CSDL Ngành điện

Thay thế các khí có chứa flo trong tủ đóng cắt: Một cuộc cách mạng trong quá trình chế tạo

11/05/2023 16:45 Số lượt xem: 44

Khám phá các cách khác nhau để thay thế các khí có chứa flo trong tủ đóng cắt (Ảnh st)

Trước đây một thập kỷ, chưa có giải pháp thay thế khả thi nào cho việc sử dụng SF₆ làm khí cách điện trong tủ đóng cắt điện cao áp, mặc dù loại khí có chứa flo này được coi là có tiềm năng gây ấm lên toàn cầu cao nhất. Tiến sĩ Mark Kuschel của Tập đoàn Siemens Energy (Đức) viết: Ngày nay, các giải pháp thay thế đã có sẵn và kỷ nguyên của khí flo dường như sắp kết thúc.

Đây thực sự là một cảnh tượng đáng để quan sát: một trang trại gió ngoài khơi với hơn 100 tuabin khổng lồ bao quát một diện tích 300km². Với công suất 714MW, Trang trại gió East Anglia One ngoài khơi bờ biển Suffolk của xứ Anh sản xuất đủ năng lượng tái tạo để cấp điện tương đương cho hơn 630.000 ngôi nhà.

Ngắm nhìn cánh đồng phát điện giữa những con sóng không ngừng ở phía nam Biển Bắc là vô cùng ấn tượng. Tuy nhiên, có một tính năng ẩn cũng làm cho trang trại gió trở nên đáng chú ý. Trên mỗi tuabin gió, cánh đồng này sử dụng vật liệu cách điện xanh nhất có thể có cho tủ đóng cắt điện áp cao: không khí sạch thay vì SF₆ (lưu huỳnh hexafluoride) từng là tiêu chuẩn.

SF₆, một loại khí nhân tạo và không mùi, thuộc họ các khí có chứa flo. Là loại khí nhà kính có hại nhất và tồn tại lâu nhất do hoạt động của con người thải ra, nó mạnh gấp 25.200 lần so với CO₂ và có tuổi thọ trong khí quyển lên tới 3.200 năm.

Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ, khoảng 80% khí flo đang được sử dụng trên toàn thế giới trong ngành công nghiệp tủ đóng cắt. Do đó, rõ ràng việc giải quyết phân khúc này là tối quan trọng. Đó là lý do tại sao East Anglia One cần đi đầu trong các nỗ lực bảo vệ môi trường hiệu quả.

Nó không chỉ phát ra năng lượng tái tạo mà còn đặt ra các tiêu chuẩn mới trong việc khử cacbon cho phần truyền tải điện của dự án. Trang trại gió này đã hoạt động được gần ba năm, là một trong những trang trại đầu tiên sử dụng tủ đóng cắt có tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (GWP) bằng không.

Điều tiết các khí có chứa flo

Ngày nay, việc tiếp tục sử dụng SF₆ và các loại khí có chứa flo khác trong cách điện cao áp đang gây lo ngại cấp bách khi liên quan đến truyền tải điện sạch, đặc biệt là khi nhu cầu về tủ đóng cắt cách điện tăng mạnh. Điều này là do sản xuất năng lượng tái tạo phi tập trung, sự gia tăng tiêu thụ điện trên toàn cầu và quá trình đô thị hóa gia tăng, điều này cũng làm tăng nhu cầu về các trạm biến áp nhỏ và do đó làm tăng nhu cầu về tủ đóng cắt nhỏ gọn thân thiện với môi trường.

Các cơ quan điều tiết đã lưu ý và đang ngày càng đẩy mạnh việc rời xa các loại khí có chứa flo. Chẳng hạn, GWP cao của SF₆ đã khiến EU cấm SF₆ vào năm 2014 đối với hầu hết các ứng dụng, ngoại trừ ngành điện do thiếu các giải pháp thay thế vào thời điểm đó. Tháng 4/2022, Ủy ban Châu Âu đã đề xuất sửa đổi luật quan trọng này kêu gọi hạn chế hơn đối với việc sử dụng các khí có chứa flo trong các công nghệ lưới điện. Luật này sẽ giảm 90% các khí có chứa flo vào năm 2050 và cấm sử dụng các khí có chứa flo trong các tủ đóng cắt có GWP trên 10 từ năm 2026 đến năm 2031 (điện cao áp), tùy thuộc vào điện áp của tủ đóng cắt. Luật cũng cho phép linh hoạt trong các tình huống có giới hạn mà tại đó các giải pháp thay thế khí có chứa flo có thể chưa có sẵn.

Ở bang California (Mỹ), quy định đã được áp dụng để loại bỏ các khí có chứa flo khỏi các tủ đóng cắt cách điện bằng khí. Và không có gì đáng ngạc nhiên, tại COP27 gần đây ở Ai Cập, các khí có chứa flo là chủ đề trung tâm của các cuộc thảo luận nhóm nhằm khám phá các giải pháp thay thế không có khí có chứa flo trên toàn cầu.

