Til hovedinnhold


Høytemperatur superledere har i mer enn tjue år blitt holdt frem som noe som kan forandre kraftindustrien radikalt. Tusenvis av forskere verden rundt har arbeidet med å forbedre disse materialene og utvikle anvendelser for dem. Når den første kommersielle anvendelsen nå er på markedet, er det to SINTEF-forskere som står bak oppfinnelsen.  

Tekst: Mette Kjelstad Høiseth

Det tysk-engelske selskapet Zenergy Power har solgt tre superledende induksjonsovner og en av dem er allerede i drift i et aluminium pressverk i Tyskland. Disse nye ovnene reduserer energikostnadene med millioner av kroner årlig, og baserer seg på teknologi lisensiert fra SINTEF.

 - Det er imponerende at de har fått fram et produkt basert på våre ideer så hurtig, sier Magne Runde som er initiativtakeren til superlederforskningen ved SINTEF Energiforskning. Dette er den første helt ut kommersielle industrianvendelsen av høytemperatur superledere.

Fem nobelpriser
Superledere er spesielle materialer som leder elektrisk strøm helt uten motstand når de kjøles ned til svært lave temperaturer.

Forskning på superledere har blitt belønnet med fem nobelpriser i fysikk. Til tross for det åpenbare potensialet knyttet til å lede strøm tapsfritt, er den eneste store anvendelsen av superledere frem til nå, foruten i partikkelakseleratorer, i magneter i medisinsk diagnoseutstyr. I disse apparatene blir superlederen kjølt ned med flytende helium ved bare 4 K (-269 °C).

En av nobelprisene innenfor superlederforskning ble tildelt for oppdagelsen av høytemperatur superledere. De behøver ikke kjøles ned til like ekstreme temperaturer som sine forgjengere. Det er superledere av denne typen som nå tas i bruk i induksjonsovner.

Kjøle for å varme
Paradoksalt nok er den første industrielle anvendelsen en ovn. Superlederen er viklet til en spole og nedkjølt til -200 °C eller kaldere, og når det sendes strøm gjennom gir dette et kraftig magnetfelt. Bare et par desimeter unna sørger dette feltet for at en meterlang aluminiumsylinder, en såkalt pressbolt, varmes opp. Oppvarmingsmetoden bygger på elektromagnetisk induksjon.

Brukes i pressverk
I pressverkene forvarmes pressboltene til 500 °C før de ekstruderes til profiler. I konvensjonelle induksjonsovner i aluminiumspressverk benyttes vekselstrøm i kobberspoler. Denne oppvarmingsmetoden er energikrevende, og har dessuten en svært lav virkningsgrad. Store ovner kan ha en ytelse på mer enn 1 megawatt, og halvparten av energien forsvinner i tap på grunn av motstanden i kobberspolene. 

Måtte tenke nytt
Det er altså svært store tap i en slik konvensjonell induksjonsspole, og det er her superlederen kommer inn. Problemet er bare at superledere tåler vekselstrøm dårlig.

 - Da var vi tvunget til å tenke nytt, sier Niklas Magnusson som er den andre forskeren bak oppfinnelsen.

I den superledende induksjonsovnen er det likestrøm i spolen. For å indusere strømmer i pressbolten blir bolten rotert. På denne måten ”ser” pressbolten en vekselstrøm i spolen, og det overføres energi til pressbolten som varmer den opp.

– Det handler om å utnytte de nye materialene på beste måte, påpeker Magnusson. Superledere er materialer som relativt billig kan lage kraftige, kontrollerbare magnetfelt uten energitap. Når vi utnyttet det kunne vi skape en helt ny design.

Startet med bormaskin
I dag kan aluminiumindustrien dra nytte av oppfinnelsen. For hver ovn er besparelsen en halv til én million kroner årlig bare i elkostnader.

- Men det startet i en helt annen skala, sier Magnusson. Vi testet først konseptet med en liten kobberstav som vi satte i en bormaskin. Da vi roterte kobberstaven i et magnetfelt kunne vi tydelig høre at turtallet fra bormaskinen endret seg, og staven ble varm. Det betydde at mekanisk energi i bormaskinen ble overført til varme i kobberstaven, akkurat som i den superledende induksjonsovnen. Dette er prinsippet som ligger til grunn for patentet.

Sparer en halv milliard
Det fins mange aluminium- og kobberpressverk i verden. Ved å bruke den nye teknikken i bare de europeiske pressverkene, er det mulig å spare energi til en verdi av rundt en halv milliard kroner årlig.

I tillegg åpner denne metoden for økt produksjonshastighet og bedre kvalitet i ekstruderingsprosessen.

- Superledere har et stort potensial til å kunne redusere forbruket av elektrisk energi i forskjellige komponenter og prosesser, sier Magne Runde. Induksjonsovnen viser at det finnes anvendelser av superledere som kan være virkelig lønnsomme for brukeren.

Superledende induksjonsovn i drift i et tysk aluminiumspressverk. Foto: Zenergy Power plc

 

Superledende induksjonsovn

I den nye superledende induksjonsovnen omslutter en superledende spole pressbolten. For å holde superlederen nedkjølt må den plasseres godt termisk isolert inne i en såkalt kryostat. Når det sendes likestrøm gjennom spolen dannes det et magnetisk felt vinkelrett på boltens akse. Når så en elektrisk motor roterer bolten vil det induseres strømmer i overflaten på bolten siden bolten da ”ser” et tidsvarierende magnetfelt.

Det er de resistive tapene disse strømmene forårsaker som gir oppvarmingen. Siden superlederen fører likestrøm vil den være helt uten tap, og tapene på grunn av varmelekkasje er heller ikke betydelige.

Virkningsgraden til oppvarmingsprosessen er i hovedsak bestemt av virkningsgraden til den elektriske motoren som roterer bolten, og for hele systemet oppnås en virkningsgrad på nærmere 90 prosent. Dette er vesentlig bedre enn de 50 prosent man har i konvensjonelle induksjonsovner der bolten er i ro og det sendes vekselstrøm gjennom viklingene.

Den superledende induksjonsovnen utvikles, produseres og markedsføres av Zenergy Power. For dette produktet har de blant annet vunnet Hermes Award 2009 som er en industripris på € 100.000, og deles ut på Hannovermessen.

 


Kontakt:
Niklas Magnusson
Magne E Runde

Magne Runde og Niklas Magnusson er forskerne bak den superledende induksjonsovnen. Her står de foran stålkassen som inneholder en superledende spole.
Foto: Mette Kjelstad Høiseth