Hexafluorure de soufre : le gaz à effet de serre cauchemardesque qu’il est tout simplement trop utile d’arrêter d’utiliser

Hexafluorure de soufre (SF6) n’est pas aussi tristement célèbre que le CO2, ce dernier étant principalement responsable du changement climatique anthropique. Pourtant, alors que des mesures sont mises en œuvre pour freiner les rejets de CO2, pour SF6 il ne semble pas que ce soit le cas, malgré l’impact potentiellement beaucoup plus important que la SF6 a. En effet, lorsqu’il est libéré dans l’atmosphère, le CO2 n’a qu’un potentiel de réchauffement global (PRP) de 1, alors que celui du méthane est d’environ 28 sur 100 ans, et SF6 a un GWP bien supérieur à 22 000 au cours de la même période.

Il convient également de noter ici que si le méthane ne durera qu’environ 12,4 ans dans l’atmosphère, SF6 est si stable qu’il dure des milliers d’années, actuellement estimé à environ 3 200 ans. Lorsque nous avons abordé l’hexafluorure de soufre en 2019 dans le contexte des gaz à effet de serre, il a été noté que la plupart des SF6 est utilisé pour – et les fuites – des appareillages de commutation à haute tension (interrupteurs mécaniques), des transformateurs et connexes, où la nature inerte et stable du gaz le rend idéal pour prévenir et éteindre les arcs électriques.

Avec la croissance rapide de la production d’énergie hautement distribuée sous la forme principalement d’éoliennes (offshore) et de parcs solaires photovoltaïques, cela signifie également que chacun d’entre eux est équipé de son propre appareillage de commutation (à gaz). Avec SF6 encore très répandu sur ce marché, cela semble être une excellente occasion d’examiner dans quelle mesure la SF6 l’utilisation a diminué, et si nous pouvons être en mesure d’éviter une catastrophe potentielle.

Meilleur à ne rien faire

Formule topologique de l'hexafluorure de soufre (SF6)
Formule topologique de l’hexafluorure de soufre (SF6) avec dimensions.

Qu’est-ce qui fait la SF6 un tel excellent choix de guichet unique pour étouffer les arcs électriques et isoler le système électrique haute tension est dû à sa stabilité. En général, il n’interagit pas facilement avec d’autres substances, ce qui lui confère les propriétés d’être incolore, ininflammable et non toxique. Malheureusement, ce manque de réactivité chimique signifie également qu’il peut rester dans l’atmosphère terrestre, par exemple, pendant très longtemps.

Bien que SF6 se produit naturellement, l’écrasante majorité est produite par l’homme, pour une utilisation dans les processus industriels et la médecine, mais principalement dans les systèmes électriques à haute tension en tant que gaz diélectrique. Le but principal d’un gaz diélectrique ici est d’augmenter la tension de claquage afin que des tensions plus élevées puissent être utilisées dans moins d’espace, généralement par rapport à l’air.

Car lorsqu’un arc se produit, le but du gaz doit également être d’éteindre l’arc, c’est là que SF6 brille. Bien qu’une petite partie du gaz puisse être décomposée en S toxiques2Fdix (décafluorure de disulfure), la plupart des produits de décomposition se reformeront rapidement en SF6, ce qui en fait un choix nécessitant peu d’entretien pour l’appareillage de commutation. Surtout pour les équipements qui finissent par être installés dans un endroit éloigné et relativement inaccessible, c’est une propriété très utile.

Parce que SF6 est non toxique et a un poids moléculaire élevé, il a également trouvé une utilisation comme un bâillon de fête inverse à l’hélium : où la faible densité moléculaire de l’hélium entraîne une augmentation de la hauteur perçue lorsque l’on parle à travers un milieu rempli d’hélium, en respirant la SF6 réduira considérablement le ton de la voix jusqu’à ce que le gaz ait été expulsé des voies respiratoires de la personne.

