Transformatoren werden grün

In Industriestaaten ist die Nutzung von Strom eine Selbstverständlichkeit. Strom kommt in nahezu jeder Tätigkeit zum Einsatz – morgens wird das Licht eingeschaltet, am Abend ferngesehen und anschließend der Wecker für den nächsten Tag gestellt. Strom ist ein Merkmal der sogenannten All Electric and Connected Society: die Annahme, dass wir Strom haben, wann immer wir ihn brauchen. Aber damit das tatsächlich so ist, müssen viele Menschen, die in der Energieversorgung bzw. der Energiebranche arbeiten, bis hin zum Elektriker, der nebenan wohnt, sicherstellen, dass eine Vielzahl von Sicherheits- und Leistungsstandards eingehalten werden. Die meisten dieser Standards werden von der IEC veröffentlicht.

Eine derart sorglose Einstellung zu Strom existiert allerdings nicht in Schwellenländern, wo den Menschen viel bewusster ist, welchen Nutzen Strom bietet. Angesichts der zunehmenden Elektrifizierung weltweit, die dafür sorgt, dass immer mehr Menschen Zugang zu Strom erhalten, sind die Normen der IEC zu Sicherheit und Leistung unerlässlich.

Ein Thema, das zwar selten Schlagzeilen macht, aber für unsere Sicherheit unerlässlich ist, ist die Sicherstellung einer guten Isolierung des Stromübertragungsnetzes. Sämtliche elektrische Betriebsmittel müssen mit einem nicht leitenden Material geschützt werden, das einen elektrischen Widerstand bietet und Kurzschlüsse und Stromschläge verhindert.

Flüssige Isolierstoffe sind eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass Transformatoren, die eine hohe Spannung in eine niedrigere Spannung umwandeln, keine Gefährdung darstellen. Der Vorteil von Flüssigkeit ist ihre kühlende Wirkung, was für einen energieeffizienten Betrieb der Geräte entscheidend ist. Entsprechend halten sie dann auch länger. Schätzungen zufolge werden weltweit mehrere Milliarden Liter Isolierflüssigkeit für Transformatoren verwendet.

Rückblick

Isolierflüssigkeiten werden seit dem frühen 20. Jahrhundert verwendet, als man anfing, Strom zu nutzen. Einem ResearchGate-Artikel zufolge sind Öle auf Erdölbasis, sogenannte Mineralöle, seit jener Zeit die am häufigsten verwendete Isolierflüssigkeit in industriellen Stromversorgungssystemen, was an ihrem guten Alterungsverhalten, ihrer niedrigen Viskosität, ihrer leichten Verfügbarkeit und ihren niedrigen Kosten liegt. Rohöl wurde Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt, nur kurz vor Einführung der Elektrizität.

Doch schon in den Anfangsjahren zeigten sich einige der Nachteile von Mineralölen. Da sie leicht entflammbar waren, war ihr Einsatz an Orten, wo leicht Brände entstehen konnten, gefährlich. Ab den 1930er Jahren begann die Industrie, auf polychlorierten Biphenylen (PCB) basierende Isolierflüssigkeiten zu verwenden. Bei PCB handelt es sich allerdings um giftige und persistente Chemikalien. Der US-amerikanischen Gewerkschaft Communications Workers of America zufolge, die Arbeitnehmende repräsentiert, die in Kontakt mit diesen Chemikalien kommen können, sind PCB nicht biologisch abbaubar, d. h. sie zerfallen nicht und zerlegen sich nicht in ihre chemischen Verbindungen. Sie können zudem Krebs und andere schwerwiegende gesundheitliche Probleme bei Menschen und Tieren, die mit ihnen in Kontakt kommen, verursachen sowie eine erhebliche Umweltverschmutzung zur Folge haben.

