Det er mulig å få 20 prosent mer strøm gjennom kabelnettet
Om vi gjør de rette grepene, kan vi få mye mer ut av kabelnettet – uten å grave en eneste ny grøft. Kun et drømmescenario? Nei, fullt mulig, ifølge forskere.
Dette er fortellingen om hvordan kald beregning, og et samarbeid mellom forskere og en hel bransje, som kan spare Norge flere milliarder kroner i utbyggingskostnader.
Det handler om å skvise mer ut av tuben.
En sammenligning mellom kabelnettet og en tannkremtube er upresis, men ikke helt på jordet. I begge tilfeller handler det om en ressurs vi vet er der, og som vi gjerne vil bruke, men som er vanskelig tilgjengelig.
Kristian Solheim Thinn i SINTEF, og Jan Petter Svegård i Tensio på befaring. Sand og fukt i bakken påvirker temperaturen inne i kablene mye, og det gjelder å holde dem kjølige for å maksimere kapasitet. Eksakt hvor mye – ja det skal de finne ut i prosjektet. Foto: Hege Tunstad
For tannkremtuben er det gjerne snakk om 5–10 prosent rest, som er nærmest håpløs å få klemt ut, med mindre du klipper den opp. I kabelnettet kan det være så mye som 20 prosent – som kan «klemmes ut» hvis vi gjør de rette grepene, forklarer Kristian Solheim Thinn, forsker ved SINTEF Energi.
– Faktisk kan det være så mye som 70 prosent mer kapasitet å hente ut, for noen spesielle tilfeller, sånn som enkelte solparker, forklarer Solheim Thinn.
Hvorfor skal du straks få vite, men kontroll på temperaturen er nøkkelen i dette prosjektet. Temperaturen inni kablene altså. Og den påvirkes mye av omgivelsene.
Her inspiseres en kum for kabler. Kummene er luftet, og det oppstår en skorsteinseffekt i de tomme rørene. Dette gir naturlig ventilasjon og kjøling ved at luft sirkulerer gjennom kabelrørene. Sammen med dem går det nå vannrør som skal brukes for å kjøle kablene. En del av INCA-prosjektet er å finne ut hvor stor effekt et slikt vannkjølende system har. Foto: Hege Tunstad
Gull i grunne grøfter
– INCA er en type samarbeid mellom industri og forskning som løser samfunnsutfordringer – ikke bare på papiret, men reelt ute i kabelgrøfta, sier Solheim Thinn.
Fakta om kapasitet og strømnett:
Kapasitet: Hvor mye strøm en kabel eller linje kan overføre uten å bli overbelastet.
Hva påvirker kapasiteten?
- Varmeutvikling i kabelen
- Kjøling fra jord, luft og fuktighet
- Kabeltype og konstruksjon
- Belastningsmønster
- Transformatorer og koblingspunkter
- Aldring og teknisk tilstand
- Flaskehalser mellom regioner
Statisk kapasitet: Fast grense basert på konservative antakelser.
Dynamisk kapasitet: Grensen justeres etter faktiske forhold i sanntid.
Jo høyere kapasitet, desto mer strøm kan leveres til industri og husholdninger uten å bygge nye kabler.
Det trampes i sand og grus på befaring. Ledningsevne i sanda måles. Det gjettes – hvor mye bedre holdes temperaturen nede med mer finkornet sand?
– Vi i SINTEF Energi utvikler de dynamiske modellene og metodene som gjør det mulig å beregne kapasiteten i sanntid, forteller Solheim Thinn. – Men uten samarbeidet med aktørene ville det ikke skapt så store verdier. Det ligger mye gull i de grunne grøftene der ute, og sammen klarer vi å grave dem frem.
Og graving er det virkelig i prosjektet, som har ulike teststeder rundt om i Norge. Flere steder får kablene selskap av en rekke sensorer nede i grøfta si. Sensorene følger med på temperatur og fuktighet sekund for sekund. Informasjonen fra disse er noe av det som vil hjelpe oss med å klemme mer ut av strømnettet.
