Suprakaapeleilla vihreää energiaa

Aurinko- ja tuulisähkö pitää saada nopeasti pistorasiaan, joten nyt lasketaan kaapeleita Euroopan uudelle elektronien valtatielle. Ja laboratoriossa Intiassa tehty keksintö ehkä auttaa siirtämään vihreää energiaa koko maapallolle vain sekunneissa.

Aurinko- ja tuulisähkö pitää saada nopeasti pistorasiaan, joten nyt lasketaan kaapeleita Euroopan uudelle elektronien valtatielle. Ja laboratoriossa Intiassa tehty keksintö ehkä auttaa siirtämään vihreää energiaa koko maapallolle vain sekunneissa.

shutterstock/Claus Lunau

Työnnä pistotulppa pistorasiaan ja ajattele kaikkia niitä elektroneja, jotka etenevät sytyttämääsi pöytävalaisimeen johtoa pitkin.

Tuhansien ja taas tuhansien triljoonien muiden elektronien tavoin ne ovat päässeet ahtaiden kaapeleiden kautta perille, mutta matkalla osa niiden tovereista on hävinnyt.

Elektroneille kuparijohtimet ovat kuin tahmeaa siirappia, joka vastustaa niiden kulkua. Miljoonien kilometrien pituisessa sähköverkossa tästä on seurauksena se, että noin kymmenen prosenttia tuotetusta sähköstä hukkaantuu.

Tarve torjua ilmastonmuutosta puoltaa siirtymistä mustasta kivihiilestä vihreään tuuli- ja aurinkoenergiaan.

Sähkö pitää saada nopeasti kuluttajille, mutta jakelu tapahtuu tahmeasti kaapeleilla. Siksi insinöörit ja fyysikot pyrkivät korvaamaan kuparisen kinttupolun suprajohtavalla valtatiellä.

Vihreä sähkö vaatii järeitä johtoja

Ensimmäiset sähkövoimalat, kuten Lontoon Holborn Viaduct, rakennettiin 1800-luvun lopulla.

Ne tuottivat tasavirtaa tehtaiden, hotellien ja katujen valaistusta varten. Holborn Viaduct oli maailman ensimmäinen kivihiilellä toimiva sähkövoimalaitos.

Ajan mittaan voimaloiden koko ja teho kasvoivat ja sähköverkot laajenivat, mutta itse järjestelmä muuttui hyvin vähän. Nykyään Euroopan suurin kivihiilivoimala on Puolan Elektrownia Bełchatów, jonka vuosituotanto on 28 terawattituntia eli 28 miljardia kilowattituntia.

Se vastaa yli viiden miljoonan kotitalouden kulutusta.

Katso, miten vedenalainen robotti laskee kaapeleita

Elektrownia Bełchatów ja kaikki muut perinnäiset voimalaitokset tuottavat sähköä generaattoreilla, joita pyörittävät höyryturbiinit.

Kun sähköä tarvitaan lisää Puolan keittiöissä, pannaan yksinkertaisesti enemmän pökköä pesään.

Kivihiilen polttaminen aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä. Kasvihuonekaasuna hiilidioksidilla on oma osuutensa ilmastonmuutoksessa.

Puolan suurvoimalasta pääsee ilmakehään joka vuosi noin 37 000 000 tonnia hiilidioksidia, mikä tekee siitä Euroopan merkittävimmän ilmaston kuormittajan.

Uusiutuvat energianlähteet, kuten tuuli-, aurinko- ja vesivoima, ovat vähäpäästöisiä, mutta sähköntuotannon pitää vastata kulutusta. Riittäisikö Puolassa kestävällä tavalla paikallisesti tuotettua sähköä kaikille tyynenä ja pilvisenä talvipäivänä?

Laiva laskee 17 000 tonnia kaapelia

/ 3

Seitsemän potkuria ohjaa

Laivassa on kaksi eteenpäin vievää potkuria ja viisi 360 astetta kääntyvää ruoripotkuria. Ne pitävät kurssin dynaamisella paikannusjärjestelmällä, joka muun muassa GPS:n ja tuulimittareiden avulla määrittää esimerkiksi, kuinka laiva kumoaa merivirran vaikutuksen.

