Wondermiddel voor energiebedrijven heeft groot klimaatnadeel

Zwaar met een hoge dichtheid, niet giftig, chemisch inert, niet brandbaar – lange tijd leek zwavelhexafluoride het perfecte gas met alleen maar voordelen. Het werd gebruikt als isolerend gas in dubbel glas, in tennisballen en de zolen van sportschoenen, ook reservewielen werden ermee gevuld. Maar sinds 2007 zijn deze toepassingen in de EU verboden. Want het fluorhoudende gas met de chemische formule SF₆ bleek flink wat invloed op het klimaat te hebben. Toegestaan blijft het echter nog wel in zijn nu grootste toepassingsgebied: de elektrische industrie. Hier wordt het vooral gebruikt in hoogspanningsinstallaties. Ondanks zijn vermoedelijk ernstige schade aan het klimaat is zwavelhexafluoride in Nederland en de rest van Europa dus niet verdwenen – integendeel.

Zwavelhexafluoride is het sterkste bekende broeikasgas: volgens het vijfde evaluatierapport van het IPCC, het klimaatbureau van de Verenigde Naties, is het aardopwarmingsvermogen van SF₆ – over een periode van honderd jaar bekeken – 23.500 keer zo hoog als dat van CO₂. Het opwarmend effect van een kilogram SF₆ is net zo groot als dat je met een kleine benzineauto vijf keer de wereld rondrijdt. Bovendien breekt het gas heel langzaam af: het blijft gemiddeld 3.200 jaar in de atmosfeer.

Een internationaal team van wetenschappers schatte de wereldwijde SF₆-uitstoot in 2018 op meer dan 9.000 ton. Vergeleken met koolstofdioxide (34 miljard ton in 2020) is dat relatief laag – maar de SF₆-uitstoot is aan het stijgen: tussen 1973 en 2008 is de concentratie ervan in de atmosfeer vertienvoudigd. In 2010 schreef een onderzoeksteam onder leiding van de universiteit van Heidelberg dat 70 tot 80 procent van de wereldwijde SF₆-emissies helemaal niet worden geregistreerd, deels omdat veel landen hun gegevens niet aan de Verenigde Naties hoeven te melden.

Zwavelhexafluoride wordt gebruikt in schakelinstallaties zoals in transformatorhuisjes en onderstations, belangrijke knooppunten in het hoogspanningsnet. Hier voorkomt het gas gevaarlijke overslagen – vergelijkbaar met bliksem. „We willen graag van SF₆ af, maar dat gaat niet van vandaag op morgen,” zegt André Lathouwers, senior onderhoudsstrateeg bij Tennet, netbeheerder van het Nederlandse hoogspanningsnet. „Want het gas is wel een wondermiddel.”

Een serieus probleem

Als iets misgaat met nieuwe installaties zonder SF₆ heeft de netbeheerder een serieus probleem, voegt Lathouwers eraan toe – en in feite heel Nederland. „Het ergste wat er kan gebeuren is een storing waarbij de stroom kan uitvallen.”

Schakelsystemen bevinden zich op knooppunten in het hoogspanningsnet, de zogeheten onderstations. Ze verdelen elektrische energie en schakelen netdelen af in het geval van een kortsluiting. In transformatorhuisjes wordt de spanning verder verlaagd voordat de stroom huishoudens of bedrijven binnen gaat. Ook elke windturbine is op het net aangesloten met een schakelinstallatie.

Zwavelhexafluoride is een uitstekende isolator en verlaagt het gevaar van een overslag: als elektronen tegen een SF₆-molecuul aanbotsen, worden ze opgevangen en daarmee onschadelijk gemaakt. Daarom zijn belangrijke componenten in deze schakelinstallaties in hun binnenste met zwavelhexafluoride gevuld. Als de schakelinstallatie verder niet in de open lucht staat, maar in een eigen gebouw, zijn alle op hoogspanning staande delen met een omhulling omsloten, die met SF₆ is gevuld.

Een belangrijke component in zulke schakelinstallaties zijn zogeheten vermogensschakelaars die alle stromen, inclusief kortsluitstromen, kunnen onderbreken. Dat werkt zoals in een meterkast in een huis of woning als een zekering doorslaat. Ook vermogensschakelaars bevatten SF₆. „Het zijn cruciale componenten in het net,” zegt Lathouwers. „Als ze het niet doen, kan het donker worden in de stad.”

