Nachhaltige Alternativen zu SF6-Isoliergas in Schaltanlagen

Isoliergas dient in Schaltanlagen dazu, spannungsführende Teile elektrisch voneinander zu isolieren und somit Kurzschlüsse, Lichtbögen sowie weitergehende Defekte zu vermeiden. Häufig kommt dabei Schwefelhexafluorid (SF₆) zum Einsatz – obwohl es sich dabei um das stärkste bekannte Treibhausgas handelt. Die EU hat jetzt einen Bericht zum Status von SF₆-Alternativen vorgelegt, der verschiedene Ausstiegsszenarien diskutiert. Klimafreundliche Alternativen sind schon heute verfügbar und seit mehreren Jahren erfolgreich im Praxiseinsatz.

Deutschland und die Europäische Union haben sich ambitionierte Klimaziele gesetzt: Bis zum Jahr 2030 sollen 70 Mio. t CO₂ durch den Verzicht auf fluorierte Treibhausgase eingespart werden. Der Ersatz des stark klimaschädlichen Isoliergases SF₆ durch umweltfreundlichere Alternativen kann dazu einen wesentlichen Beitrag leisten. Seit den 1970er-Jahren setzen Anlagenbauer das Gas zur elektrischen Isolierung in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen ein (Bild 1). Zwar weist SF₆ vorteilhafte technische Eigenschaften zum Schutz vor Kurzschlüssen auf, ist jedoch ­wesentlich schädlicher als CO₂. So gilt SF₆ als das stärkste aller Treibhausgase mit einem globalen Erwärmungspotenzial von 23.500 CO₂-Äquivalenten.

Neue Studie der Universität Antwerpen

Eine aktuelle Studie der Universität Antwerpen aus dem Jahr 2020 legt den Schluss nahe, dass die Zahl der SF₆-Installationen und die damit verbundenen Emissionen in der EU die Schätzungen von UNFCCC (Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen) deutlich übertrifft. Die Studie spricht von Emissionen in Höhe von bis zu 140 t – entsprechend 3,3 Mio. CO₂-Äquivalenten. Zum Vergleich: 1 kg SF6 entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Schadstoffausstoß von 13 PkW.

Die Wissenschaftler erwarten, dass der SF6-Bestand im selben Maß zunehmen könnte wie der Ausbau der Netto-Stromerzeugungskapazitäten innerhalb der EU-Netze. Umso wichtiger ist es, technische Alternativen zu nutzen: Bei einem Ausstieg ab 2025 können bis zum Jahr 2050 EU-weit bis zu 6,8 Mio. CO₂-Äquivalenten vermieden werden, berichten die belgischen Wissenschaftler weiter. Nach Branchenschätzungen sind in Deutschland über 500.000 elektrische Schaltanlagen im Einsatz, die mit Mengen von wenigen kg bis zu mehr als 100 kg Isoliergas befüllt werden. Die Gesamtmenge an SF₆, die bundesweit in elektrischen Anlagen benutzt wird, beträgt mehr als 2700 t.

EU legt technischen Bericht vor

Die Verwendung von fluorierten Treibhausgasen ist seit 2006 in der F-Gas-Verordnung der EU geregelt (die aktuelle Verordnung EU 517/2014 gilt seit Januar 2015). Bei den drei Gruppen von F-Gasen handelt es sich um teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW) und Schwefelhexafluorid (SF₆). Ziel ist es dabei, die F-Gas-Emissionen der EU bis 2030 um zwei Drittel gegenüber dem Stand von 2014 zu reduzieren. Dieses trägt zum Gesamtziel der EU bei, die Treibhausgas-Emissionen bis 2050 um 80…95 % gegenüber dem Stand von 1990 zu verringern.

Die EU hat dazu Ende September 2020 einen mit Spannung erwarteten technischen Bericht vorgelegt. Dieser enthält erste Szenarien für die Ablösung von SF6 und macht deutlich, dass es bereits ökologisch vorteilhafte SF₆-freie Alternativen gibt. Realistisch sei somit eine Übergangsphase von zwei bis fünf Jahren für ein ausgereiftes Portfolio für die verschiedenen Anwendungsbereiche insbesondere im Mittelspannungs- und im Hochspannungsbereich bis 245 kV. Für höhere Spannungen (> 245 kV) sind laut EU-Bericht noch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich (Bild 2). Mit Blick auf eventuelle Mehrkosten schlägt der Bericht weiterhin vor, dass der Gesetzgeber steuernd eingreifen kann.