Prøving av sensorer i kabelsand. Når varmen fra strømkablene blir for stor tørker sanden ut og den blir til en “termos”. Man må derfor ha kontroll på uttørking og tilsig av fuktighet. Forskningsutfordringen vil være å utvikle enkle testmetoder og enkelt utstyr som gir tilstrekkelig nøyaktighet for formålet. Foto: SINTEF
Tensio tar tempen på kablene
I Trondheim tester Tensio ut temperaturovervåkning via optiske fibre og sammenligner målte verdier med beregnede verdier.
– Vi gjør dette for å skaffe oss lærdom om ulike målemetoder, og sammenstille virkelige verdier med beregnede verdier, forteller Jan Petter Svegård, prosjektleder for INCA i Tensio.
– Når vi får etablert gode målinger av kabler i drift kan vi i tillegg sjekke effekten av både luft og vannkjøling av kabelforbindelser.
Resultatet av testene er at beregningsmodellene de bruker blir mer presise enn de er i dag. De tester også ut hvor stor betydning typen sand og masser rundt kablene i bakken har på temperaturen inni kablene.
Kaldt klima er kjekt for kabler
For kablenes del gjelder at jo kaldere – jo bedre. Og det passer jo veldig bra i et land der vi bruker mer strøm til oppvarming i den kalde årstiden, enn sommerstid til kjøling. Og kabler er følsomme for omgivelsene – både fukt og temperatur spiller en rolle for hvor hardt de klarer å flytte på strøm. Kabler er ikke så gode på deilige sommerdager, og presterer faktisk best i arktisk vintervær.
Fakta om prosjektet:
Prosjektet INCA er organisert med REN AS som prosjektansvarlig, med samarbeidspartnere som SINTEF Energi AS, SafeBase AS, BKK AS, Tensio TS AS, Glitre Nett AS, Mellom AS, Statkraft Energi AS, Lede AS, Lnett AS, Arva AS og Elvia AS.
Prosjektet har som mål å øke kapasiteten i Norges kraftnett ved å optimalisere utnyttelsen av eksisterende kabler gjennom dynamiske kapasitetsberegninger og sanntidsovervåking.
Målet for forskningsprosjektet INCA er tredelt. Det skal øke kapasiteten i nettet, med rundt 20 prosent. Det skal gi nettselskapene et beslutningsgrunnlag som er sannstidsorientert og basert på reelle forhold, ikke “worst case". Og det skal redusere behovet for nye kabelutbygginger, og dermed spare både tid, penger og naturinngrep.
For kraftnettet generelt så betyr dette at vi kan hente ut betydelig mer kapasitet uten å grave opp gater eller legge nye kabler. Med sensorer og avanserte beregninger kan vi se hvor mye strøm kablene faktisk tåler i øyeblikket. Det er kjernen i forskningsprosjektet INCA, som ledes av REN AS, med en rekke samarbeidspartnere i kraftbransjen, og SINTEF Energi som forskningspartner.
I dag beregnes overføringskapasiteten til kabler etter en fast, og ganske så konservativ temperaturgrense – som om det alltid var den varmeste, tørreste og mest ugunstige dagen i året. Sett fra kablenes ståsted.
Men kabler lever jo ikke i en konstant varmt worst case. De ligger i jord som endrer temperatur og fuktighet med vær og sesong. Likevel behandles fortsatt kapasiteten som en fast størrelse. Og det er her vi kan finne verdiene.
Kabelkarer: Her testes måleutstyr i felt. Gevinsten av denne nye kunnskapen kan bli enorm. Foto: SINTEF
– Hvis vi utnytter alt nettet kan gi, kan vi hente ut mer kapasitet når forholdene tillater det – uten å øke risikoen for overbelastning, fordi vi vet den reelle kapasiteten, forklarer SINTEF-forskeren.