1

Kaapeli puretaan kelalta

Peräti 100 kilometriä tehdasvalmisteista yhtenäistä kaapelia kierretään laivan keloille. Kaapelia puretaan perästä samaa tahtia kuin laiva kulkee eli yleensä 4–5 kilometriä tunnissa. Viking Link -linja vaatii kaikkiaan seitsemän laskua.

2

Sukellusalus viimeistelee työn

Merivirrat ja troolit voivat siirtää ja ankkurit vahingoittaa kaapelia. Siksi kauko-ohjauksinen kone hautaa kaapelin merenpohjaan paineveden avulla. Kaikkein riskialtteimmissa paikoissa kaapeli upotetaan kolme metriä syviin uriin.

3
© Claus Lunau & Prysmian Group

Ongelma on ratkaistavissa uudenlaisilla kaapeleilla, joilla sähköä saadaan nopeasti sinne, missä sitä tarvitaan.

Tästä syystä eri puolilla Eurooppaa kehitetään sähköverkkoa voimakkaasti. Esimerkiksi tanskalaiset ja brittiläiset energiayhtiöt ovat rakentamassa 630 kilometrin pituista Viking Link -merikaapelilinjaa Pohjanmeren poikki.

Lähitulevaisuudessa Leonardo da Vinci -laiva laskee merikaapelin Britannian ja Tanskan välille. Kun sähkönsiirtolinja valmistuu joulukuussa 2023, sitä pitkin voidaan siirtää 1 400 megawattia (MW) maasta toiseen.

Kun Britannian tuulivoimalat pyörivät suotuisissa olosuhteissa, syntyvä ylijäämäsähkö voidaan toimittaa Manner-Europppaan.

Säärintaman tavoitettua noin 36 tunnin kuluttua tanskalaiset tuulipuistot Pohjanmerellä briteille voidaan siirtää ylimääräistä sähköä.

Tavoitteena on siirtää kymmenen vuoden kuluttua Viking Link -linjan kautta joka vuosi yhdeksän terawattituntia (TWh) edestakaisin. Se vastaa noin 1,5 miljoonan kotitalouden kulutusta.

Kun sähkövirta siirretään syvästämerestä maihin, se pitää muuttaa tasavirrasta vaihtovirraksi, ennen kuin se johdetaan pistorasioihin. Tämä tapahtuu muuntoasemalla. Sen jälkeen virta kulkee maahan kaivettuja kaapeleita tai ilmajohtoja pitkin paikallisiin muuntamoihin, missä sen jännite muunnetaan 400 000 voltista 230 voltin verkkojännitteeksi. Kuvassa oleva maailman voimakkain muuntoasema pystyy käsittelemään 1 100 000 voltin jännitettä. Sen rakennuttaja on Siemens.

© Siemens Energy

Euroopassa risteilevät Viking Linkin tapaiset siirtolinjat voivat tulevaisuudessa varmistaa, että liedet lämpenevät Puolassa vihreällä sähköllä, joka on tuotettu tuulisessa Britanniassa, ja britit voivat keittää teensä espanjalaisella aurinkosähköllä, ennen kuin ilta pimenee Pyreneiden niemimaalla.

Vesivoima ylittää valtameren

Tulevaisuuden merikaapelit voivat ulottua paljon kauemmaksi kuin Pohjanmeren toiselle puolelle.

Esimerkiksi Grönlannilla on valtava vesivoimapotentiaali – eikä ainoastaan siksi, että mannerjäätikkö sulaa, vaan myös siksi, että sadevesi kerääntyy suuriksi järviksi rannikon tuntumaan.

Tätä nykyä Grönlanti tuottaa sähköä vain viidellä pienellä vesivoimalaitoksella, mutta se voisi myös viedä sähköä merikaapelia pitkin Islantiin ja Skotlantiin ja sieltä edelleen Manner-Eurooppaan.

