Nouveaux gaz pour SIG : réduire les émissions de gaz à effet de serre du réseau électrique

SF₆ joue un rôle clé dans notre système électrique actuel, en particulier dans les sous-stations à isolation gazeuse (GIS). Cependant, c’est aussi l’un des gaz à effet de serre les plus puissants. Par conséquent, nous devons trouver une alternative. Bien qu’il existe des gaz qui pourraient remplacer le SF₆ dans le SIG, des recherches supplémentaires sont encore nécessaires, et SF₆-la technologie libre est encore à un stade précoce de développement. Ce sont là des lacunes dans les connaissances que le projet « Nouveaux gaz pour les SIG » de SINTEF espère combler.

Le problème avec SF₆

Hexafluorure de soufre (SF₆) est un élément essentiel du réseau à haute tension. Il est utilisé comme milieu diélectrique et interrupteur de courant, et parmi les gaz isolants électriques, c’est la licorne, avec une résistance élevée au claquage, une excellente capacité d’interruption de courant et une bonne conductivité thermique. De plus, il a un point d’ébullition bas et peut être utilisé dans une large gamme de pressions et de températures de fonctionnement, et il affiche même un degré substantiel d’auto-guérison après décomposition.

Malgré ses mérites, SF₆ a un inconvénient majeur : c’est le gaz à effet de serre le plus puissant qui existe. Juste 1 kg de SF₆ émissions équivaut à 25 Tonnes métriques de dioxyde de carbone (CO₂) émissions. Les émissions annuelles du réseau électrique norvégien s’élèvent actuellement à environ 500 kg de SF₆. Pour le contexte, cela équivaut à 60 000 passagers prenant un vol aller-retour Trondheim-Oslo supplémentaire chaque année. Ou chaque voiture norvégienne parcourant 46 km supplémentaires chaque année. Des milliers de tonnes de SF6 sont rejetées dans l’atmosphère chaque année. Bien que la majorité de ces émissions proviennent du réseau électrique, des émissions substantielles proviennent également d’autres sources, tels que les avions AWACS. Historiquement, SF₆ était également utilisé dans des produits de consommation tels que les pneus de voiture, les fenêtres et même les chaussures, une pratique aujourd’hui interdite.

Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les voies pour limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C comprennent réduire les émissions de gaz à effet de serre fluorés (comme le SF₆) jusqu’à 90 % d’ici 2050. En raison de son potentiel de réchauffement climatique extrême, et malgré le fait que SF₆ n’a pas d’égal dans la technologie haute tension, la proposition de l’UE sur les gaz fluorés vise une élimination complète du SF6 dans les nouveaux appareillages électriques d’ici 2031.

AIS ou SIG

L’appareillage de commutation isolé à l’air (AIS) et l’appareillage de commutation isolé au gaz (GIS) sont des points de connexion dans le réseau à haute tension et sont essentiels pour une alimentation électrique sûre et stable. Dans un SIG, toutes les pièces qui conduisent l’électricité sont enfermées dans des conteneurs métalliques remplis de SF sous pression₆. En revanche, un AIS utilise l’air atmosphérique comme gaz d’isolation. Comme l’air est un moins bon isolant électrique que le SF₆, AIS sont beaucoup plus grands. Historiquement, les appareillages de commutation à haute tension ont été isolés à l’air. Les AIS sont nettement moins chers que les SIG et ils sont également plus faciles à entretenir. Cependant, les SIG deviennent un choix de plus en plus courant en raison de l’empreinte environnementale globale totale d’AIS. De plus, les SIG sont souvent le seul choix lorsque le terrain pour un AIS n’est pas disponible (par exemple, dans les grandes villes).

Y a-t-il un SF₆ remplacement?

Tente d’isoler une seule molécule de gaz alternative qui correspond à SF₆Les performances techniques de ont été infructueuses. Plutôt SF₆-la technologie sans a été diversifiée en utilisant différents moyens d’isolation et d’interruption de courant. Aujourd’hui, cette technologie repose sur des mélanges de gaz sur mesure, éventuellement également en combinaison avec des vacuostats pour l’interruption du courant.