Der erstellte Bericht wird nun weiter im Europäischen Parlament und im Euro­päischen Rat diskutiert werden. Eine schon initiierte Impact-Analyse der EU-Kom­mission wird weitere Details definieren, beispielsweise unterschiedliche Zeitfenster nach Spannungsklassen. Ein erster Gesetzesvorschlag dürfte Ende 2021 vorliegen.

Umweltfreundlichere Alternativen zu SF₆

Mit zuverlässigen, sicheren, kostengünstigen und klimawirksamen Alternativen zu SF₆, die seit einigen Jahren erhältlich sind, lassen sich Maßnahmen ergreifen, um das Treib­hausgaspotenzial fast vollständig zu reduzieren. So hat der Anbieter 3M auf der Basis der Technologie »Novec« zusammen mit Herstellern von elektrischen Anlagen ein Gasgemisch entwickelt, das schon heute europaweit in Schaltanlagen als Alternative eingesetzt wird. Auf diese Weise lässt sich das Treibhausgaspotential von Schaltanlagen um mehr als 99 % reduzieren.

Erfolgreich im Praxiseinsatz

Verschiedene Anbieter von elektrischen Schaltanlagen setzen Isoliergase »Novec« seit 2015 in verschiedenen Pilotanlagen ein. So investiert z. B. ABB seit über zehn Jahren in die Forschung und Entwicklung von Alternativen zum klimaschädlichen Gas Schwefelhexafluorid. Im Bereich der gasisolierten Mittelspannungsanlagen setzt das Unternehmen seit 2015 auf die ökoeffiziente Technologie »Air Plus«, eine Mischung aus mehr als 85 % Trockenluft mit bis zu 15 % Isoliergas »Novec«, die ein globales Erwärmungs­potenzial (GWP) von weniger als 1 aufweist. Seitdem hat ABB umwelteffiziente Pilotanlagen mit dieser Technologie weltweit realisiert (Bild 3). »Gemeinsam mit unseren Kunden schaffen wir durch unsere klimabewussten Lösungen, wie beispielsweise den SF₆-freien Air-Plus-Anlagen, eine grünere Zukunft«, betont Alessandro Palin, weltweit verantwortlich für die Division Distribution Solutions bei ABB.

Für elektrische Hochspannungsübertragungsgeräte hat GE die Lösung »g³« (ausgeprochen »g cubed«) entwickelt, hier dient das Isoliergas »Novec 4710« zur elektrischen Isolierung (Bild 4). Die »g³«-Produkte weisen die gleichen Kenngrößen und Abmessungen wie SF₆-Produkte auf, bei einer jedoch erheblich reduzierten Umweltbelastung. Außerdem arbeiten sie ohne Einschränkung im gleichen Temperaturbereich wie SF6-Produkte bis zu -30 °C. »Unsere g³-Technologie ist eine bahnbrechende Alternative zu SF₆ für Hochspannungsanlagen und ist ein Teil von GE’s intensiven Bemühungen, den Stromnetzbetreibern dabei zu helfen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren«, betont Vera Silva, Chief Technology Office bei GE Grid Solutions. Per September 2020 wurde durch die Einführung von »g³«-isolierten Anlagen vermieden, dass mehr als 0,5 Mio. t CO₂-Äquivalente in das Netz eingespeist wurden. Die »g³«-Produkte von GE sind typgeprüft und erhältlich für Leistungsschalter »Live-Tank« und gasisolierte Schaltanlagen bis 145 kV, ­gasisolierte Leitungen (GIL) und Messwandler bis 420 kV.

Fazit

Der aktuell vorgelegte EU-Bericht macht nochmals die Notwendigkeit deutlich, SF₆-Anwendungen durch umweltverträglichere und nachhaltige Alternativen zu ersetzen. Umso erfreulicher ist es, dass es sowohl für den Mittel- als auch für den Hochspannungsbereich bereits marktreife und bewährte Lösungen gibt. Die zunehmende Anzahl an erfolgreichen Installationen in ganz Europa macht zudem eines deutlich: Die Industrie hat die Notwendigkeit zur Reduktion der klimaschädlichen SF₆-Emissionen erkannt. Konkrete Beschlüsse und Termine für einen Phase-out-Plan sowie klare Rahmenbedingungen seitens des Gesetzgebers sind aber notwendig, um die weitere Implementierung und die damit verbundene Emis­sions-Reduzierung voranzutreiben.

Autor

Rainer Kurz, Market Development Manager Energy, 3M Deutschland GmbH

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net