In 2019 meldde de BBC dat in de EU kleine lekken in schakelapparatuur regelmatig grote hoeveelheden SF₆ laten ontsnappen. Voor heel het Verenigd Koninkrijk en de EU ging het volgens de BBC in 2017 om zo’n 286 ton. De BBC leidde het cijfer af van de gemeten SF₆-uitstoot in Europa – en het feit dat het gas bijna nergens anders meer dan in de elektrische industrie wordt gebruikt.

Dat de elektrische industrie een substantiële bron van SF₆ in de atmosfeer is, lijkt inderdaad waarschijnlijk: onderzoekers aan de universiteit van Cardiff vonden dat in de Britse elektriciteitsnetten meer dan 1.100 ton van het gas in gebruik is, en dat er jaarlijkse lekkages zijn van zo’n 1,3 procent. Jaarlijks ontsnapt dus meer dan 11,3 ton SF₆ alleen al in het VK.

Vervangen is niet eenvoudig

„Vermogensschakelaars staan altijd onder een overdruk van 5 of 6 bar”, legt Lathouwers uit. „Er is altijd een kans dat tijdens de volle levensduur ergens een kleine lekkage optreedt.” Vooral bij oudere installaties en met minder goed onderhoud neemt de kans toe. Ook ongevallen kunnen gebeuren: volgens de Cardiff-studie ontsnapte ooit bij een defect in één keer 113 kg SF₆.

Intern onderzoek van het elektriciteitsbedrijf Eaton toonde aan dat over de hele levenscyclus van het gas en de schakelinstallaties de lekkages tot 15 procent zouden kunnen oplopen, vanaf de productie van het gas en de schakelinstallaties tot het demonteren en opruimen aan het einde. Eaton produceert in Hengelo SF₆-vrij schakelmateriaal voor middenspanning.

Christian Franck, hoogleraar hoogspanningstechniek aan de ETH Zürich in Zwitserland, begon meer dan tien jaar geleden onderzoek te doen naar alternatieven voor zwavelhexafluoride in de elektrische industrie. Het vervangen is niet eenvoudig, maar nu hangt er verandering in de lucht, zegt Franck: „De industrie is in een optimistische stemming. Er bestaan goede alternatieven.”

De energiebedrijven en producenten van schakelmateriaal komen steeds meer onder druk te staan. Want de Europese Commissie stelt nu ook SF₆ voor schakelinstallaties ter discussie. De EU is aan de slag gegaan met een nieuwe F-gassenverordening die het gebruik van gefluoreerde broeikasgassen regelt. Een nieuwe versie met een potentieel verbod op SF₆ in nieuwe middenspanningsschakelinstallaties wordt verwacht voor eind 2021 of 2022.

Er worden nu proefinstallaties met verschillende SF₆-vrije alternatieven in Europa geplaatst om ervaring op te doen en te zien welk alternatief voor welke toepassing het beste werkt. Vaak staan ze bij stations met een lager spanningsniveau en met meetapparatuur en de mogelijkheid om bijvoorbeeld gasmonsters te nemen. Ook in Nederland staan en komen er pilots.

Met SF₆-vrije gasmengsels proberen de netbeheerders om de SF₆-ontwerpen te evenaren. „SF₆ eruit, alternatief erin – zo werkt het helaas niet”, zegt André Lathouwers. In plaats daarvan moet de hele constructie van de schakelinstallatie worden veranderd – dus alle oude installaties moeten worden vervangen.

Het bedrijf GE heeft een SF₆-vrij gasmengsel voor hoogspanningsinstallaties onder de merknaam g3 ontwikkeld (Green Gas for Grid). Het is een mengsel van koolstofdioxide, zuurstof en een fluorhoudende stof, een geperfluoreerd nitril. Tennet heeft een pilot met g3 opgezet in het hoogspanningsstation in Meeden, vlak bij Groningen. Netbeheerder Stedin, die voornamelijk in de Randstad opereert, heeft onlangs een hoogspanningsinstallatie met g3 in Middelharnis in gebruik genomen.

Maar echt ideaal lijkt g3 ook niet. Volgens de producent, het technologieconcern 3M, heeft het pure fluorhoudende molecuul een aardopwarmingsvermogen van 2.090 – dus 2.090 zo hoog als dat van CO₂. Zijn atmosferische levensduur is echter maar 22 jaar (in plaats van 3.200 jaar voor SF₆).

