Hexafluoride: el gas de efecto invernadero de la pesadilla que es demasiado útil para detenerse usando

El hexafluoruro de azufre (SF6) no es tan infame como CO2, con este último obtener muchas de las culpables del cambio climático antropogénico. Sin embargo, mientras se implementan los pasos para frenar la liberación de CO2, para SF6, el mismo no parece ser el caso, a pesar del impacto potencialmente mayor que tiene SF6. Esto se debe a que cuando se libera en la atmósfera, el CO2 solo tiene un potencial de calentamiento global (GWP) de 1, mientras que el de Metano es de aproximadamente 28 más de 100 años, y SF6 tiene un GWP de más de 22,000 en ese mismo período de tiempo.

También tiene la nota aquí es que si bien el metano durará solo los 12.4 años en la atmósfera, SF6 es tan estable que dure miles de años, actualmente se estima en aproximadamente 3.200 años. Cuando tocamos a la hexafluoruro de azufre hacia atrás en 2019 en el contexto de los gases de efecto invernadero, se observó que se usa muchos SF6 para, y las fugas de: conmutadores de alto voltaje (interruptores mecánicos), transformadores y relacionados, donde el gas ‘inerte y estable La naturaleza lo hace ideal para evitar y apagar el arco eléctrico.

Con el rápido crecimiento de la producción de energía altamente distribuida en forma de aerogeneradores en su mayoría (a turbinas eólicas oculares) y parques solares de PV, esto también implica que cada uno de ellos está equipado con su propio interruptores de interruptores (llenos de gas). Con SF6 sigue siendo altamente prevalente en este mercado, esto parece una oportunidad sobresaliente para investigar hasta qué punto el uso de SF6 se ha reducido, y si podemos ser capaces de lograr evitar un desastre potencial.

Mejor no hacer nada

Fórmula esquelética de hexafluoruro de azufre (SF6) con dimensiones.
Lo que hace que la SF6 sea una opción tan excelente, una detención única para aumentar los arcos eléctricos y el sistema eléctrico de alto voltaje de aislamiento se debe a su estabilidad. En general, no interactúa fácilmente con otras sustancias, lo que lleva a sus propiedades de ser incoloro, no inflamable y no tóxico. Desafortunadamente, esta falta de reactividad química también implica que puede pasar la vuelta en el por ejemplo. La atmósfera de la Tierra durante mucho tiempo.

Aunque las SF6 se producen naturalmente, la mayoría abrumadora es producida por los humanos, para uso en procesos industriales y medicamentos, pero principalmente en sistemas eléctricos de alto voltaje como gas dieléctrico. El propósito principal de un gas dieléctrico aquí es aumentar la tensión de desglose para que se puedan usar voltajes más altos en menos espacio, generalmente en relación con el aire.

Para cuando ocurre algunos arcos, el propósito del gas también debe ser eliminar el arco, que es donde brilla SF6. Aunque se puede dividir una pequeña parte del gas en el S2F10 tóxico (Decafluoride disulfur), muchos productos de desglose se reformará rápidamente en SF6, lo que lo convierte en una opción de bajo mantenimiento para el interruptor. Especialmente para el equipo que termina siendo instalado en algún lugar remoto y relativamente inaccesible, esta es una propiedad muy útil.

Debido a que SF6 no es tóxico y tiene un alto peso molecular, también ha encontrado el uso como una mordaza de partido inversa al helio: donde la densidad molecular baja del helio hace que un aumento en el tono percibido al hablar a través de un medio lleno de helio, respira en SF6 Bajará considerablemente el tono de la voz de uno hasta que el gas haya sido expulsado de las vías respiratorias de la persona.

Los gases quieren ser libres.

El crecimiento del hexafluoruro de azufre (SF6) en la atmósfera de la Tierra durante los años 2000 – 2020. (Crédito: Agage)
Un desafortunado efecto secundario de la atmósfera gaseosa de nuestro planeta es que cualquier gases que se escape de la contención, o que se liberen a través de la actividad humana, termine de unirse a dicha atmósfera. La preocupación que debemos ser sobre esto depende del gas en cuestión. Cuando se encontró que los CFC se estaban erosionando rápidamente la capa de ozono de la Tierra, esto lo hizo crucial para eliminar de inmediato cualquier lanzamiento significativo de este gas. Esto se logró a través del Protocolo de Montreal, que vio un rápido cese de muchos usos de CFC.

En el caso de SF6, parece justo preguntar qué es el alcance del riesgo. Para evaluar esto podemos ver los datos del Agage. Este es el experimento avanzado de gases atmosféricos globales, que realiza un seguimiento de una amplia gama de gases en la atmósfera. Sus hallazgos son que la cantidad de SF6 se ha mejorado considerablemente porque 2000, mejorando de aproximadamente 4 PPT (partes por billón) a alrededor de 10 peptros para 2020, con un aumento lineal que se hace visible alrededor de 1970. Los niveles de troposfera preindustrial fueron aproximadamente alrededor de 54 ppq (Partes por cuadrillón).

Como más del 80% de la SF6 que se produce se utiliza en la industria eléctrica, esto tampoco es sorprendente la fuente de fugas más significativas. Gran parte de esto se debe a la naturaleza distribuida, en lugar del que se usa el gas en un proceso industrial estrechamente monitoreado, los elementos como SwitchGear se encuentran literalmente en todo el mundo, en los desiertos, en la parte superior de las turbinas eólicas y en el medio de los campos. Al estar instalado, reparado o desmantelado, SwitchGear también puede dañarse, con el gas SF6 que se escapa en la atmósfera.