Les gaz veulent être gratuits

La croissance de l'hexafluorure de soufre (SF6) dans l'atmosphère terrestre au cours des années 2000-2020.
La croissance de l’hexafluorure de soufre (SF6) dans l’atmosphère terrestre au cours des années 2000 à 2020. (crédit : AGAGE)

Un effet secondaire malheureux de l’atmosphère gazeuse de notre planète est que tous les gaz qui s’échappent du confinement ou qui sont libérés par l’activité humaine finissent par rejoindre ladite atmosphère. Le degré de préoccupation à ce sujet dépend du gaz en question. Lorsque les CFC érodaient rapidement la couche d’ozone de la Terre, il était donc crucial d’éliminer immédiatement toute libération importante de ce gaz. Cela a été accompli via le Protocole de Montréal, qui a vu un arrêt rapide de la plupart des utilisations des CFC.

Dans le cas de SF6, il semble juste de se demander quelle est l’étendue de la menace. Pour évaluer cela, nous pouvons regarder les données d’AGAGE. Il s’agit de l’Expérience avancée sur les gaz atmosphériques mondiaux, qui permet de suivre une large gamme de gaz dans l’atmosphère. Leurs conclusions sont que la quantité de SF6 a considérablement augmenté depuis 2000, passant d’environ 4 ppt (parties par billion) à environ 10 ppt d’ici 2020, avec une augmentation linéaire devenant perceptible vers 1970. Les niveaux de la troposphère préindustrielle étaient d’environ 54 ppq (parties par quadrillion).

Comme plus de 80% du SF6 qui est produit est utilisé dans l’industrie de l’énergie électrique, c’est aussi sans surprise la plus grande source de fuites. Cela est dû en grande partie à la nature distribuée, au lieu que le gaz soit utilisé dans un processus industriel étroitement surveillé, des éléments tels que l’appareillage de commutation sont situés littéralement dans le monde entier, dans les déserts, au sommet des éoliennes et au milieu des champs. Lors de l’installation, de la réparation ou de la mise hors service, l’appareillage de commutation peut également être endommagé, avec SF6 gaz s’échappant dans l’atmosphère.

Estimation descendante des émissions par inversion pour l'Europe occidentale (2013-2018).
Estimation descendante des émissions par inversion pour l’Europe occidentale (2013-2018). (Crédit : Simmonds et al., 2020)

Dans une étude de 2020 basée sur les résultats d’AGAGE intitulée La charge atmosphérique croissante du gaz à effet de serre hexafluorure de soufre (SF6), Simmonds et al. couvrir les 40 dernières années de mesures. Ils notent cinq sources principales de SF6 fuite:

  • Industrie de l’énergie électrique
  • Industrie du magnésium
  • Industrie de l’aluminium
  • Industrie électronique
  • SF6 la fabrication elle-même

Quant au grand SF6-pays émetteurs, ceux-ci ont été déduits des mesures comme étant principalement la Chine et la Corée du Sud en Asie de l’Est, et l’Allemagne en Europe occidentale. Dans le cas de l’Allemagne, les producteurs de semi-conducteurs sont soupçonnés d’être des contributeurs majeurs.

Quant aux appareillages de commutation à haute tension à isolation gazeuse (GIS), ils utilisent comme mentionné > 80 % de la production annuelle de SF6, avec GIS moyenne tension 10 % supplémentaires. Ces SIG ont généralement une durée de vie de 30 à 40 ans, avec de nouveaux SF6-SIG en cours d’installation même aujourd’hui, dont chacun subira un certain niveau de fuite pendant le fonctionnement normal en raison de la nature imparfaite des joints. Dans les industries du magnésium, de l’aluminium et des semi-conducteurs, les fuites ont été progressivement réduites au fil du temps, mais restent une source importante.

En 2018, les émissions mondiales de SF6 étaient 9,0±0,4Gg an-1, avec 2018 CO2 les émissions étant de 33,1 Gt (33 100 000 Gg). Compte tenu du GWP beaucoup plus élevé (22800) de SF6, cela rend ses émissions de 2018 équivalentes à environ 205 200 Gg, soit 0,6 % du CO annuel2 émissions. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un nombre étonnant, nous devons tenir compte ici du fait que jusqu’à présent, les émissions de SF6 augmentent d’année en année. Tout SF6Les SIG ou similaires installés aujourd’hui viendront s’ajouter à ce total pour les prochaines décennies, tout en contribuant au réchauffement climatique pendant une période plus longue que l’ère industrielle jusqu’à présent.

