Die Verwendung von Sojabohnenöl in der … 250 300 350 400 Mineralöl Synthetischer Ester Envirotemp FR3 160 C 315 C 360 C C 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU

10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017

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Die Verwendung von Sojabohnenöl in der Hochspannungstechnik

Ernst PAGGER(1), Sabine BOWERS(2) (1)EPP Consulting GmbH, Koschatstraße 15a, 9400 Wolfsberg, +436602367283,

[email protected], www.epp-consulting.at (2)Cargill Deutschland GmbH, +4915222609155, [email protected],

www.envirotempfluids.com

Kurzfassung:

Beeinflusst durch das Verbot der Verwendung von PCB-haltigen Isolierflüssigkeiten wurde vor beinahe 30 Jahren in den USA eine Ester basierte Isolierflüssigkeit entwickelt, welche durch den hohen Flamm- und Brennpunkt (Klasse K) als PCB Ersatz eingesetzt werden kann. Die Flüssigkeit, welche als Basisöl Sojabohnenöl verwendet, wurde nach umfangreichen Untersuchungen verschiedener Basisöle und Mixturen entwickelt und ist unter dem Namen Envirotemp FR3™ am Markt erhältlich. In den letzten Jahren haben sich Isolierflüssigkeiten, basierend auf Ester, wegen deren guten Umweltverträglichkeit, Gefahrenreduzierung und Nachhaltigkeit immer mehr als Ersatz von Mineralöl entwickelt. Die Energiewirtschaft ist zurzeit im Wandel und dieser macht auch vor den elektrischen Betriebsmitteln und den dabei eingesetzten Materialien nicht Halt.

Keywords: Sojabohnenöl, Transformator, Ester, Brandlast, Umweltverträglichkeit, FR3

1 Sojabohnenöl – das Ausgangsprodukt In der Kunststoff-Produktion zeichnet sich ein zukunftsweisender Trend ab: Das begrenzt verfügbare Mineralöl wird zum Teil durch den pflanzlichen Rohstoff nachwachsender Ölsaaten ersetzt. Polyamid und Polyacrylate sind Kunststoff-Klassiker, die auch aus Pflanzenöl hergestellt werden können. Die technischen Möglichkeiten der Naturstoff-Chemie erscheinen unbegrenzt zu sein und eröffnen immer neue Anwendungsbereiche. Künftig sind weitere Polymersorten zu erwarten. Damit sind Pflanzenöle und -fette der neue Alleskönner, der die Abhängigkeit vom Mineralöl vermindern hilft. Pflanzenöle haben sehr gute technische und ökologische Eigenschaften, jedoch lässt die Alterungsstabilität zu wünschen übrig. Um dieses „Manko“ zu beheben, werden die Öle chemisch modifiziert und mit Additiven versetzt. Damit sind sie Mineralölen nicht nur hinsichtlich der ökologischen, sondern auch der technischen Eigenschaften überlegen.

Das Sojabohnenöl wird aus der Sojabohne (Abbildung 1), einer eiweißreichen Frucht, welche 17 bis 21 % Rohfett/Öl enthält, gewonnen. Es ist ein Kopplungsprodukt bei der Herstellung von Sojaschrott (Hauptprodukt) für die Tiernahrung. Die Sojabohne ist die weltweit bedeutendste Leguminosenart [1].

Die weltweite Produktion an Sojabohnen beträgt knapp 300 Mio. t [2]. Die Frucht wird in vielen Ländern Amerikas, Asiens und Europas angebaut. Der Schwerpunkt liegt im nord- und


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südamerikanischen Raum [3]. Auch in Österreich erreicht die Sojabohnenanbaufläche (Abbildung 2) mit ca. 45000 ha fast die Anbaufläche von Raps [4].

Abbildung 1: Sojabohne

Abbildung 2: Sojabohnenfeld

1.1 Der natürliche Ester Envirotemp FR3™ – eine umweltfreundliche Isolierflüssigkeit

Der natürliche Ester Envirotemp FR3™ enthält als Basisöl Sojabohnenöl und ist weltweit die am meisten verbreitete Isolierflüssigkeit für die Hochspannungstechnik mit einem pflanzlichen Öl als Grundstoff.

2 Wesentliche Unterschiede des natürlichen Esters zum Mineralöl Aufgrund der chemischen Beschaffenheit besitzen die natürlichen Ester Eigenschaften, die diese Isolierflüssigkeiten deutlich von den anderen Isolierflüssigkeiten abheben.

