Hexafluoruro de azufre: el gas de efecto invernadero de pesadilla que es demasiado útil para dejar de usarlo

El hexafluoruro de azufre (SF6) no es tan infame como el CO2, y este último recibe la mayor parte de la culpa del cambio climático antropogénico. Sin embargo, mientras se están implementando medidas para frenar la liberación de CO2, para el SF6 no parece ser el caso, a pesar del impacto potencialmente mucho mayor que tiene el SF6. Esto se debe a que, cuando se libera a la atmósfera, el CO2 solo tiene un potencial de calentamiento global (GWP) de 1, mientras que el del metano es de aproximadamente 28 durante 100 años, y el SF6 tiene un GWP de más de 22 000 durante el mismo período de tiempo.

También cabe destacar aquí que mientras que el metano durará solo unos 12,4 años en la atmósfera, el SF6 es tan estable que dura miles de años, actualmente estimado en aproximadamente 3200 años. Cuando abordamos el tema del hexafluoruro de azufre en 2019 en el contexto de los gases de efecto invernadero, se observó que la mayor parte del SF6 se usa (y se filtra) en aparamenta de alta tensión (interruptores mecánicos), transformadores y equipos relacionados, donde el gas es inerte y estable. la naturaleza lo hace ideal para prevenir y extinguir arcos eléctricos.

Con el rápido crecimiento de la producción de energía altamente distribuida en forma de turbinas eólicas en su mayoría (en alta mar) y parques solares fotovoltaicos, esto también significa que cada uno de ellos está equipado con su propio equipo de conmutación (lleno de gas). Dado que el SF6 sigue siendo muy frecuente en este mercado, esta parece una excelente oportunidad para analizar cuánto ha disminuido el uso de SF6 y si podemos lograr evitar un posible desastre.

Lo que hace que el SF6 sea una excelente opción integral para sofocar arcos eléctricos y aislar sistemas eléctricos de alto voltaje es su estabilidad. Generalmente, no interactúa fácilmente con otras sustancias, lo que conduce a sus propiedades de ser incoloro, no inflamable y no tóxico. Desafortunadamente, esta falta de reactividad química también significa que puede permanecer, por ejemplo, en la atmósfera de la Tierra durante mucho tiempo.

Aunque el SF6 se produce de forma natural, la gran mayoría es producida por humanos, para uso en procesos industriales y medicina, pero principalmente en sistemas eléctricos de alto voltaje como gas dieléctrico. El objetivo principal de un gas dieléctrico aquí es aumentar el voltaje de ruptura para que se puedan usar voltajes más altos en menos espacio, generalmente en relación con el aire.

Porque cuando se produce algún arco, el propósito del gas también debe ser apagar el arco, que es donde brilla el SF6. Aunque una pequeña parte del gas se puede descomponer en el tóxico S2F10 (decafluoruro de disulfuro), la mayoría de los productos de descomposición se reformarán rápidamente en SF6, lo que lo convierte en una opción de bajo mantenimiento para los interruptores. Especialmente para equipos que terminan siendo instalados en algún lugar remoto y relativamente inaccesible, esta es una propiedad muy útil.

Debido a que el SF6 no es tóxico y tiene un alto peso molecular, también ha encontrado uso como una mordaza de fiesta inversa al helio: donde la baja densidad molecular del helio hace que aumente el tono percibido cuando se habla a través de un medio lleno de helio, inhalando SF6 bajará significativamente el tono de la voz hasta que el gas haya sido expulsado de las vías respiratorias de la persona.

Un efecto secundario desafortunado de la atmósfera gaseosa de nuestro planeta es que los gases que se escapan de la contención, o que son liberados por la actividad humana, terminan incorporándose a dicha atmósfera. Cuán preocupados deberíamos estar por esto depende del gas en cuestión. Cuando se descubrió que los CFC estaban erosionando rápidamente la capa de ozono de la Tierra, fue crucial eliminar de inmediato cualquier liberación significativa de este gas. Esto se logró a través del Protocolo de Montreal, que vio un rápido cese de la mayoría de los usos de CFC.

En el caso del SF6, parecería justo preguntarse cuál es el alcance de la amenaza. Para evaluar esto, podemos mirar los datos de 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 ha aumentado significativamente desde 2000, pasando de alrededor de 4 ppt (partes por billón) a alrededor de 10 ppt para 2020, con un aumento lineal notable alrededor de 1970. Los niveles de la troposfera preindustrial eran aproximadamente de alrededor de 54 ppq (partes por cuatrillón).

