Spis treści
Jednymi z najważniejszych elementów transformacji energetycznej są rozbudowa i cyfryzacja sieci elektroenergetycznych. Docelowo sieci te mają umożliwić efektywną pracę rozproszonych źródeł energii, głównie OZE, tak aby ich produkcja się nie marnowała, oraz uwzględniać sposoby konsumpcji energii przez różnych odbiorców (domowych czy biznesowych), przez ładowarki samochodów elektrycznych czy magazyny energii. Sieci i ich digitalizacja to wręcz warunki niezbędne do powodzenia całego procesu transformacji. Ta rewolucja wymaga nowych cyfrowych metod zarządzania sieciami i rozbudowy infrastruktury do rozdziału energii elektrycznej. Producenci takich urządzeń stanęli jednak niedawno przed nie lada wyzwaniem, związanym z powszechnym stosowaniem pewnej substancji o nazwie sześciofluorek siarki.
Sześciofluorek siarki – zalety i wady
Sześciofluorek siarki (SF6) to gaz, którego zastosowanie w elektroenergetyce umożliwiło między innymi miniaturyzację i zwiększenie bezpieczeństwa pracy szeregu urządzeń, niezbędnych w nowoczesnych sieciach. Pierwszą z zalet gazu SF6 są znakomite własności izolacyjne, kilkukrotnie lepsze od powietrza. Urządzenie pracujące pod wysokim napięciem, w którym szyny przewodzące czy styki aparatów łączeniowych zamknięte są w atmosferze SF6 będzie znacznie mniejsze, a szyny umiejscowione stosunkowo blisko siebie oraz od obudowy nie będą powodować zagrożenia przeskoku ładunku elektrycznego. Zastosowanie SF6 pozwala więc na miniaturyzację.
Drugą z ważnych właściwości tego gazu jest zdolność gaszenia łuku elektrycznego, który powstaje w momencie otwierania obwodu pod napięciem. Łuk ma niszczący wpływ na styki, może przekształcić się w tzw. zwarcie metaliczne, prowadzące do zniszczenia urządzeń w sieci elektroenergetycznej. SF6 podnosi więc bezpieczeństwo pracy.
Nic dziwnego, że w ostatnich latach stał się powszechnym elementem nowoczesnych urządzeń sieciowych: rozdzielnic, wyłączników itp., zwłaszcza tych pracujących pod wysokim napięciem i przenoszących duże prądy.
SF6 ma jednak również i swoją złą stronę. To jeden z najsilniejszych gazów cieplarnianych. Dużo mówi się o ograniczaniu emisji metanu, którego efekty cieplarniane są 25 razy większe od CO2. Tymczasem w porównaniu do dwutlenku węgla, efekty cieplarniane sześciofluorku siarki są większe o niemal 25 tysięcy razy! Oczywiście, w urządzeniach elektroenergetycznych gaz ten znajduje się w szczelnych komorach, jednak cały cykl technologiczny jego produkcji, eksploatacji, a zwłaszcza utylizacji powoduje pewne uwolnienia do atmosfery. Badania przeprowadzone w 2018 roku w sieciach elektroenergetycznych Wielkiej Brytanii wykazały, że rocznie ulatnia się ok. 0,4% gazu zamkniętego w urządzeniach sieciowych. Wcześniejsze badania amerykańskiej agencji ochrony środowiska EPA wskazywały na roczny poziom ulatniania się SF6 między 0,2 a 2,5%. Według wyliczeń naukowców z Uniwersytetu Bristol, opublikowanych na łamach artykułu w czasopiśmie Nature, skala ulotu to 40% ilości gazu, wprowadzanego rocznie w nowych urządzeniach rozdzielczych.
Zakaz
Silne efekty cieplarniane SF6 są znane już od jakiegoś czasu. W UE od dawna użycie tego gazu było zabronione w hutnictwie, przy produkcji stopów magnezu i do innych celów przemysłowych. Jednak jego emisje zaczęły rosnąć wraz z rozpowszechnieniem w energetyce.
