SF6 ersetzen

Vor einem Jahrzehnt gab es keine sinnvollen Alternativen zum Einsatz von SF6 als Isoliergas in Hochspannungsschaltanlagen, obwohl diesem fluorierten Gas das höchste Treibhauspotenzial zugeschrieben wird. Heute stehen Alternativen zur Verfügung und die F-Gas-Ära scheint zu Ende zu gehen, schreibt Dr. Mark Kuschelvon Siemens Energy.

Es ist wirklich ein unvergesslicher Anblick: ein Offshore-Windpark mit über 100 riesigen Turbinen auf einer Fläche von 300 km2. Mit einer Kapazität von 714 MW produziert der Windpark East Anglia One vor der Küste Englands Suffolk genug erneuerbare Energie, um umgerechnet mehr als 630.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

Das stromerzeugende Feld inmitten der unerbittlichen Wellen der südlichen Nordsee zu beobachten, ist äußerst beeindruckend. Doch es gibt eine versteckte Besonderheit, die den Windpark ebenfalls bemerkenswert macht. Bei jeder Windkraftanlage setzt das Feld für seine Hochspannungsschaltanlagen auf die umweltfreundlichste Isolierung, die möglich ist: saubere Luft anstelle des früher üblichen SF6 (Schwefelhexafluorid).

Die Antwort liegt tatsächlich im Wind und die Zeiten ändern sich.

SF6, ein künstliches und geruchloses Gas, gehört zur Familie der F-Gase (fluorierte Gase). Als schädlichstes und langlebigstes Treibhausgas, das durch menschliche Aktivitäten emittiert wird, ist es 25.200-mal wirksamer als CO2 und hat eine atmosphärische Lebensdauer von bis zu 3.200 Jahren.

Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde werden weltweit rund 80 % in der Schaltanlagenindustrie eingesetzt. Daher ist es klar, dass die Bewältigung dieses Segments von größter Bedeutung ist. Deshalb sollte East Anglia One den Weg für wirksame Bemühungen zum Schutz der Umwelt weisen.

Es erzeugt nicht nur erneuerbare Energie, sondern setzt auch neue Maßstäbe bei der Dekarbonisierung des Stromübertragungsteils des Projekts. Der Windpark ist seit fast drei Jahren in Betrieb und einer der ersten, der Schaltanlagen mit Treibhauspotenzial nutzt ( GWP) von Null.

Dieser Artikel ist Teil der Reihe „Future Energy Perspectives“, in der Experten von Siemens Energy ihre Erkenntnisse darüber teilen, wie wir uns in Richtung eines dekarbonisierten Energiesystems bewegen können.

Heutzutage gibt die fortgesetzte Verwendung von SF6 und anderen fluorierten Gasen in der Hochspannungsisolierung Anlass zu großer Sorge, wenn es um eine saubere Stromübertragung geht, insbesondere da die Nachfrage nach isolierten Schaltanlagen stark gestiegen ist.

Gründe dafür sind die dezentrale Erzeugung erneuerbarer Energien, der weltweit steigende Stromverbrauch und die zunehmende Urbanisierung, die auch die Nachfrage nach kleinen Umspannwerken und damit nach kompakten umweltfreundlichen Schaltanlagen erhöht.

Die Aufsichtsbehörden haben dies zur Kenntnis genommen und drängen zunehmend auf fluorierte Gase. Beispielsweise veranlasste das hohe GWP von SF6 die EU, SF6 im Jahr 2014 für die meisten Anwendungen zu verbieten, mit Ausnahme des Energiesektors, da es damals an Alternativen mangelte.

Im April 2022 schlug die Europäische Kommission eine Überarbeitung dieser wichtigen Gesetzgebung vor und forderte stärkere Beschränkungen für die Verwendung von F-Gasen in Netztechnologien.

Bis 2050 würde die F-Gase um 90 % reduziert und die Verwendung von F-Gasen in Schaltanlagen mit einem GWP von mehr als 10 von 2026 bis 2031 (Hochspannung), je nach Spannung der Schaltanlage, verboten.

Es ermöglicht auch Flexibilität in Nischensituationen, in denen F-Gas-freie Alternativen möglicherweise nicht verfügbar sind.

In Kalifornien gibt es bereits Vorschriften zur Entfernung von F-Gasen aus gasisolierten Schaltanlagen. Und es überrascht nicht, dass F-Gase auf der jüngsten COP27 in Ägypten zentrale Themen der Podiumsdiskussionen waren, die sich mit der weltweiten Erforschung F-Gas-freier Alternativen befassten.

