Alternativen zu gasisolierten MS-Schaltanlagen

Schwefelhexafluorid (SF6) lässt sich vermeiden

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Künstliche Emissionen von Treibhaugasen müssen wo immer möglich vermieden werden. Dabei ist meist von CO2 die Rede, dem häufigsten Vertreter dieser Gruppe – doch es gibt noch andere, wesentlich schädlichere Klimagase. Eines davon ist Schwefelhexafluorid (SF6), das immer noch in Mittelspannungsschaltanlagen verwendet wird. Der Beitrag erläutert die Problematik und geht auf Alternativen zu SF6-Anlagen in der Praxis ein.

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wächst beständig. Zwischen dem Jahr 2000 und dem Jahr 2020 konnte sich dieser Anteil von lediglich etwa 6 % auf 46 % steigern. Das für 2020 gesetzte Ziel von 35 % konnte somit sogar übertroffen werden, schreibt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie [1].

Aus den Daten des Ministeriums ist auch ersichtlich, dass Windkraft hierzulande den Löwenanteil der erneuerbaren Erzeugung liefert. Dieser teilt sich wiederum auf in große Offshore-Parks und kleinere, in der Landschaft verteilte Anlagen – besonders letztere sind für die folgenden Ausführungen von Interesse.

Energiewende erfordert Umbau des Stromnetzes

Traditionelle thermische Kraftwerke, seien es Kohle- oder Kernkraftwerke, benötigen eine gewisse Größe, um wirtschaftlich zu arbeiten. Auch Wasserkraftwerke können enorme Dimensionen annehmen. Das bestehende Stromnetz wurde daher auf diese zentralisierte Energieerzeugung ausgerichtet.

Mit der Energiewende wird allerdings auch ein Umdenken bei den Infrastrukturen notwendig. Durch die immer weiter fortschreitende Verbreitung der erneuerbaren Energien entstehen wesentlich mehr Einspeisestellen. Ein großer Treiber dafür ist die Windkraft, aber bei weitem nicht der einzige. Es entstehen auch vermehrt Biogas- oder kleinere Solaranlagen sowie kleine, lokale Wasserkraftwerke und vieles mehr.

Alle diese Erzeuger benötigen entsprechende Schaltanlagen, um ihren erzeugten Strom ins Netz einspeisen zu können.

Bekanntermaßen fallen Übertragungsverluste bei höheren Spannungen geringer aus, sodass direkt bei den Anlagen hochtransformiert wird. Dadurch entsteht nun wiederum ein erhöhter Bedarf an Schaltanlagen für die Mittelspannung.

Um die hohen Anforderungen an die Isolation zu erfüllen und dennoch eine kompakte Bauform zu ermöglichen, wurde in der Vergangenheit häufig auf Isolationsgase in Mittelspannungsumgebungen zurückgegriffen. Besonders die Windkraft stellt sehr hohe Anforderungen an kompakte Ausführungen, wenn Schaltanlagen in die Türme der Anlagen integriert werden sollen.

SF6: Die Nachteile überwiegen

Die Gasisolation bringt wie gesagt den Vorteil mit sich, dass gegenüber einer reinen Luftisolation kompaktere Baugrößen realisiert werden können. Das beruht auf den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Gase.

Bereits unter Normaldruck ist die Durchschlagsfestigkeit von SF6 etwa dreimal so hoch wie die von Luft oder Stickstoff. Dieser Wert lässt sich noch steigern, wenn das Gas unter Druck gehalten wird, was in gekapselten Schaltanlagen der Fall ist. Zudem weist SF6 auch sehr gute Lichtbogenlöscheigenschaften auf.

Diesen Vorteilen stehen allerdings große Nachteile gegenüber: Obwohl an sich ungiftig, weist SF6 ein enormes Treibausgaspotential auf: Das Äquivalent gegenüber CO2 wird mit dem Faktor 23 500 beziffert. Das heißt, die Emission einer Tonne SF6 entspricht dem Ausstoß von 23 500 Tonnen CO2.