Vào những năm 1960, SF₆ đã thay thế dầu trong các tủ đóng cắt

Điều gì đã khiến SF₆ trở thành một loại khí phổ biến đến vậy, trước tiên là trong các tủ đóng cắt?

Vì những lý do hiển nhiên, nó là một môi chất dập tắt hồ quang và cách điện hiệu quả cao có độ ổn định lâu dài, và với các biện pháp phòng ngừa, tương đối an toàn đối với việc sang chuyển các khí có chứa flo. Cho đến những năm 1960, dầu được sử dụng làm chất dập tắt hồ quang cho các máy cắt điện áp cao trong các trạm biến áp trên khắp thế giới. Tuy nhiên, dầu có nhiều nhược điểm khác nhau, chẳng hạn như nguy cơ hỏa hoạn và mật độ bảo trì. Khi SF₆ được triển khai lần đầu tiên, nó được coi là giải pháp thay thế tuyệt vời để cải thiện tính năng và độ an toàn của các ứng dụng điện áp cao. Hiện tại, SF₆ vẫn là loại khí tiêu chuẩn được sử dụng trong các tủ đóng cắt trên toàn thế giới. Hàng nghìn tấn SF₆ được lắp đặt trong các tủ đóng cắt trên toàn cầu mỗi năm, với tuổi thọ dự kiến là 40-60 năm.

Chắc chắn, các nhà chế tạo không xem nhẹ các rủi ro do SF₆ gây ra. Công nghệ tiên tiến hiện nay cho phép giữ tỷ lệ rò rỉ SF₆ dưới mức 0,1% mỗi năm. Đồng thời, tất cả các kỹ sư hệ thống đều nhạy cảm với và được đào tạo về cách nâng chuyển cẩn thận các bộ phận của tủ đóng cắt có chứa SF₆.

Các khí nguồn gốc tự nhiên hay các khí có chứa flo?

Tuy nhiên, với mục tiêu phát thải ròng bằng không đã được áp dụng trên toàn thế giới để giảm thiểu biến đổi khí hậu, SF₆ sẽ cần phải được loại bỏ hoàn toàn khỏi các tủ đóng cắt.

Các ứng cử viên chính để thay thế SF₆ dựa trên các loại khí có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như CO₂, O₂ và N₂, và các hỗn hợp khí, bao gồm các loại khí có chứa flo nhân tạo khác có tác động lên khí hậu chỉ bằng một phần so với SF₆.

Mặc dù các hỗn hợp khí có chứa flo có ít khả năng gây ấm lên toàn cầu hơn SF6, nhưng GWP vẫn cao hơn hàng mấy trăm lần. Ngoài ra, các hỗn hợp khí này mất tác dụng ở nhiệt độ rất thấp. Ngoài ra còn có rủi ro là các bộ phận của tủ đóng cắt bị hao mòn nhanh hơn, do đó làm giảm tính năng đóng cắt và dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn.

Ngoài ra, việc xử lý khí phức tạp hơn nhiều so với các khí có nguồn gốc tự nhiên, và các yêu cầu về dịch vụ và bảo quản cũng cao hơn tương ứng. Trong trường hợp này, độ kín của thiết bị đóng cắt cao hơn SF₆ và dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn. Vì các khí có chứa flo này thuộc nhóm “hóa chất vĩnh viễn” PFAS (perfluoro-alkyl và polyfluoro-alkyl)* nên chúng có thể gây ra nhiều rủi ro hơn nữa.

Do các hóa chất PFAS có liên quan đến ô nhiễm môi trường và rủi ro sức khỏe nên có xu hướng toàn cầu hướng tới việc loại bỏ dần PFAS và các hạn chế theo quy định đối với các chất này, một khi có sẵn các giải pháp thay thế.

Để tích cực đảm bảo tính bền vững, một trong những công ty lớn nhất trên thị trường, Công ty 3M (Mỹ), đã thông báo vào cuối năm 2022 rằng họ sẽ ngừng chế tạo PFAS và hướng tới việc ngừng sử dụng PFAS trong danh mục sản phẩm của mình vào cuối năm 2025.

Chuyển từ SF₆ trong tủ đóng cắt sang các khí có nguồn gốc tự nhiên

Giải pháp thay thế khác cho SF₆ là các sản phẩm không chứa khí có chứa flo, sử dụng khí có nguồn gốc tự nhiên làm môi chất cách điện. Công nghệ khí này không gây hại cho môi trường, khí hậu và sức khỏe con người. Nhưng khả năng áp dụng trong thực tiễn là như thế nào đối với việc chuyển từ tủ đóng cắt cách điện bằng SF₆ sang các khí có nguồn gốc tự nhiên làm vật liệu cách điện?

Ngày nay, ngày càng có nhiều nhà chế tạo tủ đóng cắt, nhà điều hành truyền tải và phân phối cũng như cơ quan điều tiết ưa chuộng các tùy chọn không có khí flo với GWP bằng 0 hoặc <1, không có rủi ro nhiễm bẩn khí quyển, nước hoặc đất.

Điều đó cũng có nghĩa là không cần sang chuyển cẩn thận, tái chế và báo cáo theo yêu cầu của pháp luật khi sử dụng SF₆ và các loại khí khác có chứa flo ở một số nơi trên thế giới.

