Το εξαφθοριούχο θείο (sulfur hexafluoride, SF6) είναι ζωτικής σημασίας για τον εξοπλισμό υψηλής τάσης, αλλά ταυτόχρονα μπορεί να παγιδεύσει τη θερμότητα στην ατμόσφαιρα για 1.000 χρόνια ή περισσότερο. Και οι εκπομπές του διαρκώς αυξάνονται.
Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας υποστηρίζεται από ένα συγκεκριμένο αέριο που χρησιμοποιείται για τη μόνωση μιας σειράς εξοπλισμού υψηλής τάσης. Το πρόβλημα είναι ότι αυτό το αέριο είναι επίσης ένα εξαιρετικά ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου, ένας εφιάλτης για την κλιματική αλλαγή.
Το εξαφθοριούχο θείο απέχει πολύ από το πιο κοινά αέρια υπερθέρμανσης του πλανήτη - το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο είναι πολύ πιο γνωστά και άφθονα - συμβάλλοντας περίπου στο 1% της υπερθέρμανσης μέχρι σήμερα. Ωστόσο, όπως πολλά άλλα φθοριούχα αέρια, το SF6 είναι ιδιαίτερα ισχυρό: παγιδεύει περίπου 20.000 φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι το διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διάρκεια ενός αιώνα, και μπορεί να παραμείνει στην ατμόσφαιρα για 1.000 χρόνια ή περισσότερο.
Παρά τη σχετικά μικρή συνεισφορά του μέχρι στιγμής, οι εκπομπές του αερίου αυξάνονται με ρυθμό που διαρκώς αυξάνει. Οι εκπομπές SF6 στην Κίνα σχεδόν διπλασιάστηκαν μεταξύ 2011 και 2021 και η χώρα ευθύνεται για περισσότερες από τις μισές εκπομπές του αερίου σε παγκόσμιο επίπεδο.
Τώρα, οι εταιρείες ψάχνουν τρόπους να καταργήσουν τον εξοπλισμό που βασίζεται στο SF6 και αναζητούν εναλλακτικές που μπορούν να επιτυγχάνουν τις επιδόσεις του υπάρχοντος εξοπλισμού. Πρόσφατα, η Hitachi Energy ανακοίνωσε την παραγωγή εξοπλισμού που αντικαθιστά το SF6 με άλλα υλικά. Και υπάρχει δυναμική για την απαγόρευση του SF6 στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου ενός σχεδίου που εγκρίθηκε πρόσφατα στην Ευρωπαϊκή Ένωση και που θα μπορούσε να οδηγήσει στη σταδιακή κατάργηση της χρήσης του αερίου σε εξοπλισμό υψηλής τάσης έως το 2032.
Καθώς οι κατασκευαστές εξοπλισμού εργάζονται για την παραγωγή εναλλακτικών λύσεων, ορισμένοι ερευνητές λένε ότι πρέπει να προχωρήσουμε ακόμη περισσότερο και να προσπαθήσουμε να βρούμε λύσεις που να αποφεύγουν εντελώς τις ενώσεις που περιέχουν φθόριο.
Οι υψηλές απαιτήσεις της υψηλής τάσης
Σε ένα κιβώτιο οικιακού ασφαλειοδιακόπτη, αν ένα κύκλωμα υπερφορτωθεί, ο διακόπτης ανοίγει, διακόπτοντας τη ροή του ηλεκτρισμού. Στην ίδια περίπου λογική, το δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, διαθέτει έναν παρόμοιο μηχανισμό.
«Η διαφορά είναι ότι αυτός ο εξοπλισμός συχνά χρειάζεται να διαχειριστεί περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια σε σχέση με κάποιον οικιακό εξοπλισμό», εξηγεί ο Markus Heimbach, εκτελεστικός αντιπρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος της επιχειρηματικής μονάδας προϊόντων υψηλής τάσης της Hitachi Energy. Αυτό συμβαίνει επειδή τμήματα του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν σε υψηλές τάσεις, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο τη μεταφορά ενέργειας, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις απώλειες. Αυτές οι υψηλές τάσεις απαιτούν προσεκτική μόνωση ανά πάσα στιγμή και μέτρα ασφαλείας σε περίπτωση που κάτι πάει στραβά.
Ορισμένες εκδόσεις αυτού του διακόπτη υψηλών απαιτήσεων χρησιμοποιούν τα ίδια υλικά με τους οικιακούς διακόπτες και χρησιμοποιούν επίσης αέρα γύρω τους ως μονωτικό υλικό. Αλλά όταν ένας τέτοιος διακόπτης χρειάζεται να μεγαλώσει σε μέγεθος για να χειρίζεται υψηλές τάσεις, καταλήγει να είναι γιγαντιαίος και να απαιτεί μεγάλη επιφάνεια έδρασης, καθιστώντας τον ακατάλληλο για μεγαλύτερες, πυκνότερες αστικές δομές.
Η λύση σήμερα είναι το SF6, «ένα σούπερ αέριο, από τεχνολογική άποψη», λέει ο Heimbach. Το SF5 είναι σε θέση να μονώνει τον εξοπλισμό κατά την κανονική λειτουργία και να βοηθά στη διακοπή του ρεύματος όταν χρειάζεται. Παράλληλα, μειώνει το μέγεθος του εξοπλισμού σε σχέση με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιεί τον αέρα ως μονωτική.
