Remplacement du SF6

Jun 20, 2023

Il y a dix ans, il n'existait aucune alternative viable à l'utilisation du SF6 comme gaz d'isolation dans les appareillages de commutation haute tension, même si ce gaz fluoré est considéré comme ayant le potentiel de réchauffement climatique le plus élevé. Aujourd'hui, des alternatives sont disponibles et l'ère des gaz fluorés semble toucher à sa fin, écrit le Dr Mark Kuschelde Siemens Energy.

C'est vraiment un spectacle à voir : un parc éolien offshore avec plus de 100 turbines géantes couvrant une superficie de 300 km2. D'une capacité de 714 MW, le parc éolien East Anglia One au large des côtes anglaises du Suffolk produit suffisamment d'énergie renouvelable pour alimenter l'équivalent de plus de 630 000 foyers.

Observer le champ de production d'électricité au milieu des vagues incessantes du sud de la mer du Nord est extrêmement impressionnant. Pourtant, il y a une caractéristique cachée qui rend également le parc éolien remarquable. Sur chaque éolienne, le champ utilise l'isolation la plus verte possible pour son appareillage haute tension : de l'air pur au lieu du SF6 (hexafluorure de soufre), qui était la norme.

La réponse souffle en effet dans le vent, et les temps changent.

Cet article fait partie de la série "Future Energy Perspectives", dans laquelle des experts de Siemens Energy partagent leurs idées sur la manière dont nous pouvons évoluer vers un système énergétique décarboné.

Le SF6, un gaz synthétique et inodore, appartient à la famille des gaz F (gaz fluorés). En tant que gaz à effet de serre le plus nocif et le plus durable émis par l'activité humaine, il est 25 200 fois plus puissant que le CO2 et a une durée de vie atmosphérique pouvant atteindre 3 200 ans.

Selon l'Environmental Protection Agency des États-Unis, environ 80 % sont utilisés dans le monde entier dans l'industrie de l'appareillage de commutation. Par conséquent, il est clair qu'il est primordial de s'attaquer à ce segment. C'est pourquoi East Anglia One devrait ouvrir la voie à des efforts efficaces pour protéger l'environnement.

Il ne génère pas seulement de l'énergie renouvelable, mais il établit également de nouvelles normes en matière de décarbonisation de la partie transport d'électricité du projet. Le parc éolien est en service depuis près de trois ans, étant l'un des premiers à utiliser un appareillage de commutation avec un potentiel de réchauffement global (GWP) de zéro.

Aujourd'hui, l'utilisation continue de SF6 et d'autres gaz fluorés dans l'isolation haute tension est une préoccupation urgente en matière de transmission d'énergie propre, d'autant plus que la demande d'appareillage de commutation isolé a fortement augmenté.

Cela est dû à la production décentralisée d'énergie renouvelable, à l'augmentation mondiale de la consommation d'électricité et à l'urbanisation accrue qui augmente également la demande de petites sous-stations, et donc d'appareillages de commutation compacts et respectueux de l'environnement.

Les régulateurs en ont pris note et s'éloignent de plus en plus des gaz fluorés. Par exemple, le GWP élevé du SF6 a conduit l'UE à interdire le SF6 en 2014 pour la plupart des applications, à l'exception du secteur de l'électricité en raison d'un manque d'alternatives à l'époque.

En avril 2022, la Commission européenne a proposé une révision de cette législation clé appelant à davantage de restrictions sur l'utilisation des gaz fluorés dans les technologies de réseau.

Il réduirait les gaz fluorés de 90 % d'ici 2050 et interdirait l'utilisation de gaz fluorés dans les appareillages avec un GWP supérieur à 10 d'ici 2026 à 2031 (haute tension), en fonction de la tension de l'appareillage.

Il permet également une flexibilité dans des situations de niche où des alternatives sans gaz fluorés pourraient ne pas être disponibles.

En Californie, une réglementation est déjà en place pour éliminer les gaz fluorés des appareillages de commutation isolés au gaz. Et sans surprise, lors de la récente COP27 en Égypte, les gaz fluorés ont été au cœur des discussions de groupe visant à explorer des alternatives sans gaz fluorés à l'échelle mondiale.

