Ett år med DRIVE

Statusuppdatering till partnerföretag

En snabb strukturomvandling sker inom gröna transporter och förnyelsebar energi och tillväxttakten är mycket hög inom den gröna energisektorn. För att möta morgondagens krav på grön energi och gröna transporter driver vi tillsammans med alla partnerföretag forskningsprojektet DRIVE. Utfasningen av bilar med förbränningsmotorer har börjat och många ersätts av elfordon. Parallellt sker en stor utbyggnad av förnybar energiproduktion med solenergi och vindenergi. I DRIVE fokuserar vi på forskning och utveckling inom hela värdekedjan för grön energi, från utveckling av energiutvinning och energilagring till kraftelektronik och laddinfrastruktur. Projektet innefattar fem delprojekt; Skörda, Lagra, Ladda, Driva och Milab.

DRIVE pågår mellan januari 2019 och April 2022 och omfattar totalt ca 30 miljoner kronor varav hälften finansieras av den europeiska regionala utvecklingsfonden (ERUF). Resterande del består av kontanta medel från Sundsvalls kommun, Timrå kommun, Härnösands kommun, Region Västernorrland och Energimyndigheten samt värdefulla insatser från er, våra företagspartners via inkind.

Huvudprojektledare: Dr Nicklas Blomquist.
Biträdande projektledare: Prof. Håkan Olin

Skörda Energi

Delprojektledare Docent Jonas Örtegren
I delprojektet skörda tar vi fram nästa generations kostnadseffektiva och bullerfria elproduktion för stadsmiljö.

Ett område som studerats i projektet är Triboelektrisk energi, där Renyun Zhang (bilden) är forskare. Triboenergi handlar om att utvinna energi som skapas när två material tar i varandra eller gnids mot varandra, s k statisk elektricitet.

Under året har vi utfört modellering och experimentella tester med en film som “fladdrar” i vinden och då vidrör och laddar två elektroder. Modelleringen har syftat till att förstå filmens rörelsemönster och hur vindhastighet och frekvens påverkar uteffekten som skapas av elektrodernas uppladdning. Arbetet har resulterat i en artikel [6].  

Ett annat område som studerats är Human TENG (Tribo Electric NanoGenerator) där vi tittat på är hur man kan tillvarata människors rörelseenergi och omvandla det till elenergi. Experiment som gjorts visar att energin som kan utvinnas genom att man antingen med handen eller foten vidrör marken och en elektrod kan få ett stort antal LED-lampor att lysa (några hundratal). Studierna har publicerats i två artiklar [3,10].

Som stöd för forskningen kopplad till nanogeneratorer har en ny testutrustning köpts in som möjliggör experiment där det krävs att man på ett systematiskt sätt kan skapa mekaniska vibrationer med olika frekvens och amplitud och på så sätt mäta hur en nanogenerator omvandlar energin från vibrationerna till el. Genom att göra detta systematiskt kan man avgöra vad som påverkar uteffekten från nanogeneratorn. Förutom att titta på vibrationer så studeras även materialet där mätningar ska kunna förklara materialets påverkan på uteffekten. Då det gäller materialet har ett egenframställt ”fully green” material bestående av upplöst och regenererad cellulosa studerats som nanogenerator där cellulosan kombinerats med cellofan. Dessa försök visar initialt att det egenframställda celullosa-materialet har 25 gånger högre elektrisk signal än vid andra försök som gjorts med cellulosa. Här kommer fortsatta studier att genomföras.

Lagra Energi

Delprojektledare Dr Nicklas Blomquist
I delprojektet Lagra tar vi fram metoder för storskalig tillverkning av elektrodmaterial och elektroder för superkondensatorer samt nya anodmaterial och processer för Litiumjonbatterier.

