Eaton – Ekologiczny rozdział energii. Publikacja platformy Green Switching

Ta publikacja wydana przez platformę Green Switching jest artykułem programowym, zawierającym zbiór informacji o konsekwencjach stosowania gazu cieplarnianego SF₆ w rozdzielnicach elektrycznych. Zgodnie ze stanowiskiem Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) SF₆ jest najsilniejszym z sześciu głównych gazów cieplarnianych, a jego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) jest 23 tys. razy większy niż w przypadku CO₂. SF₆ może unosić się w atmosferze przez ponad tysiąc lat. Z tego powodu SF₆ został umieszczony w Protokole z Kioto na liście substancji, których stosowanie i emisję należy minimalizować.

Emisje gazu SF₆ z rozdzielnic mają znaczący wkład w zagrożenie efektem cieplarnianym i wynikające z tego zmiany klimatu. Celem tej publikacji jest upowszechnienie informacji ułatwiających podejmowanie decyzji w sprawie wyboru ekologicznych rozdzielnic do sieci rozdzielczej tym osobom z administracji publicznej, zakładów energetycznych i przedsiębiorstw przemysłowych, które są za to odpowiedzialne.

Sieć energetyczna i rozdzielnice
Elektrownie wytwarzają energię elektryczną, która jest przesyłana do konsumentów poprzez sieć linii napowietrznych i kablowych. Rozdzielnice umożliwiają bezpieczny rozdział energii elektrycznej i sterowanie nią w punktach węzłowych sieci rozdzielczej. Systemy te mogą być stosowane w zakładach energetycznych, przemyśle przetwórczym, projektach infrastrukturalnych, szpitalach, budynkach komercyjnych oraz centrach handlowych. Na wypadek awarii wymagane jest stosowanie automatycznych wyłączników, które odcinają zasilanie obwodu elektrycznego.

Przy rozdziale i przesyłaniu energii są używane różne poziomy napięcia, aby wymiary sieci były optymalne pod względem ekonomicznym, a straty energii – jak najmniejsze. Wysokie napięcie (>50 kV) jest używane do przesyłania na dużą odległość, a średnie napięcie (1–50 kV) – do rozdziału poprzez linie napowietrzne lub kable podziemne w pobliżu użytkowników końcowych. Na poziomie użytkownika końcowego średnie napięcie jest ponownie zamieniane na niskie, które ma wiele zastosowań.

Istnieją rozwiązania pozbawione SF6
SF₆ stał się bardzo popularnym medium izolacyjnym i łączeniowym w rozdzielnicach ze względu na dobre właściwości gaszenia łuku oraz mniejsze rozmiary tego typu rozdzielnic w porównaniu do konwencjonalnych rozdzielnic izolowanych powietrzem. O ile jednak nie istnieje sensowna ekonomicznie alternatywa dla gazu SF₆ w rozdzielnicach wysokiego napięcia w sieci przesyłowej, to stosowanie SF₆ w rozdzielnicach średniego napięcia w sieci dystrybucyjnej jest zupełnie niepotrzebne.

Na rynku są przecież dostępne inne w pełni funkcjonalne rozwiązania, w których stosuje się próżnię w łącznikach głównych oraz żywicę epoksydową jako materiał izolacyjny, co pozwala zmniejszyć rozmiary rozdzielnicy do poziomu identycznego jak w przypadku rozdzielnic z SF₆.

Emisje gazu SF6
Rozdzielnice zawierające SF₆ występują zasadniczo w trzech głównych odmianach. W przypadku dwóch wersji, zwanych systemami „regulowanego ciśnienia” i „zamkniętego ciśnienia”, uwalnianie SF₆ jest w praktyce nieuniknione. Jest to spowodowane tym, że rozdzielnice te w okresie użytkowania wymagają konserwacji, podczas której występuje wyciek. Wyciek ten następuje także wtedy, gdy urządzenia są ostatecznie rozbierane na części po zakończeniu eksploatacji. Trzecia wersja to system „hermetycznie zabudowany”, który nie wymaga konserwacji w okresie użytkowania. Z tego względu mówi się, że emisje z tych systemów wskutek wycieków są ograniczone, chociaż nigdy nie będą zerowe, ponieważ w praktyce źródłem wycieku są same uszczelki.