Lisez les dernières informations sur la réglementation des gaz fluorés en Europe :Les parlementaires européens redoublent d'efforts pour réduire les émissions de gaz fluorés

Qu'est-ce qui a fait du SF6 un gaz si populaire pour les appareillages de commutation en premier lieu ?

Pour des raisons évidentes, c'est un moyen d'extinction d'arc et d'isolation très efficace avec une stabilité à long terme et, avec des précautions, relativement sûr à manipuler. Jusque dans les années 1960, le pétrole était utilisé comme moyen d'extinction d'arc pour les disjoncteurs haute tension dans les sous-stations du monde entier.

Cependant, il présentait divers inconvénients, tels que le risque d'incendie et l'intensité de la maintenance. Lorsque le SF6 a été mis en œuvre pour la première fois, il était considéré comme une excellente alternative pour améliorer les performances et la sécurité des applications haute tension.

Actuellement, le SF6 est toujours le gaz standard utilisé dans les appareillages de commutation dans le monde aujourd'hui. Des milliers de tonnes de SF6 sont installées chaque année dans les appareillages de commutation dans le monde, avec une durée de vie prévue de 40 à 60 ans.

Bien sûr, les fabricants ne prennent pas à la légère les risques posés par le SF6. La technologie de pointe actuelle permet de maintenir le taux de fuite de SF6 en dessous de 0,1 % par an.

Dans le même temps, les ingénieurs système sont tous sensibilisés et formés à la manipulation soigneuse des composants d'appareillage contenant du SF6.

Pourtant, compte tenu de l'objectif net zéro qui a été adopté dans le monde entier pour minimiser le changement climatique, le SF6 devra être complètement éliminé des équipements de commutation.

Les principaux prétendants au remplacement du SF6 sont basés sur des gaz d'origine naturelle, tels que le CO2, l'O2 et le N2, et des mélanges de gaz, y compris d'autres gaz fluorés artificiels ayant une fraction de l'impact climatique du SF6.

Bien que les mélanges de gaz fluorés aient un potentiel de réchauffement global inférieur à celui du SF6, le GWP est encore quelques centaines supérieur à 1. De plus, ces mélanges de gaz perdent leur efficacité à très basse température.

Il existe également un risque que les composants de l'appareillage s'usent plus rapidement, ce qui réduit les performances de commutation et entraîne des coûts de maintenance plus élevés.

De plus, la manipulation du gaz est beaucoup plus complexe qu'avec les gaz d'origine naturelle, et les exigences de service et de stockage sont d'autant plus élevées. Dans ce cas, l'étanchéité de l'appareillage est supérieure au SF6 et entraîne des coûts de maintenance plus élevés. Étant donné que ces gaz fluorés appartiennent au groupe des PFAS (per- et polyfluoro-alkyles) « toujours chimiques », ils peuvent impliquer des risques supplémentaires.

Étant donné que les produits chimiques PFAS sont liés à la pollution de l'environnement et aux risques pour la santé, il existe une tendance mondiale à l'élimination progressive des PFAS et à des restrictions réglementaires pour ces substances, là où des solutions alternatives sont disponibles.

Pour assurer activement la durabilité, l'un des plus grands acteurs du marché, 3M, a annoncé fin 2022 qu'il quitterait la fabrication (PFAS) et s'efforcerait de mettre fin à son utilisation de PFAS dans son portefeuille de produits d'ici la fin de 2025.

L'autre alternative au SF6 sont les produits sans gaz F qui utilisent des gaz d'origine naturelle comme moyen d'isolation. Cette technologie du gaz ne présente aucun danger pour l'environnement, le climat et la santé humaine. Mais dans quelle mesure est-il réaliste de passer d'un appareillage de commutation isolé au SF6 à des gaz d'origine naturelle comme isolant ?

Aujourd'hui, de plus en plus de fabricants d'appareillages de commutation, d'opérateurs de transmission et de distribution ainsi que de régulateurs privilégient les options sans gaz fluorés avec un GWP de zéro ou < 1, sans risque de contamination de l'atmosphère, de l'eau ou du sol.