Darüber hinaus beläuft sich die Lebensdauer des Gases in der Atmosphäre auf 3 200 Jahre. Somit entsteht auf lange Zeit ein hohes Schadenspotential.

Gasaustritt während des Betriebs der Anlagen ist allerdings nicht nur klimaschädlich, sondern bedeutet auch Wartungsaufwand für die Betreiber. Der Druck in den Anlagen muss regelmäßig überprüft und bei Bedarf muss Isoliergas nachgefüllt werden.

Hat eine solche Anlage ihre Lebensdauer erreicht, stellt sich die Frage der Entsorgung. Es ist problematisch, sicherzustellen, dass dabei kein Gas in die Atmosphäre entweicht – schließlich ist SF6 geruch-, geschmack- und farblos.

Die einfachste Art der Entsorgung wäre, das unsichtbare Gas einfach unbemerkt entweichen zu lassen. Doch auch wenn Anlagen korrekt zurückgebaut werden, kann es im Regelbetrieb zu Lecks kommen.

Laut einer Selbstverpflichtung der Industrie sind dabei 4 % Austritt über den gesamten Lebenszyklus erlaubt. Dieser Wert erscheint allerdings zu niedrig angesetzt, sodass man von einem tatsächlichen Verlust von bis zu 15 % ausgehen muss. Dennoch ist es mit dieser Selbstverpflichtung der Industrie bereits gelungen, die Emissionen merklich zu verringern (Bild 1).

Neben den Treibhauseffekten hat SF6 aber noch weitere negative Auswirkungen: Unter der Einwirkung von Störlichtbögen zerfällt das Gas in giftige Substanzen, die sich in den Schaltanlagen über die Zeit ablagern.

Bei der Entsorgung der Anlagen stellen sie ein weiteres Problem dar.

Als Argument für SF6 nennen Befürworter oft den vermeintlichen Preisvorteil bei der Anschaffung. Doch steht dieser in keiner Relation zu den negativen ökologischen Auswirkungen und somit gesamtgesellschaftlichen Kosten, die der Einsatz des Isoliergases mit sich bringt.

Wenn man zudem die Gesamtkosten, inklusive Wartung und Entsorgung, betrachtet, überzeugen alternative Lösungen auch hinsichtlich der Total Cost of Ownership (TCO).

Gesetzliche Rahmenbedingung

SF6 kam früher nicht nur in elektrischen Anlagen zum Einsatz, sondern wurde in einer Vielzahl von Produkten verwendet – von Schallschutzfenstern bis hin zu Sohlen von Sportschuhen und als Füllung von Autoreifen. Doch diese Anwendungen sind bereits 2014 durch die EU verboten worden. Lediglich für Mittel- und Hochspannungsanlagen wurden noch Ausnahmen gestattet.

Der Gesetzgeber war damals der Meinung, es existierten keine geeigneten Alternativen. Was die Mittelspannung betrifft, war das allerdings schon damals unzutreffend und ist es heute umso mehr.

Ein vollständiges Verbot von SF6 auch in Mittelspannungsanlagen steht zwar im Raum, verschiebt sich allerdings immer wieder. Ursprünglich war eine Entscheidung der EU in dieser Sache bereits für Juli 2020 geplant. Allerdings veröffentlichte die EU-Kommission letztes Jahr einen Bericht, der sich mit Alternativen zu SF6 befasst [3]. Dieser soll die technische Grundlage liefern zur Überprüfung der weiteren Duldung von SF6 in Mittelspannungsanwendungen, die für das vierte Quartal 2021 anberaumt ist.

Der Bericht ist zu dem Ergebnis gelangt, dass Alternativen vorhanden und einsetzbar sind. Ob es ein vollständiges Verbot geben wird und wie der Übergang gestaltet werden wird, ist allerdings noch nicht sicher. Es ist damit zu rechnen, dass es eine Art Übergangsphase geben wird.

Natürlich ist klar, dass man bestehende Anlagen nicht sofort austauschen kann, doch ein sofortiges Verbot der Neuerrichtung wäre angebracht. Durch die lange Betriebsdauer der Anlagen ist jede SF6-Installation, die neu gebaut wird, eine Hypothek für die Zukunft.

