Transformatoröl: Das stille Rückgrat der Stromversorgungssysteme

Transformatoren sind eine wichtige Infrastruktur, die in der heutigen Zeit die nationale Sicherheit, wirtschaftliche Stabilität und öffentliche Sicherheit gewährleistet. Vor einem Jahrzehnt zwang ein Brand in einem Transformator im Jahr 2015 zur Abschaltung des Kernreaktors Indian Point nördlich von New York City. Dieser Vorfall führte zu Stromausfällen in mehreren Gebieten und zu einem Austritt von Transformatoröl in den Fluss, was eine Umweltverschmutzung und kostspielige Reinigungsmaßnahmen zur Folge hatte. 
Dies ist eines von vielen Beispielen, die verdeutlichen, warum der Einsatz sicherer und zuverlässiger Netzausrüstung, einschließlich Transformatoren, entscheidend ist, um Kettenreaktionen im Stromnetz und in der Umwelt zu verhindern.

Warum Transformatorenöl der Schlüssel zu zuverlässiger Stromversorgung ist

Der Zustand eines Transformators hängt eng mit dem Zustand des Stromnetzes zusammen, und ein entscheidender Faktor für diesen Zustand ist das Transformatoröl, die Flüssigkeit, die sowohl Hochspannungskomponenten isoliert als auch Wärme aus den Wicklungen und dem Kern des Transformators abführt. Die Wahl des Öls hat einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer eines Transformators.

Fast 70 % der Netztransformatoren in den Vereinigten Staaten haben ihre Lebensdauer überschritten. Angesichts eines beispiellosen Anstiegs der Stromnachfrage bemühen sich die Versorgungsunternehmen, ihre Infrastruktur zu modernisieren und veraltete Anlagen zu ersetzen. Der Rückenwind durch den wachsenden Strombedarf führt auch zu einem Anstieg der Nachfrage nach Transformatoren, und kein Transformator ist ohne sein Isolieröl vollständig. Entsprechend den Trends auf dem Transformatorenmarkt erlebt auch der Transformatorenölmarkt einen Wandel, wobei sich die Kaufpräferenzen aufgrund folgender Faktoren zu verändern beginnen:

• Nachhaltigkeitsziele

• Risiko von Waldbränden und Stürmen

• Beschaffungsspezifikation

• Versicherungsaspekte und 

• Verfügbarkeit von Grundstoffen

Diese Faktoren veranlassen Käufer dazu, sich für kohlenstoffarme Transformatorenöle zu entscheiden. Mineralöl bleibt zwar weiterhin die Basis, aber der Markt tendiert zunehmend zu Flüssigkeiten, die die Widerstandsfähigkeit verbessern, die Umweltbelastung verringern und die Lebensdauer der Anlagen verlängern.

Ein Überblick über den nordamerikanischen Transformatorenmarkt

Bevor wir uns mit den in Transformatoren verwendeten Ölen befassen, ist es wichtig, die Marktdynamik zu verstehen, um die entscheidende Rolle von Transformatorenölen zu untersuchen.

Installierte Basis und Nachfrage im Überblick

Die Transformatorenflotte der USA ist sowohl umfangreich als auch von strategischer Bedeutung für die Welt. Jedes Jahr fügen Versorgungsunternehmen mehr als eine Million Transformatoren hinzu, um mit der Elektrifizierung, dem Austausch von Infrastruktur und der Integration erneuerbarer Energien Schritt zu halten.

Betrachtet man den Umfang der Installationen im Jahr 2024, so haben Versorgungsunternehmen in ganz Nordamerika etwa 1,4 Millionen Öltransformatoren installiert, wobei ein erheblicher Teil dieser Installationen auf die Vereinigten Staaten entfällt. Diese Welle neuer Anschlüsse und Erneuerungen unterstreicht nicht nur die Größe des US-amerikanischen Stromnetzes, sondern auch den kontinuierlichen Austausch von Anlagen, die für eine zuverlässige Stromversorgung erforderlich sind.

Dieser Anstieg der Installationen ist kein einmaliger Ausschlag, sondern wird sich voraussichtlich bis 2030 jährlich fortsetzen, angetrieben durch mehrere strukturelle Faktoren:

• Elektrifizierung: Das Wachstum bei Elektrofahrzeugen, Wärmepumpen und der industriellen Elektrifizierung führt zu einer höheren Belastung der Verteilungsnetze und Umspannwerke, was den kontinuierlichen Einbau zusätzlicher Transformatoren erforderlich macht.