2.1 Verhalten gegenüber Papier und Cellulose

Die Papieralterung wird in erster Linie durch zwei Parameter beeinflusst. Diese sind:

• Der Wassergehalt des Papiers

• Die Temperatur des Isolationssystems

Der natürliche Ester ist in der Lage, Wasser sowohl chemisch, durch Hydrolyse (Abbildung 3) als auch physikalisch (Abbildung 4) zu binden. Dadurch kommt es zu einem Feuchtetransport vom Papier in die Isolierflüssigkeit, was ein Austrocknen des Papiers (Cellulose) mit sich bringt und sich deutlich positiv auf die Lebenszeit des Isolationssystems auswirkt.

Abbildung 3: Hydrolyse


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Abbildung 5 zeigt die „end-of-life“ Kurven von den Isolierflüssigkeiten FR3 und Mineralöl im Isolationssystem mit Cellulose. Die Kurven haben entsprechend der Arrhenius Gleichung einen exponentiellen Verlauf. Wird die Hotspot-Temperatur mit 110 °C beibehalten, so ergibt sich eine Verlängerung der zu erwartenden Lebenszeit der Cellulose bis zum Achtfachen gegenüber

dem Mineralöl. Andererseits kann bei gleichbleibend zu erwartender Lebenszeit die Temperatur des Systems auf 130 °C erhöht werden.

Die in Abbildung 6 dargestellten Papierproben zeigen den Unterschied zwischen mit Envirotemp FR3™ und Mineralöl imprägnierten Proben bei 170 °C und einer Verweilzeit von 500, 1000, 2000 und 4000 Stunden. Der Verfall des mit Mineralöl imprägnierten Papiers ist sehr anschaulich.

Abbildung 5: Temperaturkurven für FR3 und Mineralöl

Abbildung 6: Papierproben nach Alterungsversuch bei 170 °C

Abbildung 4: Wassersättigung der Isolierflüssigkeiten FR3 und Mineralöl


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2.2 Brandverhalten

Der Brennpunkt der Isolierflüssigkeiten auf Basis natürlicher Ester – z. B. Envirotemp FR3™ – hebt sich deutlich von jenem des Mineralöls und der synthetischen Ester ab (Abbildung 7) [6]. Somit sind geringere Abstände zu Gebäuden und angrenzenden Transformatoren (Abbildung 8) zulässig [7], [8]. Weiteres kann der Aufwand zur Brandsicherheit und deren Einrichtungen reduziert werden. Mit einem Brennpunkt > 300 °C werden Pflanzenöle gemäß IEC 61039 [9] als K-Klasse bewertetes Isoliermedium eingestuft. Bis dato wurde noch nie über den Ausfall eines mit Ester gefüllten Transformators wegen Feuers berichtet [5].

Abbildung 7: Brennpunkt diverser Isolierflüssigkeiten

Abbildung 8: Reduzierte Abstände bei Einsatz von Esterflüssigkeiten

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Mineralöl Synthetischer Ester Envirotemp FR3™

160 °C

315 °C

360 °C

Tem

pera

tur °

C


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In Tabelle 1 ist der Energiebedarf, welcher benötigt wird um 2,675 Liter dielektrischer Isolierflüssigkeit von 90 °C bis zum Brennpunkt zu erhitzen, dargestellt [6]. Daraus ist ersichtlich, dass der Energieeintrag für den natürlichen Ester ca. das 4,4-Fache gegenüber dem Mineralöl ausmacht, um die Temperatur der Isolierflüssigkeit in die Nähe des Brennpunktes zu bringen.

Isolierflüssigkeit Brennpunkt [°C] Temperaturdifferenz [°C] Energie [MJ] Mineralöl 160 70 330 Synthetischer Ester 315 225 1046 Envirotemp FR3™ 360 270 1462

Tabelle 1: Energiebedarf um die Isolierflüssigkeit bis zum Brennpunkt zu erhitzen

2.3 Biologische Abbaubarkeit

Envirotemp FR3™ ist eine Isolierflüssigkeit, die wegen ihres pflanzlichen Ursprungs (Sojabohne) vollständig abbaubar ist.

Abbildung 9: Biologische Abbaubarkeit von Envirotemp FR3™ im Vergleich zum Mineralöl

In Abbildung 9 sind die Abbaukurven von Envirotemp FR3™ und Mineralöl im Vergleich zum Referenzmaterial (Natriumcitrat) dargestellt. Die Grafik zeigt, dass der natürliche Ester Envirotemp FR3™ in knapp 40 Tagen vollständig abgebaut ist. Weitere Studien zeigen, dass dies bereits nach 28 Tagen der Fall ist [10]. Diese Eigenschaft ermöglicht einerseits einen verminderten Gewässerschutz und andererseits die Verwendung dieser Isolierflüssigkeiten in sensiblen Gebieten [11].