Les principaux mélanges de gaz utilisés aujourd’hui en remplacement du SF6 sont constitués d’air sec ou de CO₂, potentiellement enrichi d’une faible concentration en composés fluorés. Les nouvelles molécules fluorées utilisées en SIG sont les perfluoronitriles (C₄F_septNi C4-FN) et les perfluorocétones (C₅F_dixO ou C5-FK). Contrairement à SF₆, ces molécules se dégradent rapidement dans l’atmosphère. Par exemple, C5-FK a un potentiel de réchauffement global inférieur à CO₂tandis que le C4-FN a un potentiel de réchauffement global 2000 fois supérieur au CO_2, qui est encore nettement inférieur à SF₆. Dans leur forme pure, les deux gaz sont des isolants électriques plus puissants que le SF₆mais ils ont des points d’ébullition élevés et doivent donc être mélangés avec d’autres gaz tels que l’air ou le CO₂ pour une utilisation dans le SIG.

Utilisation d’air technique pur ou de CO₂ est également viable et a son propre ensemble d’avantages et d’inconvénients. Par exemple, le potentiel de réchauffement climatique est alors négligeable et la manipulation du gaz est également plus simple. Cependant, les performances techniques de ces gaz sont inférieures à celles des mélanges enrichis en cétone ou en nitrile correspondants, ce qui peut être compensé en augmentant la taille du GIS et/ou la pression du gaz.

Un autre moyen d’interruption de courant est le vide. Les disjoncteurs à ampoule à vide dominent le marché des basses et moyennes tensions et commencent à gagner des parts de marché jusqu’à 145 kV et même 170 kV. Pour les tensions de transmission les plus élevées, l’utilisation du vide est difficile ; la force d’isolation n’augmente pas linéairement avec la distance et de très grands espaces vides à haute tension produisent un rayonnement ionisant.

La technologie évolue – la recherche est à la traîne

Les 5 à 10 dernières années ont vu une prolifération de SF₆-technologies libres. Les fabricants revoient continuellement leurs portefeuilles, mais SF₆-les équipements gratuits doivent être entièrement repensés et testés, et de nouvelles lignes de fabrication doivent être mises en place. Le délai de mise sur le marché est donc généralement très long. Bien que SF₆-la technologie libre évolue rapidement, elle n’en est qu’à ses balbutiements et des défis technologiques majeurs pour les plus hautes tensions nominales demeurent.

Pour les utilisateurs finaux, une autre préoccupation est le manque d’expérience de service avec le nouveau SF₆-produits gratuits. Seuls quelques SF₆-des SIG haute tension gratuits ont été installés dans le monde entier et ne fonctionnent que depuis quelques années. Construire une base de connaissances sur les mécanismes de vieillissement et de défaillance de ce type d’équipement nécessite des efforts de recherche dédiés. Étant donné que l’appareillage de commutation haute tension a une durée de vie prévue de plus de 40 ans, il est également difficile pour les utilisateurs finaux de se sentir suffisamment confiants pour investir dans de nouvelles technologies dans une phase où il n’est pas certain que les nombreux nouveaux produits disponibles sur le marché seront tous rester dans l’approvisionnement à l’avenir.

Le projet « Nouveaux Gaz pour SIG »

La « Nouveaux gaz pour SIG” projet lancé à l’automne 2021, dans le but d’apporter un éclairage scientifique sur les SF les plus prometteurs₆ alternatives pour les SIG moyenne et haute tension. Le projet de quatre ans rassemble des universitaires, des utilisateurs finaux et des fabricants de SF₆-équipement et gaz gratuits. Il est dirigé par SINTEF avec NTNU, ETH, Statnett, National Grid UK, Elvia, Tensio, ABB, Hitachi Energy, GE Power, Hyundai Electric et 3M comme partenaires.

Les opérateurs de réseau Statnett, National Grid, Elvia et Tensio construisent des sous-stations pilotes avec divers nouveaux SF₆-technologies libres. Ils ont mis en place une SF ambitieuse₆ objectifs de réduction des émissions qui s’appuient sur les développements technologiques des fabricants de SIG, tels que les partenaires du projet Hitachi, GE et Hyundai. SINTEF, NTNU et ETH contribueront à cette transition en abordant plusieurs objectifs de R&D pour la technologie sans SF6 dans le projet.

