Børsteløs er best, også i kraftverk

Nore I kraftverk i Numedal. Wikimedia Commons/Statkraft
Nore I kraftverk i Numedal. Wikimedia Commons/Statkraft

Stipendiat Jonas Kristiansen Nøland har funnet ut hvordan norsk energiproduksjon kan bli mer effektiv og konkurransedyktig.


Tekst: Jan-Henrik Kulberg

Det er ikke bare i bilvaskehallen valget står mellom børsteløs eller børster. Kraftprodusenter og nettoperatører står overfor det samme dilemmaet, og svaret har så langt vært børster. 

Forskningen til Jonas Kristiansen Nøland kan snu opp ned på det.

- Mindre slitasje og mer effektiv energiproduksjon uten tap av energi underveis, sier Kristiansen Nøland.  

Han hevder en overgang fra børster til børsteløs, vil gjøre norsk energiproduksjon mer konkurransedyktig i forhold til nabolandene våre.

Børsteløs blender

De elektriske husholdningsapparatene du har hjemme, har børsteløse motorer.   Det er altså greit med små apparater.  Utfordringen er at det ikke er tillatt med børsteløse generatorer for kraftverk med størrelse over 25 megavolt-ampere.  Den norske nettoperatøren Statnett står for denne reguleringen. 

Roterende kraftelektronikkboks. Foto
Slitasje og tapt energi

I Norge er vi som kjent gode på vannkraft, og vi produserer mye av det.  De store vannkraft-generatorene magnetiseres ved hjelp av høy likestrøm. Denne sendes inn til de roterende generatorpolene ved hjelp av børster.  I likhet med børstene i bilvaskehallen, blir også disse børstene slitt.  Statkraft i Norge har de siste tiårene hatt betydelige utfordringer med børsteslitasje i enkelte vannkraftanlegg. 

- Det har medført kostnader i form av vedlikehold og tapt energiproduksjon, sier Jonas Kristiansen Nøland.

Løser nettoperatørenes problem

Det finnes en interessekonflikt mellom nettoperatørene og kraftverkseierne.

Kraftverkseierne ønsker børsteløs magnetisering, for å redusere kraftverkets vedlikehold og nedetid. De vil gjerne kutte kostnaden til den produserte energien.

På den andre siden ønsker nettoperatørene generatorer med børster.  De begrunner det med at de konvensjonelle børstløse generatorene ikke er så raske til å regulere spenning, og at de bidrar til å gjøre kraftnettet mindre stabilt.

Jonas ved siden av testriggen han har vært med på å bygge.  Foto- Jeg har forsket på en forbedret versjon av det børsteløse systemet, som har vist seg å løse noen avnettoperatørene sine bekymringer.  Det viser seg at den nye teknologien er like god som den konvensjonelle. I tillegg viser det seg at systemet vi har testet, gjør at generatoren lettere kan håndtere midlertidige kortslutninger uten at den må kobles fra nettet, forteller Jonas Kristiansen Nøland.

Slik funksjonalitet har fått økt oppmerksomhet de siste årene blant de europeiske nettoperatørene, og er også tatt med i retningslinjer fra EU.  En grunn til det, er økt sårbarhet som resultat av at vi sender mer uregulerbar fornybar energi inn i strømnettet. Dette gjør kraftsystemet mer komplisert og mindre forutsigbart å håndtere, fordi tilgangen på energi vil kunne variere fra disse kildene, som f.eks. sol, vind og bølger.

Slik fungerer det

Den nye børsteløse teknologien som Jonas Kristiansen Nøland har funnet frem til, innebærer at likestrømmen genereres på generator-akselen, uten å måtte overføres gjennom børster. 

- Styringen av den genererte likestrømmen gjøres ved hjelp av kraftelektroniske komponenter, som er installert på den roterende akslingen, forteller han. 

På to kraftverk i Sverige og Island har det vært brukt Bluetooth-kommunikasjon for styring av de roterende komponentene på akslingen. 

- Dette er en teknologi som vi har testet, og den har gitt gode erfaringer. Flere nye børsteløse prosjekter er planlagt i nabolandene våre. Teknologien opplever også økt interesse gjennom mulige kommersielle prosjekter i USA, sier Kristiansen Nøland.


Håper på modernisering

Hands on forskningsarbeid.  Her vikler Jonas opp rotorviklingen på den børsteløse magnetiseringsmaskinen han har utviklet, bygget og testet. Foto

Den tekniske utviklingen har nok gått litt raskere enn endringene i den norske nettstandarden. Kristiansen Nøland håper funnene i den ferske doktorgradsavhandlingen vil føre til modernisering, og at Statnett endrer sine krav til store kraftverk med generatorer over 25 megavolt-ampere installert effekt.

Nordisk samarbeid

- Norden har et av de sterkeste vannkraftmiljøene i verden. Skal vi utnytte dette maksimalt og nå opp internasjonalt, må vi samarbeide. Det har imidlertid vært laber aktivitet på forskning innen vannkraft i Norge de siste tiårene. Samtidig har Sverige posisjonert seg sterkt innen vannkraftforskning.

- Partnerskapet med Uppsala Universitet og Svenskt Vattenkraft Centrum (SVC) har vært en viktig suksessfaktor for dette prosjektet. Nå virker det som om ting for alvor begynner å skje innen forskning i Norge også, med FME HydroCen, som for øvrig HSN er med i som forskningspartner, avslutter Kristiansen Nøland.

 

Denne artikkelen er også publisert hos Teknisk Ukeblad

Jonas Kristiansen Nøland

Ansatt ved ved Fakultet for teknologi, naturvitenskap og maritime fag, Institutt for Mikrosystemer.

Har siden 2013 deltatt i et doktorgradsprosjekt som har vært et samarbeid mellom HSN, Uppsala Universitet og Statkraft AS (finansiering). 

I perioden har han vært ansatt i 100% stilling som høgskolelektor på HSN, gjort publikasjoner i HSN sitt navn og undervist i 2. års faget Elektriske Maskiner og Kraftelektronikk for bachelorstudiet i Maritim Elektro-automasjon ved campus Vestfold.

Disputerer 10. mai ved Uppsala Universitet med avhandlingen "A new paradigm for large brushless hydrogenerators – Advantages beyond the static system» (fulltekst PDF). 

Abstract kan leses her


Dette sier Statkraft

Jan Petter Haugli, Vice President Electro & Mechanical Disciplines, Power Generation:

"Statkraft ønsker gjennom dette prosjektet å finne hvor de tekniske grensene går for trådløst styrt børsteløs magnetisering. Målet er å dokumentere disse grensene slik at børsteløs magnetisering i fremtiden kan tillates på større aggregater. Det vil i så fall spare fremtidige drifts- og vedlikeholdskostnader for oss.

Den verste konsekvensen av børsteslitasje, og spredning av kullstøv, er for øvrig børstebrann, med følgeskader som kan gi lengre nedetider og produksjonstap. Bruk av børsteløs magnetisering eliminerer denne konsekvensen.

Statkrafts videre mål med prosjektet er å ta stegene mot utvikling av en fullskala prototype. Akkurat hvordan det skal skje, er vi for tiden i dialog med Jonas Nøland og Uppsala Universitet om."