Gaz SF6: fakty
SF₆ to syntetyczny związek składający się z jednego atomu siarki i sześciu atomów fluoru, który nor­malnie nie występuje w przyrodzie. SF₆ ma postać gazową w temperaturze pokojowej i jest cięższy od powietrza. Ze względu na silne wiązania między atomami siarki i fluoru SF₆ jest obojętny w nor­malnych warunkach. Gaz ten ma pewne właściwości elektryczne, które sprawiają, że dobrze nadaje się na medium izolacyjne i łączeniowe w rozdzielnicach energii elektrycznej. SF₆ ma także pewne wady. W przypadku pojawienia się łuku elektrycznego SF₆ rozkłada się na toksyczne substancje: HF, SOF₂, SF₄ i S₂F₁₀. W przypadku wycieku gaz SF₆ i jego toksyczne produkty uboczne są uwalniane do atmosfery. Reakcje te występują także podczas normalnej eksploatacji. Toksyczne substancje pozostają wtedy w obudowie, dlatego podczas demontażu systemu po zakończeniu eksploatacji należy zastosować szczególne środki ostrożności. Co roku wytwarza się około 8 tys. t SF₆, z czego 80% jest zużywane przez energetykę do gaszenia łuku, chłodzenia i izolacji. Światowa pro­dukcja SF₆ stale rośnie, mimo że znajduje się on na liście gazów cieplarnianych Protokołu z Kioto.

Im większe zużycie energii, tym większe jest także zużycie SF₆ w wartościach bezwzględnych. Ocenia się, że w 2010 r. wielkość produkcji gazu SF₆ osiągnęła około 10 tys. t. Wraz ze wzrostem liczby rozdzielnic, w których jest używany gaz SF₆, jego emisja do atmosfery będzie rosła. Tendencja ta wzbudza duży niepokój, ponieważ jest ściśle powiązana ze wzrostem temperatury na Ziemi i wynikającymi z tego zmianami klimatycznymi. Ponieważ dane dotyczące emisji SF₆ nie są publicznie dostępne, nie wiadomo dokładnie, jaki jest stopień wycieków z rozdzielnic. Tak czy inaczej w praktyce uzyskiwane są emisje w zakresie 6–13%.

W wielu krajach, gdzie gaz SF₆ jest używany w rozdzielnicach, podejmowane są działania ograniczające jego emisję. Do działań tych należy np. dobrowolny program amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) oraz rozporządzenie f-gazowe w Europie. Nowe europejskie rozporządzenie f-gazowe z 2007 r. nakazuje, aby wszystkie większe systemy zawierające SF₆ były regularnie kontrolo­wane i aby jak najbardziej ograniczać emisje podczas konserwacji, napełniania i demontażu. Mimo że zrobiono aktualnie wyjątek dla hermetycznie zabudowanych rozdzielnic zawierających mniej niż 6 kg SF₆, to oczekuje się, że w przyszłości zostaną podjęte dodatkowe działania dla tego rodzaju systemów ze względu na rosnącą presję ze strony organizacji pozarządowych i partii politycznych, aby ograniczać emisję niewęglowych gazów cieplarnianych.

Obawy dotyczące gazu SF6

Zmiana klimatu
Największe obawy dotyczące gazu SF₆ są związane ze środowiskiem. Chodzi tu głównie o stopień, w jakim gaz ten przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Uświadomiono to sobie dopiero niedawno, gdy stały się dostępne bardziej szczegółowe dane. Instytucja ONZ, która to monitoruje, czyli Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC), umieściła gaz SF₆ na liście najbardziej szkodliwych gazów cieplarnianych. W Protokole z Kioto z 1992 r. stwierdzono, że emisję gazu SF₆ należy redukować. Przekonywanie do rezygnacji z jego używania jest obecnie najlepszą drogą do realizacji tego celu.