Grönlannin energiayhtiö Nukissiorfiit arvioi, että rannikkovesivoimaloilla on mahdollista tuottaa sähköä jopa 20 TWh energiaa vuodessa eli melkein Elektrownia Bełchatówin vuosituotannon verran.

Hankkeen haaste on 1 500 kilometrin merikaapeli, jota ilman vesivoimalaitoksia ei voida liittää Euroopan jakeluverkkoon. Kaapeli pitäisi laskea vaativalle merialueelle, ja matka on pitkä elektroneille.

Kaapelin johdin on yleensä kuparinen. Kuparilla on nimittäin hopean ohella pienin ominaisvastus, joka on sähkönjohtavuuden käänteisarvo.

Vaikka kupari olisi kuinka puhdasta, vastus kasvaa suureksi satojen kilometrien matkalla. Esimerkiksi Viking Linkissä käytettävässä kaapelissa johtimen läpimitta on noin 48 millimetriä ja poikkipinta-ala 1 800 neliömillimetriä.

Tavallisen 230 voltin verkkojännitteen sijasta Viking Linkin jännite on 525 000 volttia, koska suurjännite pienentää energiahäviötä.

Suurjännitteestä ja ranteen paksuisesta johtimesta huolimatta osa virrasta ei pääse perille.

Johtimissa mantereella kulkee yleensä 50 hertsin (Hz) vaihtovirta – toisin sanoen virta vaihtaa suuntaa 50 kertaa sekunnissa. Merikaapelit ovat kuitenkin valtavan pitkiä. Niin suuriin etäisyyksiin vaihtovirta ei sovi, koska virta ei enää voi vaihtaa suuntaa samassa tahdissa molemmissa päissä. Siksi käytetään niin sanottuja HVDC-kaapeleita, jotka siirtävät tasavirtaa yleensä 400 000–500 000 voltin jännitteellä, koska mitä suurempi jännite on, sitä pienempi on siirtohäviö.

© Sumitomo Electric

Niistä 1 400 MW:sta, jotka kulkevat Viking linkin kahden kaapelin johtimien läpi, runsaat 20 MW haaskautuu lämpönä.

Vaikka 20 MW ei kuulosta paljolta, se on esimerkiksi yli 200 kertaa niin paljon kuin vanha Holborn Viaductin voimalaitos pystyi parhaimmillaan tuottamaan.

Jos energiayhtiöt käyttävät Viking Linkiä paksumpia kaapeleita ja suurempia jännitteitä, häviö pienenee.

Käytännössä järeämpiä kaapeleita ei ole kuitenkaan mahdollista hyödyntää, mikäli tähdätään maailmanlaajuiseen sähköverkkoon. Sen sijaan pitää ottaa käyttöön niin sanotut suprajohteet.

Suprajohtavuus säästää sähköä

Viking Linkissä energiaa häviää 600 kilometrin matkalla 20 MW, mutta vastaavan suprajohtavan siirtolinjan energiahäviö olisi olematon. Toisin sanoen kaikki siirrettävä sähkö kulkee päästä päähän.

Käsitteen suprajohde lanseerasi vuonna 1911 alankomaalainen fyysikko Kamerlingh Onnes, joka tutki aineiden ominaisuuksia hyvin matalissa lämpötiloissa.

Lordi Kelvin, jonka mukaan on nimetty lämpötila-asteikko ja SI-järjestelmän lämpötilayksikkö, oletti, että metalleilla on äärettömän suuri ominaisvastus 0 kelvinin lämpötilassa eli –273,15 celsiusasteessa. Kaikki siis jähmettyy.

Onnes oli eri mieltä: kun hän lauantaina 8. huhtikuuta 1911 johti sähköä –269-asteiseksi jäähdytettyyn elohopeaan, hän totesi, että ominaisvastus oli nolla. Aine oli tuolloin Onnesin mukaan suprajohtavaa.

