Schwefelhexafluorid: Das alptraumhafte Treibhausgas, das einfach zu nützlich ist, um es nicht mehr zu verwenden

Schwefelhexafluorid (SF6) ist bei weitem nicht so berüchtigt wie CO2, wobei Letzteres die Hauptschuld am anthropogenen Klimawandel trägt. Doch während Maßnahmen zur Eindämmung der CO2-Freisetzung umgesetzt werden, scheint dies bei SF6 nicht der Fall zu sein, trotz der möglicherweise viel größeren Auswirkungen, die SF6 hat. Denn wenn CO2 in die Atmosphäre gelangt, hat es nur ein globales Erwärmungspotenzial (GWP) von 1, während das von Methan über 100 Jahre bei etwa 28 liegt und SF6 im gleichen Zeitraum ein GWP von weit über 22.000 hat.

Bemerkenswert ist hier auch, dass Methan zwar nur etwa 12,4 Jahre in der Atmosphäre verbleibt, SF6 jedoch so stabil ist, dass es Tausende von Jahren überdauert, was derzeit auf etwa 3.200 Jahre geschätzt wird. Als wir im Jahr 2019 im Zusammenhang mit Treibhausgasen auf Schwefelhexafluorid eingingen, stellten wir fest, dass das meiste SF6 für Hochspannungsschaltanlagen (mechanische Schalter), Transformatoren und Ähnliches verwendet wird und dort austritt, wo das Gas inert und stabil ist Aufgrund seiner Natur ist es ideal zur Verhinderung und Löschung von Lichtbögen geeignet.

Mit dem rasanten Wachstum der hochdezentralen Energieerzeugung in Form von meist (Offshore-)Windkraftanlagen und PV-Solarparks bedeutet dies auch, dass diese jeweils mit eigenen (gasgefüllten) Schaltanlagen ausgestattet sind. Da SF6 in diesem Markt immer noch weit verbreitet ist, scheint dies eine hervorragende Gelegenheit zu sein, zu untersuchen, wie weit der SF6-Verbrauch zurückgegangen ist und ob es uns möglicherweise gelingt, eine mögliche Katastrophe abzuwenden.

Was SF6 zu einer hervorragenden Komplettlösung für die Unterdrückung von Lichtbögen und die Isolierung elektrischer Hochspannungssysteme macht, ist seine Stabilität. Im Allgemeinen interagiert es nicht leicht mit anderen Substanzen, was dazu führt, dass es farblos, nicht brennbar und ungiftig ist. Leider führt dieser Mangel an chemischer Reaktivität auch dazu, dass es sehr lange z. B. in der Erdatmosphäre verbleiben kann.

Obwohl SF6 in der Natur vorkommt, wird der überwiegende Teil vom Menschen produziert, zur Verwendung in industriellen Prozessen und in der Medizin, vor allem aber in elektrischen Hochspannungssystemen als dielektrisches Gas. Der Hauptzweck eines dielektrischen Gases besteht hier darin, die Durchbruchspannung zu erhöhen, sodass höhere Spannungen auf weniger Raum verwendet werden können, im Allgemeinen im Vergleich zu Luft.

Wenn nämlich Lichtbögen entstehen, sollte der Zweck des Gases auch darin bestehen, die Lichtbögen zu löschen, denn dort strahlt SF6. Obwohl ein kleiner Teil des Gases in das giftige S2F10 (Schwefeldecafluorid) zerlegt werden kann, wandeln sich die meisten Abbauprodukte schnell in SF6 um, was es zu einer wartungsarmen Wahl für Schaltanlagen macht. Insbesondere bei Geräten, die an einem abgelegenen und relativ unzugänglichen Ort installiert werden, ist dies eine sehr hilfreiche Eigenschaft.

Da SF6 ungiftig ist und ein hohes Molekulargewicht hat, wird es auch als umgekehrter Partygag zu Helium verwendet: Die niedrige Molekulardichte von Helium führt zu einer Erhöhung der wahrgenommenen Tonhöhe, wenn man durch ein mit Helium gefülltes Medium spricht und SF6 einatmet wird die Tonhöhe einer Person erheblich senken, bis das Gas aus den Atemwegen der Person ausgestoßen wurde.

