Гексафторид серы (SF6) не так печально известен, как CO2, причем на последний ложится большая часть вины за антропогенное воздействие. изменение климата. Тем не менее, в то время как принимаются меры по сдерживанию выброса CO2, для SF6 похоже, что то же самое не происходит, несмотря на потенциально гораздо большее влияние, чем SF6. Это связано с тем, что при выбросе в атмосферу CO2 имеет только потенциал глобального потепления (ПГП) равный 1, тогда как у метана он составляет около 28 за 100 лет, а SF 6 имеет ПГП более 22 000 за тот же период времени.
Также следует отметить, что в то время как метан продержится в атмосфере всего около 12,4 лет, SF6 настолько стабилен, что сохраняется тысячи лет, что в настоящее время оценивается примерно в 3 года., 200 лет. Когда мы затронули гексафторид серы еще в 2019 году в контексте парниковых газов, было отмечено, что большая часть SF6 используется для высоковольтных распределительных устройств (механических переключателей) и утечек из них, трансформаторы и т.п., где инертный и стабильный характер газа делает его идеальным для предотвращения и гашения электрической дуги.
С быстрым ростом высокораспределенного производства энергии в виде ветряных турбин (оффшорных) и солнечных электростанций это также означает, что каждый из них оснащен собственным (газонаполненным) распределительным устройством. Поскольку SF6 по-прежнему широко распространены на этом рынке, это кажется отличной возможностью посмотреть, насколько снизилось использование SF6, и можем ли мы может быть в состоянии предотвратить потенциальную катастрофу.
Лучший в ничегонеделании
Скелетная формула гексафторида серы (SF6) с размерами.
Что делает SF6 таким превосходным универсальным выбором для гашения электрических дуг и изоляции высоковольтной электрической системы, так это его стабильность. Как правило, он плохо взаимодействует с другими веществами, что приводит к его свойствам бесцветности, негорючести и нетоксичности. К сожалению, это отсутствие химической реактивности также означает, что он может зависать, например, в атмосферу Земли в течение очень долгого времени.
Хотя SF6 встречается в природе, подавляющее большинство его производится людьми для использования в промышленных процессах и медицине, но прежде всего в высоковольтных электрических системах в качестве газа-диэлектрика. Основная цель диэлектрического газа здесь - увеличить напряжение пробоя, чтобы можно было использовать более высокие напряжения в меньшем пространстве, обычно по сравнению с воздухом.
Ибо, когда возникает электрическая дуга, цель газа также должна состоять в том, чтобы погасить дугу, в чем и проявляется SF6. Хотя небольшая часть газа может быть разложена на токсичный S2F10 (декафторид дисеры), большинство продуктов разложения быстро преобразуются в SF 6, что делает его неприхотливым в обслуживании выбором для распределительного устройства. Это очень полезное свойство, особенно для оборудования, которое в конечном итоге устанавливается в удаленном и относительно недоступном месте.
Поскольку SF6 не токсичен и имеет высокую молекулярную массу, он также нашел применение в качестве обратной приколы к гелию: там, где низкая молекулярная плотность гелия создает увеличение воспринимаемой высоты звука при разговоре через наполненную гелием среду, вдыхание SF6 значительно снижает высоту голоса до тех пор, пока газ не будет удален из дыхательных путей человека.
Газы хотят быть свободными
Рост содержания гексафторида серы (SF6) в атмосфере Земли в 2000 - 2020 гг. (Досадный побочный эффект газообразной атмосферы нашей планеты заключается в том, что любые газы, которые вырываются из защитной оболочки или выделяются в результате деятельности человека, в конечном итоге присоединяются к указанной атмосфере. Насколько мы должны быть обеспокоены этим, зависит от рассматриваемого газа. Когда было обнаружено, что ХФУ быстро разрушают озоновый слой Земли, возникла необходимость немедленно устранить любые значительные выбросы этого газа. Это было достигнуто с помощью Монреальского протокола, который привел к быстрому прекращению большинства видов использования ХФУ.
В случае с SF6 было бы справедливо спросить, каков масштаб угрозы. Чтобы оценить это, мы можем взглянуть на данные AGAGE. Это Advanced Global Atmospheric Gases Experiment, который отслеживает широкий спектр газов в атмосфере. Их выводы заключаются в том, что количество SF6 значительно увеличилось с 2000 года, увеличившись примерно с 4 ppt (частей на триллион) до примерно 10 ppt к 2020 году, при этом линейное увеличение стало заметным примерно в 1970 году. Доиндустриальные уровни в тропосфере составляли примерно 54 ppq (частей на квадриллион).
Поскольку более 80% производимого SF6 используется в электроэнергетике, это также неудивительно, что это самый большой источник утечек. Во многом это связано с распределенным характером, вместо того, чтобы газ использовался в тщательно контролируемом промышленном процессе, такие элементы, как распределительные устройства, расположены буквально по всему миру, в пустынях, на вершинах ветряных турбин и посреди полей. При монтаже, ремонте или выводе из эксплуатации распределительное устройство также может быть повреждено с выходом газа SF6 в атмосферу.