Aus diesem Grund ist die Verwendung von PCB in den meisten Ländern inzwischen verboten. In der EU wurden sie in den späten 70er bzw. frühen 80er Jahren schrittweise vom Markt genommen. Allerdings finden sie sich noch in alten Transformatoren, die aus der Zeit vor dem Verbot stammen. Ivanka Atanasova-Hoehlein, Vorsitzende des Technischen Komitees, das Normen zu Isolierflüssigkeiten für elektrische Betriebsmittel erarbeitet, erklärt: „In vielen Ländern gibt es Bemühungen, Betriebsmittel, die PCB enthalten, zu identifizieren und sicher zu entsorgen.“

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Der Wunsch, sicherere und umweltfreundlichere Flüssigkeiten zu verwenden, hat Wissenschaftler*innen dazu veranlasst, nach alternativen Lösungen zu suchen – eine Entwicklung, die in den letzten 40 Jahren beschleunigt wurde, da die Menschen ein größeres Bewusstsein im Hinblick auf Umweltrisiken und den Schutz der Umwelt entwickelt haben.

Schätzungen des globalen Marktforschungsunternehmens MRFR zufolge wird der Markt für biobasierte Transformatorenöle, der aktuell einen Wert von etwa 1,6 Mrd. USD hat, bis 2032 um 7,3 Prozent wachsen. Der Marktanteil von biobasierten Treibstoffen beträgt gegenwärtig etwa 35 Prozent.

Es werden nachhaltige, erneuerbare, biologisch abbaubare und umweltfreundliche Isolierstoffe verwendet, obwohl ihre Kosten nach wie vor höher sind als die von konventionellen Flüssigkeiten. Eine Alternative zu Mineralölen sind unter anderem pflanzliche Öle, die biologisch abbaubar und viel weniger schädlich für die Umwelt sind. Laut dieser Studie haben sie einige Nachteile, insbesondere sind sie anfälliger für Oxidation. Synthetische Ester sind eine weitere Option, da sie ebenfalls biologisch abbaubar sind und bei ihrer Verbrennung keine umweltschädlichen Gase ausstoßen. Atanasova-Hoehlein zufolge haben sie zudem eine „gute Oxidationsstabilität, weshalb sie in Geräten wie Bahn-Transformatoren im Eisenbahnsektor genutzt werden können“. Allerdings haben auch sie Nachteile, so sind sie teurer als Pflanzenöle und sie werden aus Erdöl gewonnen, wodurch sie einen größeren CO2-Fußabdruck hinterlassen.

Weitere Alternativen sind biobasierte Kohlenwasserstoffe, die aus biogenen Reststoffen gewonnen werden, und Gas-to-Liquid-Isolierflüssigkeiten. „Diese gehören zur Gruppe der ungebrauchten Mineralöle, wie in einer unserer Normen näher ausgeführt“, erklärt Atanasova-Hoehlein. Eine weitere Alternative ist das Recycling gebrauchter Mineralöle.

IEC 60296 ist eine allgemein anerkannte Norm zur Nutzung von Mineralölen für Isolierzwecke, einschließlich biobasierter flüssiger Kohlenwasserstoffe, die durch Gas-to-Liquid-Verfahren hergestellt werden. Die neueste Ausgabe dieser Norm wurde 2020 veröffentlicht. Sie befasst sich auch mit dem Recycling konventioneller Öle. Die IEC hat die meisten der notwendigen Sicherheits- und Performance-Standards in dem Bereich herausgegeben und konzentriert sich aktuell zunehmend auf Umweltanforderungen.

Die Norm IEC 62770 beschäftigt sich mit natürlichen Estern wie Pflanzenölen, während sich IEC 61099, für die gerade an einer dritten Ausgabe gearbeitet wird, mit synthetischen Estern auseinandersetzt.

Vor dem Hintergrund der Entwicklung zu einer All Electric Society werden Isolierflüssigkeiten wichtiger denn je. Gleichzeitig müssen sie zunehmend strengere Umweltauflagen erfüllen, wobei ihnen die Normen der IEC helfen.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Catherine Bischofberger erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 03/2025 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2025-03/transformers-go-green

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

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