Kraftelektronikk vil revolusjonere kraftnettet

Kraftelektronikk er en sentral del i hverdagsteknologi som solcellepaneler, elbiler, ladestasjoner for elbiler og induksjonskomfyrer. Men disse komponentene blir også viktige når kraft fra havvindparker skal overføres til land og for elektrisk drift av skip.

Google er en storforbruker av elektrisk kraft og har vært en storinvestor i fornybar energi. Nå har selskapet sett at flaskehalsen ikke ligger i å bygge nye sol- og vindparker, men i styring av kraftnettet, spesielt lokalt. Selskapet utlyste sommeren 2014 en konkurranse kalt «Little Box Challenge» der utfordringen er å utvikle en vekselretter som er en tidel så stor som dagens, «fra en kjølebag til en bærbar». En vekselretter gjør likestrøm (DC) om til vekselstrøm (AC). Googles utfordring er et stort teknologisprang som også er relevant for andre omformere (AC til DC (likeretter), og DC til DC).

– Nye halvledermaterialer vil åpne for en revolusjon i kraftelektronikk, sier professor Ole-Morten Midtgård. Foto: NTNU

Stort norsk prosjekt ser mulighetene 

– Dette er en trend vi har sett en stund. Fremover vil det komme nye komponenter på markedet basert på nye halvledermaterialer med mye bedre egenskaper enn silisium. De vil åpne for en revolusjon i kraftelektronikk, sier professor Ole-Morten Midtgård ved NTNU.

Han leder et nytt prosjekt som skal studere hvordan de nye halvlederne og komponentene kan brukes. Prosjektet fikk nylig tildelt støtte fra Forskningsrådets ENERGIX-program. Med som partnere er SINTEF Energi, EFD Induction, Eltek, Siemens, Norwegian Electric Systems og Vacon. Prosjektet kalles «High Performance Power Electronics with Wide Bandgap Power Semiconductors for Industrial, Marine, Renewable Energy & Smart Grid Applications».

Nye halvledere tar ti-gangeren nedover

Styring av effekt er mye mer krevende enn styring av signaler. Når elektronikken skal styre effekt, blir det utviklet varme som må ledes vekk, både med store kjølearealer og gjerne også en vifte. Det gjør omformerne store. Utfordringen er å få dem små og billige.

Det som gjør aktører som Google, NTNU og Eltek så entusiastiske for kraftelektronikk er de nye halvlederne som er kommet på markedet.

Halvlederne silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har et stort såkalt båndgap. Omformere med disse halvlederne kan kjøres med mye høyere frekvens enn dagens kraftelektronikk. De tåler høyere spenning og de er bedre til å lede bort varme. Hver av disse tre faktorene er i størrelsesorden ti ganger bedre enn dagens komponenter. Dermed kan komponentene lages mye mindre.

– Etter hvert kan vi utstyre «alt» med kraftelektronikk. For eksempel kunne kraftelektronikken være bygd inni selve solcellen, og i alle fall i hvert solcellepanel, sier Midtgård.

Prismessig er ikke de nye materialene konkurransedyktige ennå og heller ikke stabile nok til kommersielle produkter, men de første komponentene er på vei og norske aktører akter å ligge i forkant i anvendelsen, både i forskningsmiljøene og industrien.

Solceller på taket i kombinasjon med batterier kan bli mer lønnsomt med ny kraftelektronikk. Foto: CoCreatr, Creative Commons

Midt i blinken for norsk aktør

Norske Eltek som eksporterer over 95 prosent av sin produksjon, står midt i utviklingen. Selskapet er et av de ledende i verden på omformere for strømforsyning til telekombransjen. Men nå utvides utviklingen til smartgrid og bruk av kraftelektronikk i kombinasjonen smartgrid og energilagring.

– Googles konkurranse var midt i kompetanseområdet vårt, og det var interessant å få denne bekreftelsen på at vår kjerneteknologi vurderes som viktig for fremtidens smarte nett.  Vi valgte imidlertid å ikke melde oss på i denne konkurransen fordi vi ønsker å prioritere spesifikasjoner som er viktige for kommende produkter framfor spesifikasjoner i en slik konkurranse, sier forskningsdirektør Ole Jakob Sørdalen i Eltek.