Jorden blir en termos
I forskningsprosjektet ser de på kraftnettet som et system i konstant bevegelse, og samspill med omgivelsene. Jorda rundt kablene endrer både temperatur og fuktighet, og kapasiteten følger disse endringene. Derfor kan den ikke lenger forstås som en fast grense, men som noe som endrer seg – time for time, forklarer Thinn.
La oss si at en kabel er 70 grader ved 500 A (strøm). Dersom kabelsanden tørker ut, stiger den termiske resistiviteten, altså hvor mye et materiale motsetter seg varmeledning, i materialet som ligger inntil kabelen. Sanden isolerer da varmen som kabelen genererer bedre, og temperaturen i kabelen stiger.
Jorda rundt blir mer og mer som en termos. Da kan kabelen bli 80 grader ved 500 A strøm bare fordi massene “endrer seg” og derfor isolerer bedre. Og det er verre for kabelen.
– Det er som å bytte fra sommerdyne til vinterdyne, sier Kristian Solheim Thinn. Det blir mye varmere.
Kunnskap er kapital: Det kan være mye kapasitet å hente på å vite faktisk belastning i kraftkabler. Eksempelet viser belastning i to kabler. I den ene kabelen er det tydelige korte belastningstopper i ukedagene. Du kan nesten se når folk lager middag, og når de sover. Figur: Kristian Solheim Thinn, SINTEF
Med sanntidsmålinger fra sensorene som ligger rundt kablene, og samtidig fra innsiden av kablene selv, får forskerne et presist bilde fram: De ser hvordan temperatur, fuktighet og jordens egenskaper helt reelt påvirker hvor mye strøm kablene tåler før de når grensetemperaturen sin. Og det som før var skjult og ubrukt kapasitet, blir plutselig synlig – ikke som en teoretisk mulighet, men som et handlingsrom nettselskapene kan bruke.
Jordnært arbeid
For å få dette til, må beregningsmodellene og virkeligheten møtes. All kunnskapen og dataene som samles inn må gjøres om til et verktøy som nettselskaper kan bruke. Her kommer REN inn. De har gjort grøfta til et landskap som kan forstås i detalj.
Marius Engebrethsen fra REN viser hvordan de kan lese av temperaturen meter for meter inne i en kabel ved hjelp av måleutstyr fra Safebase – en av partnerne i prosjektet. Dette gjelder strømkabler som har fiberoptikk innebygd, noe de nyeste kablene ofte har. Foto: Hege Tunstad.
De har flere angrepsmåter for å finne ut hva kablene tåler. En handler om å utnytte fiberkabel som er inni eksisterende strømkabler for å beregne temperaturen i kabelen.
Andre pilotprosjekt handler om å måle fukt og temperatur rundt kabelen. Et tredje prosjekt skal forene tre verdener som normalt ikke trives sammen: vei, vann og strømkabler.
Se for deg et byggefelt, eller utbygging av vei; Det jobbes hardt med drenering – for ingen vil ha vannet stående i bakken, det må ledes vekk. Det er jo akkurat det motsatte av hva som er optimalt for kabler. Så når kabelgrøfter skal få plass i samme område, så trengs det litt kreativitet – for å gi best mulig omgivelser for både kabler og annen infrastruktur. En mulig løsning kan da være vannbåren kulde.
Kapasitet: minutt for minutt
I nær fremtid vil de ha sensorer langs en rekke kabler, gravd ned i grøftene, eller måle via fiber inni kabler. Informasjon fra disse sendes brukes til å videreutvikle beregningsmodellene. Vi har også en visjon om å ta inn relevante målinger kontinuerlig til programmet, som justerer og finberegner hva som er den reelle kapasiteten.
– Vi bruker noe vi kaller Grøft Design, forteller Marius Engebrethsen fra REN, prosjektleder for INCA.
– Det er en programvare for å beregne overføringskapasitet, et verktøy som bransjen allerede kjenner og bruker til beslutningsstøtte. Så det vi gjør er å teste oss frem til en måte å gi bransjen muligheten for å kunne ta beslutninger minutt for minutt hvor mye hver enkelt kabel kan tåle.