Dado que más del 80 % del SF6 que se produce se utiliza en la industria de la energía eléctrica, no sorprende que esta sea la mayor fuente de fugas. Gran parte de esto se debe a la naturaleza distribuida, en lugar de que el gas se use en un proceso industrial monitoreado de cerca, los elementos como los interruptores se encuentran literalmente en todo el mundo, en desiertos, en la parte superior de las turbinas eólicas y en medio de los campos. Durante la instalación, reparación o desmantelamiento, la aparamenta también puede dañarse y el gas SF6 se escapa a la atmósfera.

En un estudio de 2020 basado en los hallazgos de AGAGE titulado La creciente carga atmosférica del hexafluoruro de azufre (SF6) de los gases de efecto invernadero, Simmonds et al. cubrir los últimos 40 años de mediciones. Señalan cinco fuentes principales de fuga de SF6:

En cuanto a los principales países emisores de SF6, se dedujo de las mediciones que eran principalmente China y Corea del Sur en el este de Asia y Alemania en Europa occidental. En el caso de Alemania, se sospecha que los productores de semiconductores son los principales contribuyentes.

En cuanto a las celdas aisladas en gas (GIS) de alta tensión, estas consumen como se mencionó >80% de la producción anual de SF6, y las GIS de media tensión otro 10%. Estos GIS tienden a tener una vida útil de 30 a 40 años, incluso hoy en día se están instalando nuevos GIS basados ​​en SF6, cada uno de los cuales sufrirá algún nivel de fuga durante el funcionamiento 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 importante.

En 2018, las emisiones globales de SF6 fueron de 9,0±0,4 Gg año−1, siendo las emisiones de CO2 de 2018 de 33,1 Gt (33 100 000 Gg). Teniendo en cuenta el GWP mucho más alto (22800) del SF6, esto hace que sus emisiones de 2018 sean equivalentes a unos 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 están aumentando año tras año. Cualquier GIS basado en SF6 o similar instalado hoy se sumará a este total durante las próximas décadas, mientras contribuye al calentamiento global por un período más largo que la era industrial hasta ahora.

Claramente, reemplazar el SF6 y, en general, evitar que se filtre a la atmósfera es algo bueno, entonces. Quizá irónicamente, el SF6 reemplazó previamente el uso de aceite en los interruptores debido a sustancias tóxicas y dañinas, y algunos de los reemplazos sugeridos para el SF6 no son tan benignos como este gas. Siempre que sea posible, una de las mejores opciones es el vacío, con un alto vacío que proporciona un aislamiento dieléctrico muy alto.

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

La idea es que dichas mezclas se agreguen al CO2 o al aire dentro del GIS, para mejorar las propiedades dieléctricas. En esta configuración, Novec 5110 con mezcla de aire parece bastante decente, con un GWP (100 años) de <1, pero Novec 4710 con mezcla de CO2 tiene un GWP de 398, que es mejor, pero no excelente. El SF6 también mostró un mejor rendimiento general en climas fríos, hasta -38 °C, en comparación con los -27 °C de Novec 4710/CO2 y los 0 °C de Novec 5110/aire.

Esto destaca la complejidad de reemplazar el SF6 en las aplicaciones GIS, ya que cada parte de una red eléctrica tiene diferentes rangos de temperatura y otros factores que harían que una alternativa particular al SF6 fuera más atractiva. Dado que el SF6 es relativamente barato, de aplicación universal y su uso hasta ahora no está sujeto a trabas dentro de la industria de la energía eléctrica, incluso dentro de las regulaciones de gases fluorados de la UE, no es de extrañar que el mercado del SF6 siga creciendo año tras año.

Los gases fluorados tienen en común que tienden a ser artificiales, populares en la industria y otras aplicaciones, y tienen un GWP alto. Incluyen HFC, PFC, SF6 y NF3. De estos, los HFC son populares en refrigeración, donde reemplazan a los CFC anteriormente 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.

Al observar la popularidad de estos gases, la dificultad para encontrar reemplazos y el impulso para producir más y más baratos refrigeradores, turbinas eólicas y sistemas de energía distribuida, parece poco probable que veamos un cambio importante aquí. Mientras tanto, cada día se instalan más GIS y similares basados ​​en SF6 en la carrera mundial por descarbonizar y expandir la red eléctrica, donde seguirán siendo un problema en las próximas décadas.

Si bien esta es una perspectiva quizás deprimente, se puede obtener cierta esperanza de la forma en que el mundo se unió para desterrar los CFC cuando estaba claro que constituían una amenaza existencial para toda la vida en esta Tierra. Aquí está la esperanza de que podamos hacer eso unas cuantas veces más.