Die Alternativen

Noch bevor spezielle Isoliergase in Mittelspannungsschaltanlagen zum Einsatz kamen, wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts Luft oder Öl in Leistungsschaltern verwendet. Im Vergleich dazu war das ab den 1950er Jahren verwendete SF6 tatsächlich eine Neuerung. Als Gasisolator war SF6 leistungsmäßig überlegen, damals noch billiger und umweltfreundlicher als das bisher verwendete Öl. Außerdem ermöglichte es wesentlich kompaktere Bauformen als bei reinen Luftausführungen.

Neben den schädlichen und nicht mehr zeitgemäßen Isolationsmedien Öl und SF6 existiert noch die Feststoffisolation durch Epoxidharze. Dabei fallen keine schädlichen Emissionen an. Diese Bauform hat noch weitere Vorteile, so ist sie sehr robust und kompakt. Dennoch sind die Anlagen sehr leistungsfähig. Die Magnefix-Schaltanlagen von Eaton sind beispielsweise für 14,4-kA- und 20-kA-Netze mit einer Betriebsspannung von 12 oder 15 kV ausgelegt. Dank der geringen Abmessungen von lediglich 91 mm pro Schaltfeld lassen sich die Anlagen praktisch überall verbauen. Als Ortsnetzschaltanlage zum Einsatz für Verteilernetzbetreiber sind die Magnefix-Produkte daher bereits seit den 1960er Jahren eine beliebte Wahl.

Allerdings stößt auch die reine Feststoffisolation irgendwann an ihre Grenzen. Bei noch höheren Spannungen bedarf es anderer Verfahren – beziehungsweise der Kombination verschiedener Isolations- und Schaltumgebungen.

Eine ideale Lösung für den Mittelspannungsbereich ist die Kombination von Luft- und Feststoffisolation mit Vakuumschaltern. Diese kommen mit hohen Spannungen und Strömen zurecht, so werden bereits Anwendungen mit über 100 kV realisiert, was weit über die üblichen Definitionen der Mittelspannung hinausgeht.

In der Praxis bieten die Vakuumschalter den Vorteil, dass sie umweltfreundlich und wartungsfrei sind. In der evakuierten Umgebung befinden sich keine Gase, die beim Schaltvorgang zersetzt werden können. So können auch keine schädlichen Abbauprodukte anfallen – in SF6-Anlagen entstehen durch den Zerfall des Isoliergases etwa die Verbindungen HF, SOF2, SO2F10, oder SO2.

Das Vakuum bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass kein Gas ionisiert werden kann, sodass nur ein vergleichsweise kleiner Metalldampflichtbogen entsteht. Bei der Löschung des Lichtbogens kondensiert dieser Metalldampf an den Kontaktflächen wieder. Dadurch kann der Verschleiß minimiert werden und es können sehr hohe Standzeiten erreicht werden.

Bei den Xiria-Systemen von Eaton (Bild 2) wird eine mittlere Ausfallzeit von mehr als 100 000 Jahren angegeben, was für die Zuverlässigkeit der Vakuumtechnologie spricht. Es sind mehr als 30 000 mechanische und mehr als 100 Kurzschlussschaltungen möglich, bevor das Ende der Lebensdauer erreicht wird. Die Mittelspannungsschaltanlage Xiria wird bereits seit 2002 ausgeliefert, somit gibt es Erfahrungen aus dem Langzeiteinsatz von über 100 000 Systemen, die äußerst positiv ausfallen.

Praxisbeispiel: Kompakte Schaltanlage in den Alpen

Das Gemeindewerk Beckenried betreibt oberhalb des Vierwaldstättersees in der Schweiz eine Trafostation auf 1 600 m zur Versorgung einer dort gelegenen Alm (Bild 3). Beim Umbau der Trafostation wurde auch der Einbau einer neuen Mittelspannungsschaltanlage fällig. Da der Dienstleistungsbetrieb Wert auf eine nachhaltige Wirtschaftsweise legt, war von vornherein klar, dass eine SF6-freie Anlage verbaut werden sollte. Die besondere Situation machte dennoch eine sehr kompakte Bauform notwendig. Das ist zum einen durch die engen, unterirdischen Räumlichkeiten der Trafostation bedingt, zum anderen durch den Transport über enge Bergstraßen.

