جایگزینی گازهای گلخانه‌ای قدرتمند برای زیربنای شبکه برق

هگزا فلوراید گوگرد یا SF6))  رایج‌ترین گازی است که سبب گرم شدن سیاره زمین می‌گردد، حدود 1 درصد از گرم شدن زمین تا به امروز زیر سر این گاز است. دی اکسید کربن و متان بسیار شناخته شده‌تر و فراوان‌تر هستند. با این حال، مانند بسیاری از گازهای فلوئوردار دیگر، SF6 بسیار قوی است: حدود 20000 برابر بیشتر از دی اکسید کربن انرژی در طول یک قرن به دام می اندازد و می تواند تا 1000 سال یا بیشتر در جو دوام بیاورد.

علیرغم سهم نسبتاً اندک آنها تاکنون، انتشار گاز در حال افزایش است و نرخ رشدشان هر سال افزایش یافته است. انتشار گازهای گلخانه‌ای SF6 در چین بین سال‌های 2011 تا 2021 تقریباً دو برابر شد که بیش از نیمی از انتشار گاز در جهان را تشکیل داد.

اکنون، شرکت‌ها به دنبال حذف تجهیزاتی هستند که به گاز متکی است و به دنبال جایگزین‌هایی هستند که بتوانند با عملکرد آن مطابقت داشته باشند. به تازگی  شرکت هیتاچی اعلام کرد که در حال تولید تجهیزات جدیدی است که جایگزین SF6 با مواد دیگر می‌شود. حرکتی است برای ممنوعیت SF6 در صنعت برق، از جمله طرحی که اخیراً در اتحادیه اروپا تصویب شده که استفاده از گاز در تجهیزات ولتاژ بالا را تا سال 2032 به تدریج حذف می‌کند.

از آنجایی که تولیدکنندگان تجهیزات برای تولید جایگزین‌ها تلاش می‌کنند، برخی از محققان می‌گویند که ما باید از این هم فراتر برویم و در تلاش هستیم راه‌حل‌هایی بیابیم که از مواد حاوی فلوئور کاملاً اجتناب شود.

برای مطالعه‌ی مقاله‌ی نیروگاه‌های مجازی و سیستم انرژی در آینده، کلیک کنید.

ولتاژ بالا، ریسک بالا

شما یک جعبه تقسیم در خانه خود دارید. اگر مداری بیش از حد بارگیری شود، قطع کننده ورق می خورد و جریان برق را متوقف می‌کند. شبکه برق هم چیزی مشابه این دارد که به آن تابلو برق می گویند.

مارکوس هایمباخ، معاون اجرایی و مدیر عامل واحد تجاری محصولات ولتاژ بالا در هیتاچی انرژی می‌گوید، تفاوت این دو در این است که اغلب نیاز به انرژی حدود یک میلیون برابر بیشتر از تجهیزات خانگی شما دارد. به این دلیل که بخش‌هایی از شبکه برق، با ولتاژ بالا کار می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا انرژی را به اطراف منتقل کنند و در عین حال کمترین میزان انرژی را از دست بدهند. این ولتاژهای بالا نیاز به عایق بندی دقیق در هر زمان و اقدامات ایمنی در صورت بروز مشکل دارند.

برخی از تابلو برق‌ها از همان مواد جعبه‌ی تقسیم خانگی استفاده می‌کنند. هوا در اطراف آن وجود دارد تا آن را عایق کند. اما زمانی که برای کنترل ولتاژ بالا گسترده می‌‌شود، در نهایت نیاز به ردپای بزرگی از زمین دارد، که آن را برای شهرهای بزرگتر و متراکم تر امری ناخوشایند می‌کند.

هایمباخ می‌گوید که راه‌حل امروز SF6 است، «یک گاز فوق‌العاده، از نقطه نظر فناوری». این گاز می تواند تجهیزات را در طول عملیات عادی عایق بندی و در صورت نیاز به قطع جریان کمک کند.

مشکل این است که مقادیر کمی از SF6 در حین کارکرد معمولی از تجهیزات نشت می‌کند، و مقدار بیشتری از آن می تواند در هنگام خرابی یا زمانی که تجهیزات قدیمی به درستی کار نمی کنند آزاد شود. هنگامی که گاز خارج می‌شود، توانایی قوی آن در به دام انداختن گرما و این واقعیت که عمر طولانی دارد، آن را به یک تهدید در جو تبدیل می‌کند.

