Sustitución de SF6

Jun 20, 2023

Hace una década, no había alternativas viables al uso de SF6 como gas de aislamiento en aparamenta de alta tensión, a pesar de que se considera que este gas fluorado tiene el mayor potencial de calentamiento global. Hoy en día, hay alternativas disponibles y la era de los gases fluorados parece estar llegando a su fin, escribe el Dr. Mark Kuschelde Siemens Energía.

Realmente es un espectáculo para la vista: un parque eólico marino con más de 100 turbinas gigantes que cubren un área de 300 km2. Con una capacidad de 714MW, el parque eólico East Anglia One frente a las costas de Suffolk en Inglaterra produce suficiente energía renovable para alimentar el equivalente a más de 630.000 hogares.

Ver el campo generador de energía en medio de las implacables olas del sur del Mar del Norte es extremadamente impresionante. Sin embargo, hay una característica oculta que también hace que el parque eólico sea notable. En cada aerogenerador, el campo utiliza el aislamiento más ecológico posible para su aparamenta de alta tensión: aire limpio en lugar de SF6 (hexafluoruro de azufre), que solía ser el estándar.

De hecho, la respuesta está en el viento y los tiempos están cambiando.

Este artículo forma parte de la serie "Perspectivas energéticas futuras", en la que los expertos de Siemens Energy comparten sus ideas sobre cómo podemos avanzar hacia un sistema energético descarbonizado.

El SF6, un gas artificial e inodoro, pertenece a la familia de los gases F (gases fluorados). Como el gas de efecto invernadero más dañino y duradero emitido por la actividad humana, es 25 200 veces más potente que el CO2 y tiene una vida atmosférica de hasta 3200 años.

Según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., alrededor del 80 % se utilizan en todo el mundo en la industria de aparamenta. Por lo tanto, está claro que abordar este segmento es primordial. Es por eso que East Anglia One debe liderar el camino para esfuerzos efectivos para proteger el medio ambiente.

No solo genera energía renovable, sino que también establece nuevos estándares en la descarbonización de la parte de transmisión de energía del proyecto. El parque eólico ha estado en funcionamiento durante casi tres años, siendo uno de los primeros en utilizar aparamenta con potencial de calentamiento global ( GWP) de cero.

Hoy en día, el uso continuado de SF6 y otros gases fluorados en el aislamiento de alto voltaje son preocupaciones apremiantes cuando se trata de transmisión de energía limpia, especialmente porque la demanda de aparamenta aislada ha aumentado considerablemente.

Esto se debe a la producción de energía renovable descentralizada, el aumento global en el consumo de electricidad y el aumento de la urbanización que también aumenta la demanda de pequeñas subestaciones y, por lo tanto, de aparamenta compacta respetuosa con el medio ambiente.

Los reguladores han tomado nota y se están alejando cada vez más de los gases fluorados. Por ejemplo, el alto GWP del SF6 llevó a la UE a prohibir el SF6 en 2014 para la mayoría de las aplicaciones, excepto para el sector eléctrico debido a la falta de alternativas en ese momento.

En abril de 2022, la Comisión Europea propuso una revisión de esta legislación clave que exige más restricciones en el uso de gases F en tecnologías de red.

Reduciría los gases F en un 90 % para 2050 y prohibiría el uso de gases F en aparamenta con un GWP de más de 10 para 2026 a 2031 (alto voltaje), según el voltaje de la aparamenta.

También permite flexibilidad en situaciones de nicho donde las alternativas libres de gases fluorados podrían no estar disponibles.

En California, ya existe una regulación para eliminar los gases F de los interruptores aislados con gas. Y, como era de esperar, en la reciente COP27 en Egipto, los gases fluorados fueron temas centrales de los paneles de discusión destinados a explorar alternativas libres de gases fluorados a nivel mundial.

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¿Qué hizo que el SF6 fuera un gas tan popular para interruptores en primer lugar?

Por razones obvias, es un medio aislante y de extinción de arco altamente efectivo con estabilidad a largo plazo y con precauciones, relativamente seguro de manejar. Hasta la década de 1960, el aceite se usaba como medio de extinción de arcos para interruptores automáticos de alto voltaje en subestaciones de todo el mundo.

Sin embargo, tenía una variedad de desventajas, como el riesgo de incendio y la intensidad de mantenimiento. Cuando se implementó por primera vez el SF6, se lo vio como una excelente alternativa para mejorar el rendimiento y la seguridad de las aplicaciones de alto voltaje.

Actualmente, el SF6 sigue siendo el gas estándar que se utiliza en los equipos de conmutación en todo el mundo. Cada año se instalan miles de toneladas de SF6 en aparamenta en todo el mundo, con una vida útil esperada de 40 a 60 años.

Sin duda, los fabricantes no se toman a la ligera los riesgos que plantea el SF6. La tecnología actual de última generación permite mantener la tasa de fuga de SF6 por debajo del 0,1% anual.

Al mismo tiempo, todos los ingenieros de sistemas están sensibilizados y formados en el manejo cuidadoso de los componentes de la aparamenta que contienen SF6.

Sin embargo, dado el objetivo de cero neto que se ha adoptado en todo el mundo para minimizar el cambio climático, el SF6 deberá eliminarse por completo de los equipos de conmutación.

Los principales contendientes para reemplazar el SF6 se basan en gases de origen natural, como CO2, O2 y N2, y mezclas de gases, incluidos otros gases fluorados artificiales que tienen una fracción del impacto climático del SF6.