• Veraltete Infrastruktur: Veraltete Infrastruktur belastet den Stromtransformatorenmarkt in den USA, wo extreme Wetterbedingungen zu einer Verdopplung der Stromausfälle geführt haben, wobei 83 % auf wetterbedingte Ereignisse zurückzuführen sind. 

• Dekarbonisierung: Der nordamerikanische Markt für Leistungstransformatoren steht aufgrund ehrgeiziger Dekarbonisierungsziele vor einem deutlichen Wachstum. Jedes Jahr kommen Wind-, Solar- und Speicherkapazitäten in Rekordhöhe hinzu, und jedes Projekt erfordert Netz- und Verbindungstransformatoren.

• Modernisierung des Stromnetzes: Bundes- und Landesprogramme, darunter Milliardenbeträge aus dem Programm „Grid Resilience and Innovation Partnerships“ (GRIP) des US-Energieministeriums, fließen direkt in die Anschaffung von Transformatoren, um veraltete Anlagen zu ersetzen und das System gegen extreme Wetterbedingungen zu wappnen.

• Rechenzentren: Die Digitalisierung und KI haben zu einem neuen bedeutenden Nachfragesegment für Transformatoren geführt, nämlich Rechenzentren. Nach Angaben des US-Energieministeriums (DOE) entfielen im Jahr 2023 etwa 4,4 % des gesamten Stromverbrauchs in den USA auf Rechenzentren, und dieser Anteil wird in den kommenden Jahren voraussichtlich weiter steigen.

Lieferkette: Inländische Kapazitäten vs. Importe

Während die Nachfrage aufgrund der alternden Infrastruktur und der hohen Anzahl an Greenfield-Projekten weiterhin rapide steigt, sieht sich der Transformatorenmarkt derzeit mit einer zunehmenden Versorgungskrise konfrontiert, die den Betrieb in allen Endverbrauchersegmenten zu beeinträchtigen droht. In den Vereinigten Staaten kommt es aufgrund verschiedener Faktoren zu einer Krise in der Lieferkette, was zu längeren Lieferzeiten und höheren Kosten für Transformatoren führt. Hier sind einige der wichtigsten Faktoren, die die Lieferkette für Transformatoren in den USA beeinflussen.

• Rohstoffknappheit: Die Lieferkette für Transformatoren in den USA steht vor allem aufgrund von Rohstoffknappheit, insbesondere bei Elektrostahl, Kupfer und Aluminium, unter zunehmendem Druck. Die steigende weltweite Nachfrage in Verbindung mit begrenzten inländischen Produktionskapazitäten hat die Verfügbarkeit eingeschränkt und die Kosten in die Höhe getrieben.

• Geopolitische Spannungen: Geopolitische Spannungen zwischen den USA und Ländern wie China und Russland erschweren die Lieferketten für Transformatoren zusätzlich. Handelsbeschränkungen, Zölle und Sanktionen für wichtige Materialien wie Elektrostahl und kritische Mineralien haben zu Importstörungen geführt und die Beschaffungsrisiken erhöht.

• Regulatorische Änderungen: Die neuen Effizienzstandards des US-Energieministeriums (DOE) verlangen von den Herstellern, Transformatoren mit reduzierten Kern- und Wicklungsverlusten zu entwickeln, was sich direkt auf die Materialauswahl und die Herstellungskosten auswirkt. Auch Vorschriften beeinflussen die Materialauswahl, wie beispielsweise die Emorpha-Stahlverordnung, die den Einsatz von fortschrittlichen kornorientierten Elektrostählen vorschreibt. 

Darüber hinaus zwingen strengere Anforderungen an Brandschutz, Lärmschutz und Isolierung die OEMs dazu, ihre Produkte neu zu konstruieren, um den sich weiterentwickelnden Standards zu entsprechen, was die Lieferkette für kritische Rohstoffe belastet.

