В основе работы энергосетей лежит один газ, который используется для изоляции высоковольтного оборудования. Беда в том, что это еще и чрезвычайно мощный парниковый газ, настоящий кошмар для климата.
Гексафторид серы (SF6) не является самым распространенным газом, вызывающим потепление, — он отвечает примерно за 1% общего потепления на данный момент; углекислый газ и метан куда более известны и обильны. Однако, как и многие другие фторированные газы, SF6 обладает особой силой: за столетний период он удерживает в 20 000 раз больше энергии, чем углекислый газ, а в атмосфере он может сохраняться 1000 лет и более. Подробнее о его воздействии можно узнать здесь: Основы SF6.
Несмотря на относительно небольшой вклад на данный момент, выбросы этого газа неуклонно растут, и темпы роста увеличиваются ежегодно. Выбросы SF6 в Китае между 2011 и 2021 годами почти удвоились, что составило более половины мировых выбросов этого газа.
Сейчас компании стремятся отказаться от оборудования, использующего этот газ, и ищут ему замену, способную соответствовать его характеристикам. На прошлой неделе Hitachi Energy объявила о начале производства нового оборудования, заменяющего SF6 другими материалами. Нарастает и общее движение за запрет SF6 в энергетике, включая недавно принятый в Европейском Союзе план, который предусматривает поэтапный отказ от использования газа в высоковольтном оборудовании к 2032 году.
Пока производители работают над альтернативами, некоторые исследователи заявляют, что следует двигаться дальше и искать решения, которые полностью исключают фторсодержащие материалы.
Высокое напряжение, высокие ставки
Вероятно, у вас дома есть автоматический выключатель — если цепь перегружается, «автомат» отключается, прерывая подачу тока. В энергосистеме есть нечто похожее, называемое комплектными распределительными устройствами (КРУ).
Разница в том, что эти устройства часто должны выдерживать энергию, в миллион раз превышающую ту, с которой справляется ваше домашнее оборудование, — отмечает Маркус Хаймбах, исполнительный вице-президент и управляющий директор бизнес-подразделения высоковольтного оборудования Hitachi Energy. Это связано с тем, что части энергосети работают при высоких напряжениях, позволяя передавать энергию с минимальными потерями. Такие высокие напряжения требуют постоянной тщательной изоляции и мер безопасности на случай возникновения неисправностей.
В некоторых КРУ используются те же материалы, что и в домашних автоматах — в качестве изолятора выступает воздух. Но когда такие системы масштабируются до высоковольтных нужд, они становятся гигантскими и требуют значительной площади, что неудобно для крупных и густонаселенных городов.
Современным решением стал SF6 — «супергаз с технологической точки зрения», как называет его Хаймбах. Он способен изолировать оборудование при нормальной работе и помогать отключать ток при необходимости. При этом габаритные размеры таких установок гораздо меньше, чем у оборудования с воздушной изоляцией.
Проблема в том, что небольшое количество SF6 просачивается из оборудования при штатной эксплуатации, а больше газа может высвободиться при аварии или при неправильной утилизации старого оборудования. Когда газ выходит наружу, его высочайшая способность удерживать тепло и длительное пребывание в атмосфере делают его настоящей угрозой.
Вскоре некоторые правительства введут запрет на использование этого газа, на который приходится подавляющее большинство выбросов в энергетическом секторе. Европейский Союз договорился о запрете КРУ среднего напряжения, содержащих SF6, к 2030 году, а высоковольтных КРУ, использующих этот газ, — к 2032 году. Несколько штатов в США также предложили или приняли ограничения и поэтапный вывод SF6 из оборота.
Внедрение изменений
Hitachi Energy недавно анонсировала производство высоковольтных КРУ, способных работать при напряжении до 550 киловольт (кВ). Эта модель следует за продуктами на 420 кВ, которые компания начала устанавливать в 2023 году — на сегодняшний день заказчиками забронировано уже более 250 таких устройств, утверждает Хаймбах.
В новых КРУ от Hitachi Energy SF6 заменяется газовой смесью, состоящей преимущественно из углекислого газа и кислорода. Она работает так же хорошо, как и SF6, является такой же безопасной и надежной, но при этом обладает гораздо более низким потенциалом глобального потепления, удерживая на 99% меньше энергии в атмосфере, по словам Хаймбаха.
Тем не менее, в некоторых своих новых разработках Hitachi Energy все еще использует ци4-фторнитрилы для улучшения изоляции, уточняет Хаймбах. Этот газ присутствует в смеси в малой доле — менее 5%, и его воздействие менее значительно, чем у SF6. Но ци4-фторнитрилы все еще являются сильными парниковыми газами, в тысячи раз более мощными, чем углекислый газ. Эти и другие фторированные вещества могут скоро оказаться под ударом — химический гигант 3M объявил в конце 2022 года, что компания прекратит производство всех фторполимеров, фторированных жидкостей и продуктов с добавлением ПФАС к 2025 году.
Чтобы полностью исключить необходимость использования фторсодержащих газов, некоторые исследователи обращаются к опыту прошлого для поиска альтернатив. «Мы знаем, что не существует замены газу SF6 один к одному, который обладал бы его свойствами», — говорит Лукас Грабер, доцент электротехники в Технологическом институте Джорджии.
SF6 одновременно чрезвычайно стабилен и электроотрицателен, то есть склонен захватывать свободные электроны, и ничто другое не может сравниться с ним, объясняет Грабер. Поэтому он работает над исследовательским проектом, цель которого — заменить газообразный SF6 сверхкритическим диоксидом углерода. (Сверхкритические жидкости — это вещества, находящиеся при таких высоких температурах и давлении, при которых четко выраженные жидкая и газообразная фазы отсутствуют.) Вдохновением послужило оборудование, которое раньше использовало масло — сверхкритический диоксид углерода, вместо того чтобы захватывать электроны, как SF6, может их эффективно замедлять.
Грабер и его команда исследователей получили финансирование проекта от Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) при Министерстве энергетики США. По его словам, первый маломасштабный прототип почти готов, и планируется тестирование полномасштабного прототипа в 2025 году.
По словам Хаймбаха из Hitachi Energy, энергетические компании известны своим консерватизмом, поскольку безопасность и надежность электросети имеют высочайшую значимость. Но с учетом того, что запреты на SF6 продолжают вводиться, им придется находить и внедрять решения, не зависящие от этого газа.