Aunque las mezclas de gases fluorados tienen un potencial de calentamiento global menor que el SF6, el GWP sigue estando algunos cientos por encima de 1. Además, estas mezclas de gases pierden su eficacia a temperaturas muy bajas.

También existe el riesgo de que los componentes de la aparamenta se desgasten más rápidamente, lo que a su vez reduce el rendimiento de conmutación y genera mayores costos de mantenimiento.

Además, el manejo del gas es mucho más complejo que con los gases de origen natural y, en consecuencia, los requisitos de servicio y almacenamiento son más altos. En este caso, la estanqueidad de la aparamenta es superior al SF6 y genera mayores costes de mantenimiento. Como estos gases F pertenecen al grupo PFAS (per- y polifluoro-alquilo) 'siempre químicos', pueden implicar riesgos adicionales.

Dado que los productos químicos PFAS están relacionados con la contaminación ambiental y los riesgos para la salud, existe una tendencia mundial hacia la eliminación gradual de PFAS y las restricciones reglamentarias para estas sustancias, donde hay soluciones alternativas disponibles.

Para garantizar activamente la sostenibilidad, uno de los principales actores del mercado, 3M, anunció a finales de 2022 que abandonaría la fabricación de PFAS y trabajaría para dejar de utilizar PFAS en toda su cartera de productos a finales de 2025.

La otra alternativa al SF6 son los productos libres de gases F que utilizan gases de origen natural como medio de aislamiento. Esta tecnología de gas plantea cero daños al medio ambiente, el clima y la salud humana. Pero, ¿cuán realista es pasar de la aparamenta aislada con SF6 a los gases de origen natural como aislamiento?

Hoy en día, cada vez más fabricantes de aparamenta, operadores de transmisión y distribución, así como reguladores, favorecen las opciones libres de gases fluorados con GWP de cero o < 1, sin riesgo de contaminación de la atmósfera, el agua o el suelo.

Eso también significa que no hay necesidad de manipular, reciclar e informar con cuidado como exige la ley al usar SF6 y otros gases fluorados en algunas partes del mundo.

Finalmente, al observar los diferentes cronogramas de transición propuestos para eliminar el SF6, está claro que la tecnología libre de gases fluorados de hoy en día puede enfrentar ese desafío.

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Ya está sucediendo: y no solo en alta mar. En 2018, Siemens Energy suministró una subestación del operador de red noruego BKK Nett en Bergen con una aparamenta de aire limpio de su 'Cartera azul'.

El aire limpio consiste puramente en un 80 % de nitrógeno y un 20 % de oxígeno y tiene un GWP de cero. En todo el mundo, la empresa cuenta actualmente con más de 1.000 unidades de aparamenta con aire limpio en funcionamiento.

A partir de 2030, Siemens Energy tiene como objetivo vender solo productos libres de gases F en todo el mundo. Además, otros fabricantes son muy activos: empresas de Europa, Japón, Corea del Sur y China pueden ofrecer aparamenta basada en gases de origen natural, por ejemplo, ofreciendo también disyuntores basados ​​en una mezcla de gases CO2/O2 con un GWP < 1.

Y algunas de estas empresas han formado una alianza llamada "Switching gears for net zero" que pide cero gases fluorados en los interruptores.

Los gases de origen natural con GWP < 1 significa que no hay nuevas emisiones, un manejo fácil y seguro, sin riesgos para la salud de los trabajadores ni daños al medio ambiente. La huella de CO2 de los equipos de gas de origen natural es significativamente menor que la del SF6 y ofrece la única solución para tener cero emisiones directas y es capaz de lograr una huella de carbono cero cuando se combina con una cadena de suministro totalmente descarbonizada.

El uso de soluciones de gas de origen natural reduce significativamente los costos del ciclo de vida de los equipos. El equipo se puede utilizar a temperaturas muy bajas de hasta -50°C sin ninguna contramedida.

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Aunque el camino a seguir puede parecer claro, durante esta fase de transición, los fabricantes de aparamenta, así como los operadores de transmisión, todavía tienen mucho trabajo por delante.

Ese es particularmente el caso de los parques eólicos. Si bien hay primeros proyectos equipados con aparamenta sin gas F en turbinas eólicas, la aparamenta que combina la alimentación de energía con voltajes superiores a 145 kV todavía utiliza aparamenta aislada con SF6 (aunque solo kilogramos, no toneladas como en muchas subestaciones).

¿Por qué? Los productos alternativos con aire limpio u otras mezclas de gases inofensivas aún no están disponibles para este rango de kV.

Pero no es ningún secreto que están en proceso. En Siemens Energy, por ejemplo, las validaciones para aparamenta con 400 kV están en curso, mientras que aparamenta sin función de disyuntor, como transformadores de medida y conductos de distribución con aislamiento de gas, ya están disponibles para hasta 420 kV.

Otros fabricantes también están avanzando. Por lo tanto, las alternativas libres de gases fluorados también deberían estar disponibles pronto para estos rangos de voltaje más altos.

SOBRE EL AUTOR

El Dr. Mark Kuschel es director de estandarización internacional en Siemens Energy y dirige los temas de estandarización y regulación para el negocio Grid Technologies de la compañía. Durante más de 20 años ha ocupado diversos cargos en el negocio de Transmisión y Distribución, donde también fue uno de los iniciadores de productos sostenibles libres de gases fluorados.