برخی از دولت ها به زودی استفاده از این گاز را برای صنعت برق ممنوع خواهند کرد، که اکثریت قریب به اتفاق گازهای گلخانه ای را تشکیل می‌دهد. اتحادیه اروپا موافقت کرد که تا سال 2030 تابلوهای ولتاژ متوسط ​​حاوی SF6 و تا سال 2032 تابلوهای برق فشار قوی که از این گاز استفاده می کنند ممنوع کند. چندین ایالت در ایالات متحده محدودیت‌ها و توقف‌های فازی را پیشنهاد یا اتخاذ کرده اند.

ایجاد تغییرات

هیتاچی انرژی اخیراً اعلام کرده است که تابلو برق فشار قوی تولید می‌کند که می تواند تا 550 کیلو ولت فشار را تحمل کند. هیمباخ می‌گوید این مدل از محصولاتی با ولتاژ 420 کیلوولت پیروی می‌کند که این شرکت نصب آن را در سال 2023 آغاز کرده است. به گفته هایمباخ، امروزه بیش از 250 مورد توسط مشتریان رزرو شده است.

تابلو برق جدید هیتاچی انرژی، SF6 را با مخلوط گازی که عمدتاً حاوی دی اکسید کربن و اکسیژن است جایگزین می‌کند. هیمباخ می‌گوید، این دستگاه به خوبی با SF6 کار می‌کند و به همان اندازه ایمن و قابل اعتماد است، اما با پتانسیل گرمایش جهانی بسیار پایین‌تر، 99 درصد انرژی کمتری را در جو به دام می‌اندازد.

هیمباخ می‌گوید: در این گاز کمتر از 5 درصد مخلوط وجود داشته، و از SF6 قدرت کمتری دارد. اما فلورونیتریل های C4 هنوز هم گازهای گلخانه ای قدرتمندی هستند که تا چند هزار برابر قوی تر از دی اکسید کربن هستند. این گاز و سایر مواد فلوئوردارها نیز به زودی با مشکل مواجه خواهند شد – غول شیمیایی 3M در اواخر سال 2022 اعلام کرد که این شرکت تولید تمام فلوروپلیمرها، مایعات فلوئوردار و محصولات افزودنی PFAS را تا سال 2025 متوقف خواهد کرد.

به منظور از بین بردن نیاز به گازهای حاوی فلوئور، برخی از محققان به دنبال جایگزینی برای گذشته شبکه هستند. لوکاس گرابر، دانشیار مهندسی برق در موسسه فناوری جورجیا، می‌گوید: «ما می‌دانیم که هیچ گاز جایگزینی یک به یک وجود ندارد که دارای خواص SF6 باشد. »

گرابر می‌گوید که به الکترون‌های آزاد چنگ بزنید و هیچ چیز دیگری نمی‌تواند کاملاً با آن برابری کند. بنابراین او روی یک پروژه تحقیقاتی کار می‌کند که هدف آن جایگزینی گاز SF6 با دی اکسید کربن فوق بحرانی است. (سیالات فوق بحرانی آنهایی هستند که در دماها و فشارهای آنقدر بالا هستند که فازهای مایع و گاز مجزا درشان وجود ندارد.)

این مواد الهام از تجهیزاتی است که از مواد مبتنی بر نفت به جای تلاش برای گرفتن الکترون‌هایی مانند SF6، دی اکسید کربن فوق بحرانی استفاده می‌کنند. گرابر و تیم تحقیقاتی او بودجه پروژه را از آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته وزارت انرژی ایالات متحده برای انرژی دریافت کردند. او اضافه کرد که نمونه اولیه در مقیاس کوچک تقریباً به پایان رسیده است و برنامه آزمایش نمونه اولیه در مقیاس کامل در سال 2025 است.

Heimbach از Hitachi Energy می‌گوید: «شرکت‌های تاسیساتی به محافظه‌کاری معروف هستند، زیرا ایمنی و قابلیت اطمینان شبکه برق ریسک بالایی دارند. اما با آمدن ممنوعیت‌های بیشتر SF6، آنها باید راه حل هایی را بیابند و اتخاذ کنند که به گاز متکی نباشد.

نتیجه گیری

انتشار گازهای گلخانه ای در حال افزایش است. به عنوان مثال وجود هگزا فلوراید گوگرد برای تجهیزات ولتاژ بالا بسیار مهم است، اما گرما را به مدت 1000 سال یا بیشتر در جو به دام می‌اندازد.

شبکه برق توسط یک گاز واحد پشتیبانی می‌شود که برای عایق بندی طیف وسیعی از تجهیزات ولتاژ بالا مناسب است. مشکل این است که این گاز گلخانه‌ای فوق‌العاده قدرتمند است و برای تغییرات آب و هوایی کابوس به شمار می‌رود.

برای مطالعه‌ی مطالب علمی و پژوهشی بیش‌تر مجله‌ی نمابازار را دنبال کنید.