Aperçu fondamental et caractérisation

L’un des thèmes de recherche de Nouveaux gaz pour SIG est la caractérisation des phénomènes de claquage rapide dans les nouveaux mélanges gazeux. Cette recherche suit deux trajectoires complémentaires :

1. Utilisez l’imagerie ultrarapide pour la caractérisation expérimentale des décharges électriques.
2. Prédire et décrire la physique des décharges grâce à des simulations informatiques.

Les décharges électriques étant exceptionnellement complexes, nous nous appuyons sur une infrastructure de recherche de pointe pour les expériences et la modélisation. Par exemple, les images des rejets sont prises avec une extrême caméras sensibles à la lumière qui capturent jusqu’à 1 milliard d’images par seconde sur une large gamme spectrale (ultraviolet et visible). Les premiers résultats expérimentaux sur les décharges dans un mélange d’air et de C5-FK ont été présentés au Nordic Insulation Symposium à Trondheim. L’effort de modélisation repose également sur la disponibilité d’une infrastructure informatique haute performance en Norvège. Comme aucun facteur ne détermine les propriétés d’isolation électrique d’un gaz, nous abordons le problème de modélisation en examinant l’image complète, qui comprend la physique des plasmas, le transfert radiatif et l’électrodynamique.

SINTEF a développé un logiciel de pointe pour effectuer des calculs intensifs en calcul de ces rejets. Notre logiciel utilise des méthodes de volumes finis et de particules sur des grilles cartésiennes adaptatives et nous offre des capacités de recherche considérablement étendues. SINTEF et NTNU collaborent avec l’ETH pour déterminer expérimentalement les propriétés de transport d’électrons dans les nouveaux mélanges de gaz, qui sont utilisées comme données d’entrée dans des simulations de décharge dynamiques et entièrement en 3D. Notre logiciel est Open sourceet fonctionne déjà sur les plus grands supercalculateurs de Norvège.

Vieillissement et performance à long terme

Contrairement à SF₆, les molécules de nitrile et de cétone n’ont pas de mécanismes d’auto-guérison notables. Lorsqu’ils se décomposent lors de décharges partielles ou d’opérations de commutation, ils sont définitivement détruits et il ne reste que des sous-produits du plasma. La dégradation des gaz au fil du temps est une préoccupation importante pour les utilisateurs finaux, dont les installations SIG sont généralement opérationnelles pendant plusieurs décennies.

Un de Nouveaux gaz pour SIG L’objectif est d’étudier les mécanismes de dégradation par des tests de vieillissement accéléré. Ces expériences sont réalisées avec 1) des décharges partielles et 2) la décharge d’une batterie de condensateurs en arcs électriques dans le gaz (émulation d’un disjoncteur), suivies d’essais de tenue en tension. Les expériences seront réalisées par des chercheurs du SINTEF et un doctorant dont le sujet de thèse porte sur dégradation à long terme des nouveaux gaz d’isolation.

Le gaz vieilli est également caractérisé à l’aide de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. L’objectif est de déterminer le taux de décomposition des différents mélanges de gaz et de s’assurer que les sous-produits nuisibles restent en dessous des limites critiques spécifiées. Les données expérimentales sont également utilisées pour le développement de modèles de vieillissement du gaz qui prédisent l’effet cumulatif de nombreuses opérations de commutation ultérieures, qui peuvent être utilisés comme un outil simplifié d’évaluation de l’état.

Objectifs du projet

Nouveaux gaz pour SIG intègre toute la chaîne de valeur SIG, en relevant les défis technologiques avec SF₆-technologie gratuite. Les partenaires du projet abordent divers sujets allant des mécanismes de défaillance, du vieillissement du gaz et de l’expérience opérationnelle. Nouveaux gaz pour SIG renforcera la base scientifique de SF₆-équipement gratuit. Ciblant les performances à long terme des nouveaux gaz d’isolation, le projet contribue également à identifier et à réduire les facteurs de risque de la nouvelle technologie. L’atténuation de ces risques réduira les périodes d’indisponibilité des SIG et, en fin de compte, facilitera une transition plus sûre et plus rapide vers un réseau électrique respectueux du climat.

La source: Sintef