Cuối cùng, khi xem xét các mốc thời gian chuyển dịch khác nhau được đề xuất để loại bỏ dần SF₆, rõ ràng là công nghệ không sử dụng khí có chứa flo ngày nay có thể đáp ứng được thách thức đó.

Tăng tốc về phát thải ròng bằng không

Nó đã xảy ra và không chỉ ngoài khơi. Năm 2018, Công ty Siemens Energy (Đức) đã cung cấp một tủ đóng cắt không khí sạch từ “Danh mục đầu tư màu lam” của mình cho một trạm biến áp của nhà điều hành lưới điện Na Uy BKK Nett ở thành phố Bergen.

Không khí sạch bao gồm 80% nitơ và 20% oxy nguyên chất và có GWP bằng không. Trên toàn thế giới, công ty này hiện có hơn 1.000 tủ đóng cắt bằng không khí sạch đang hoạt động.

Siemens Energy đặt mục tiêu từ năm 2030 trở đi, chỉ bán các sản phẩm không sử dụng khí có chứa flo trên toàn cầu. Ngoài ra, các nhà chế tạo khác cũng rất tích cực: các công ty từ Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc đều có thể cung cấp các tủ đóng cắt dựa trên các khí có nguồn gốc tự nhiên, ví dụ như cung cấp cả các máy cắt dựa trên hỗn hợp khí CO₂/O₂ với GWP < 1.

Và một số các công ty này đã thành lập một liên minh mang tên “Tăng tốc về phát thải ròng bằng không” kêu gọi không có các khí có chứa flo trong các tủ đóng cắt.

Khí có nguồn gốc tự nhiên với GWP < 1 có nghĩa là không phát thải mới, sang chuyển dễ dàng và an toàn, không gây rủi ro sức khỏe cho người lao động hoặc gây hại đến môi trường. Lượng phát thải CO₂ của thiết bị chứa khí có nguồn gốc tự nhiên thấp hơn đáng kể so với SF₆ và cung cấp giải pháp duy nhất để có phát thải trực tiếp bằng không và có thể đạt được phát thải cacbon bằng 0 khi kết hợp với chuỗi cung ứng khử cacbon hoàn toàn.

Sử dụng các giải pháp khí có nguồn gốc tự nhiên giúp giảm đáng kể chi phí vòng đời của thiết bị. Thiết bị này có thể được sử dụng ở những nhiệt độ rất thấp, xuống tới -50°C mà không cần bất kỳ biện pháp đối phó nào.

Khí lành tính không độc hại dùng cho các dải điện áp cao hơn

Mặc dù con đường phía trước có vẻ rõ ràng, nhưng trong giai đoạn quá độ này, các nhà chế tạo tủ đóng cắt cũng như các nhà điều hành truyền tải vẫn còn nhiều việc phải làm.

Đặc biệt đó là trường hợp với các trang trại gió. Trong khi đã có những dự án đầu tiên trang bị tủ đóng cắt không có khí có chứa flo trong tuabin gió thì tủ đóng cắt kết hợp nguồn cấp điện áp trên 145kV vẫn sử dụng tủ đóng cắt cách điện bằng SF₆ (dù chỉ tính bằng kilôgam chứ không phải hàng tấn như ở nhiều trạm biến áp).

Tại sao vậy? Các sản phẩm thay thế với không khí sạch hoặc các hỗn hợp khí vô hại khác chưa có sẵn cho dải kV này.

Nhưng không có gì bí mật là chúng đang ở trong xưởng máy. Ví dụ, tại Siemens Energy, việc xác nhận các tủ đóng cắt có điện áp 400kV đang được tiến hành, trong khi tủ đóng cắt không có máy cắt hoạt động giống như máy biến áp đo lường và các thanh cái cách điện bằng khí đã có sẵn cho điện áp lên đến 420kV.

Các nhà chế tạo khác cũng đang đẩy mạnh. Vì vậy, các lựa chọn thay thế không có khí có chứa flo cũng cần sớm có sẵn cho các dải điện áp cao hơn này.

Làm thế nào để… xanh hóa tủ đóng cắt của lưới điện

Bất cứ khi nào có thể về mặt kỹ thuật, chúng ta phải ngừng lắp đặt các công nghệ lưới điện cách điện bằng khí có chứa flo và sử dụng các giải pháp thay thế bằng các khí có nguồn gốc tự nhiên.
Các nhà chế tạo tủ đóng cắt phải thu hẹp khoảng cách trong danh mục các lựa chọn thay thế.
Các quy định phải đưa ra một khuôn khổ rõ ràng phù hợp với các mục tiêu phát thải ròng bằng không.
Sự hợp tác giữa những người tham gia trong ngành - chẳng hạn như “ Tăng tốc về phát thải ròng bằng không”- là thiết yếu. Nhiều dự án thí điểm khác hơn cũng vậy.
Khi lưới điện mở rộng trên toàn cầu và các tài sản truyền tải có tuổi thọ vài thập kỷ, những thay đổi này phải được thực hiện ngay hôm nay.