Mit einer Feldbreite von 500 mm war die Xiria E von Eaton eine ideale Wahl, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Außerdem ist die Anlage modular aufgebaut, was eine große Flexibilität ermöglicht. Die Installation in Beckenried konnte innerhalb eines Tages abgeschlossen werden. Hilfreich war dabei auch, dass der Kabelanschluss bei der Xiria von vorne erfolgt, sodass der begrenzte Raum in der Trafostation optimal ausgenutzt werden konnte.

Durch die Lage in der Höhe und schneereiche Winter waren für das Gemeindewerk Beckenried Langlebigkeit und Wartungsfreiheit ebenfalls entscheidende Faktoren. Das hermetisch gekapselte Gehäuse und die Kombination aus Luft- und Feststoffisolation sowie Vakuumschalttechnik bilden dafür die idealen Voraussetzungen.

In Zukunft sollen eventuell die Beschneiungsanlagen des örtlichen Skigebiets ausgebaut werden. Noch ist nicht klar, welche Herausforderungen dadurch auf die Stromversorgung in der Gegend zukommen werden. Da aber die Möglichkeit der modularen Erweiterung der Anlage besteht, ist das Gemeindewerk gut auf alle Eventualitäten vorbereitet.

Fazit

Wenn es um die Energiewende geht, darf man nicht nur die Seite der Erzeugung betrachten. Es kommt ebenso auf die Infrastrukturen der Energieverteilung und das Design der Netze an. Diese müssen flexibler, bidirektional und dezentraler werden.

Neben vielen anderen Implikationen bringt diese Entwicklung auch einen erhöhten Bedarf an Mittelspannungsschaltanlagen mit sich. Setzen Betreiber von Windkraft- oder Solaranlagen dabei auf klimaschädliche Isoliergase, konterkariert das den Gedanken der Energiewende.

Es ist zurzeit auch noch nicht sicher, ob durch die EU wirklich ein komplettes Verbot des Treibhausgases SF6 in Mittelspannungsanlagen erfolgen wird. Eine weitere Duldung wäre allerdings der falsche Weg.

Stattdessen steht einem SF6-Verbot nichts im Wege, technologische Alternativen sind seit langem verfügbar. Bei neuen Anlagen muss also sofort auf den Einsatz von SF6 verzichtet werden. Schaltanlagen sind sehr lange in Betrieb (30 bis 40 Jahre), deshalb muss jetzt gehandelt werden. Aber auch alte Anlagen sollten ausgetauscht werden, da Leckagen nicht auszuschließen sind.

Es existieren mit Feststoff- und Vakuumisolierung alternative Lösungen, die umweltneutral sind. Betreiber profitieren außerdem von verringertem Wartungsaufwand und laden sich keine Altlasten für die Zukunft auf.

Literatur


Bilder:


(1) SF6-Emissionen elektrischer Betriebsmittel in Deutschland (Quelle: Umweltbundesamt [2])

(2) Blick in eine Xiria-Schaltanlage (Quelle: Eaton)

(3) Verbindung zu einer oberhalb des Vierwaldstättersees in der Schweiz gelegenen Trafostation in 1 600 m Höhe (Quelle: Eaton)

Literatur:

[1] www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/erneuerbare-energien.html
[2] www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/fluorierte-treibhausgase-fckw/anwendungsbereiche-emissionsminderung/schaltanlagen
[3] Bericht der Kommission zur Bewertung der Verfügbarkeit von Alternativen zu fluorierten Treibhausgasen in Schaltanlagen und damit zusammenhängenden Geräten, einschließlich sekundärer Mittelspannungsschaltanlagen. Download: https://ec.europa.eu/transparency/regdoc/rep/3/2020/DE/C-2020-6635-F1-DE-MAIN-PART-1.PDF

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