Ein unglücklicher Nebeneffekt der gasförmigen Atmosphäre unseres Planeten besteht darin, dass alle Gase, die aus der Eindämmung entweichen oder durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden, in die Atmosphäre gelangen. Wie besorgt wir darüber sein sollten, hängt vom jeweiligen Gas ab. Als festgestellt wurde, dass FCKW die Ozonschicht der Erde schnell erodieren, war es wichtig, jede nennenswerte Freisetzung dieses Gases sofort zu verhindern. Dies wurde durch das Montrealer Protokoll erreicht, das eine rasche Einstellung der meisten FCKW-Anwendungen vorsah.

Im Fall von SF6 scheint es fair zu sein, zu fragen, wie groß das Ausmaß der Bedrohung ist. Um dies zu beurteilen, können wir uns die Daten von AGAGE ansehen. Hierbei handelt es sich um das Advanced Global Atmospheric Gases Experiment, das eine Vielzahl von Gasen in der Atmosphäre verfolgt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die SF6-Menge seit dem Jahr 2000 erheblich zugenommen hat und bis zum Jahr 2020 von etwa 4 ppt (parts per trillion) auf etwa 10 ppt angestiegen ist, wobei sich um 1970 herum ein linearer Anstieg bemerkbar machte. Der vorindustrielle Wert in der Troposphäre lag bei etwa 54 ppq (Teile pro Billiarde).

Da über 80 % des produzierten SF6 in der Elektrizitätsindustrie verwendet werden, überrascht es nicht, dass dies auch die größte Quelle von Lecks ist. Ein großer Teil davon ist auf die verteilte Natur zurückzuführen: Anstatt dass das Gas in einem genau überwachten industriellen Prozess verwendet wird, befinden sich Anlagen wie Schaltanlagen buchstäblich auf der ganzen Welt, in Wüsten, auf der Spitze von Windkraftanlagen und mitten auf Feldern. Bei der Installation, Reparatur oder Außerbetriebnahme kann es auch zu Schäden an Schaltanlagen kommen, bei denen SF6-Gas in die Atmosphäre entweicht.

In einer auf den AGAGE-Ergebnissen basierenden Studie aus dem Jahr 2020 mit dem Titel „Die zunehmende atmosphärische Belastung durch das Treibhausgas Schwefelhexafluorid (SF6)“ haben Simmonds et al. decken die Messungen der letzten 40 Jahre ab. Sie nennen fünf Hauptquellen für SF6-Leckagen:

Messungen ergaben, dass es sich bei den Ländern mit den größten SF6-Emissionen vor allem um China und Südkorea in Ostasien und um Deutschland in Westeuropa handelt. Im Falle Deutschlands stehen Halbleiterhersteller im Verdacht, maßgebliche Beitragszahler zu sein.

Gasisolierte Hochspannungsschaltanlagen (GIS) verbrauchen wie erwähnt >80 % der Jahresproduktion von SF6, bei Mittelspannungs-GIS weitere 10 %. Diese GIS haben in der Regel eine Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren, wobei auch heute noch neue GIS auf SF6-Basis installiert werden, die im Normalbetrieb aufgrund der mangelhaften Beschaffenheit der Dichtungen jeweils ein gewisses Maß an Leckagen aufweisen. In der Magnesium-, Aluminium- und Halbleiterindustrie sind Lecks im Laufe der Zeit allmählich zurückgegangen, stellen aber immer noch eine bedeutende Quelle dar.

Im Jahr 2018 betrugen die globalen SF6-Emissionen 9,0 ± 0,4 Gg pro Jahr, wobei die CO2-Emissionen 2018 33,1 Gt (33.100.000 Gg) betrugen. Unter Berücksichtigung des viel höheren GWP (22800) von SF6 entsprechen die Emissionen im Jahr 2018 etwa 205.200 Gg oder 0,6 % der jährlichen CO2-Emissionen. Obwohl dies keine erstaunliche Zahl ist, müssen wir hier berücksichtigen, dass die Emissionen von SF6 bisher von Jahr zu Jahr zunehmen. Jedes heute installierte SF6-basierte GIS oder ähnliches wird in den nächsten Jahrzehnten zu dieser Gesamtmenge beitragen und gleichzeitig über einen längeren Zeitraum als im bisherigen Industriezeitalter zur globalen Erwärmung beitragen.