Hyvin kylmät elohopeakaapelit eivät ole järin käytännöllisiä, joten Onnesin havainto johti muiden lämpimämmässä suprajohtavien aineiden etsimiseen.

Fysiikassa niistä käytetään nimitystä korkean lämpötilan suprajohteet. Vuosien ajan ennätystä on pitänyt hallussaan elohopean, bariumin ja kalsiumin seos, joka on normaalipaineessa suprajohtavaa –140 asteessa. Ykkössijalle on kuitenkin nyt tyrkyllä uusi aine.

Maaliskuun 10. päivänä 2014 Essenissä Saksassa vihittiin käyttöön maailman siihen mennessä pisin suprajohtava sähkökaapeli. Kaapeli on kilometrin pituinen, ja se yhdistää toisiinsa kaupungin keskustan Herkules- ja Dellbrügge-nimiset muuntoasemat. Suprajohtava kaapeli voi siirtää noin 40 MW ilman mainittavaa hävikkiä. Kaapeli koostuu yttrium-barium-kuparioksidista, jonka vastus on lähes nolla, kun materiaali pidetään jäähdytettynä –200-asteiseksi. AmpaCity-koehanke toimii osana Essenin sähköverkkoa samoilla ehdoilla kuin kuparikaapelit.

© innogy

Intialaislöytö löi tutkijat ällikällä

Kesällä 2018 intialaiset fyysikot Anshu Pandey ja Dev Kumar Thapa Bangaloressa toimivasta Intian tiedeinstituutista saivat sensaatiomaisen tutkimustuloksen. He olivat luoneet kulta- ja hopeananohiukkasia, jotka olivat suprajohtavia aina 13 asteen lämpötilaan asti.

Tulos julkistettiin internetin avoimessa tieteellisten ennakkojulkaisujen arkistossa arXivissa, joka ei vaadi ulkopuolisten asiantuntijoiden tekemää vertaisarviointia. Pian muut tutkijat alkoivat ihmetellä intialaisten tutkimusta.

Kun fyysikko Brian Skinner Massachusettsin teknisestä korkeakoulusta analysoi intialaisten mittauksia, hän huomasi asioita, jotka eivät vastaa nykytietämystä.

Skinner esitti intialaiskollegoilleen kysymyksiä, mutta Pandey ja Thapa vastasivat vain, että he odottivat asiantuntija-arvioita. Toukokuussa 2019 artikkeli julkaistiin korjattuna arXivissa, mutta se ei tyydyttänyt kaikkia.

Intiassa saatuja tutkimustuloksia ei ole voitu todentaa, joten vielä ei ole tiedossa, ovatko Pandey ja Thapa todellakin onnistuneet tekemään yhden fysiikan historian merkittävimmistä löydöistä.

Siinä tapauksessa, että heidän tutkimuksensa mahdollistaa suprajohtavien kaapeleiden massatuotannon, voidaan odottaa uudenlaisia salamannopeita tietokoneita, ultratarkkoja mittausvälineitä ja maailmanlaajuista sähköverkkoa, jota pitkin sähkö siirtyy vaivattomasti paikasta toiseen tarpeen mukaan.

Virta kiertää maapallon ympäri

Globaali suprajohtava sähköverkko voisi tarkoittaa esimerkiksi sitä, että suomalainen saisi talvella pistorasiasta Saharassa tuotettua aurinkosähköä ja Australiaan siirrettäisiin Euroopasta tuulivoimaa öisin, kun sen kulutus olisi täällä pientä.

Jos häviötön sähkönsiirto maanosasta toiseen onnistuu, ei ole enää pakko kehittää kestävällä tavalla tuotettavan sähkön varastointia, sillä aurinko paistaa ja tuuli viuhuu aina jossain päin maailmaa ja sähköä tarvitaan jatkuvasti.

Maailmanlaajuinen järjestelmä on vielä kaukainen haave. Siihen asti pitää muistaa pistorasiasta tulevien 50 triljoonan eli miljardin miljardin elektronin lisäksi ne viisi triljoonaa elektronia, jotka hävisivät.