Når Safebase demonstrerer måling av temperatur fra optiske fibre inni kabler, så tyr de til lettfattelige midler for å vise frem kabelens omgivelser. På det forrige bildet kan du se hvordan temperaturen til de ulike delene av kabelen vises på en skjerm, i sanntid. Foto: Hege Tunstad
Så vil nettselskapene kunne justere såkalt maks last deretter. Maks last er den høyeste belastningen strømnettet kan håndtere på et gitt tidspunkt før kapasiteten er brukt opp og nettet risikerer feil eller utkoblinger. For en kabel er det sånn at den tåler temperaturer opp til nitti grader. I dag er det ingen temperaturmåler koblet til selve kabelen – det har vært gjort beregninger på hva som er garantert godt innafor, og så er det satt en grense for belastning basert på dette.
Resultatet er et beslutningsgrunnlag som gjør det mulig å øke utnyttelsen av eksisterende infrastruktur, særlig i perioder der forholdene gir ekstra kjøling eller lavere termisk belastning. Samtidig gir det bedre kontroll i pressede situasjoner, fordi man vet mer presist hvor grensene faktisk går.
– I realiteten kan faktisk en kabel tåle å presses over nitti grader i en krisesituasjon, i en liten tidsperiode, forteller Engebrethsen.
– Akkurat hvor mye vi kan presse nettet i en beredskapssituasjon, det vil vi finne ut nå.
Fortsatt er alt dette på forsøksstadiet. Og gradvis skal dette testes ut i full skala – i vannkraftverk, i regionalnett, i distribusjonsnett. Så vil det vise seg om modellene holder. Og når de gjør det, er tiden kommet for å klemme hardere på tuben: å hente den reelle kapasiteten fra de kablene vi allerede har.
Montering av fukt- og temperatursensorer på 132 kV kabel. Når fukt- og temperatursensorer monteres på 132 kV-kabler og dataene kobles sammen med beregningsverktøy som Grøft Design og sanntidsovervåking fra SafeBase, får man et helt nytt bilde av hva kablene faktisk tåler. I stedet for å lene seg på konservative grenser, kan nettselskapene ta beslutninger basert på faktiske forhold. Bilde fra sintef.no
Mer av alt, raskere
Verdien av 20 prosent mer kapasitet i kabelnettet ligger først og fremst i alt vi slipper å gjøre – og alt vi plutselig kan få til raskere, ifølge Engebrethsen i REN.
På den ene siden har du investeringene som unngås eller utsettes: milliarder i nye kabler og oppgradering, konsesjonsprosesser, naturinngrep og tidsbruk. På den andre siden har du verdien av det som kan kobles på tidligere: ny industri, datasentre, batterifabrikker, elektrifisering av transport og sokkel, mer fornybar kraft inn i nettet uten å møte veggen.
Det sentrale er at kabelen kjøles ned i perioder med lav last, og ofte ikke rekker å varme seg opp til en stabil (steady state) temperatur gjennom kortvarige topplaster.
Seig solvarme kan gi rom for store strømmengder
Og så var det de 70 prosent vi kan klemme ut fra solparker? – 70 prosent er kanskje et hårete mål, men enkelte solparker lagrer strøm i løpet av dagen og sender det inn på nettet over et veldig kort tidsrom, noen få timer. Det gjør at kablene som ligger i bakken kan avkjøle seg mellom slagene og har betydelig høyere kapasitet når det gjelder. Som med alt annet, tar det tid å varme opp både kablene og all jordsmonnet som ligger rundt, forklarer Kristian Solheim Thinn.
– Norge står foran en kraftig vekst i behovet for strøm. Ny industri, elektrifisering og mer fornybar energi krever økt kapasitet i nettet. Samtidig er det både kostbart og tidkrevende å bygge nye kabler. Derfor er det et stort poeng å utnytte infrastrukturen vi allerede har, så godt det lar seg gjøre, sier SINTEF-forskeren.
