Figura 1. El hexafloruro de azufre ha demostrado su eficacia como medio de aislamiento para aparamenta eléctrica, pero preocupa su contribución al calentamiento global. ABB ha desarrollado una alternativa que, en algunos casos, tienen el mismo rendimiento que el hexafloruro de azufre. La imagen ilustra GIS de alta tensión.
Durante décadas, las propiedades únicas del hexafloruro de azufre (SF6) lo han convertido en el medio preferido de aislamiento y conmutación para la aparamenta eléctrica. Pero el hexafloruro de azufre es un gas con efecto invernadero y los costos de gestión del ciclo de vida aumentan con el uso. ABB lleva varios años investigando alternativas con propiedades de aislamiento e interrupción del arco eléctrico similares a las del hexafloruro de azufre pero con menor impacto ambiental. En Suiza, presenta la primera planta piloto de aparamenta aislada en gas (GIS) del mundo que emplea una nueva mezcla de gases.
En la industria y los servicios de suministro, el calentamiento global y el cambio climático están impulsando la sustitución de muchos productos por alternativas respetuosas con el medioambiente. El omnipresente hexafloruro de azufre, un gas artificial creado a principios del siglo XX como medio de aislamiento y conmutación, no es una excepción. Por sus excelentes propiedades de aislamiento eléctrico e interrupción de arco, el hexafloruro de azufre permite operaciones seguras y fiables e instalaciones de aparamenta mucho más pequeñas.
Pero el hexafloruro de azufre es un gas con efecto invernadero y los costos de gestión del ciclo de vida asociados a su manipulación están creciendo, especialmente al retirar del servicio subestaciones antiguas. Estos costos aumentarán con la demanda de electricidad y, por tanto, de aparamenta de alta y media tensión aislada en gas. Este factor convierte en urgente la búsqueda de una alternativa al hexafloruro de azufre respetuosa con el medioambiente.
ABB ya ha desarrollado y puesto en servicio interruptores de alta tensión aislados en aire que emplean dióxido de carbono (CO2) como medio de aislamiento y extinción de arcos, y unidades de anillo principal (RMU) de media tensión que emplean aire en un diseño de aparamenta aislada en gas. Pero estas soluciones solo solventan una parte del problema: necesitamos una alternativa al hexafloruro de azufre que se pueda usar en un campo de aplicaciones más amplio.
La búsqueda de un medio de aislamiento y conmutación
Las características técnicas principales para un gas aislante para aparamenta son la resistencia dieléctrica y la capacidad de extinción de arcos. Para GIS, hay otras propiedades menos obvias pero igualmente importantes: punto de ebullición bajo, toxicidad baja, estabilidad, inflamabilidad baja, ausencia de potencial de agotamiento del ozono (ODP) y potencial de calentamiento global (GWP) muy bajo [1]. El GWP se expresa como la relación entre la cantidad de calor atrapado por una masa de gas determinada y la cantidad atrapada por una masa similar de dióxido de carbono. Se calcula por un intervalo de tiempo dado, normalmente, veinte, cincuenta o cien años.
Grupos de investigación de todo el mundo han trabajado mucho para encontrar una alternativa adecuada al hexafloruro de azufre. Hasta el momento, no se ha descubierto ninguna que reúna todas las propiedades necesarias.
Mezcla de gases a base de fluorocetona
Figura 2. Modelo molecular de C5F100
Para facilitar la búsqueda de un sustituto del hexafloruro de azufre, se emplearon métodos informáticos (desarrollados por terceros) para cribar moléculas apropiadas para el aislamiento de alta tensión [5]. Estos métodos hacen un cribado virtual de moléculas para detectar su GWP, toxicidad, inflamabilidad, etcétera, seguido de un estudio de descomposición y punto de ebullición. Muy pronto surgió una familia de fluoroalquenos, fluoroalquil sulfuros, fluoroalcoholes y fluoroalquilaminas como fuente de un posible candidato [5].