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Was hat SF6 überhaupt zu einem so beliebten Gas für Schaltanlagen gemacht?

Aus offensichtlichen Gründen ist es ein hochwirksames Lichtbogenlösch- und Isoliermedium mit Langzeitstabilität und mit Vorsichtsmaßnahmen relativ sicher in der Handhabung. Bis in die 1960er Jahre wurde Öl als Lichtbogenlöschmedium für Hochspannungs-Leistungsschalter in Umspannwerken auf der ganzen Welt verwendet.

Es hatte jedoch eine Reihe von Nachteilen, wie zum Beispiel die Brandgefahr und den Wartungsaufwand. Als SF6 zum ersten Mal implementiert wurde, galt es als hervorragende Alternative zur Verbesserung der Leistung und Sicherheit von Hochspannungsanwendungen.

Derzeit ist SF6 immer noch das weltweit verwendete Standardgas in Schaltanlagen. Jedes Jahr werden weltweit Tausende Tonnen SF6 in Schaltanlagen installiert, mit einer erwarteten Lebensdauer von 40 bis 60 Jahren.

Sicherlich nehmen die Hersteller die von SF6 ausgehenden Risiken nicht auf die leichte Schulter. Der aktuelle Stand der Technik ermöglicht es, die Leckagerate von SF6 unter 0,1 % pro Jahr zu halten.

Gleichzeitig werden alle Anlagenbauer für den sorgfältigen Umgang mit SF6-haltigen Schaltanlagenkomponenten sensibilisiert und geschult.

Doch angesichts des weltweit vereinbarten Netto-Null-Ziels zur Minimierung des Klimawandels muss SF6 für Schaltanlagen vollständig aus dem Verkehr gezogen werden.

Die Hauptkandidaten für den Ersatz von SF6 basieren auf Gasen natürlichen Ursprungs wie CO2, O2 und N2 sowie Gasmischungen, einschließlich anderer künstlicher fluorierter Gase, die nur einen Bruchteil der Klimaauswirkungen von SF6 haben.

Obwohl fluorierte Gasgemische ein geringeres Treibhauspotenzial als SF6 haben, liegt das GWP immer noch bei einigen Hundert über 1. Darüber hinaus verlieren diese Gasgemische bei sehr niedrigen Temperaturen ihre Wirksamkeit.

Zudem besteht die Gefahr, dass Schaltanlagenkomponenten schneller verschleißen, was wiederum die Schaltleistung verringert und höhere Wartungskosten zur Folge hat.

Darüber hinaus ist das Gashandling deutlich aufwändiger als bei Erdgasen natürlichen Ursprungs und entsprechend höher sind auch die Anforderungen an Service und Lagerung. In diesem Fall liegt die Dichtheit der Schaltanlage über SF6 und führt zu höheren Wartungskosten. Da diese F-Gase zur „ewigen chemischen“ Gruppe der PFAS (Per- und Polyfluor-Alkyl) gehören, können sie weitere Risiken bergen.

Da PFAS-Chemikalien mit Umweltverschmutzung und Gesundheitsrisiken verbunden sind, gibt es einen weltweiten Trend zum Ausstieg aus PFAS und zu gesetzlichen Beschränkungen für diese Stoffe, sofern alternative Lösungen verfügbar sind.

Um aktiv für Nachhaltigkeit zu sorgen, kündigte einer der größten Marktteilnehmer, 3M, Ende 2022 an, dass er aus der (PFAS)-Herstellung aussteigen und darauf hinarbeiten werde, die Verwendung von PFAS in seinem gesamten Produktportfolio bis Ende 2025 einzustellen.

Die andere Alternative zu SF6 sind F-Gas-freie Produkte, die Gase natürlichen Ursprungs als Isoliermedium verwenden. Diese Gastechnologie ist für die Umwelt, das Klima und die menschliche Gesundheit völlig unbedenklich. Aber wie realistisch ist es, von SF6-isolierten Schaltanlagen auf Erdgase natürlichen Ursprungs als Isolierung umzusteigen?

Heutzutage bevorzugen immer mehr Schaltanlagenhersteller, Übertragungs- und Verteilungsbetreiber sowie Regulierungsbehörden F-Gas-freie Optionen mit einem GWP von Null oder < 1, ohne dass das Risiko einer Kontamination der Atmosphäre, des Wassers oder des Bodens besteht.