W 2022 roku Komisja Europejska zaproponowała regulacje dotyczące redukcji emisji gazów zawierających fluor jako substancji wzmagających efekt cieplarniany i niszczących warstwę ozonową. Wśród obejmowanych nowymi restrykcjami substancji znalazł się również sześciofluorek siarki. Wiosną 2023 Parlament Europejski przyjął rozwiązanie, które w praktyce może zakazać użycia SF6 od 2026 roku. Ostateczny kształt tych przepisów będzie znany po trilogach, czyli uzgodnieniach stanowiska PE z Radą i Komisją Europejską.
Alternatywa
Czy inicjatywa UE zagrozi ważnemu elementowi transformacji energetycznej? Niekoniecznie, ponieważ dla gazu SF6 są alternatywy. Dostępne są technologie, które pozwalają z jednej strony osiągnąć identyczne efekty przy jednoczesnej realizacji celów zrównoważonego rozwoju, uwzględniających odejście od stosowania sześciofluorku siarki.
Okazuje się, że problem izolacji w kompaktowych urządzeniach energetycznych da się rozwiązać za pomocą sprężonego powietrza, a pojawieniu się niszczycielskiego łuku elektrycznego w aparatach łączeniowych można zapobiec przy użyciu próżni – i to nie tylko w wyłącznikach, ale również od niedawna w rozłącznikach. Taką alternatywną technologię zaproponowała firma Schneider Electric w swoich rozdzielnicach średniego napięcia – urządzeniach powszechnie stosowanych na farmach wiatrowych i fotowoltaicznych, czyli instalacjach o zasadniczym znaczeniu dla dekarbonizacji i transformacji. Dzięki opatentowanym rozwiązaniom Schneider Electric, rozdzielnica RM AirSeT ma niemal takie same wymiary jak urządzenie zawierające gaz SF6 oraz co najmniej taką samą funkcjonalność i parametry techniczne. Dla użytkownika oznacza to łatwość wymiany i brak zmian w obsłudze urządzenia.
Powietrze i próżnia
RM AirSeT to już druga rozdzielnica w tej technologii od firmy Schneider Electric, która tym razem jest dedykowana sieciom pierścieniowym o napięciu do 24 kV. Konstrukcja pola rozłącznikowego zachowuje popularny trójpozycyjny rozłącznik realizujący stan zamknięty, otwarty i uziemiony.
Do izolacji pól pod napięciem wykorzystywane jest czyste powietrze, a łączenia odbywają się w próżni. Wymagało to jednak przekonstruowania całego rozłącznika i wprowadzenia innowacyjnego rozwiązania bocznikowej komory próżniowej.
O ile w przedziale z SF6 właściwości tego gazu pozwalają na proste rozłączenie styków bez groźby powstania łuku, o tyle przy izolacji powietrzem konieczne okazało się inne rozwiązanie.
Płynący prąd jest najpierw mechanicznie kierowany do bocznika, przebiegającego przez komorę próżniową. Dopiero w niej, w następnym kroku sekwencji, następuje rozłączenie obwodu, a próżnia gasi powstały łuk. Zamykanie obwodu następuje w odwrotnej sekwencji, ale bez udziału komory próżniowej. Styki rozłącznika zamykają się w powietrzu.
Wykonanie odpowiedniej operacji łączeniowej zapewnia mechanizm napędowy o zwiększonej wytrzymałości, nazwany CompoDrive. Schneider Electric szacuje jego żywotność na 40 lat i na 10 tys. operacji łączeniowych. To o tyle ważne, że obsługiwane rozdzielnicą OZE charakteryzują się przerywaną generacją. Stąd konieczność stosunkowo częstego załączania i odłączania danego źródła.
Integracja z siecią
W przypadku RM AirSeT cyfryzację i bezpieczeństwo zapewnia sterownik polowy Easergy T300. Integruje on sterowanie i monitorowanie siecią średniego napięcia, może zarządzać nawet 24 polami rozdzielnic, posiada funkcje zabezpieczeń, analizy parametrów sieci, bezprzewodowego odczytu czujników temperatury i monitoringu środowiska, zainstalowanych w rozdzielnicy lub na transformatorach.
Sterownik jest prosty w obsłudze, zapewnia funkcjonalność Plug&Play dla ułatwienia instalacji oraz możliwość rozbudowy. Spełnia też najnowsze wymagania cyberbezpieczeństwa, co znacząco poprawia bezpieczeństwo i niezawodność nowoczesnych sieci energetycznych.