Superkondensatorer

I dagens superkondensatorer används ofta poröst aktivt kol med hög ytarea, bestruket på aluminiumfolie, som elektrodmaterial. Vi använder oss av vårt egenutvecklade lågkostnadsgrafen, med hög ytarea och mycket hög ledningsförmåga, vilket möjliggör att elektroden bestryks direkt på pappersseparatorn med upp till 100 gånger högre produktionstakt.

Under året har en studie genomförts tillsammans med Åbo-akademi där slot-die teknik för bestrykning använts för att försöka bestryka elektrodmaterialet på den pappersbaserade separatorn. I normala fall bestryks elektrodmaterialet på kontakten men i detta försök har man med framgång bestrukit separatorn av papper vilket ger helt nya möjligheter gällande produktionstakt och kostnad. Skillnaden i bestrykningshastighet mellan att bestryka en slät kontaktfolie (aluminium eller grafit) mot att bestryka ett poröst papper är i storleksordningen 100 gånger. Den grafenblandning som använts under bestrykningen är baserad på de resultat som tidigare tagits fram vid Mittuniversitetet. Grafen-blandningen har egenskaper som ger hög elektrisk ledningsförmåga vilket är en förutsättning för att kunna använda den storskaliga tillverkningsprocessen baserad på pappersbestrykning. Studien har publicerats i en artikel [23].

Initialt var tanken att kunna genomföra storskalig bladbestrykning vid Iggesunds Bruk under 2019. Dessa planer har reviderats då de försök som gjorts visar på att den grafenblandning som använts kräver en annan bestrykningsteknik för att nå önskad mängd och tjocklek på elektroden. För att titta på alternativa bestrykningsmetoder har vi haft kontakt med UMV i Säffle, ett företag som konstruerar och säljer kundspecifik bestrykningsutrustning, där nya storskaliga bestrykningsförsök just nu pågår i deras pilotanläggning. Målet för testerna vid UMV, förutom att lyckas med själva bestrykningen, är att få fram mycket material som kan används för det vidare arbetet med att kontaktering och stapling för att kunna tillverka superkondensatormoduler och demos där tanken är att kunna integrera dessa moduler med elektroniken från delprojektet Ladda. Utifrån ett parallellt arbete med att optimera grafenblandningens konsistens är förhoppningen att kunna ta upp de tänkta försöken vid Iggesunds Bruk vid ett senare tillfälle i projektet.

Litiumjonbatterier

Normalt används grafit som material i litiumjonbatteriets anod. Och det har länge varit känt att kisel kan öka lagringskapaciteten i batteriet om det blandas in i anoden då kisel kan husera en betydligt större andel litiumjoner. Inom området har det dock saknats en metod för att blanda in kislet som är potentiellt skalbar för industriell tillverkning.

Projektet har under året arbetat med att ta fram en process som skulle kunna vara industriellt skalbara och adressera utmaningar med att blanda in kisel i grafit-elektroden. För att kunna tillgängliggöra kiselpartiklarnas egenskaper och minimera resistiva förluster måste kislet och grafiten ha bra kontakt. Kiselpartiklarnas storlek måste optimeras så att den svällning som skapas när litium lagras inte gör att materialet spricker. Resultatet av arbetet är en ny metod där en airogelblandning av grafit och kisel används.

I den nya metoden blandas och värmebehandlas kisel och grafit (nanografit/grafen) i en process där kisel först förångas och därefter kondenseras när den kyls ned. Resultatet vid kondenseringen är nanometerstora kiselpartiklar som är jämnt spridda på nanografitflaken. Metoden har publicerats i en artikel [13] där andelen kisel i förhållande till grafit är 6%, vilket ökar anodens lagringskapacitet med 20% och hela batteriets kapacitet med 10%.

Förutom ökad lagringskapacitet har materialet en väldigt bra livslängd. Försök visar att batteriets effektivitet ligger väldigt nära 100% efter flera hundra landningscykler vilket är unikt för kiselgrafitblandningar, där effektiviteten normalt tappas redan efter 5-10 laddningscykler. Planen framåt är att optimera processen för tillverkning av airogelen där förhoppningen är att kunna få en ännu högre andel kisel och på så sätt öka laddningskapaciteten ännu mer.
 