2.4 Klimarelevanz

Die Verwendung eines natürlichen, nachwachsenden Rohstoffs schlägt auch bei der CO2 Bilanz durch und zeigt über einen Betrachtungszeitraum von 30 Jahren eine nur sehr geringe


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CO2 Emission (Abbildung 10). Diese geringe CO2 Emission wird im Wesentlichen durch die wachstumsbedingte Kohlendioxidaufnahme im Rahmen der Photosynthese verursacht.

Abbildung 10: CO2 Emission im Vergleich zum Mineralöl

3 Materialkompatibilität Neben den ökologischen Vorteilen zeigt diese Isolierflüssigkeit eine hervorragende Materialkompatibilität und erfüllt alle dielektrischen Anforderungen an eine Isolierflüssigkeit der Hochspannungstechnik [12]. Eventuell vorhandene oder bei Betrieb entstehende Säuren aus pflanzlichen Ölen liegen als langkettige, praktisch nicht dissoziierte Säuren vor. Dadurch wird nicht nur die Cellulose geschont, sondern auch blanke Metallflächen bleiben vor korrosiven Angriffen weitestgehend verschont. Abbildung 11 zeigt das Ergebnis eines Versuches an einem blanken Kohlenstoffstahl bei 170 °C und einer Verweildauer von 2000 Stunden.

Abbildung 11: Korrosionsverhalten gegenüber Stahl

-400

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Rohstoff Herstellung Transport Verwendung Entsorgung Summe

gCO

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CO2 Emissionin30Jahren

Mineralöl FR3

Natural Ester Fluid Mineral Oil


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4 Diagnose und Überwachung beim Einsatz von natürlichem Ester Bei Einsatz von natürlichem Ester auf Basis Sojabohnenöl können die selben dielektrischen- und chemisch/physikalischen Methoden für die Diagnose und Überwachung wie beim Mineralöl angewandt werden. Zu beachten ist bei der Interpretation der Ergebnisse, dass teilweise, wegen des Ursprungs der Flüssigkeit, andere Startwerte und Analysenwerte (z. Bsp. für die Neutralisationszahl und Ethan) zu erwarten sind [12], [13], [14], [15].

5 Schlussfolgerung Envirotemp FR3™ ist eine sehr gut geeignete Isolierflüssigkeit für den Einsatz in der Hochspannungstechnik. Wegen des pflanzlichen Ursprungs soll der Zutritt von Sauerstoff gemieden und geschlossene Systeme verwendet werden. Durch die Verwendung von Sojabohnenöl hat diese Isolierflüssigkeit nicht nur technische, sondern auch ökologische Vorteile gegenüber Mineralöl und dem synthetischen Ester. Der hohe Brennpunkt erlaubt den Einsatz dieser Flüssigkeit in dicht besiedelten Gebieten. Über eine Million Anwendungen im Bereich der Verteil- und Maschinentransformatoren bis zu Spannungsebenen von 420 kV sind ein Beweis dafür.

Literatur [1] www.OVID-Verband.de

[2] Lembacher F., Schmiedl J., Wasner J.: Sojabohne; NÖ Landes- Landwirtschaftskammer St. Pölten; Oktober 2009

[3] Wolf M.: Der Weltmarkt für Soja – ist die Bohne unverzichtbar?; Grüne Woche Berlin; 2014

[4] Weiher N.: Soja ist Raps auf den Fersen; top agrar Österreich; 1/2015

[5] Bingenheimer D.: A Comparison Between Natural Esters and Synthetic Esters; October 2015

[6] Cargill: Technical Perspectives, 2015

[7] ÖVE/ÖNORM E 8383: Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV; Aus-gabe: 2000

[8] ÖVE/ÖNORM EN 61936-1: Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV; Ausgabe: 2015

[9] IEC 61039: Classification of Insulation Liquids; Edition 2.0; 2008

[10] GlobalTox International Consulting Inc.: Ready Biodegradability Study for Envirotemp FR3™

[11] TÜV SÜD Industrie Service GmbH: Gutachterliche Stellungnahme zu Anforderungen an Verwendungsanlagen, in denen Envirotemp FR3™ - Flüssigkeit verwendet wird (Transformatoren) hinsichtlich anlagenbezogenen Gewässerschutz; 2015

[12] Pagger E.: Alternative Isolierflüssigkeiten im Vergleich zum klassischen Mineralöl, Dissertation am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement, Technische Universität Graz, 2013


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[13] Fritsche R.: Nachhaltige elektrische Isolierung dank Pflanzenölen, Energy 2.0-Kopendium, 2015

[14] Hanson D. et al.: Understanding Dissolved Gas Analysis of Ester Fluids – Part 1: „Stray“ Gas Production under Normal Operating Conditions; Siemens Transformer Conference; 2010

[15] Bowers S.: Field experiences with the world’s largest natural ester-filled transformer; Transformers Magazine, Volume 3, Issue 3

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