Cela signifie également qu'il n'est pas nécessaire de manipuler, de recycler et de signaler avec précaution, comme l'exige la loi, lors de l'utilisation de SF6 et d'autres gaz F dans certaines parties du monde.

Enfin, en examinant les différents délais de transition proposés pour l'élimination progressive du SF6, il est clair que la technologie sans gaz F d'aujourd'hui peut relever ce défi.

Téléchargez votre copie de 'Remplacer les gaz fluorés dans les appareillages : une révolution en devenir'

C'est déjà le cas : et pas seulement offshore. En 2018, Siemens Energy a fourni à une sous-station de l'opérateur de réseau norvégien BKK Nett à Bergen un appareillage de distribution d'air pur de son « portefeuille bleu ».

L'air propre se compose uniquement de 80 % d'azote et de 20 % d'oxygène et a un GWP de zéro. Dans le monde entier, l'entreprise compte actuellement plus de 1 000 unités de commutation à air pur en service.

À partir de 2030, Siemens Energy vise à vendre uniquement des produits sans gaz F dans le monde. En outre, d'autres fabricants sont très actifs : des entreprises européennes, japonaises, sud-coréennes et chinoises sont en mesure de proposer des appareillages de commutation à base de gaz d'origine naturelle, par exemple en proposant également des disjoncteurs à base de mélange gazeux CO2/O2 avec un GWP < 1.

Et certaines de ces entreprises ont formé une alliance appelée "Switching gears for net zero" appelant à zéro gaz F dans les appareillages de commutation.

Les gaz d'origine naturelle avec GWP < 1 signifient aucune nouvelle émission, une manipulation facile et sûre, aucun risque pour la santé des travailleurs ou des dommages environnementaux. L'empreinte CO2 des équipements au gaz d'origine naturelle est nettement inférieure à celle du SF6 et offre la seule solution à avoir zéro émission directe et est capable d'atteindre une empreinte carbone nulle lorsqu'elle est couplée à une chaîne d'approvisionnement entièrement décarbonée.

L'utilisation de solutions de gaz d'origine naturelle réduit considérablement les coûts de cycle de vie de l'équipement. L'équipement peut être utilisé à des températures très basses jusqu'à -50°C sans aucune contre-mesure.

Plus de perspectives énergétiques futuresComment les solutions de service perturbatrices redynamiseront les centrales électriquesIntensifier les carburants propres pour le zéro netÉliminer le charbon et le gaz vert sur la route du zéro net

Bien que la voie à suivre puisse sembler claire, pendant cette phase de transition, les fabricants d'appareillage de commutation, ainsi que les opérateurs de transmission, ont encore du pain sur la planche.

C'est notamment le cas des parcs éoliens. Bien qu'il existe des premiers projets équipés d'appareillage de commutation sans gaz F dans les éoliennes, l'appareillage de commutation combinant l'alimentation électrique avec des tensions supérieures à 145 kV utilise toujours un appareillage de commutation isolé au SF6 (bien que seulement des kilogrammes, pas des tonnes comme dans de nombreuses sous-stations).

Pourquoi? Des produits alternatifs avec de l'air pur ou d'autres mélanges de gaz inoffensifs ne sont pas encore disponibles pour cette plage kV.

Mais ce n'est un secret pour personne qu'ils sont en préparation. Chez Siemens Energy, par exemple, des validations pour des appareillages de commutation de 400 kV sont en cours, tandis que des appareillages de commutation sans fonction de disjoncteur, tels que des transformateurs de mesure et des conduites de bus à isolation gazeuse, sont déjà disponibles jusqu'à 420 kV.

D'autres constructeurs avancent également. Ainsi, des alternatives sans gaz F devraient également être bientôt disponibles pour ces plages de tension plus élevées.

A PROPOS DE L'AUTEUR

Le Dr Mark Kuschel est responsable de la normalisation internationale chez Siemens Energy, responsable des sujets de normalisation et de réglementation pour l'activité Grid Technologies de l'entreprise. Il a occupé pendant plus de 20 ans différentes fonctions dans les métiers de la Transmission et de la Distribution, où il a également été l'un des initiateurs de produits durables sans gaz fluorés.