Rohan Patil och Manisha Phadatare, forskare inom batteriteknik vid Mittuniversitetet.

Läs mer om forskningen inom Litiumjonbatterier

Ladda Energi

Delprojektledare Prof. Kent Bertilsson
I delprojekt ladda kombinerar vi de senaste forskningsresultaten i energilagring och kraftelektronik för att möjliggöra mellanlagring av förnyelsebar energi.

Under året har en prototyp tagits fram för en högeffektiv DC-DC-omvandlare som kan hantera snabbladdning av elbilar från energilager via likström. Omvandlaren behöver hantera en varierad matningsspänning på 20-60V (från superkondensatorn) och leverera 400V ut till elbilens batteri. För denna omvandlare har ett elektroniksystem byggts för att effektivisera prototyputvecklingen. Förutom elektroniksystemet har arbete gjorts på designen av t ex kraftelektronikkomponenter och transformator som är del av systemet.

En förstudie har utförts för den kraftelektronik som krävs för att en superkondensator skall kunna förse en elmotor med energi, där spänningen som motorn ska använda ska kunna anpassas både utifrån den spänning som superkondensatorn har (utifrån laddningsnivå) och den spänning som motorn kräver (utifrån användningsmönster). D v s både superkondensatorns spänning och motorns kommer att variera vilket ställer stora krav på kraftelektroniken.

Arbetet med kraftelektronik och den motor som tagits fram i delprojekt Driva har lett till samtal med fordonsnätverk i göteborgsområdet inkluderande Chalmers och Volvo vilket kommer mynna ut i ett nytt tänkt samarbetsprojekt där även det regionala bolaget STT Emtec är med.

Diskussioner har även förts med bolagen Hemab och Sundsvall Elnät utifrån vilken roll kraftelektronik och energilager från delprojekten kan ha i ett framtida elnät där det t ex finns utmaningar kopplat till variation i solels-produktionen till följd av att solen går i moln. Energilagring kopplat till förnybar energi som solceller skapar behov av nytt tänk gällande kraftelektronik. I detta arbete har även företaget Elforest varit med utifrån deras kunskap om battery management.

Driva

Delprojektledare Prof. Kent Bertilsson
I delprojekt Driva utvecklar vi en batterioptimerad lågspänningsmotor (under 60V) för elektriska drivlinor med högre effektivitet, jämfört med befintliga drivlinor för elfordon.

Under året konstruerades den 3:e generationens prototyp med spänning i intervallet 10-20V. Utvärdering av denna motor har gjorts med fokus på byggsätt för trumma och kylning. För att göra det möjligt att skala upp motorn har den nya designen en effektiv kylning av motorlindningarna vilket möjliggör att projektet kan gå vidare och bygga en motor med en uteffekt på 300kW och en spänning på 48V. Prototyper av dom nya motorlindningarna med kylning har byggts och utvärderas nu.

MILAB

Delprojektledare Dr Magnus Hummelgård
Målsättningen med Material och Innovations Lab (MILAB) är att stärka Mittuniversitetets materialforskning samt att koordinera och förnya materialkompetens och utrustning för regionens behov, i syfte att skapa en plats för nätverk och innovation. Under projektet kommer utrustningen att kompletteras för att stötta utveckling av nya material och material-kompositer baserade på nanocellulosa, lignin och grafen, men även traditionella material som cellulosabaserad fibrer eller inorganiska material.
Under året har följande utrustning köpts in:

• AFM (Atomkraftsmikroskop): används vid ytbestämning av material
• Permabilitetsmätare: används för att bestämma genomtränglighetsförmågan hos ett material
• Testutrustning för batterier som ökar testkapaciteten

Läs mer om MILAB

Läs mer om DRIVE

Se publikationerna inom området