Alternatives

Clairement, remplacer SF6 et généralement l’empêcher de s’infiltrer dans l’atmosphère est une bonne chose, alors. Peut-être ironiquement, SF6 précédemment remplacé l’utilisation d’huile dans l’appareillage de commutation en raison de substances toxiques et autrement nocives, et certains des remplacements suggérés pour le SF6 ne sont eux-mêmes pas aussi bénins que ce gaz. Lorsque cela est possible, l’une des meilleures options est le vide, avec un vide poussé fournissant une isolation diélectrique très élevée.

Maintenir un vide poussé n’est pas facile, surtout pas au fil des années, ce qui conduit à des alternatives allant de l’air ordinaire, CO2, et diverses substances à base de fluorure. Récemment, Owens et al. (2021) alors que des chercheurs de 3M ont publié une étude sur deux alternatives au SF6 que 3M vend dans le commerce. Leurs noms commerciaux sont Novec 4710 ((CF3)2CFCN) et Novec 5110 ((CF3)2CFC(O)CF3), tous deux étant des mélanges de fluoronitrile et de fluorocétone.

L’idée est que ces mélanges sont ajoutés au CO2 ou de l’air à l’intérieur du SIG, pour améliorer les propriétés diélectriques. Dans cette configuration, Novec 5110 avec mélange d’air semble assez décent, avec un PRG (100 ans) de <1, mais Novec 4710 avec CO2 mélange a un GWP de 398, ce qui est mieux, mais pas génial. Le SF6 a également montré une meilleure performance globale par temps froid, jusqu’à -38 °C, contre -27 °C pour Novec 4710/CO2, et 0 °C pour Novec 5110/air.

Marché américain de l'hexafluorure de soufre.
Marché américain de l’hexafluorure de soufre. (Source : Grand View Research)

Cela met en évidence la complexité du remplacement de la SF6 dans les applications SIG, car chaque partie d’un réseau électrique a des plages de température différentes et d’autres facteurs qui seraient un SF particulier6 alternative plus attrayante. Avec SF6 étant relativement bon marché, universellement applicable, et son utilisation jusqu’à présent non entravée dans l’industrie de l’énergie électrique – même dans le cadre de la réglementation européenne sur les gaz F – il n’est pas étonnant que le SF6 le marché ne cesse de croître d’année en année.

Pas que de la SF6

Les gaz fluorés ont en commun qu’ils ont tendance à être fabriqués par l’homme, populaires dans l’industrie et d’autres applications, et ont un GWP élevé. Ils comprennent les HFC, les PFC, le SF6 et NF3. Parmi ceux-ci, les HFC sont populaires dans la réfrigération, où ils remplacent les CFC auparavant populaires, ainsi qu’un certain nombre d’autres gaz. Par leur production, leur utilisation et leur déclassement éventuel, une quantité importante de ces gaz se retrouve dans l’atmosphère, où ils contribuent au spectre du réchauffement climatique anthropique.

Compte tenu de la popularité de ces gaz, de la difficulté à trouver des remplaçants et de la volonté de produire de plus en plus de réfrigérateurs, d’éoliennes et de systèmes d’alimentation distribués moins chers, il semble peu probable que nous assistions à un changement majeur ici. Pendant ce temps, chaque jour voit plus de SF6Les SIG et les proches sont installés dans la course mondiale à la décarbonisation et à l’extension du réseau électrique, où ils continueront à être un problème pour les décennies à venir.

Bien que ce soit une perspective peut-être déprimante, un certain espoir peut être tiré de la façon dont le monde s’est réuni pour bannir les CFC alors qu’il était clair qu’ils constituaient une menace existentielle pour toute vie sur cette Terre. En espérant que nous pourrons le faire encore quelques fois.