Die USA sind mit einer aktuellen Produktionskapazität von 130.000 MVA weitgehend autark bei der Deckung ihres Inlandsbedarfs an Transformatoren mit kleiner bis mittlerer Leistung. Bei großen Transformatoren ist das Land jedoch stark von Importen abhängig, da die aktuelle inländische Produktionskapazität bei 70.000 MVA liegt. Die Untersuchung der US-amerikanischen International Trade Commission (USITC) aus dem Jahr 2024 stellt fest, dass Südkorea eine führende Quelle für LPTs ist und Mexiko im Jahr 2023 die größte nicht betroffene Quelle war.

Um die regionale Nachfrage zu decken, treiben erhebliche Investitionen den Ausbau der heimischen Produktion voran, und es wird erwartet, dass sich die Kapazität für große Einheiten bis 2030 verdoppeln wird. Dennoch wird erwartet, dass der Markt für Verteilungstransformatoren nur begrenzte Investitionen erhalten wird. 

Welches Öl hält das Stromnetz am Laufen? Ein technischer Vergleich

Weltweit werden verschiedene Arten von Transformatorenölen verwendet. Da unser Fokus auf dem US-amerikanischen Stromnetz liegt, werden die meisten Transformatoren nach wie vor mit Mineralöl betrieben. Dieses Öl wird in der Regel aus Erdöl gewonnen und zu naphthenischen oder paraffinischen Sorten raffiniert.

Flüssigkeiten auf Esterbasis sind sowohl in synthetischer als auch in natürlicher (biologisch abbaubarer) Form erhältlich. Diese spezielle Ölfamilie gewinnt aufgrund ihrer höheren Brandschutzklasse und geringeren Umweltbelastung zunehmend an Bedeutung.

Vergleichende Grundlagen: Ölchemie und Leistung

Um die technischen Grundlagen und Spezifikationen beider Transformatorenölfamilien besser zu verstehen, finden Sie unten Referenztabellen mit einer vergleichenden Analyse von Mineralölen und Esterölen. 

Tabelle 1: Eigenschaften von naphthenhaltigem und paraffinhaltigem Mineralöl
Quelle: PTR Inc.

Tabelle 2: Eigenschaften von synthetischem und natürlichem Esteröl
Quelle: PTR Inc.

Von Mineralöl zu Ester: Der Wandel bei Transformatorenölen in den USA

Der US-amerikanische Transformatorenölmarkt wird weiterhin von Mineralölen dominiert, die den größten Teil der installierten Basis ausmachen. Allerdings entwickeln sich Esteröle zu einer potenziellen Nische. Hier finden Sie einen Überblick über die Lage auf dem US-amerikanischen Transformatorenölmarkt, der die dominante Rolle von Mineralölen bei Greenfield-Projekten und die wachsende Nische zeigt, die natürliche und synthetische Ester erobert haben.

Der US-amerikanische Transformatorenölmarkt ist geprägt von seinem riesigen, alternden Bestand und dem stetigen Bedarf an Nachrüstungen, wobei naphthenhaltige Mineralöle nach wie vor dominieren. Neue Greenfield-Projekte, darunter erneuerbare Energien, Rechenzentren und städtische Umspannwerke, werden zunehmend mit Estern oder kohlenstoffarmen Ölen spezifiziert, während Brownfield-Anlagen weiterhin stark auf Mineralöle setzen, wobei selektive Nachfüllungen zunehmen.

Gleichzeitig testen Versorgungsunternehmen natürliche Estertransformatoren für verbesserte Brandsicherheit und Nachhaltigkeit und erweitern Recyclingprogramme, um ihre Ziele im Bereich der Kreislaufwirtschaft zu unterstützen. So hat beispielsweise Southern California Edison in bestimmten Gebieten Freileitungs-Verteilungstransformatoren durch mit Ester gefüllte Einheiten ersetzt.

Hier finden Sie einen detaillierten Überblick über die Eigenschaften, Anwendungen und Markttrends in den USA für beide Ölfamilien.

Abbildung 2: Anwendungen von Transformatorenöl im Verhältnis zu den Markttrends in den USA
Quelle: PTR Inc.

Dynamik auf der Angebotsseite: Öle, Akteure und Versorgungsoptionen

Transformatorenöle werden in den USA von einer Mischung aus heimischen Raffinerien und globalen Produzenten geliefert. Zu den wichtigsten Akteuren gehören:

• Ergon (mit einem Marktanteil von 50 % am US-amerikanischen Mineralölmarkt)

• Calumet (US-amerikanischer Spezialist für Naphthen, jedoch von Ergon in den Schatten gestellt)

• Shell (Anbieter eines breiten Portfolios an Mineralölen)

• Nynas (ein weltweit führender Anbieter von Naphthenölen)

• Cargill (ein Pionier im Bereich natürlicher Esterflüssigkeiten)

• ExxonMobil (Lieferant von Mineralölen in Transformatorqualität)

• Chevron (Hersteller verschiedener Grundöle)

Zusammen decken diese Unternehmen sowohl den traditionellen Mineralbereich als auch das aufstrebende Estersegment ab.

