Reemplazo de SF6

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

Realmente es un espectáculo digno de contemplar: un parque eólico marino con más de 100 turbinas gigantes que cubren un área de 300 km2. Con una capacidad de 714 MW, 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.

Observar 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 sus cuadros 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.

El SF6, un gas sintético e inodoro, pertenece a la familia de los gases fluorados (gases fluorados). Al ser 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 3.200 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 hacia 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 y fue uno de los primeros en utilizar aparamenta con potencial de calentamiento global ( PCA) de cero.

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

Hoy en día, el uso continuo de SF6 y otros gases fluorados en el aislamiento de alta tensión es una preocupación acuciante cuando se trata de una transmisión de energía limpia, especialmente porque la demanda de aparamenta aislada ha aumentado considerablemente.

Esto se debe a la producción descentralizada de energía renovable, al aumento global del consumo de electricidad y a la creciente urbanización, que también aumenta la demanda de pequeñas subestaciones y, por tanto, de aparamenta compacta y 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 PCA del SF6 llevó a la UE a prohibir el SF6 en 2014 para la mayoría de las aplicaciones, excepto para el sector energético, debido a la falta de alternativas en ese momento.

En abril de 2022, la Comisión Europea propuso una revisión de esta legislación clave pidiendo más restricciones al uso de gases fluorados en tecnologías de redes.

Reduciría los gases fluorados en un 90% para 2050 y prohibiría el uso de gases fluorados en aparamentas con un PCA superior a 10 entre 2026 y 2031 (alto voltaje), dependiendo del voltaje de la aparamenta.

También permite flexibilidad en situaciones específicas en las que es posible que no estén disponibles alternativas sin gases fluorados.

En California, ya existe una regulación para eliminar los gases fluorados de los tableros 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.

Lea lo último sobre la regulación de gases fluorados en Europa:Los parlamentarios de la UE redoblan sus esfuerzos por reducir las emisiones de gases fluorados

¿Qué hizo que el SF6 fuera un gas tan popular para los equipos de distribución?

Por razones obvias, es un medio aislante y extintor de arco muy eficaz, con estabilidad a largo plazo y, con precauciones, relativamente seguro de manejar. Hasta la década de 1960, el petróleo se utilizaba como medio de extinción de arcos para disyuntores de alto voltaje en subestaciones de todo el mundo.

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

Actualmente, el SF6 sigue siendo el gas estándar utilizado en los equipos de distribución en todo el mundo. Cada año se instalan miles de toneladas de SF6 en aparamentas en todo el mundo, con una vida útil prevista de 40 a 60 años.

Sin duda, los fabricantes no se toman a la ligera los riesgos que plantea el SF6. La tecnología de punta actual 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 las aparamentas que contienen SF6.

Sin embargo, dado el objetivo de cero emisiones netas que se ha adoptado en todo el mundo para minimizar el cambio climático, será necesario eliminar por completo el SF6 de los equipos de conmutación.

Los principales contendientes para reemplazar al 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 PCA sigue estando unos 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 la conmutación y genera mayores costos de mantenimiento.

Además, el manejo del gas es mucho más complejo que el de los gases de origen natural y, en consecuencia, los requisitos de servicio y almacenamiento son mayores. En este caso, la estanqueidad del cuadro es superior al SF6 y genera mayores costes de mantenimiento. Como estos gases fluorados pertenecen al grupo PFAS (per y polifluoroalquilo), "permanentemente químicos", pueden implicar riesgos adicionales.

Como los productos químicos PFAS están relacionados con la contaminación ambiental y los riesgos para la salud, existe una tendencia global hacia la eliminación gradual de los PFAS y restricciones regulatorias para estas sustancias, donde hay soluciones alternativas disponibles.

Para garantizar activamente la sostenibilidad, uno de los mayores actores del mercado, 3M, anunció a finales de 2022 que dejaría de fabricar (PFAS) y trabajaría para descontinuar el uso de PFAS en toda su cartera de productos para finales de 2025.

La otra alternativa al SF6 son los productos libres de gases fluorados que utilizan gases de origen natural como medio aislante. Esta tecnología de gas no supone ningún daño para el medio ambiente, el clima y la salud humana. Pero, ¿qué tan realista es pasar de las aparamentas aisladas con SF6 a gases de origen natural como aislamiento?

Hoy en día, cada vez más fabricantes de aparamenta, operadores de transmisión y distribución, así como reguladores, prefieren opciones sin gases fluorados con un PCA 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 y presentar informes cuidadosos como exige la ley cuando se utiliza SF6 y otros gases fluorados en algunas partes del mundo.

Finalmente, al observar los diferentes cronogramas de transición propuestos para la eliminación gradual del SF6, queda claro que la tecnología actual libre de gases fluorados puede enfrentar ese desafío.

Descargue su copia de 'Reemplazo de gases fluorados en aparamenta: una revolución en ciernes'

Ya está sucediendo: y no sólo en el extranjero. En 2018, Siemens Energy suministró a una subestación del operador de red noruego BKK Nett en Bergen una aparamenta de aire limpio de su 'Blue Portfolio'.

El aire limpio se compone únicamente de un 80% de nitrógeno y un 20% de oxígeno y tiene un PCA de cero. Actualmente, la empresa tiene en funcionamiento más de 1.000 unidades de aparamenta con aire limpio en todo el mundo.

A partir de 2030, Siemens Energy pretende vender únicamente 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 aparamentas basadas en gases de origen natural, ofreciendo también, por ejemplo, interruptores automáticos basados ​​en una mezcla de gases CO2/O2 con un PCA < 1.

Y algunas de estas empresas han formado una alianza llamada “Cambios de marcha para cero emisiones netas” que exige cero gases fluorados en los interruptores.

Los gases de origen natural con GWP < 1 significan que no hay nuevas emisiones, una manipulación fácil y segura, ni 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 completamente descarbonizada.

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

Más perspectivas energéticas futurasCómo las soluciones de servicios disruptivas revitalizarán las plantas de energía Ampliación de los combustibles limpios para lograr cero emisiones netas Eliminación del carbón y el gas ecológico en el camino hacia las emisiones netas cero

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.

Éste es particularmente el caso de los parques eólicos. Si bien hay primeros proyectos equipados con aparamentas sin gases fluorados en aerogeneradores, en los aparamentas que combinan la alimentación eléctrica con tensiones superiores a 145 kV todavía se utilizan aparamentas aisladas con SF6 (aunque sólo en kilogramos, no en toneladas como en muchas subestaciones).

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

Pero no es ningún secreto que están en proceso. En Siemens Energy, por ejemplo, se están realizando validaciones para aparamentas de 400 kV, mientras que ya hay disponibles aparamentas sin función de disyuntor, como transformadores de medida y conductos colectores aislados en gas, para hasta 420 kV.

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

SOBRE EL AUTOR

El Dr. Mark Kuschel es Jefe de Normalización Internacional en Siemens Energy y dirige los temas de normalización y regulación para el negocio Grid Technologies de la empresa. 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.