Emisiones de inversión de arriba hacia abajoTimar para Europa Occidental (2013-2018). (Crédito: Simmonds et al., 2020)
En un estudio de 2020 basado en los hallazgos del ág. Titulan la mejora de la preocupación atmosférica del hexafluoride (SF6), Simmonds et al. Cubrir los últimos 40 años de mediciones. Nota cinco fuente principal de fugas SF6:

Industria eléctrica

Industria del magnesio

Industria de aluminio

Industria electrónica

Sf6 producción en sí

En cuanto a los principales países emisores de SF6, estos se deducían de mediciones para ser principalmente China y Corea del Sur en East-Asia, y Alemania en Europa occidental. En el caso de Alemania, se sospecha que los productores de semiconductores son importantes contribuyentes.

En cuanto a los equipos de conmutación con aislamiento a gas de alto voltaje (SIG), estos se utilizan como se discutieron> 80% de la producción anual de SF6, con GIS de medio voltaje otro 10%. Estos SIG tienden a tener una vida útil de 30 a 40 años, con un nuevo GIS basado en SF6 que se está instalando incluso hoy en día, cada uno de los cuales sufrirá algún nivel de fuga durante la operación normal debido a la naturaleza imperfecta de los sellos. En las industrias de magnesio, aluminio y semiconductores, las fugas se han reducido gradualmente con el tiempo, pero siguen siendo una fuente significativa.

En 2018, las emisiones globales de SF6 fueron de 9.0 ± 0.4 GG YR-1, con las emisiones de CO2 de 2018 33.1 GT (33,100,000 GG). Teniendo en cuenta el GWP mucho más alto (22800) de SF6, esto hace que sus emisiones 2018 equivalen a aproximadamente 205,200 GG, o el 0,6% de las emisiones anuales de CO2. Si bien no es un número asombroso, debemos tener en cuenta aquí que hasta ahora las emisiones de SF6 se realizan un año durante el año. Cualquier SIG basado en SF6 o similar instalado hoy en día, agregará a este total durante las próximas décadas, a la vez que contribuyó al calentamiento global durante un período más largo que la era industrial hasta el momento.

Alternativas

Claramente, reemplazar la SF6 y, por lo general, evitarlo de fugarse en la atmósfera es algo bueno, entonces. Posiblemente, Irónicamente, SF6 reemplazó previamente el uso del aceite en el interruptor de conmutación debido a sustancias tóxicas y dañinas, y algunos de los reemplazos sugeridos para SF6 no son tan benignos como este gas. Cuando sea posible, una de las mejores opciones es una aspiradora, con un alto vacío que ofrece un aislamiento dieléctrico muy alto.

Mantener un alto vacío no es fácil, especialmente no a lo largo de los años, lo que lleva a alternativas que van desde el aire liso, CO2 y varias sustancias a base de fluoruro. Recientemente Owens et al. (2021) A medida que los investigadores de 3M publicaron un estudio sobre dos alternativas SF6 que 3M se vende comercialmente. Sus nombres comerciales son Novec 4710 ((CF3) 2CFCN) y Novec 5110 ((CF3) 2CFC (O) CF3), ambos con mezclas de fluoronitrilo y fluoroketona.

La idea es que tales mezclas se agreguen a CO2 o aire dentro de las GIS, para mejorar las propiedades dieléctricas. En esta configuración, Novec 5110 con la mezcla de aire se ve bastante decente, con un GWP (100 años) de <1, pero Novec 4710 con la mezcla de CO2 tiene un GWP de 398, que es mejor, pero no genial. SF6 también mostró un mejor rendimiento en el clima frío, hasta -38 ° C, en comparación con -27 ° C para novec 4710 / CO2, y 0 ° C para novec 5110 / aire. Mercado de hexafluoride estadounidense azufre. (Fuente: Grand View Research) Esto resalta la complejidad en la reemplazo de SF6 en aplicaciones GIS, ya que cada parte de una cuadrícula eléctrica tiene diferentes rangos de temperatura y otros elementos que serían una alternativa de SF6 particular mucho más atractiva. Con SF6, es relativamente barato, ampliamente aplicable, y su uso hasta ahora no se compromete dentro de la industria eléctrica, incluso dentro de las políticas de gases F de la UE, es una maravilla de que el mercado SF6 siga creciendo año a lo largo del año. No solo sf6 Los gases fluorados tienen en común que tienden a ser hechos por el hombre, populares en la industria y otras aplicaciones, y tienen un alto GWP. Incluyen HFCS, PFCS, SF6 y NF3. De estos, los HFC son populares en la refrigeración, donde reemplazan a los CFC más populares, junto con una serie de otros gases. A través de su producción, uso y eventual desmantelamiento, una cantidad significativa de estos gases terminan en la atmósfera, donde contribuyen al espectro del calentamiento global antropogénico. Mirando la popularidad de estos gases, la dificultad para encontrar reemplazos, y el impulso para producir refrigeradores, turbinas eólicas y sistemas de energía distribuidos mucho más costosos, y es poco probable que veremos un cambio importante aquí. Mientras tanto, cada día ve mucho más de GIS y Kin con sede en SF6 que se instalan en la prisa del mundo para descarbonizar y ampliar la red eléctrica, donde seguirán siendo un problema durante décadas. Aunque esta es una perspectiva posiblemente deprimente, se puede obtener algunas esperanzas de la forma en que el mundo se reunió para desterrar los CFC cuando estaba claro que formaban un riesgo existencial para toda la vida en esta tierra. Aquí es esperar que podamos hacer eso unas cuantas veces mucho más.