Transformatorenöl-Handbuch

Diese Öllieferanten decken das gesamte Spektrum ab, von Mineralölen, die in der Flotte dominieren, bis hin zu Estern, die neue Nachhaltigkeitsanwendungen vorantreiben. Hier ein Überblick darüber, wer was liefert:

• Naphthenöle werden von Ergon, Nynas und Calumet als marktbeherrschende Lieferanten bereitgestellt.

• Paraffinöle werden von Shell, einem wichtigen Akteur auf dem Markt, angeboten. 

• Bei Estern ist Cargill führend in der Lieferung von natürlichen Estern, während M&I Materials und andere Spezialunternehmen synthetische Ester für Nischenanwendungen anbieten.

Beschaffungskraft: Versorgungsunternehmen legen die Regeln fest

Große Versorgungsunternehmen wie PG&E, Duke Energy und TVA spielen eine überragende Rolle bei der Gestaltung der Lieferantendynamik. Ihre Beschaffungsrichtlinien berücksichtigen zunehmend ESG-Ziele, Brandschutz und Lebenszykluskosten und beeinflussen die Einführung von Estern in ausgewählten Projekten, während sie gleichzeitig sicherstellen, dass Mineralöle bei der Flottenwartung weiterhin das größte Volumen ausmachen.

Wohin sich der Ölmarkt als nächstes entwickelt

Der US-amerikanische Transformatorenölmarkt wird nach wie vor von Mineralölen dominiert, insbesondere von naphthenischen Sorten, die mit dem umfangreichen Bestand an Altgeräten kompatibel sind. Allerdings verschiebt sich die Zusammensetzung. Ester erobern sich einen Platz in Projekten im Bereich erneuerbare Energien, städtischen Umspannwerken und brandgefährdeten Standorten, unterstützt durch Finanzierungs- und Nachhaltigkeitsvorgaben, die biologisch abbaubare Flüssigkeiten begünstigen. Auch paraffinische Öle gewinnen an Boden, wobei isoparaffinische Formulierungen eine höhere Stabilität für anspruchsvolle Umgebungen bieten. 

Der Wettbewerb zwischen den Anbietern hängt mittlerweile nicht mehr nur vom Preis ab. Die Zuverlässigkeit der Lieferung und die Einhaltung von Umweltstandards werden immer entscheidender. Die Zukunft des Marktes wird ein Gleichgewicht zwischen der tief verwurzelten Abhängigkeit von Mineralölen und der zunehmenden Verbreitung umweltfreundlicherer Alternativen finden.

Azhar Fayyaz

Senior Market Analyst bei PTR Inc.

Azhar Fayyaz ist Senior Market Analyst bei PTR Inc. Er ist an Projekten zum Thema Stromnetz bei Power Technology Research beteiligt, wo er Daten zur Netzwerkstruktur von Verteilungsunternehmen sammelt, die installierte Basis von T&D-Anlagen schätzt und die Informationen analysiert, um zukünftige Markttrends vorherzusagen. Als Marktanalyst bei PTR führt er Wettbewerbsanalysen verschiedener Unternehmen durch, die in einer Region tätig sind, und ermittelt deren Marktanteil für ein bestimmtes Produkt. Darüber hinaus verfügt er über mehr als 5 Jahre Erfahrung als Senior Shift Engineer im Kraftwerk Chashma. Azhar hat einen technischen Hintergrund und einen M.Sc. in Energietechnik.   

Über PTR:  

Mit über einem Jahrzehnt Erfahrung im Bereich Stromnetze und neue Energien hat sich PTR Inc. von einem reinen Marktforschungsunternehmen zu einem umfassenden strategischen Wachstumspartner entwickelt, der seine Kunden bei der Umstellung und dem Wachstum im Bereich der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität unterstützt, insbesondere im Bereich der Herstellung elektrischer Infrastruktur. 

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