Energieopslag in een supergeleider

Duurzame energie, bijvoorbeeld wind en zon, is er genoeg. Het probleem is dat de aanvoer van energie heel ongelijkmatig is. Dit wordt op dit moment opgevangen met gascentrales. Supergeleiders slaan de energie in een magneetveld op. DE oplossing voor onze energie-opslagproblemen?

Wat zijn supergeleiders?
Supergeleiders, ontdekt door de Leidse natuurkundige Kamerlingh Onnes in 1911, zijn materialen die onder een bepaalde kritische temperatuur al hun weerstand voor elektrische stroom verliezen. In theorie kan een stroom in een supergeleidende ring dus letterlijk oneindig lang, tot het einde van het heelal in de huidige vorm, blijven doorcirkelen.Een andere bekende eigenschap is het Meissner-effect: supergeleiders drukken alle magneetvelden binnen de supergeleider weg. Een magneet blijft boven een supergeleider zweven. Immers elke verandering in magneetveld wekt een elektrische stroom op die de verandering tegenwerkt; door die nooit stoppende stroom, ontstaat er een tegen-magneetveld dat door nieuwe interacties (technisch gesproken kan een magnetisch veld geen arbeid  verrichten) zorgt voor de afstoting.

Alle bekende supergeleiders moeten hiervoor extreem worden gekoeld: het temperatuurrecord staat op bijna 130 kelvin, dat is 140 graden onder nul, voor hoge-temperatuur supergeleiders. Helaas kan er door deze groep materialen maar weinig stroom vloeien: voor echt hoge stroomsterktes, zoals nodig zijn voor energieopslag, moeten technici uitwijken naar conventionele supergeleidende materialen zoals niobium of kwik die pas ruim onder de twintig kelvin, het kookpunt van waterstof, supergeleidend worden (de uitzondering: magnesiumboride met 39 K, de vraag is alleen of dit wel een conventionele supergeleider is). De vervelende consequentie is dat schaars en duur vloeibaar helium nodig is om lage-temperatuur supergeleiders tot onder de twintig kelvin te koelen, hoewel er alternatieve methoden zijn, denk aan magneetkoeling. Uiteraard wordt er voortdurend gezocht naar supergeleiders die minder te lijden hebben van deze beperkingen. Inderdaad zijn er nu enkele bulk-hoge temperatuur supergeleiders bekend.

Wat veroorzaakt supergeleiding?
Onderzoekers denken dat elektronen zogeheten Cooperparen vormen die weerstandsloos door het metaal kunnen vloeien (de BCS-theorie). Boven de kritische temperatuur worden deze paren uiteengeslagen door warmtetrillingen. Enige twijfels aan deze theorie rezen toen Müller en Berdnoz een materiaal ontdekten dat boven de maximale kritische temperatuur van de BCS-theorie supergeleiding toonde en er steeds meer hoge-temperatuur supergeleiders werden ontdekt. De theorie is sindsdien aangepast.

Misschien is het beter de tegenovergestelde vraag te stellen: wat veroorzaakt weerstand in een materiaal? Dit zijn de ongelijkmatigheden in de invloeden die elektronen ondervinden als ze door het atoomrooster zwerven en waarop ze botsen. Al weten we nu meer dan Kamerlingh Onnes, precies honderd jaar na de ontdekking is supergeleiding nog steeds een raadsel.

SMES: energie opslaan in een magneetveld
Een ijzeren wet is: waar stroom loopt, ontstaat een magneetveld. Minder bekend is dat er energie opgeslagen kan worden in een magneetveld.

Elke keer als een zware elektromotor aan- of uit wordt geschakeld, ontstaat daarom een enorme vonk. Dit is de magnetische energie die vrij komt. Door een zeer sterke stroom op te wekken en die door te laten lopen, ontstaat een permanent magneetveld dat energie opslaat. Als de stroom vermindert, dumpt het magneetveld de energie weer voor een deel terug in de stroom. Dit is het principe van de SMES: de supergeleidende magnetische energieopslag. In een supergeleider zijn de verliezen nul, dus dit systeem is verreweg de efficiëntste accu die we hebben: in de praktijk (er zijn verliezen door de overige onderdelen en door radiostraling) kan 95% van alle ingaande energie er weer uit worden gehaald. Een SMES ziet er uit als een enorme platte spoel.

Hoeveel energie kan een SMES opslaan?
Drie factoren bepalen hoeveel energie de SMES opslaat: de stroomsterkte (kwadratisch, zelfs; een verdrievoudiging van de stroomsterkte betekent negen keer zoveel energie), het aantal windingen van de draad (ook een kwadratisch effect) en de oppervlakte van de spoel. Om een idee te geven: een SMES, bestaande uit één vierkante meter spoel met duizend wikkelingen waar één ampère stroom doorheen gaat, slaat ongeveer zestig joule op (je bewegingsenergie als je wandelt).

Helaas kan de stroomsterkte niet ongestraft extreem worden opgevoerd. Per supergeleidend materiaal is er een maximale stroomsterkte en maximale magneetveld-sterkte die het materiaal aankan zonder de supergeleidende eigenschappen te verliezen. Om een miljoen kilowattuur in een spoel op te slaan moet de spoel ongeveer honderdzestig kilometer omtrek hebben. Mede gezien de enorm sterke magnetische velden die een SMES genereert, wat minder geschikt voor dichtbevolkt gebied, maar in woestijngebieden of diep onder de grond of zeebodem zou dit goed kunnen. Helaas zijn de materialen waaruit het supergeleidende materiaal van de SMES wordt vervaardigd nogal schaars en duur, maar wordt een goedkope bulk-supergeleider ontdekt die boven het kookpunt van waterstof nog blijft werken, dan is dit probleem opgelost.