Nye mikrochips forbedrer din hverdag og styrker den grønne omstilling

Har du nogensinde tænkt over, hvorfor strømforsyningen til din computer er blevet mindre i løbet af årene, eller hvorfor rækkevidden på elbiler er steget?

Det er blandt andet på grund af de halvlederchips, der bruges i al elektronik. Nye materialer gør nemlig chipsene mere effektive, og det er lige præcis dét, jeg forsker i.

Optimeret elektronik gør dog ikke kun din oplader til bærbaren mindre, det er også essentielt for den grønne omstilling.

Derfor har Grundfos-fonden givet en bevilling på 20 millioner til Center of Digitalized Electronics på Aalborg Universitet, hvor jeg forsker i at designe nye anvendelsesmuligheder af de nye halvlederchips.

I de kommende år vil vi derfor undersøge, hvordan vi hurtigst muligt kan få anvendt halvlederchips til at effektivisere elbils-ladere, elektrolyse-anlæg og vindmøller.

Her fokuserer vi mest på vores forskning i vindmøller og principperne bag halvlederne. I boksen under artiklen kan du læse om nogle af de andre områder, hvor vi også afprøver de nye halvledere.

Hvad er en halvlederchip?

Måske har du faktisk tænkt over, at computeropladere bliver mindre, og at elbiler kører længere, men kender ikke forklaringen.

I al slags elektronik, lige fra computere over elbiler til vindmøller og solceller, sidder der halvlederchips, som hele tiden styrer, hvor meget energi der kommer igennem apparatet.

Chippen gør for eksempel, at en spænding kan sættes ned fra de 230 Volt, der kommer ud af stikkontakten, til eksempelvis 20 Volt til at oplade batteriet i en bærbar computer, eller 5V til din mobiltelefon.

I denne proces sker der altid et tab, for energien kan ikke omformes 100 procent effektivt. Det elektriske tab bliver omdannet til varme, hvilket er grunden til, at opladeren til computeren føles varm, når man rører ved den.

De nye halvledermaterialer

I over 50 år har disse halvlederchips været lavet af silicium, som er et halvledermateriale.

Men nu er der sket en udvikling af to materialetyper, siliciumkarbid og galliumnitrid, der kan gøre, at chipsene fylder mindre, og at de er mere effektive.

De nye materialer er grunden til, at strømforsyningen til din computer er blevet mindre og ikke længere bliver lige så varm, og det er også på grund af materialerne, at en elbil kan køre længere mellem opladninger.

En del af forklaringen er, at energien fra batteriet i elbilen mere effektivt kan omformes til at få elmotoren til at dreje rundt.

Men fordi chippen ikke bliver lige så varm, behøver man heller ikke bruge lige så meget plads på kølesystemer, og der bliver derfor plads til et større batteri, som øger rækkevidden af elbilen.

EU vil selv producere de nye chips

På grund af disse fantastiske fordele, samt udviklingen i batteri-teknologi, bliver det stadig mere attraktivt at køre elbil.

Den øgede efterspørgsel på elbiler, opladere og solceller har været med til at skabe mangel på halvleder-chips og resulteret i lange leveringstider.

EU har opdaget vigtigheden af de nye halvleder-materialer, og derfor har de i udspillet ’EU Chips Act’ lagt investeringer på 43 milliarder euros.

Det skal sikre, at produktionen af de nye chips finder sted i Europa, så EU-landene ikke er afhængige af at kunne købe materialerne andre steder i verden.

Gør en forskel i hverdagen og for den grønne omstilling

Sammen med mine kollegaer forsker jeg derfor i, hvad de nye halvledermaterialer ellers kan bruges til, og hvordan de bedst kan udnyttes, så vi kan effektivisere verden omkring os.

Lige for tiden benyttes de nye materialer mest i situationer, hvor folk er villige til at betale for de dyrere chips og bedre designs.

Det er eksempelvis i en mindre strømforsyning til en computer eller i elbiler, hvor den øgede rækkevidde er meget værd for forbrugeren.

Målet for vores forskningsprojekt er dog også at gøre en forskel i fremtidens energisystemer, hvor energien skal være vedvarende og udnyttes bedst muligt.

Reducerer energitabet

I dag, hvor det meste af vores elektricitet produceres i kraftværker og sendes hjem til vores huse gennem store transformerbokse, mister vi cirka ti procent af energien undervejs – afhængig af, hvor langt væk fra kraftværket eller vindmølleparken vi bor.

I fremtiden skal vores el komme fra lokale kilder som solceller og vindmøller. Elektriciteten skal både opbevares i batterier og skal i højere grad transporteres frem og tilbage i el-systemet.

Med de gamle materialer vil der ske et ekstra tab på cirka fem procent, hver gang strømmen skal flyttes frem eller tilbage.

Men her kan de nye halvledermaterialer, siliciumkarbid og galliumnitrid, også medvirke til, at effektiviteten bliver større, og at tabet af energi dermed bliver helt ned til cirka to procent.

Samme princip som i højspændingsmaster

I vores forskning beskæftiger vi os med vindmøller. Her kan de nye typer halvledermaterialer nemlig øge spændingen i den elektronik, der sidder i huset på toppen af vindmøllen – det, man også kalder for vindmøllens nacelle.

Princippet kender vi allerede fra højspændings-masterne, vi ser i landskabet, der transporterer store mængder elektricitet rundt i landet.

Som du måske husker fra fysiktimerne, er forholdet mellem strøm, spænding og effekt sådan, at for en given spænding, vil vi skulle bruge større strøm for at få højere effekt.

Men hvis strømmen bliver meget stor, kræver det meget tykke kabler. Der skal altså bruges store mængder kobber for at lave de tykke kabler, som kan klare den høje strøm, og det bliver til sidst upraktisk.

Derfor er det i stedet en fordel at øge spændingen, når der skal overføres høj effekt. På den måde kan vi overføre mange mega-watt i relativt tynde kabler i højspændingsmasterne.

Højspænding i vindmøller

I de nye vindmøller forsker vi derfor i, hvordan vi kan få højspænding allerede i toppen af vindmøllerne.

Det kan lade sig gøre med de nye halvledermaterialer, og på den måde sørges der for, at kablerne i de hundrede meter høje vindmøller kan gøres tynde.

Når vi øger spændingen fremfor strømmen (se turbine-eksemplet i boksen), betyder det også, at man får højere effektivitet – altså mere energi ud til os, der skal bruge den.

Tabet sker nemlig, når selve strømmen løber i ledningerne, og derfor medfører lav strøm et lavere tab og dermed et mere effektivt energisystem.

I fremtiden vil bare en enkelt vindmølle kunne have en effekt på 20 megawatt, hvilket svarer til det at kunne oplade 2.000 elbiler samtidig.

Ved så høj effekt betyder det faktisk noget, om den har en effektivitet på eksempelvis 95 eller 98 procent, og det er derfor, at halvledermaterialerne spiller en kæmpe rolle.

De 3 procents forskel giver 600 kilowatt ekstra produktion ud af den samme vindmølle, hvilket over et år svarer til elforbruget for en lille landsby.