Zagrożenie efektem cieplarnianym
Wzrost ilości gazów w atmosferze, które zatrzymują ciepło, wzmaga efekt cieplarniany. Konsekwencje tego zjawiska są trudne do przewidzenia. Jednak zgodnie z raportem IPCC, czyli zespołu naukowców działającego pod auspicjami instytucji ONZ zajmujących się meteorologią (WMO) i ochroną środowiska (UNEP), średnia temperatura na Ziemi w XXI w. może wzrosnąć o 6,4°C.

IPCC wskazuje, że największy wpływ ma na to wzrost ilości dwutlenku węgla w atmosferze, co jest efektem działalności człowieka. CO₂ ma w istocie silne działanie izolacyjne i zapobiega ucieczce ciepła ziemskiego w przestrzeń kosmiczną. Oprócz tego istnieje jeszcze szereg innych gazów, które przyczyniają się do wzrostu efektu cieplarnianego. Chociaż ich emisje są o wiele mniejsze niż CO₂, to ich działanie izolacyjne jest znacznie silniejsze. SF₆ zajmuje ważne miejsce w kategorii niewęglowych gazów cieplarnianych.

Do oceny wpływu takich gazów cieplarnianych jak SF₆ na powstawanie efektu cieplarnianego służy jednostka zwana potencjałem tworzenia efektu cieplarnianego (GWP). Mierzy ona stopień, w jakim dany gaz przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego w przeliczeniu na jednostkę jego ciężaru. Miara ta jest pochodną CO₂ i jest wyrażana jako ekwiwalent CO₂. GWP dla SF₆ wynosi 23 tys. Oznacza to, że 1 kg gazu SF₆ jest 23 tys. razy „silniejszy” od 1 kg CO₂.

Warstwa ozonowa
Niepokój budzi także odkryty przez naukowców z Niemiec, Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii nowy, bardzo aktywny gaz cieplarniany, który atakuje warstwę ozonową. Gazem tym jest SF₅CF₃. Współczynnik stężenia tego gazu wzrósł w ciągu ostatnich 50 lat o sto jednostek. Naukowcy stwierdzili, że gaz ten jest produktem ubocznym rozkładu gazu SF₆.

Zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa
Gaz SF₆, a zwłaszcza jego pochodne, których powstawanie jest nieuniknione podczas łączeń lub zwarć wewnętrznych, zagraża zdrowiu operatorów i konserwatorów oraz wszystkich osób, które znajdują się w pobliżu. Chociaż te produkty uboczne mogą się z czasem odnawiać, nie umniejsza to faktu, że w tego typu rozdzielnicach występują stężenia substancji toksycznych. Konserwatorzy są także narażeni na podwyższone ryzyko, gdy rozdzielnica musi zostać zlikwidowana po zakończeniu eksploatacji. Obawy dotyczą przede wszystkim postępowania z toksycznymi produktami ubocznymi, zwłaszcza powstającymi wskutek łączenia w gazie SF₆ w trakcie normalnej eksploatacji.

Nawet mimo stosowania wytycznych i norm IEC nigdy nie można wykluczyć pewnego ryzyka dla zdrowia i bezpieczeństwa konserwatorów. Kolejnym aspektem jest fakt, że rozdzielnice zawierające SF₆ – zwykle traktowane jako odpady chemiczne – są eksportowane jako normalne odpady do krajów Trzeciego Świata, gdzie mogą zostać rozłożone na części przez osoby nieprzeszkolone, co wiąże się z wysokim ryzykiem szkodliwości dla ludzi i środowiska.

