Mye tyder på at superkritisk nitrogen kan forbedre undersjøiske strømbrytere (og gi grønnere offshore industri!)

Gjesteblogger: Egil Viken, Sommerforsker hos SINTEF Energi
Kontaktperson: Nina Sasaki Støa-Aanensen, Forsker hos SINTEF Energi

I denne bloggen skal vi se nærmere på hva superkritisk nitrogen er, og hvordan det kan brukes til å redusere kompleksitet og kostnader knyttet til strømbrytere på havbunnen. For når man plasserer strømbrytere på havbunnen er det høye trykket en dyr og komplisert utfordring å komme rundt.

Strømbrytere på havbunnen har tidligere vært samme type som på land, med unntaket av at de har vært inne i en beholder som beskytter de mot det høye trykket. Nå forsker SINTEF med støtte fra Forskningsrådet, i prosjektet Strømbrytning i superkritisk nitrogen, på hvordan man kan snu dette på hodet. Vi foreslår å bruke det høye trykket som en fordel ved å ta i bruk superkritisk nitrogen i strømbryterne.

Hva er superkritisk nitrogen og hva kan det brukes til?

Et stoff i superkritisk tilstand er et stoff med temperatur og trykk høyere enn et gitt kritisk punkt, slik at stoffet opptrer både som væske og gass samtidig. For eksempel kan et stoff ha høy tetthet, slik som en væske, men også være lite tyktflytende, slik som en gass.

Men, vi støter sjeldent på superkritiske forhold (riktig temperatur og trykk) naturlig. Derfor må forholdene vanligvis påføres kunstig, spesielt trykket. Fordelen med superkritiske stoffer i strømbrytere på havbunnen er at gode egenskaper fra hver av tilstandene (flytende og gass form) kan kombineres for å sikre effektiv strømbrytning.

Må strømbryterne være på havbunnen hvor forholdene er utfordrende?

Med økende grad av offshore industri som olje,gass og offshore vindkraft, har behovet for elektrisk kraftdistribusjon på havet økt. Mest praktisk er det å plassere anleggene på havbunnen for å sikre fri ferdsel for sjøtrafikk og slippe dyre plattformer for koblingsstasjoner.

Problemet er at havbunnen kan være et nokså utrivelig sted tatt i betraktning det høye trykket der. Tidligere har man som nevnt kapslet inn  bryterne for å  beskytte mot trykket, hvilket er både dyrt og komplisert. Derfor ser man etter andre mulige løsninger.

For superkritiske strømbrytere på havbunnen blir trykkproblemet også løsningen.

Istedenfor å måtte beskytte seg mot høyt trykk, kan man heller bruke det til sin fordel. Det høye trykket på havbunnen kombinert med den lave kritiske temperaturen for nitrogen, gjør at nitrogen på havbunnen blir superkritisk!

Hvordan strømmen brytes i et slikt superkritisk stoff i full skala er ikke utforsket godt nok og er arbeidsoppgaven SINTEF står overfor. Er prosjektet en suksess vil det resultere i enklere og billigere brytere som kan gjøre for eksempel offshore vindkraft mer konkurransedyktig og med det gi en grønnere offshore industri.

Å bryte strøm er ikke så enkelt som å trykke på lysbryteren

Hva er egentlig alt oppstyret rundt det å bryte strømmen? Dette er jo en aktivitet som vi gjør hver dag enten ved å trykke på en lysbryter eller å dra ut støpselet av stikkontakten. Hvorfor er det ikke bare å bryte strømmen?

Først og fremst må man vite at det alltid oppstår en lysbue mellom to ledende kontakter når de trekkes fra hverandre, for eksempel når man trekker støpselet ut av stikkontakten. Denne lysbuen er vanligvis så liten at den ikke synes og den vil slukke av seg selv. Strømmene og spenningene i distribusjonsnettet derimot, er mye større enn de vi forholder oss til i hverdagen. Da blir lysbuen også mye kraftigere.

For å illustrere kan du prøve å forestille deg at du skulle «trekke ut støpselet» i distribusjonsnettet. Sett vekk i fra muligheten for å bli grillet før du rakk å lee en lilletå, måtte du kanskje gått flere skritt før du hadde fått brutt lysbuen. Og strømmen ville gått så lenge lysbuen ikke var brutt! Men, om du hadde kjølt ned lufta godt nok og på riktig tidspunkt kunne lysbuenblitt brutt lettere. Dette er essensen i problemet bryterne også står overfor når man ønsker å bryte strømmer i kraftnettet.

Stoffene i strømbryterne er avgjørende for hvordan de virker

Ved høy spenning over bryteren blir ioner og elektroner produsert og siden akselerert mellom bryterkontaktene. Vi får da ladde partikler i bevegelse, med andre ord en strøm. Strømmen kan kun brytes dersom man sørger for nok kjøling til at ionene og elektronene rekombinerer til å bli uladde partikler igjen.

Dette må skje fort nok til at man har nok uladde partikler til å motstå påkjenninger når en ny høy spenning over bryteren oppstår. Evnen til å bli ionisert, akselerert og rekombinert er altså blant noen av egenskapene som definerer effektiv brytning. Disse egenskapene ligger hovedsakelig i stoffet som befinner seg i bryteren. Stoffet, i dette tilfellet superkritisk nitrogen, blir derfor utslagsgivende for bryterens virkemåte.

• Sommerforsker Egil Viken forteller om superkritisk nitrogen i undervanns strømbrytere.

Flere grunner til å bruke superkritisk nitrogen i strømbrytere

Superkritisk nitrogen har vist seg som egnet valg for brytere også utover at forholdene på havbunnen er ideelle; gassen er klimavennlig, billig og lett tilgjengelig.

Forskningen så langt har gitt gode resultater. Det er vist at motstand mot ionisering øker ved høyere trykk og gode egenskaper til effektiv kjøling fra væskefasen og gassfasen kombineres i superkritisk tilstand.

Neste steg i å ta i bruk superkritisk nitrogen

Evnen til rask rekombinering er det neste SINTEF skal undersøke. Likevel, ved høyt trykk, virker også andre mekanismer inn som kan motvirke fordelene med superkritisk nitrogen. Konklusjonen er derfor ikke entydig positiv, men den er lovende og vil kunne endre måten man tenker på når det gjelder undersjøisk kraftdistribusjon.