Elteknik
Sammanfattande bedömning
Elteknik är traditionellt ett starkt ämne i Sverige som samverkat med svensk industri under
större delen av 1900-talet och därigenom lagt grunden för flertalet tekniska innovationer vilka
gett, och fortfarande ger, stora exportintäkter.
Ämnet genomgår nu en tillväxtfas där omställningen av energisystemet och utvecklingen av
transportsektorn är pådrivande faktorer till nysatsningar inom såväl elkraftsystem med
inriktning mot så kallade smarta elnät som elektromekanisk energiomvandling för
elproduktion och fordonsdrift. Nya energislag som vindkraft och avreglering av elmarknaden
har också medfört helt nya behov av effektiva metoder för drift och planering av elsystemet.
Stöd från EIT – European Institute of Innovation and Technology – ger ytterligare skäl att tro
att tillväxten inom området för svenskt vidkommande kommer att fortsätta.
Ämnesbeskrivning
I korthet kan ämnet elteknik sägas bestå i studier av fenomen relaterade till praktisk
tillämpning av Maxwells lagar vid lägre frekvenser. Ämnet kan delas upp i forskningsfälten;
högspänningsteknik, högeffektelektronik, elektromekanisk energiomvandling,
elektromagnetisk kompatibilitet samt elkraftsystem. Av dessa, har de två förstnämnda en stark
koppling till materialvetenskap. I högspänningsteknik ingår studier av dielektriska egenskaper
hos olika medium i fält av varierande styrka och frekvens syftande till utveckling av material
och komponenter med goda isolerande egenskaper. Högeffektelektroniken inkluderar studier
av halvledare avsedda för höga effekter (mer än 1kW), där särskilt studier och utveckling av
material och komponenter med god temperaturtålighet ligger i fokus. Elektromekanisk
energiomvandling inkluderar huvudsakligen studier av fenomen relaterade till roterande
maskiner, men även andra typer av elektromekanisk energiomvandling ingår. I
forskningsfältet ingår även studier av materialegenskaper särskilt magnetiska egenskaper hos
material. Elektromagnetisk kompatibilitet inkluderar studier av påverkan av ledande och
strålande elektromagnetiska störningar på elektroteknisk utrustning. Forskningsområdet
elkraftsystem slutligen, omfattar studier av system, uppbyggda av flera olika komponenttyper,
för överföring av elektrisk energi, ofta över stora geografiska avstånd. Nya energislag som
vindkraft, nyare teknologier som högspänd likström samt avregleringen av elmarknaden har
dessutom medfört helt nya behov av effektiva metoder för styrning, drift och planering av
elsystemet.
Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender
Sverige har en lång tradition av forskning inom elkraftsystem, och forskningsfältet är
väletablerat vid samtliga forskningsenheter med verksamhet inom ämnet. Flertalet
forskargrupper har väletablerade internationella nätverk, och bedriver forskning på hög
internationell nivå. För närvarande sker en industriell nysatsning inom området pådriven av
tre huvudsakliga faktorer; utbyggnaden av förnyelsebar elproduktion, integrationen av den
Europeiska elmarknaden samt energieffektivisering i konsument ledet. Denna utveckling
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Elteknik
sammanfattas ofta som Smarta elnät. Bakom begreppet döljer sig huvudsakligen industriell
utveckling och rationalisering, men det innehåller också några relevanta forskningsområden.
Bland dessa kan nämnas realtidsstyrning över stora geografiska områden,
sannolikhetsbaserade metoder för drift, samt dimensionering, av elkraftsystem, samt
samverkan mellan informationsteknologi och elkraftsystem. Forskningsfältet angränsar här till
områden som reglerteknik och matematisk statistik.
Även inom forskningsfältet elektromekanisk energiomvandling är den svenska traditionen
lång och stark. Forskningsfältet genomgår för närvarande en stark utveckling av nya koncept
för roterande maskiner anpassade till den utveckling som sker gällande förnyelsebar
produktion av el i till exempel vind-, våg-, och strömningskraftverk. Ytterligare ett
forskningsområde är drivsystem avsedda för hybridtillämpningar för fordon, där den
elektriska maskinen ingår i system tillsammans med förbränningsmotor, batteri och
styrsystem. Ett område som varit under tillväxt under en längre tid och nu lett till industriella
tillämpningar är drivsystem baserade på permanentmagneter.
Liksom i de ovan nämnda forskningsfälten är den svenska traditionen inom
högspänningsteknik lång. Utveckling av nya komponenter för överföring av elenergi, kräver
kunskaper om de elektriska, mekaniska och termiska egenskaperna hos material som används
som ledare och isolatorer. Utveckling av effektivare komponenter för kraftöverföring kräver
utveckling inom materialområdet, särskilt intressant är polymerer för isolation till exempel
isolersystem baserade på polymera nanokompositer. Forskningsfältet är experimentellt och
har traditionellt krävt stora anläggningar för utveckling av nya komponenter för elkraftsystem.