Tras muchos años de investigación, ABB identificó una alternativa al hexafloruro de azufre respetuosa con el medioambiente y que reunía todas las propiedades necesarias. La mezcla de gases se basa en un producto de la empresa 3M llamado Novec 5110 Dielectric Fluid, una cetona perfluorada con cinco átomos de carbono (C5 PFK) [1, 6] (ver figura 2). Suministrado como líquido, se vaporiza y se mezcla durante el proceso de llenado. La mezcla de gases de fluorocetona para aplicaciones de aparamenta se desarrolló en colaboración con 3M y se ha bautizado con el nombre de AirPlus.
La nueva mezcla de gases contiene:
- Fluorocetona, dióxido de carbono y oxígeno para GIS de alta tensión
- Fluorocetona, nitrógeno y oxígeno para GIS de media tensión
Esta molécula fluorada se descompone rápidamente bajo la luz ultravioleta en la atmósfera inferior. El ciclo de vida atmosférico de la molécula es corto (unos quince días, frente a 3.200 años del hexafloruro de azufre). Se descompone en dióxido de carbono que permanece en la atmósfera y otras moléculas arrastradas por la lluvia. Las cantidades son bajas, y la contribución al calentamiento global, insignificante. Gracias a ello, el GWP de la nueva mezcla de gases es inferior a uno, menor que dióxido de carbono (GWP = 1). Además, la molécula fluorada es prácticamente no tóxica, no inflamable y ni la propia sustancia ni sus productos de descomposición destruyen la capa de ozono.
Las pruebas en laboratorios de ABB han demostrado el elevado potencial de las mezclas de fluorocetona como medio de conmutación e interrupción con valores nominales de transporte y distribución. La mezcla de gases no pone en peligro la calidad y la fiabilidad de los equipos y tiene un GWP extremadamente bajo. Es el único medio de aislamiento disponible hasta el momento con un GWP menor o igual a uno testeado según normas IEC y que cumple criterios de comportamiento similares a los establecidos para el hexafloruro de azufre.
Análisis del ciclo de vida (LCA)
Figura 3. Contribuciones relativas a emisiones de dióxido de carbono equivalentes
Según la norma de gestión ambiental ISO 14040, el LCA tiene en cuenta tres principales contribuyentes a las emisiones de dióxido de carbono equivalentes:
- Materiales
- Fugas del gas de aislamiento y pérdidas durante su manipulación
- Pérdidas de energía
Las condiciones límite asumidas para GIS de alta tensión son:
- Ciclo de vida de treinta años
- Tasa de fugas de gas del 0,1 por ciento al año y pérdidas del uno por ciento durante la manipulación y del uno por ciento durante la retirada del servicio
- Funcionamiento al cincuenta por ciento del flujo de corriente nominal durante treinta años
El LCA indica que la GIS de alta tensión con AirPlus puede reducir las emisiones de dióxido de carbono equivalentes hasta un cincuenta por ciento. El porcentaje restante se atribuye a materias primas, fabricación y pérdidas térmicas.
Aunque la contribución de los materiales a las emisiones de dióxido de carbono equivalentes es ligeramente mayor para GIS con la mezcla de gases PFK, las pérdidas de energía son menores y las pérdidas por fugas y manipulación, casi nulas (ver figura 3).
Además, en equipos de media tensión, que tienen presiones y cantidades de gas menores, AirPlus ayuda a reducir las emisiones de dióxido de carbono equivalentes a lo largo del ciclo de vida de la aparamenta. Cuando la manipulación no es responsabilidad del fabricante o queda fuera de su control, la nueva mezcla de gases garantiza la reducción de casi el total del impacto climático de los escapes de gas.
La nueva tecnología tiene otras ventajas:
Se evitan los procedimientos reglamentarios exigidos para el hexafloruro de azufre, como mantenimiento de registros de inventarios, requisitos especiales de manipulación y medidas a adoptar para llenar y desmantelar los equipos. Se evitan los impuestos relacionados con el SF aplicables en algunos países.
