Voor in hartje Amsterdam wordt gestudeerd op de bouw van een zes kilometer lange supergeleidende stroomkabel. Hiervoor zou een oude gasdrukpijpkabel kunnen worden gebruikt, een type elektriciteitskabel dat ooit in een staalpijp werd aangelegd.
Als de koperen leiding in de gasdrukpijpkabel kan worden vervangen door een supergeleidende kabel van het materiaal Triax (een verbinding van enkele metalen, koolstof en zuurstof) zou de capaciteit flink kunnen worden opgevoerd. De transportverliezen in de vorm van warmte zijn dan lager en de stroom hoeft niet eerst tot hoogspanning te worden opgewerkt. Dat scheelt in de kosten.
Volgens projectleider Alex Geschiere van Nuon Tecno gaat het om een wereldprimeur. ‘De langste supergeleidende kabel is zeshonderd meter. En die ligt in de Verenigde Staten (zie kader). In ons project wordt een tien keer langere kabel gebruikt.’ De oude kabel wordt uit de pijp getrokken en de supergeleidende kabel wordt er terug ingetrokken. Door gebruik te maken van bestaande infrastructuur ontstaat op relatief eenvoudig wijze een zes kilometer lange proefopstelling.
Een reden om te experimenteren met het transport van elektriciteit over supergeleidende kabels is dat door toenemende vraag naar elektriciteit capaciteitsproblemen in de netwerken ontstaan. De bestaande technologie heeft de grenzen van de mogelijkheden bereikt. Oplossingen met nog hogere spanning over de bestaande kabels zijn vaak duur. ‘Een ander belangrijke aanleiding om nieuwe transportwegen te verkennen is de opkomst van duurzame energiebronnen,’ vertelt Geschiere. ‘Aankoppelen van deze bronnen op de netwerken is met de huidige technologie complex en daardoor vaak duur.’ De nieuwste generatie supergeleidende kabels heeft deze problemen niet.
Onmisbaar
Supergeleiding ontstaat als elektronen ongehinderd een weg vinden en de weerstand voor de stroom naar nul loopt. ‘Supergeleidende materialen als keramische koperoxiden worden gebruikt om warmte- of andere weerstandverliezen te beperken,’ vertelt hoogleraar natuurkunde aan de Technische Universiteit Twente Horst Rogalla. ‘Supergeleiding heeft drie meest voorkomende soorten toepassingen. Het gebruik van zeer sterke elektromagneten. Het andere is het opvoeren van de snelheid in elektronische schakelingen. De derde soort is toepassingen in de elektriciteitsvoorzieningen om weerstandsverliezen te beperken.’
Volgens Rogalla biedt supergeleiding uitkomst voor energievoorziening. ‘Nu nog wordt elektriciteit tot hoogspanning opgevoerd om het met relatief weinig weerstandverliezen over grote afstand te kunnen vervoeren’, vertelt hij. ‘Als we van supergeleidende kabels gebruik zouden kunnen maken, kan de spanning omlaag.’
Nu, bijna honderd jaar later, is supergeleiding in natuurkundige experimenten en toepassingen steeds vaker een onmisbare factor. Supergeleiding wordt bijvoorbeeld gebruikt in het onderzoek aan kwantumcomputers. Dat zijn computers met een nieuwe type chip dat vele malen sneller is dan de microprocessors die nu worden gebruikt. De kwantumchip bestaat alleen nog in laboratoria.
Supergeleiding is ook te vinden in een MRI-scanner, die met behulp van krachtige magneten afbeeldingen maakt van het binnenste van het menselijk lichaam. Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt in deeltjesversnellers, een experimentele opstelling om meer te leren over de werking van atomen. Tenslotte zijn er zendmasten voor mobiele telefoons waarin supergeleidende schakelingen de gevoeligheid van ontvangst vergroten. Dat levert meer beschikbare kanalen op of een groter bereik.
Het kenmerk van supergeleiding is dat een stroom eenmaal op gang gebracht in een gesloten kring van supergeleidend materiaal kan blijven lopen. Een lopende elektrische stroom wekt een magnetisch veld op. Met supergeleidend materiaal is zodoende op eenvoudige wijze een permanent magnetisch veld op te wekken. Supergeleiding wordt daarom toegepast in magneetzweeftrein. Nu rijden er op verschillende plaatsen, onder meer in Japan, China en Duitsland, zogenaamde Maglev-treinen. Deze trein wordt met behulp van supergeleidende elektrische magneten voortbewogen (zie kader).
Doorbraak
Er zitten ook beperkingen aan de supergeleidingtechnologie. Zo treedt het fenomeen voorlopig alleen op als het gebruikte transportmateriaal flink wordt gekoeld. Maar door de vondst van hoge-temperatuur-supergeleiders is het mogelijk met minder gekoeld materiaal te werken.
Supergeleidende kabels worden meestal gekoeld met vloeibaar helium, maar kan met nieuwe materialen steeds vaker met stikstof of onder hoge druk zelfs bij kamertemperatuur.
In 1986 ontdekten onderzoekers van IBM dat een vorm van keramische koperoxiden al supergeleiding vertonen bij temperaturen van boven de -196 graden Celsius, het kookpunt van vloeibaar stikstof. En dat is een goedkoop en relatief eenvoudig verkrijgbaar koelmiddel. Sindsdien kan supergeleiding op steeds meer plaatsen praktisch worden toegepast.
Hoogleraar Rogalla is voorzitter van de Europese Vereniging van Toegepaste Supergeleiding en werkt zelf aan supergeleiding dat bij minder lage temperaturen al optreedt. Hij ziet voor de hoge-temperatuur-supergeleiding een grote toekomst. ‘Als we straks een materiaal vinden dat bij kamertemperatuur al supergeleidend is, dan maken we een grote doorbraak mee. Want dan komen technologieën als het opslaan van energie in magneten dichterbij,’ vertelt hij.
200 onder nul
Voorlopig is het nog niet zo ver. Eerst zal ervaring en kennis moeten worden opgedaan met praktische toepassing van bestaande supergeleiding. Het project in Amsterdam biedt daar een kans toe. Om elektrische energie te transporteren, zijn lange verbindingen nodig. De grootste uitdaging in het project in Amsterdam is om de lange kabel over de hele lengte constant gekoeld te houden op bijna tweehonderd graden onder nul. Geschiere: ‘Met de huidige techniek is dat nog niet mogelijk. Wij werken samen met de industrie en verschillende universiteiten om de doorbraak te realiseren.’
Naast een oplossing voor capaciteitsproblemen is de supergeleidende stroomkabel ook zuiniger. Hoogspanningsnetten verliezen enkele procenten van de getransporteerde energie door weerstandsverlies. Met supergeleiding heb je veertig procent minder verlies. ‘De kosten zijn nu nog aan de hoge kant. Maar op termijn voor bouw van nieuwe infrastructuur komen ze dicht in de buurt aan die van traditionele bouw, is onze inschatting. Daarnaast zijn de prestaties veel beter en is de techniek milieuvriendelijk,’ aldus Geschiere.