Das bedeutet auch, dass bei der Verwendung von SF6 und anderen F-Gasen in einigen Teilen der Welt keine sorgfältige Handhabung, kein Recycling und keine gesetzlich vorgeschriebene Berichterstattung erforderlich sind.

Wenn man sich schließlich die vorgeschlagenen unterschiedlichen Übergangszeitpläne für den Ausstieg aus SF6 ansieht, wird klar, dass die heutige F-Gas-freie Technologie dieser Herausforderung gewachsen ist.

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Es geschieht bereits: und zwar nicht nur im Offshore-Bereich. Im Jahr 2018 belieferte Siemens Energy ein Umspannwerk des norwegischen Netzbetreibers BKK Nett in Bergen mit einer Reinluftschaltanlage aus seinem „Blue Portfolio“.

Saubere Luft besteht zu 80 % aus Stickstoff und zu 20 % aus Sauerstoff und hat ein GWP von Null. Weltweit sind derzeit über 1.000 Schaltanlagen mit reiner Luft im Einsatz.

Ab 2030 will Siemens Energy weltweit nur noch F-Gas-freie Produkte verkaufen. Auch andere Hersteller sind sehr aktiv: Unternehmen aus Europa, Japan, Südkorea und China sind in der Lage, Schaltanlagen auf der Basis von Erdgasen natürlichen Ursprungs anzubieten, z. B. bieten sie auch Leistungsschalter auf Basis einer CO2/O2-Gasmischung mit einem GWP < 1 an.

Und einige dieser Unternehmen haben eine Allianz mit dem Namen „Switching Gears for Net Zero“ gegründet, die sich für Null-F-Gase in Schaltanlagen einsetzt.

Gase natürlichen Ursprungs mit GWP < 1 bedeuten keine neuen Emissionen, einfache und sichere Handhabung, keine Gesundheitsrisiken für Arbeitnehmer oder Umweltschäden. Der CO2-Fußabdruck von Erdgasgeräten ist deutlich geringer als der von SF6 und stellt die einzige Lösung dar, die keine direkten Emissionen verursacht und in Verbindung mit einer vollständig dekarbonisierten Lieferkette einen CO2-Fußabdruck von Null erreichen kann.

Durch die Verwendung von Erdgaslösungen natürlichen Ursprungs werden die Lebenszykluskosten der Geräte erheblich gesenkt. Das Gerät kann ohne Gegenmaßnahmen bei sehr niedrigen Temperaturen von bis zu -50 °C eingesetzt werden.

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Auch wenn der Weg, der vor uns liegt, klar zu sein scheint, haben Schaltanlagenhersteller und Übertragungsnetzbetreiber in dieser Übergangsphase noch viel Arbeit vor sich.

Das ist insbesondere bei Windparks der Fall. Während es in Windkraftanlagen erste Projekte gibt, die mit F-Gas-freien Schaltanlagen ausgestattet sind, kommen bei den Schaltanlagen, die die Stromeinspeisung mit Spannungen über 145 kV vereinen, immer noch SF6-isolierte Schaltanlagen zum Einsatz (wenn auch nur Kilogramm, nicht Tonnen wie in vielen Umspannwerken).

Warum? Alternative Produkte mit reiner Luft oder anderen ungefährlichen Gasgemischen sind für diesen kV-Bereich noch nicht verfügbar.

Aber es ist kein Geheimnis, dass sie in Arbeit sind. Bei Siemens Energy laufen beispielsweise Validierungen für Schaltanlagen mit 400 kV, während Schaltanlagen ohne Leistungsschalterfunktion wie Messwandler und gasisolierte Sammelleitungen bereits für bis zu 420 kV erhältlich sind.

Auch andere Hersteller drängen nach vorne. Daher dürften auch für diese höheren Spannungsbereiche bald F-Gas-freie Alternativen verfügbar sein.

ÜBER DEN AUTOR

Dr. Mark Kuschel ist Leiter der internationalen Standardisierung bei Siemens Energy und steuert Standardisierungs- und Regulierungsthemen für den Grid-Technologies-Bereich des Unternehmens. Seit mehr als 20 Jahren bekleidete er verschiedene Positionen im Übertragungs- und Verteilungsgeschäft und war dort auch einer der Initiatoren nachhaltiger, F-Gas-freier Produkte.