Selskapet har i flere år forsket på smartgrid støttet av Forskningsrådet. Ny teknologi som gjør det mulig å lage kostnadseffektive mikronett, typisk i kombinasjon med solenergi og energilagring. En anvendelse er elektrifisering av landsbyer, en annen er mikronett i datasentre og en tredje er om bord på skip og rigger. Selskapet fikk nettopp støtte fra Forskningsrådets ENERGIX-program til et nytt toårig prosjekt innen «grensesprengende energiforskning».  Prosjektet skal utvikle kostnadseffektiv teknologi for distribuerte energilagringsløsninger i nettet.

– Nøkkelordet for det som nå skjer, er behovet for kostnadseffektiv fleksibilitet i distribusjonsnettet.  Den bakenforliggende driveren er den relativt raske installasjonen av fornybar energi i mange markeder. Nye typer flaskehalser oppstår i nettet som følge av mer uforutsigbar kraftproduksjon fra sol og vind, og mer krevende laster fra f.eks. hurtigladning av elbiler og induksjonsovner, sier han.

Snur opp ned på energibransjen

Forbrukerne har fått nye muligheter til å redusere energikostnadene ved at de kan installere anlegg for fornybar energi selv. Det vil åpne for nye forretningsmodeller og er i ferd med å påvirke hele kraftbransjen. Det skjer allerede i USA. Banken Barclays nedgraderte i mai 2014 hele den amerikanske kraftsektoren på grunn av trusselen fra solenergi og energilagring.

Til nå har batterier stor sett blitt brukt til nødstrøm, men her vil det bli en rask endring med kraftig vekst i batterier til energilagring. Det skyldes både teknologisk utvikling og større kapasitet, blant annet som følge av vekst i elbilmarkedet.

– Et nytt marked åpner seg for en kombinasjon av energilagring i batterier med kraftelektronikk som tar seg av styring, automatisering og kommunikasjon. Det er her Google går inn og lanserer Little Box Challenge. Å få kraftelektronikken kompakt og kostnadseffektiv er en kritisk faktor for at man skal kunne rulle ut fornybar energi i stor skala i husholdningssektoren, sier Sørdalen.

I tillegg må det utvikles løsninger for kommunikasjon og styring av de nye energi- og effekt-tjenestene fra batterisystemene. Eksempler på slike tjenester kan være reserveeffekt for regulering av nettfrekvensen, spenningsregulering, reduksjoner av topplast og fasebalansering.

De store forbrukerne tar styringen

Såkalte «demand-response»-systemer som utnytter fleksibiliteten hos forbrukerne er allerede populære i USA og kommer for fullt i Europa.

– Et nytt marked åpner seg for en kombinasjon av energilagring i batterier og kraftelektronikk, sier Ole Jakob Sørdalen. Foto: Eltek

Den ene brukergruppen er store energibrukere. For eksempel bygger Apple sitt nye kontorkompleks i Silicon Valley slik at det er helt selvforsynt og i prinsippet kan kobles fra nettet. Det sparer energikostnader og det sparer miljøet.

Den andre store brukergruppen er telekomselskaper som ønsker å bruke energilageret i batteriene i nødstrømsystemet til noe enda mer verdiskapende, som å redusere egne elektrisitetskostnader eller å tjene ekstra penger på fleksibiliteten de sitter på.

Den tredje gruppen er virtuelle kraftselskaper. De tilbyr kundene lavere kraftpriser mot at de får utnytte fleksibiliteten i batterier som plasseres hos kundene. Det virtuelle kraftselskapet kan tilby denne effekt-fleksibiliteten i flere kommersielle markeder på samme måte som fysiske kraftprodusenter. Noen av disse inntektene kan deles med forbrukerne for å finansiere investeringer i energilagringssystemer.

– Elteks ambisjon er å kunne levere teknologi som gjør at distribuerte energilagringssystemer blir kostnadseffektive verktøy for fleksibilitet, og at forbrukere og kommersielle aktører kan utnytte denne fleksibiliteten i energisystemet, sier Sørdalen.