Es ist also klar, dass es eine gute Sache ist, SF6 zu ersetzen und generell zu verhindern, dass es in die Atmosphäre gelangt. Vielleicht ironischerweise ersetzte SF6 früher die Verwendung von Öl in Schaltanlagen aufgrund giftiger und ansonsten schädlicher Substanzen, und einige der vorgeschlagenen Ersatzstoffe für SF6 sind selbst nicht so harmlos wie dieses Gas. Wenn möglich, ist Vakuum eine der besten Optionen, wobei ein Hochvakuum für eine sehr hohe dielektrische Isolierung sorgt.

Das Aufrechterhalten eines Hochvakuums ist nicht einfach, insbesondere nicht über Jahre hinweg, und führt zu Alternativen wie normaler Luft, CO2 und verschiedenen Substanzen auf Fluoridbasis. Kürzlich haben Owens et al. (2021) als Forscher bei 3M eine Studie zu zwei SF6-Alternativen veröffentlichten, die 3M kommerziell vertreibt. Ihre Handelsnamen sind Novec 4710 ((CF3)2CFCN) und Novec 5110 ((CF3)2CFC(O)CF3), bei denen es sich um Fluornitril- und Fluorketonmischungen handelt.

Die Idee besteht darin, solche Mischungen dem CO2 oder der Luft im GIS zuzusetzen, um die dielektrischen Eigenschaften zu verbessern. In dieser Konfiguration sieht Novec 5110 mit Luftgemisch mit einem (100-Jahres-)GWP von <1 ziemlich gut aus, aber Novec 4710 mit CO2-Gemisch hat ein GWP von 398, was besser, aber nicht großartig ist. SF6 zeigte auch eine insgesamt bessere Leistung bei kaltem Wetter, bis zu -38 °C, verglichen mit -27 °C für Novec 4710/CO2 und 0 °C für Novec 5110/Luft.

Dies unterstreicht die Komplexität des Ersatzes von SF6 in GIS-Anwendungen, da jeder Teil eines Stromnetzes unterschiedliche Temperaturbereiche und andere Faktoren aufweist, die eine bestimmte SF6-Alternative attraktiver machen würden. Da SF6 relativ günstig und universell einsetzbar ist und seine Verwendung in der Elektrizitätswirtschaft bisher unbeschränkt ist – selbst im Rahmen der F-Gase-Vorschriften der EU – ist es kein Wunder, dass der SF6-Markt Jahr für Jahr wächst.

Den fluorierten Gasen ist gemeinsam, dass sie in der Regel künstlich hergestellt werden, in der Industrie und anderen Anwendungen beliebt sind und ein hohes GWP aufweisen. Dazu gehören HFKW, PFC, SF6 und NF3. Von diesen sind HFKW weit verbreitet in der Kältetechnik, wo sie zusammen mit einer Reihe anderer Gase die früher weit verbreiteten FCKW ersetzen. Durch ihre Produktion, Nutzung und eventuelle Stilllegung gelangt ein erheblicher Teil dieser Gase in die Atmosphäre und trägt dort zum Schreckgespenst der anthropogenen globalen Erwärmung bei.

Angesichts der Beliebtheit dieser Gase, der Schwierigkeit, Ersatz zu finden, und des Bestrebens, mehr und immer billigere Kühlschränke, Windturbinen und dezentrale Energiesysteme zu produzieren, ist es unwahrscheinlich, dass wir hier eine größere Veränderung erleben werden. Mittlerweile werden jeden Tag mehr SF6-basierte GIS und ähnliche Systeme im weltweiten Bestreben, das Stromnetz zu dekarbonisieren und auszubauen, installiert, wo sie auch in den kommenden Jahrzehnten ein Problem darstellen werden.

Obwohl dies vielleicht eine deprimierende Perspektive ist, kann die Art und Weise, wie sich die Welt zusammengeschlossen hat, um FCKW zu verbannen, etwas Hoffnung schöpfen, als klar war, dass sie eine existenzielle Bedrohung für alles Leben auf dieser Erde darstellten. Wir hoffen, dass uns das noch ein paar Mal gelingt.