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

Sep 23, 2023

El hexafluoruro de azufre (SF6) no es tan infame como el CO2, siendo este último el principal responsable del cambio climático antropogénico. Sin embargo, aunque se están implementando medidas para frenar la liberación de CO2, no parece ocurrir lo mismo con el SF6, 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 en 100 años, y el SF6 tiene un GWP de más de 22.000 durante ese mismo período.

También es de destacar que, si bien el metano durará sólo unos 12,4 años en la atmósfera, el SF6 es tan estable que dura miles de años, cifra que actualmente se estima en unos 3.200 años. Cuando abordamos el hexafluoruro de azufre en 2019 en el contexto de los gases de efecto invernadero, se observó que la mayor parte del SF6 se utiliza (y se filtra desde) aparamentas de alto voltaje (interruptores mecánicos), transformadores y afines, donde el gas es inerte y estable. La naturaleza lo hace ideal para prevenir y apagar arcos eléctricos.

Con el rápido crecimiento de la producción de energía altamente distribuida en forma principalmente de turbinas eólicas (offshore) y parques solares fotovoltaicos, esto también significa que cada uno de ellos está equipado con su propia aparamenta (llena de gas). Dado que el SF6 sigue siendo muy prevalente en este mercado, esta parece una excelente oportunidad para analizar hasta qué punto ha disminuido el uso del SF6 y si podremos evitar un desastre potencial.

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 le confiere las 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 terrestre durante mucho tiempo.

Aunque el SF6 se produce de forma natural, la inmensa mayoría es producido por humanos, para su uso en procesos industriales y en 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.

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 puede descomponerse 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 aparamenta. Especialmente para equipos que terminan 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 se ha utilizado como broma de fiesta inversa al helio: donde la baja densidad molecular del helio produce un aumento en el tono percibido cuando se habla a través de un medio lleno de helio, al respirar SF6. reducirá significativamente el tono de la voz hasta que el gas haya sido expulsado de las vías respiratorias de la persona.

Un desafortunado efecto secundario de la atmósfera gaseosa de nuestro planeta es que cualquier gas que escape de la contención o que se libere mediante la actividad humana termina uniéndose a dicha atmósfera. La preocupación que deberíamos tener por esto depende del gas en cuestión. Cuando se descubrió que los CFC estaban erosionando rápidamente la capa de ozono de la Tierra, se hizo crucial eliminar inmediatamente cualquier liberación significativa de este gas. Esto se logró mediante el Protocolo de Montreal, que supuso un rápido cese de la mayoría de los usos de los 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. Se trata del Experimento Avanzado de Gases Atmosféricos Globales, que realiza un seguimiento de una amplia gama de gases en la atmósfera. Sus conclusiones son que la cantidad de SF6 ha aumentado significativamente desde 2000, pasando de aproximadamente 4 ppt (partes por billón) a alrededor de 10 ppt en 2020, con un aumento lineal que se hizo notable alrededor de 1970. Los niveles de la troposfera preindustrial eran aproximadamente 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 ésta sea la mayor fuente de fugas. Gran parte de esto se debe a la naturaleza distribuida: en lugar de que el gas se utilice en un proceso industrial estrechamente monitoreado, 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 puesta fuera de servicio, las instalaciones de distribución también pueden sufrir daños 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 gas de efecto invernadero hexafluoruro de azufre (SF6), Simmonds et al. cubren los últimos 40 años de mediciones. Señalan cinco fuentes principales de fuga de SF6:

En cuanto a los principales países emisores de SF6, de las mediciones se dedujo que eran principalmente China y Corea del Sur en Asia Oriental, 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 aparamentas aisladas en gas (GIS) de alta tensión, estas utilizan, como se ha mencionado, >80% de la producción anual de SF6, mientras que las GIS de media tensión utilizan otro 10%. Estos GIS tienden a tener una vida útil de 30 a 40 años, e incluso hoy en día se instalan 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 del magnesio, el aluminio y los 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, y las emisiones de CO2 en 2018 fueron de 33,1 Gt (33.100.000 Gg). Teniendo en cuenta el PCG mucho mayor (22800) del SF6, esto hace que sus emisiones en 2018 equivalgan a unos 205.200 Gg, o el 0,6% de las emisiones anuales de CO2. Si bien no es una cifra sorprendente, debemos tener en cuenta que hasta ahora las emisiones de SF6 aumentan año tras año. Cualquier SIG basado en SF6 o similar instalado hoy se sumará a este total durante las próximas décadas, al tiempo que contribuirá al calentamiento global durante 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. Quizás irónicamente, el SF6 reemplazó anteriormente el uso de aceite en los interruptores debido a sustancias tóxicas y dañinas, y algunos de los reemplazos sugeridos para el SF6 no son en sí mismos tan benignos como este gas. Siempre que sea posible, una de las mejores opciones es el vacío, ya que un alto vacío 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 diversas sustancias a base de fluoruro. Recientemente Owens et al. (2021), mientras 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 (a 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 resalta la complejidad de reemplazar el SF6 en aplicaciones GIS, ya que cada parte de una red eléctrica tiene diferentes rangos de temperatura y otros factores que harían más atractiva una alternativa particular de SF6. Dado que el SF6 es relativamente barato, de aplicación universal y su uso hasta ahora no está restringido dentro de la industria de la energía eléctrica (incluso dentro de las regulaciones de gases F 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 alto PCA. Incluyen HFC, PFC, SF6 y NF3. De estos, los HFC son populares en refrigeración, donde reemplazan a los anteriormente populares CFC, junto con 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.

Si tenemos en cuenta la popularidad de estos gases, la dificultad para encontrar sustitutos y el impulso para producir refrigeradores, turbinas eólicas y sistemas de energía distribuida cada vez más baratos, parece poco probable que veamos un cambio importante en este aspecto. Mientras tanto, cada día se instalan más SIG y similares basados ​​en SF6 en la prisa mundial por descarbonizar y expandir la red eléctrica, donde seguirán siendo un problema en las próximas décadas.

Aunque ésta sea una perspectiva tal vez deprimente, se puede obtener cierta esperanza de la forma en que el mundo se unió para desterrar los CFC cuando quedó claro que constituían una amenaza existencial para toda la vida en esta Tierra. Esperamos que podamos hacerlo unas cuantas veces más.