Hoogspanningsgelijkstroomkabels die elektriciteit efficiënt over lange afstanden kunnen transporteren, spelen een cruciale rol in onze elektriciteitsvoorziening. Het optimaliseren van hun prestaties is dan ook een belangrijke uitdaging. Met dat doel voor ogen, wetenschappers van de Chalmers University of Technology, Zweden, presenteren een nieuw isolatiemateriaal tot drie keer minder geleidend, biedt aanzienlijke verbeteringen aan de eigenschappen en prestaties van dergelijke kabels.

Als we willen overstappen naar een wereld die wordt aangedreven door hernieuwbare energie, efficiënt langeafstandstransport van elektriciteit is essentieel, sinds het aanbod — hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonneparken, evenals hydro-elektrische dammen - ligt vaak ver van steden, waar de meeste vraag is. Hoogspanningsgelijkstroomkabels, of HVDC-kabels, zijn de meest efficiënte manier om elektriciteit over lange afstanden te transporteren. HVDC-kabels met een isolatielaag kunnen ondergronds worden ingegraven of op de zeebodem worden gelegd, waardoor een aanzienlijke uitbreiding van netwerken mogelijk is, en er zijn momenteel veel projecten aan de gang om verschillende delen van de wereld met elkaar te verbinden. In Europa, bijvoorbeeld, het NordLink-project zal Zuid-Noorwegen en Duitsland verbinden, en HVDC-kabelprojecten vormen een belangrijk onderdeel van de energiewende, Het overkoepelende plan van Duitsland om over te stappen op een meer ecologisch duurzame energievoorziening.

"Om de snel toenemende wereldwijde vraag naar elektriciteit aan te kunnen, efficiënte en veilige HVDC-kabels zijn een essentieel onderdeel. Het aanbod van duurzame energie kan fluctueren, dus het kunnen transporteren van elektriciteit via langeafstandsnetwerken is een noodzaak om te zorgen voor een stabiele en betrouwbare distributie, " zegt Christian Müller, leider van het onderzoek en professor aan de afdeling Scheikunde en Chemische Technologie van de Chalmers University of Technology.

Tijdens het vervoer, er moet zo min mogelijk energie verloren gaan. Een manier om dergelijke transmissieverliezen te verminderen, is door het gelijkstroomspanningsniveau te verhogen.

"Echter, een verhoging van de transmissiespanning heeft een nadelige invloed op de isolatie van een HVDC-kabel, " legt Xiangdong Xu uit, onderzoeksspecialist bij de afdeling Electrical Engineering van de Chalmers University of Technology.

"De resulterende hogere elektrische veldspanningen zouden kunnen worden opgevangen als de elektrische geleidbaarheid van het isolatiemateriaal voldoende zou worden verminderd."

De onderzoekers presenteren nu een nieuwe manier om de geleidbaarheid van een isolatiemateriaal te verminderen.

Een materiaal dat de kabels een drie keer lagere geleidbaarheid geeft

De basis van het nieuwe materiaal is polyethyleen, die al wordt gebruikt voor isolatie in bestaande HVDC-kabels. Nutsvoorzieningen, door toevoeging van zeer kleine hoeveelheden - 5 delen per miljoen - van het geconjugeerde polymeer dat bekend staat als poly (3-hexylthiofeen), de onderzoekers waren in staat om de elektrische geleidbaarheid tot drie keer te verlagen

Het additief, ook bekend als P3HT, is een veel bestudeerd materiaal, en gezien de kleine hoeveelheden die nodig zijn, opent nieuwe mogelijkheden voor fabrikanten. Andere mogelijke stoffen die eerder zijn gebruikt om de geleidbaarheid te verminderen zijn nanodeeltjes van verschillende metaaloxiden en andere polyolefinen, maar deze vereisen aanzienlijk grotere hoeveelheden.

"In de materiaalkunde we streven ernaar om additieven in zo klein mogelijke hoeveelheden te gebruiken, om het potentieel voor gebruik in de industrie te vergroten en voor een beter recyclingpotentieel. Het feit dat slechts een zeer kleine hoeveelheid van dit additief nodig is om het effect te bereiken, is een groot voordeel, ", zegt Christian Müller.

Een ontdekking die kan leiden tot een nieuw onderzoeksveld

Geconjugeerde polymeren, zoals P3HT, zijn in het verleden gebruikt om flexibele en gedrukte elektronica te ontwerpen. Echter, dit is de eerste keer dat ze zijn gebruikt en getest als een additief om de eigenschappen van een standaardplastic te wijzigen. De onderzoekers denken dan ook dat hun ontdekking kan leiden tot tal van nieuwe toepassingen en richtingen voor onderzoek.

"Onze hoop is dat deze studie echt een nieuw onderzoeksgebied kan openen, andere onderzoekers inspireren om te kijken naar het ontwerpen en optimaliseren van kunststoffen met geavanceerde elektrische eigenschappen voor energietransport- en opslagtoepassingen, ", zegt Christian Müller.

Het wetenschappelijke artikel, getiteld "Poly (3-hexylthiophene) hergebruiken als een geleidbaarheidsverlagend additief voor op polyethyleen gebaseerde hoogspanningsisolatie, " is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .