UWM-Forscher arbeitet daran, das stärkste Treibhausgas überhaupt zu ersetzen

Chanyeop Park zeigt den Induktor in seinem Labor. Es ist Teil eines Forschungsprojekts, an dem er und Georgia Tech arbeiten, um einen Hochspannungs-Leistungsschalter zu entwickeln, der eine viel umweltfreundlichere Alternative zu dem Gas verwendet, das derzeit in elektrischen Hochspannungsgeräten verwendet wird. (UWM Foto/Troye Fox)

Das stärkste Treibhausgas der Welt – und eines, von dem die meisten Menschen noch nie gehört haben – wird aufgrund der steigenden Nachfrage nach Elektrizität und der alternden Energieinfrastruktur zu einem besorgniserregenden Faktor für die globale Erwärmung.

Das als Schwefelhexafluorid (SF6) bezeichnete Gas wird seit Jahrzehnten in elektrischen Hochspannungsverteilungsanlagen als Isolator eingesetzt. Doch mit zunehmender Alterung der Infrastruktur nimmt der Austritt in die Atmosphäre, der schon immer vorkam, zu.

Chanyeop Park, UWM-Assistenzprofessor für Elektrotechnik, arbeitet mit Forschern des Georgia Institute of Technology an einem Zuschuss des US-Energieministeriums in Höhe von fast 4 Millionen US-Dollar, um eine umweltneutrale Alternative zu entwickeln und zu testen. Ein Viertel des Zuschusses finanziert Parks Rolle.

„Das Treibhauspotenzial von SF6 ist etwa 24.000 Mal höher als das von Kohlendioxid (CO2) und es ist sehr stabil“, sagte er. „Sobald es in die Atmosphäre gelangt, bleibt es dort buchstäblich Tausende von Jahren.“

Hier erläutert Park einige Details zu dieser Forschung.

Erklären Sie zunächst, was Hochspannungs-Leistungsschalter bewirken. Warum wird das Gas in ihnen benötigt?

Umspannwerke enthalten ein Hochspannungssystem, das unsere Häuser mit Strom versorgt. Zu diesen Umspannwerken gehören Leistungsschalter, die wir Schaltanlagen nennen und die SF6-Gas als Isolator verwenden.

Leistungsschalter schützen das Stromnetz, indem sie den Strom bei Bedarf unterbrechen, sodass Stromkreise und Geräte nicht überlastet werden. Bei SF6 handelt es sich um Leistungsschalter auf einer wirklich großen Übertragungsebene. Die Schutzschalter in Ihrem Haus enthalten kein SF6, da es sich um Niederspannungsschalter handelt und die Isolierung durch Luft erfolgen kann.

Normalerweise ist SF6 in einer Metallkammer oder -flasche enthalten. Aber nichts ist zu 100 % leckagefrei. Mit der Zeit treten Spuren davon aus, genauso wie der Reifendruck aufgrund der sehr langsamen Luftleckage abnimmt.

Erzählen Sie uns von der Alternative zu SF6, die Sie testen.

Man nennt es überkritisches CO2 und es ist etwas, das wir erreichen können, indem wir den Druck und die Temperatur von CO2 erhöhen. Seine einzigartige Eigenschaft besteht darin, dass es sich gleichzeitig wie eine Flüssigkeit und wie ein Gas verhält.

Flüssigkeiten sind im Vergleich zu Gasen sehr dicht. Deshalb fällt es einem beim Schwimmen schwer, weil die Flüssigkeit so dicht ist, oder? Die hohe Dichte sorgt für eine starke elektrische Isolierung. Aber auch überkritische Flüssigkeiten verhalten sich wie Gase, die eine niedrige Viskosität aufweisen. Daher sind überkritische Flüssigkeiten in Kombination mit diesen beiden Vorteilen sehr effektiv zum Kühlen und Isolieren. Die Substanz bietet Schutz, indem sie Wärme von einer Seite des Geräts ableitet und auf der anderen Seite abgibt. Und sein flüssiges Verhalten ermöglicht schnelle Bewegungen.

Da überkritische Flüssigkeiten außerdem aus reinem CO2 bestehen, sind sie theoretisch 24.000-mal umweltfreundlicher als SF6.

Warum ist jetzt der richtige Zeitpunkt, für diese wichtige Ausrüstung auf einen neuen Isolator umzusteigen?

Die meisten Kraftwerke befinden sich am oder in der Nähe von Meerwasser oder einem Gewässer, das zur Kühlung der Anlage beitragen kann. Der Strom muss dann von der Anlage übertragen und an den Wohnort der Menschen verteilt werden. Wenn wir mehr grüne Energiequellen erwerben und in unseren Energiemix integrieren, können diese Quellen relativ nahe an unserem Wohnort liegen.

Wenn sich also die Infrastruktur ändert und wir das alternde Netz aufrüsten, können wir es für die Verwendung von überkritischem CO2 umkonfigurieren. Für immer mehr Schaltanlagen benötigen Sie weiterhin einen Isolator.

Und wenn alle vorhandenen SF6-Schaltanlagen durch unsere Technologie ersetzt würden, hätte das enorme positive Auswirkungen auf die Umwelt.

Wie würden Sie die von Ihnen vorgeschlagene überkritische Flüssigkeit herstellen? Und welche Rolle spielen Sie in dem Projekt?

Benötigt wird lediglich verflüssigtes CO2. Sobald man es in die Schaltanlage bringt, erhitzt es sich und verwandelt sich irgendwann in überkritisches CO2. Wir können Temperatur und Druck aktiv steuern.

Als Doktorand habe ich die rechnerische Modellierung des Gasentladungsverhaltens entwickelt. Jetzt verwende ich diese Technik, um das elektrische Entladungsverhalten in einer überkritischen CO2-Flüssigkeit zu modellieren. Außerdem entwickle ich einen Prüfstand, den sogenannten synthetischen Schaltkreis, um die Leistung der Schaltanlage zu bewerten, sobald sie mit dem neuen Isolator und Design neu erfunden wurde.

Was ist der nächste Schritt, wenn die Förderung im Jahr 2025 endet?

Ziel des Projekts ist es, die Technologie auf den Markt zu bringen. Es gibt keine kommerziell erhältliche Alternative zu SF6, die so umweltfreundlich ist wie überkritisches CO2. Bei diesem Projekt handelt es sich also um eine risikoreiche und lohnenswerte Art von Forschung. Wenn es gelingt, werden wir ein Unternehmen gründen oder unsere Technologie lizenzieren.

Geschrieben von Laura Otto

Link zur Originalgeschichte: https://uwm.edu/news/uwm-researcher-works-on-replacing-the-most-potent-greenhouse-gas-of-all/