Til hovedinnhold
Superledere med null tap
Relaterte tema

Publisert 31. mai 2005

SINTEF Energiforskning har i flere år forsket på å bruke superledere for å minske tapene og øke virkningsgraden i induksjonsovner for aluminium og kobber. Det har vist seg at så spesielle materialer som superledere her krever nytenkning. Hvordan kan man utnytte superledere best mulig i en slik anvendelse?

Stikkordet er likestrøm. En superledende spole kan uten tap generere et statisk magnetfelt gjennom å føre en likestrøm. Et statisk felt induserer i seg selv ikke strømmer og derfor heller ingen varme i metallstykket som skal varmes opp, men ved å rotere metallstykket kan man indusere strømmer. Rotasjonen gjør at metallstykket, i dette tilfelle en sylinderformet massiv bolt, ”ser” et varierende magnetfelt og dermed induseres strømmer. En motor lager rotasjonen, og mekanisk energi i motoren omdannes således til varme i aluminiumsbolten. Elektriske motorer i 500 kW-området har virkningsgrader på over 90 prosent, og den totale virkningsgraden til systemet havner derfor i nærheten av 90 prosent.

Konsortium med EU-støtte
Med den nye ideen om likestrøm og en del innledende studier har SINTEF Energiforskning tatt initiativ til, og opprettet, et konsortium for å utvikle teknikken mot et industrielt produkt. Konsortiet, som består av europeiske universiteter, forskningsinstitutter og foretak (se ramme), har fått støtte fra EU til et treårig prosjekt. Hensikten med prosjektet er å utvikle og bygge en prototyp som skal testes i et polsk pressverk. Dette byr på flere utfordringer, ikke minst når det gjelder den mekaniske gripeanordningen som skal holde den roterende bolten.

En meterlang aluminiumsbolt med en radius på to desimeter skal roteres med opp til 3000 rpm i et kraftig magnetfelt. Det elektromagnetiske systemet er avansert. For eksempel skal en superleder (magnesiumdiborid) som ble oppdaget så sent som i år 2001 brukes. Dessuten, og det er kanskje det viktigste, skal hele systemet tilpasses et tøft industrielt miljø.

Designer superledende spoler
SINTEF Energiforsknings oppgave i prosjektet er å designe og bygge det elektromagne-tiske systemet. Design av spolesystemet er et interessant tredimensjonalt problem. Med spolesystemet skal man kontrollere magnetfeltet og temperaturen på ulike steder i bolten. Feltstyrke, rotasjonshastighet, oppvarmingsforløp i bolten og konfigurasjonen av spolene henger nøye sammen.   Det vil være en teknisk utfordring å bygge spolene. De skal tåle store mekaniske krefter fra rotasjonen av bolten, men også nedkjøling til lave temperaturer. Dette gir stor termisk kontraksjon og stiller spesielle krav til materialet. Det er utviklet et målesystem for å kunne teste ut ulike spolekonfigurasjoner for temperaturer ned til 20 K (-253 °C) og innledende forsøk er i gang med den nye superlederen.

Spesielle materialer
Superlederes evne til å føre elektrisk strøm uten tap har vært drivkraften i detaljerte spekulasjoner om framtidens elsystem. To egenskaper har imidlertid bidratt til å motvirke utviklingen av superlederbaserte elsystemer.

Den første er superlederenes arbeidstemperatur. Superledere må kjøles til svært lave temperaturer før de i det hele tatt blir superledende. Arbeidstemperaturen for en superleder er normalt -196°C (flytende nitrogens kokepunkt) eller lavere.

Å holde et materiale ved disse temperaturene er i seg selv ikke noe stort problem. Men så er superledere bare virkelig superledende for likestrøm. Ved vekselstrøm, som vårt elsystem er basert på, blir det tap. Å kjøle bort disse tapene er dyrt og denne kostnaden har hittil forhindret superledere i å få en bred anvendelse.

Det finnes to muligheter for komme rundt disse problemene:

  • Den ene er å minske vekselstrømstapene  i det superledende materialet til et  akseptabelt nivå. Mye internasjonal  forskning er gjort på dette området.
  • Den andre muligheten er å holde seg  til likestrøm.

Induksjonsoppvarming av aluminium
Induksjonsoppvarming er en prosess der et elektrisk ledende materiale varmes opp ved at et varierende magnetfelt induserer strømmer i materialet. Magnetfeltet genereres normalt ved at en kobberspole fører vekselstrøm. Når man ved induksjon varmer aluminium og kobber er virkningsgraden veldig lav. Ved aluminiumpressverk forvarmes boltene som skal ekstruderes ved hjelp av induksjonsovner.

Induksjonsovnene har effekter opp til rundt 1 MW og virkningsgrader på i beste fall 55-60 prosent. Nesten halvparten av tilført effekt går altså tapt i kobberspolene. Dette tilsvarer en energikostnad for en ovn på nærmere 1 million kroner årlig.

Det er stor interesse for superledere. De siste hundre år har forskning rundt superledere blitt belønnet med fem nobelpriser i fysikk. Med kommersielle anvendelser har det derimot vært sparsomt. Unntaket er magnetisk resonans (MR) systemer som lenge har vært i bruk på sykehus til avbildning og medisinsk diagnose.


Sivilingeniør Johan Skjølberg ved oppsettet som tester egenskapene til superledere som vil bli brukt til induksjonsoppvarming. Lederne festes på kobberflaten og kjøles ned til 20K.

Kontakt: Niklas Magnusson

Tekst: Forsker Niklas Magnusson,
Foto: Mette K. Høiseth

Medlemmer av konsortiet:
Fraunhofer Gesellschaft, Tyskland
Tampere tekniske universitet, Finland
Institute of Non-Ferrous Metals, Polen
Columbus Superconductors, Italia
GK Kety, Polen
SMS Elotherm, Tyskland
Hannover universitet, Tyskland
Skoda Vyzkum, Tjekkia
(Den tjekkiske republikk)
SINTEF Energiforskning AS, Norge (koordinator)