjeno oko 10.000 tona materijala s platforme. Procjenjuje da korištenje supravodljivog kabela na vjetroelektrani može smanjiti troškove postavljanja za oko 15%. Takve uštede mogle bi biti ključne jer EU teži povećanju udjela obnovljive energije na najmanje 42,5 % potrošnje 2030. s 23 % u 2022.
Dobici u krajnjoj liniji još su važniji jer je velika tržišna prepreka za supravodljive kabele ukorijenjena navika proizašla iz desetljeća oslanjanja energetske industrije na bakar, prema Magnussonu.
‘Ako želite promijeniti tehnologiju koja već radi 50 do 100 godina, mora postojati velika korist’, rekao je.
Istraživanje u ovom članku financirao je EU-ov program Horizon uključujući, u slučaju SUBRACABLE, putem Europskog vijeća za inovacije (EIC).