Ook de Zwitsers-Japans energiegroep Hitachi ABB Power Grids heeft een fluorhoudend alternatief ontwikkeld: AirPlus, een mengsel van zuurstof, koolstofdioxide en een fluorhoudend keton. Dat heeft een aardopwarmingsvermogen van minder dan 1 en breekt binnen 16 dagen af in de atmosfeer. Het AirPlus-systeem is sinds 2015 als pilot in gebruik in een onderstation vlakbij Zürich. Het alternatief heeft echter volgens Lathouwers een groot nadeel: „Het gas vervloeit bij lage temperaturen, zodat het niet toepasbaar is in een buitenopstelling.”

Schakelen in vacuüm

Als je helemaal met fluorhoudende moleculen wilt kappen, zijn er nog andere alternatieven: Japanse fabrikanten zoeken naar een ontwerp met alleen CO₂ en O₂ (zuurstof).

Ook worden er andere benaderingen gekozen om het probleem aan te pakken. Op middenspanningsniveau wordt al geschakeld in vacuüm. Zonder SF₆ werken is hier makkelijker omdat de spanning lager en het overslagrisico kleiner is. Schakelaars zijn anders gebouwd. Er zit geen gas als ‘blus’-medium tussen de twee hoogspanningscontacten maar een vacuüm, en door de twee contacten van elkaar weg te bewegen kun je een te hoge stroom onderbreken. Naar buiten isoleren moet je dan nog steeds met een gas, zodat de op spanning staande delen niet overslaan naar de behuizing.

„Van origine was het middenspanningsnetwerk van Nederland SF₆-vrij”, zegt Frits Besseling, manager bij Eaton. „Maar verschillende netwerkbedrijven gebruiken ook al een aantal jaren SF₆-installaties in de middenspanning. Het zou mooi zijn als we dat weer kunnen draaien naar SF₆-vrij. Nederland zou hier echt een voortrekkersrol kunnen nemen.” Eatons apparatuur werkt met een vastestofisolatie omgeven door een hermetisch gesloten ketel met lucht.

Het schakelen in vacuüm wordt door het wereldwijd opererende Duitse elektrotechniekbedrijf Siemens-Energy verder uitgebreid naar hogere spanningsniveaus. Voor het isoleren gebruiken ze schone lucht onder hogere druk en noemen dit ‘Clean Air’.

Testen in het Westland

Dit principe wordt gebruikt in een proeffabriek op een onderstation vlak bij Karlsruhe in Duitsland. Ook Tennet wil deze techniek testen en plant volgens Lathouwers een pilot in Westerlee, in het Westland.

Chemicus Cornelia Elsner van de Duitse federale bureau voor het milieu ondersteunt deze keuze, waar en wanneer mogelijk. „We moeten het proberen te redden zonder halogeenhoudende stoffen.” Lucht heeft geen broeikaseffect, vormt geen bijproducten en is gemakkelijk te hanteren. Een nadeel is echter dat systemen met droge lucht meestal groter zijn, wat vooral voor installaties in gebouwen een minpunt is.

Welke SF₆-vervanger het beste is, weet nog niemand. „Ik ben benieuwd wie de grote winnaar gaat worden”, zegt André Lathouwers. Hij vergelijkt de wedstrijd met de oorlog tussen videorecorderformaten 40 jaar gelegen: „Je had VHS, Betamax en V2000. Alleen één – VHS – is de norm geworden.”

Natuurkundige Christian Franck, die het fysisch gedrag van SF₆-alternatieven in zijn laboratoria bestudeert, vermoedt echter, dat het in dit geval anders zal lopen: „Ik denk niet dat zich slechts één oplossing op de markt zal vestigen.” Een wondermiddel zoals SF₆ is namelijk geen van de vervangers; alle hebben voor- en nadelen.

Maar zelfs als er spoedig een verbod op de klimaatkiller in alle schakelinstallaties zou komen, zal zwavelhexafluoride nog lang een probleem blijven. Want zo’n verbod zou alleen voor nieuwe installaties gelden. „Onze hoogspanningsschakelinstallaties zijn 40 tot 50 jaar in bedrijf”, zegt André Lathouwers. „Het zijn geen auto’s die je na vijf jaar afschrijft. Dus we moeten keuzes maken voor een heel lange levensduur.” Alleen als netbeheerders een oude installatie vervangen, kan een nieuwe SF₆-vrije installatie worden geïnstalleerd. Des te belangrijker om nu al potentiële alternatieven te testen.