Το πρόβλημα είναι ότι μικρές ποσότητες SF6 διαρρέουν από τον εξοπλισμό κατά την κανονική λειτουργία, ενώ ακόμα περισσότερες μπορούν να απελευθερωθούν κατά τη διάρκεια μιας βλάβης ή όταν παλιός εξοπλισμός δεν χρησιμοποιείται σωστά. Όταν το αέριο διαφεύγει, η ικανότητα του να παγιδεύει θερμότητα και το γεγονός ότι έχει τόσο μεγάλη διάρκεια ζωής, το καθιστούν απειλή για τον πλανήτη.
Ορισμένες κυβερνήσεις θα απαγορεύσουν σύντομα το SF6 στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία σχετίζεται με τη συντριπτική πλειοψηφία των εκπομπών. Η Ευρωπαϊκή Ένωση συμφώνησε να απαγορεύσει το SF6 που περιέχεται σε εξοπλισμό διανομής μέσης τάσης έως το 2030 και εξοπλισμό διανομής υψηλής τάσης έως το 2032. Αρκετές πολιτείες στις ΗΠΑ έχουν προτείνει ή εγκρίνει όρια και σταδιακή κατάργηση της χρήσης του αερίου.
Φέρνοντας την αλλαγή
Η Hitachi Energy ανακοίνωσε πρόσφατα ότι θα ξεκινήσει την παραγωγή εξοπλισμού διανομής υψηλής τάσης, με δυνατότητα διαχείρισης έως και 550 kilovolt (kV). Ο νέος εξοπλισμός ακολουθεί προϊόντα με ονομαστική ισχύ 420 kV που η εταιρεία άρχισε να εγκαθιστά το 2023. Περισσότερες από 250 παραγγελίες έχουν δοθεί από πελάτες έως σήμερα, σύμφωνα με τον Heimbach.
Ο νέος διακόπτης της Hitachi Energy αντικαθιστά το SF6 με ένα μείγμα αερίων που περιέχει κυρίως διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. «Λειτουργεί εξίσου καλά με το SF6 και είναι το ίδιο ασφαλής και αξιόπιστος αλλά με πολύ χαμηλότερο δυναμικό σε ό,τι αφορά στην υπερθέρμανση του πλανήτη, παγιδεύοντας 99% λιγότερη ενέργεια στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, για ορισμένες από τις νέες προτάσεις εξοπλισμού, η Hitachi Energy εξακολουθεί να χρησιμοποιεί μερικά C4 - φθορονιτρίλια, τα οποία βοηθούν στη μόνωση», λέει ο Heimbach.
Αυτό το αέριο υπάρχει σε χαμηλή περιεκτικότητα, μικρότερη από 5%, και είναι λιγότερο ισχυρό από το SF6. Αλλά τα C4 - φθορονιτρίλια είναι αέρια του θερμοκηπίου, έως και μερικές χιλιάδες φορές πιο ισχυρά από το διοξείδιο του άνθρακα. Αυτές και άλλες φθοριούχες ουσίες θα μπορούσαν σύντομα να αντιμετωπίσουν επίσης προβλήματα. Ο γίγαντας της χημικής βιομηχανίας 3M ανακοίνωσε στα τέλη του 2022 ότι η εταιρεία θα σταματήσει να παράγει όλα τα φθοροπολυμερή, τα φθοριούχα υγρά και τα πρόσθετα PFAS έως το 2025.
Οι ΗΠΑ πρέπει να αναβαθμίσουν και να ενοποιήσουν τα διακριτά συστήματα διανομής ισχύος που διαθέτουν, για να επιτρέψουν στην ηλεκτρική ενέργεια να είναι διαθέσιμη όπου χρειάζεται κατά τη διάρκεια των κυμάτων καύσωνα, των πλημμυρών, των πυρκαγιών και των καταιγίδων.
Προκειμένου να εξαλειφθεί η ανάγκη για αέρια που περιέχουν φθόριο, ορισμένοι ερευνητές εξετάζουν για εναλλακτικές λύσεις. «Γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχει αέριο αντικατάστασης που να έχει τις ίδιες ακριβώς ιδιότητες με το SF6», λέει ο Lukas Graber, αναπληρωτής καθηγητής στο Georgia Institute of Technology.
«Το SF6 είναι και εξαιρετικά σταθερό και εξαιρετικά ηλεκτραρνητικό, άρα τείνει να δεσμεύει ελεύθερα ηλεκτρόνια και τίποτα άλλο δεν μπορεί να το ανταγωνιστεί», εξηγεί ο Graber. Η ερευνητική ομάδα του Graber εργάζεται σε ένα έργο που στοχεύει στην αντικατάσταση του αερίου SF6 με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Τα υπερκρίσιμα ρευστά είναι εκείνα που σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις δεν διαθέτουν εντελώς ξεχωριστές υγρές και αέριες φάσεις. Η έμπνευση προήλθε από εξοπλισμό που χρησιμοποιούσε υλικά με βάση το πετρέλαιο, Αντί να προσπαθεί να δεσμεύσει ηλεκτρόνια όπως το SF6, το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να τα επιβραδύνει.
Ο Graber και η ερευνητική του ομάδα έλαβε χρηματοδότηση από την US Department of Energy’s Advanced Research Projects Agency for Energy. Το πρώτο πρωτότυπο μικρής κλίμακας είναι σχεδόν έτοιμο και το σχέδιο είναι να δοκιμαστεί ένα πρωτότυπο πλήρους κλίμακας το 2025.
«Οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας είναι συντηρητικές, καθώς η ασφάλεια και η αξιοπιστία του ηλεκτρικού δικτύου αποτελούν υψηλό διακύβευμα. Αλλά με περισσότερες απαγορεύσεις σχετικά με το SF6 στον ορίζοντα, θα πρέπει να βρουν και να υιοθετήσουν νέες λύσεις», υποστηρίζει ο Heimbach.
Με πληροφορίες από technologyreview.com