Оценка выбросов методом нисходящей инверсии для Западной Европы (2013-2018 гг.). (В исследовании 2020 года, основанном на выводах AGAGE под названием «Растущее атмосферное воздействие парникового газа гексафторида серы» (SF6), Simmonds et al. охватывают последние 40 лет измерений. Они отмечают пять основных источников утечки SF6:
- Электроэнергетика
- Магниевая промышленность
- Алюминиевая промышленность
- Электронная промышленность
- SF6 само производство
Что касается основных стран-излучателей SF6, то, согласно измерениям, это прежде всего Китай и Южная Корея в Восточной Азии и Германия в Западной Европе. В случае с Германией производители полупроводников подозреваются в том, что они вносят основной вклад.
Что касается высоковольтных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ), то они используют, как уже упоминалось, >80% годового производства ЭФ6, а средневольтные КРУЭ еще 10%. Эти ГИС, как правило, имеют срок службы 30-40 лет, при этом новые ГИС на основе SF6 устанавливаются даже сегодня, каждая из которых будет иметь определенный уровень утечек при нормальной работе из-за несовершенный характер уплотнений. В магниевой, алюминиевой и полупроводниковой промышленности количество утечек со временем постепенно снижается, но они по-прежнему остаются значительным источником.
В 2018 г. глобальные выбросы SF6 составили 9,0±0,4 Гг год−1, с 2018 г. CO Выбросы 2 составляют 33,1 Гт (33 100 000 Гг). Принимая во внимание гораздо более высокий ПГП (22800) SF6, это делает его выбросы в 2018 году эквивалентными примерно 205 200 Гг, или 0,6% годового CO2. выбросов. Хотя это и не поразительное число, мы должны принять во внимание, что пока выбросы SF6 увеличиваются из года в год. Любая ГИС на основе SF6, установленная сегодня, будет добавлять к этому общему количеству в течение следующих десятилетий, способствуя глобальному потеплению в течение более длительного периода, чем индустриальная эра до сих пор.
Альтернативы
Понятно, что замена SF6 и вообще предотвращение его утечки в атмосферу - это хорошо. Возможно, по иронии судьбы, SF6 ранее заменяло использование масла в распределительных устройствах из-за токсичных и других вредных веществ, и некоторые из предлагаемых замен SF6 сами по себе не так безобидны, как этот газ. Там, где это возможно, одним из лучших вариантов является вакуум, при этом высокий вакуум обеспечивает очень хорошую диэлектрическую изоляцию.
Поддерживать высокий вакуум непросто, особенно в течение многих лет, что приводит к альтернативам, начиная от простого воздуха, CO2 и различных веществ на основе фтора. Недавно Оуэнс и соавт. (2021), так как исследователи 3M опубликовали исследование двух альтернатив SF6, которые 3M продает на коммерческой основе. Их коммерческие названия: Novec 4710 ((CF3)2CFCN) и Novec 5110 ((CF3)2CFC(O)CF3), которые представляют собой смеси фторнитрила и фторкетона.
Идея заключается в том, что такие смеси добавляют в CO2 или воздух внутри ГИС, для улучшения диэлектрических свойств. В этой конфигурации Novec 5110 с воздушной смесью выглядит довольно прилично, с ПГП (100 лет) <1, но Novec 4710 со смесью CO2 имеет ПГП 398, что лучше., но не отлично. SF6 также показал в целом лучшие характеристики при низких температурах до -38 °C по сравнению с -27 °C для Novec 4710/CO2 и 0 °C для Novec 5110/air.
Рынок гексафторида серы в США. (Это подчеркивает сложность замены SF6 в приложениях ГИС, поскольку каждая часть электрической сети имеет разные температурные диапазоны и другие факторы, которые могут быть характерны для конкретного SF 6 альтернатива более привлекательна. С учетом того, что SF6 является относительно дешевым, универсально применимым, и его использование до сих пор не ограничено в электроэнергетике - даже в соответствии с правилами ЕС по фторсодержащим газам - неудивительно, что SF Рынок 6 продолжает расти из года в год.
Не просто СФ6
Общим для фторированных газов является то, что они, как правило, созданы руками человека, популярны в промышленности и других областях и имеют высокий ПГП. К ним относятся ГФУ, ПФУ, SF6 и NF3 Из них ГФУ популярны в холодильной технике, где они заменяют ранее популярные ХФУ, наряду с ряд других газов. В результате их производства, использования и, в конечном итоге, вывода из эксплуатации значительное количество этих газов попадает в атмосферу, где они способствуют возникновению антропогенного глобального потепления.
Глядя на популярность этих газов, трудности с поиском замены и стремление производить все больше и больше более дешевых холодильников, ветряных турбин и распределенных энергосистем, кажется маловероятным, что мы увидим серьезные изменения здесь. Тем временем с каждым днем все больше ГИС на основе SF6 устанавливается в мировой спешке по обезуглероживанию и расширению электросетей, где они будут оставаться проблемой на десятилетия вперед..
Хотя это, возможно, удручающая перспектива, можно получить некоторую надежду от того, как мир объединился, чтобы изгнать ХФУ, когда стало ясно, что они представляют собой экзистенциальную угрозу для всей жизни на этой Земле. Остается надеяться, что мы сможем сделать это еще несколько раз.