Wreszcie istnieje ryzyko otwartego łuku powodującego silne zanieczyszczenie otoczenia. W przypadku zwarcia wewnętrznego prowadzącego do otwartego łuku nastąpi eksplozja, która rozrzuci toksyczne produkty uboczne SF₆ po całej okolicy. Chociaż rozdzielnice mogą być testowane zgodnie z normami międzynarodowymi, to w odniesieniu do łuków wewnętrznych zagrożenia związane z produktami ubocznymi SF₆ nie są nigdy brane pod uwagę z punktu widzenia bezpieczeństwa. Ponieważ rozdzielnice, zwłaszcza średniego napięcia, są powszechnie stosowane w budynkach publicznych, centrach handlowych i szpitalach, może to mieć olbrzymi wpływ na zdrowie i bezpieczeństwo ludzi, którzy znajdują się w pobliżu.

Przepisy międzynarodowe
W Protokole z Kioto uzgodniono, że kraje uprzemysłowione muszą w latach 2008–2012 ograniczyć swoje emisje średnio o 5,2% w odniesieniu do poziomów emisji z 1990 r. Redukcja ta dotyczy takich gazów cieplarnianych jak dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu i wiele związków fluoru, w tym m.in. SF₆. Biorąc jednak pod uwagę istotną rolę gazu SF₆ w sieciach wysokiego napięcia, w porozumieniach międzynarodowych nie zakazano jego stosowania w tego typu urządzeniach. W celu ograniczenia szkód ustanowiono pewne cele dotyczące stosowania, odzysku i recyklingu gazu SF₆ w rozdzielnicach.

Ponieważ wiadomo już, że na rynku istnieje wolna od SF₆ alternatywa dla rozdzielnic średniego napięcia, należałoby przyjąć różne przepisy dla rozdzielnic wysokiego i średniego napięcia oraz podjąć dodatkowe działania, aby ograniczyć stosowanie SF₆ w rozdzielnicach średniego napięcia. Powinno to spowodować zakaz stosowania SF₆ we wszystkich systemach, w których istnieje dla niego alternatywa. Ponadto każde państwo powinno swoimi działaniami stymulować tworzenie i stosowanie technologii wolnych od SF₆.

Korporacyjna odpowiedzialność społeczna
W ostatnich latach można było zaobserwować wzrost profesjonalizmu działów zarządzania majątkiem w firmach będących operatorami sieci energetycznych. Dzięki temu w procesie podejmowania decyzji są w większym stopniu brane pod uwagę takie aspekty jak jakość sieci, kontrola kosztów, zagrożenie dla bezpieczeństwa i zrównoważony rozwój. Zakłady energetyczne coraz bardziej skupiają się na całkowitym koszcie posiadania zamiast na początkowej cenie zakupu. Z badań przeprowadzonych ostatnio przez niezależne ośrodki wynika, że rozdzielnice wolne od SF₆ są nie tylko technicznie równoważne, ale także konkurencyjne ekonomicznie na przestrzeni całego okresu eksploatacji.

Działając zgodnie ze swoimi programami korporacyjnej odpowiedzialności społecznej, niektóre duże zakłady energetyczne i przedsiębiorstwa przemysłowe zdecydowały się na stosowanie rozdzielnic wolnych od SF₆ w swoich sieciach średniego napięcia. Skłania je do tego także pogląd, że przedsiębiorstwa powinny opierać swoją wizję, misję i strategię na szerszej podstawie niż tylko korzyści akcjonariuszy. Rozdzielnice wolne od SF₆ to naprawdę konieczność w obliczu tej korporacyjnej odpowiedzialności społecznej i rosnącego poparcia społeczeństwa dla zrównoważonego rozwoju.

Green Switching Platform
Oosteinde 237, 2271 EG Voorburg Postbus 123,
1234 AA Voorburg. Holandia
Tel.: +31 (0)70 354 9000 Faks: +31 (0)70 350 3145
E-mail: info@schoonschakelen.nl www.greenswitching.com