Ei sähköä ilman muovia

”You just expect it to be there”, totesi hollantilainen vierustoverimme matkalla kohti Amsterdamia. Olimme puhuneet jo tovin muoveista ja niiden käytöstä sähköisissä sovelluksissa. Ensimmäisenä muovien käyttökohteena hänelle tulivat mieleen kännykät, mutta keskustelun mennessä yhä syvemmälle muovien maailmaan ja niiden linkittymiseen päivittäiseen elämäämme sähköverkkojen toimintaa parantavana tekijänä, pääsi ilmoille tuo kaiken tiivistävä lause.

Emme juurikaan mieti, miten päivittäiset hyödykkeemme, kuten sähkö, tuotetaan ja välitetään käytettäväksemme, mutta nautimme kuitenkin toimivasta lopputuloksesta.

Sähkö- ja elektroniikan sovellukset ovat muovien hyödyntämisessä kaukana suurista volyymeistä: eurooppalaiset käyttävät 50 miljoonan tonnin muovipotistaan noin 3 miljoona tonnia eli reilut 6 % sähkö- ja elektroniikan sovellusten tekoon. Toimiva nyky-yhteiskunta tarvitsee muoveja sähkön ja elektroniikan sovelluksiin auttamaan kuluttajaa arjen sujumisessa.

Sähkön varastointitarve   

Nykyinen sähköverkko on murroksessa. Muutoksen ajureita ovat esimerkiksi sähkön paikallisen tuottamisen lisääntyminen tuuli- ja aurinkosähkövoimaloissa sekä liikenteen sähköistyminen. Tuuli- ja aurinkovoiman tuotantoteho vaihtelee voimakkaasti olosuhteiden mukaan, mikä lisää tarvetta paikallisille sähkövarastoille ja sähkön laadun säätämiselle aina siellä, missä uusi toimija liittyy verkkoon.

Sekä sähkön paikallisessa varastoinnissa, että verkkoon kytkemisessä tarvitaan lukuisia tehokondensaattoreita, joiden tyypillisin eristemateriaali on polypropeeni (PP). Muovi on kondensaattoreissa erittäin ohuena, tyypillisesti alle 10 mikrometriä paksuna muovikalvona eli kondensaattorikalvona, jota yhdessä kondensaattorielementissä on satoja metrejä.

Kondensaattorikalvoihin liittyvä tuotekehitys on liittynyt aiemmin esimerkiksi kiteisyyden muokkaamiseen katalyyttien avulla ja valmistustekniikan hiomiseen luotaessa entistä ohuempia ja kestävämpiä muovikalvoja.

Nanomateriaalilla kohti parempia ominaisuuksia

VTT koordinoi GRIDABLE–EU-projektia, jossa päätavoitteina ovat sähkökaapeli- ja kondensaattorikalvokehitys. Tavoitteenamme on ohentaa kondensaattorikalvoja käyttämällä hienojakoista silikaa (nano-SiO2) polypropeenin (PP) seassa. Silikan on todettu sopivissa olosuhteissa pienentävän muoviin kohdistuvaa rasitusta sähkökentässä, mikä voi lisätä komponentin käyttöikää tai mahdollistaa ohuempien muovikalvojen käytön. Lisäksi kehitystyöllä mahdollistetaan pienempien sähköverkkokomponenttien rakentaminen.

Varsinainen PP-silika-seoksen prosessointi vaatii osaamista ja puhtaita olosuhteita. Prosessoinnin jälkeen materiaalit venytetään ohuiksi muovikalvoiksi eli kondensaattorikalvojen koekappaleiksi VTT:n biaksiaalisella arkkiorientointilaitteistolla (Kuva 1).

eisahkoailmanmuovia-kuva1

Kuva 1. Biaksiaalisella arkkiorientointilaitteistolla venytetty muovikalvo

Laboratoriosta maailmanvalloitukseen

Materiaalien toimivuutta demonstroimme aluksi koekappaleiden avulla. Ranskalaiset yhteistyökumppanimme valmistavat kaapelikehityksen tuloksista mallikaapelin, ja suomalaiset kumppanimme analysoivat kondensaattorikehityksen parhaimmiston hyödyntäen testialustaa. Testien avulla valikoituvat parhaat materiaalit, joiden parissa jatkamme tuotekehitystä. Askel kerrallaan etenemme kohti materiaalien tuotantomittakaavan valmistusta ja valmiiden tuotteiden hyödyntämistä tulevaisuuden älyverkon osina.

eisahkoailmanmuovia-kuva2

Kuva 2. Hahmotelma projektin vaikutuksesta sähköverkkotasolla, jossa useita toimintoja liitetään yhteen VSC- ja SES-yksiköiden avulla.

Tulevaisuuden älyverkossa uudet muovikalvot voivat olla osana useita kondensaattoreita sisältäviä VSC-yksikössä (Voltage Source Converter) (Kuva 2). Niiden tehtävä on muokata hajautetuissa energiapuistoissa tuotettu sähkö sopivaksi verkkoon liittämistä varten.

Muovikalvoja voidaan hyödyntää myös kondensaattoreita sisältävissä SES-yksiköissä (Stationary Energy Storage). Niiden tehtävä on varastoida paikallisesti sähköenergiaa, jota syötetään verkkoon tarpeen mukaan. Jopa tuhannen kilometrin päässä olevat toimijat voidaan liittää verkkoon mukaan.

Materiaalien matka laboratoriosta oikean sähköverkon osaksi on pitkä, mutta vaivan arvoinen, sillä uutta sähköverkkoa ei ole ilman kehittyneempiä muoveja. Ehkäpä myös hollantilainen matkakumppanimme pääsee tulevaisuudessa nauttimaan kaikista projektin kehitystyön hedelmistä omassa kodissaan tyytyväisenä ja täysin tietämättömänä siitä kaikesta kehitystyöstä, mitä on tehty taustalla.

GRIDABLE–EU-projekti toteutetaan yhteistyössä seuraavien osallistujien kanssa: VTT, Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratorio, Grid Solutions Oy, Nexans France SA., Terichem Tervakoski S/A, Bolognan yliopisto, Twenten yliopisto ja Innoexc GmbH.

Lisätietoja:

Internet: www.gridable.eu

Youtube: GridAble Project

Twitter: @ProjectGridable

 

paajanen
VTT
Mika Paajanen, johtava tutkija
GRIDABLE –EU-projektin koordinaattori
mika.paajanen@vtt.fi

Satu_Pasanen_10_2018-mr
VTT
Satu Pasanen, tutkija
satu.pasanen@vtt.fi, @VTT_satupasanen

 

 

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.