Samtliga högspänningslaboratorier vid de tekniska högskolorna har stängts av kostnadsskäl
vilket minskat möjligheterna att genomföra experimentell forskning in önskad omfattning.
Forskningsfältet högeffektelektronik är starkt relaterat till halvledarteknik och
materialforskning. Inom elteknik har högeffektelektroniken två avsättningsområden, dels för
styrning av drivsystem och dels för kraftomvandling i elkraftsystem. Gemensamt för bägge
områdena är utmaningen att maximera energitätheten för att minska storleken på
komponenterna gentemot temperaturtålighet i materialen som används för komponenterna.
För elkraftsystem är effektiva högeffektelektronikkomponenter centrala för att ansluta icke
styrbara elproduktionsanläggningar som till exempel vindkraftverk. Inom drivsystemområdet
är högeffektelektroniken nödvändig för att möjliggöra mer avancerad styrning, och därigenom
lägre förluster i elektriska maskiner, inte minst betydelsefullt i fordonsdrifter. Forskningsfältet
är mycket betydelsefullt för svensk exportindustri.
Elektromagnetisk kompatibilitet är ett litet forskningsfält i Sverige vilket är fokuserat på
studier av de oavsedda effekter som uppkommer mellan utrustning för generering, samt
överföring och användning av elektrisk kraft. I forskningsfältet ingår även studier av fenomen
som ibland sammanfattas som ”elkvalitet”, med vilket avses störningar inducerade av till
exempel kraftelektronik. Fältet innefattar studier av såväl elektromagnetiska fenomen som
materialegenskaper. Med ökad användning av kraftelektronikkomponenter kan det antas att
elektromagnetisk interferens ökar, vilket ställer krav på en bättre förståelse för fenomenens
uppkomst samt hur de kan reduceras.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Elteknik
Generellt sett är forskningen inom elteknik tillämpad och starkt knuten till svensk industri,
vilket för med sig ett flertal fördelar i termer av möjligheter till personlig mobilitet,
växelverkan mellan tillämpning och teori, samt inflöde av idéer av tvärvetenskaplig karaktär.
En svaghet inom ämnet är dock att forskning som inte kan finna en direkt anknytning till
svensk industri har svårare att etablera sig. Vidare så kan ledande industriföretags förändrade
prioriteringar inom ett forskningsfält leda till att forskargrupper vid universiteten plötsligt kan
finna sig stå utan möjligheter till anslag. Ett exempel här är ABB:s omvärdering av satsningen
på kiselkarbid under 2000-talet.
Hot och möjligheter
Elteknik är för närvarande i en tillväxtfas där omställningen av energisystemet och
utvecklingen av transportsektorn är pådrivande faktorer. Introduktionen av nya kraftkällor
kräver utveckling av nya koncept för styrning, drift och planering av elkraftsystem, såväl som
nya komponenter, vilket leder till ökat intresse inom forskningsfälten elektromekanisk
energiomvandling och högeffektelektronik.
Stöd från EIT – European Institute of Innovation and Technology ger ytterligare skäl att tro
att tillväxten inom området för svenskt vidkommande kommer att fortsätta. Detta ger bättre
förutsättningar för rekrytering av internationella ledande forskare. Det kan också antas leda
till ökad mobilitet mellan högskola och industri – vilket är mycket betydelsefullt för
elteknikforskningen. Sammantaget är dessa båda faktorer betydelsefulla för ämnets fortsatta
tillväxt.
På senare tid har ett flertal industrikonsortier i Sverige inlett etableringen av storskaliga
demonstrationsanläggningar för så kallade smarta elnät. Sådana anläggningar är under
utveckling i Stockholm samt på Gotland. Dessa anläggningar, som omfattar tiotusentals
elanvändare utgör utmärkta plattformar för möte mellan industri och högskola, samt en arena i
vilken forskningsresultat kan omsättas till innovationer.
Forskningsinfrastruktur
Forskning inom högeffektelektronik och högspänningsteknik är experimentell och har
traditionellt krävt stora anläggningar för utveckling av nya komponenter. Samtliga
högspänningslaboratorier vid de tekniska högskolorna har stängts av kostnadsskäl vilket
minskat möjligheterna att genomföra experimentell forskning i önskad omfattning. Det finns
därför behov av nationellt samordnad infrastruktur. Denna bör även samordnas med
infrastruktur för materialforskning.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Elteknik