Primera instalación de GIS con la nueva mezcla de gases
 
Figura 4. GIS con la nueva mezcla de gases instaladas en Zúrich. a) GIS de alta tensión, 170 kilovolts; b) GIS de media tensión, 24 kilovolts
Cuando se inició el desarrollo, de la nueva tecnología, la compañía eléctrica suiza EWZ se encontraba en las primeras fases de planificación de una nueva subestación en Zúrich para sustituir la aparamenta aislada en aire (AIS) de los años ‘40. Se había fijado el objetivo de utilizar tecnologías innovadoras con baja huella de carbono en la subestación, en línea con su visión de suministrar energía sostenible siempre que fuera posible. También se tuvieron en cuenta nuevas tecnologías que aún no estaban comercializadas.
La nueva tecnología de ABB encajaba perfectamente con la idea de EWZ: GIS fiable, compacta y con bajo impacto ambiental en los lados de alta y de media tensión. Ambas empresas colaboraron para integrar la nueva tecnología en la red en una instalación piloto. La subestación de Zúrich recién puesta en servicio consta de ocho bahías GIS de alta tensión y cincuenta de media tensión (ver figuras 4 y 5). Tiene todos los componentes de una GIS convencional con terminales de cable.
Figura 5. Esquema de una línea de aparamenta de alta tensión instalada en la subestación EWZ
Los paneles de media tensión proceden de la moderna fábrica de GIS de ABB en Ratingen (Alemania), mientras que la GIS de alta tensión se fabricó en la vanguardista planta de ABB en Oerlikon (Suiza), situada junto a la nueva subestación de EWZ (ver figura 6).
Las bahías de GIS se activaron en el verano de 2015 y empezaron a transportar y suministrar electricidad a la ciudad de Zúrich un par de meses más tarde.
La subestación piloto marca un hito importante en la senda hacia una alternativa al hexafloruro de azufre y proporcionará experiencia operativa a largo plazo del funcionamiento de la red. En los próximos años, EWZ y ABB aplicarán esta experiencia para reducir aún más la huella de carbono de la aparamenta.
Futura huella de carbono de la red
La aparamenta con hexafloruro de azufre se usa desde hace décadas y está aceptada en el sector eléctrico. Su diseño compacto y su bajo impacto ambiental convierten la GIS en una evolución sostenible. La manipulación en circuito cerrado y las bajas tasas de fugas reducen la huella de carbono a lo largo del ciclo de vida de la GIS. Por ello, el hexafloruro de azufre seguirá siendo el principal medio de aislamiento de GIS en los próximos años. Pero una alternativa como AirPlus podría reducir aún más la huella de carbono de la red eléctrica.  
Figura 6. Subestación de EWZ de Zúrich: la primera instalación de aparamenta piloto con la mezcla de gases que sustituye al hexafloruro de azufre. a) El edifio de la subestación de Oerlikon; b) la fábrica de GIS alta tensión de ABB se ve detrás de la subestación.
Referencias
Simka, P. y Ranjan, N. (2015), “Dielectric Strength of C5 Perfluoroketone,” en 19th International Symposium on High Voltage Engineering, Pilsen, Czech Republic
Devins, J. C. (1980) “Replacement gases for SF6 ” IEEE Transactions on Dielectric Electrical Insulation, vol. 15, pp. 81– 86.
Christophorou, L. G. et al. (1997), “Gases for electrical insulation and arc interruption: possible present and future alternatives to pure SF6” National Institute of Science and Technology (NIST), Washington D.C., Technical Note 1425
L. Niemeyer (1998), “A systematic search for insulation gases and their environmental evaluation” en Gaseous Dielectrics VIII, New York, Kluwer/Plenum pp. 459–464.
Rabie, M. y Franck, C. M. (2015), “Computational screening of new high voltage insulation gases with low global warming potential,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 11, no. 1, pp. 296–302.
Mantilla J. D. et al. (2014), “Investigation of the insulation performance of a new gas mixture with extremely low GWP,” IEEE 2014 Electrical Insulation Conference, Philadelphia, pp. 469–473.
Nota del editor:
Nota publicada originalmente en ABB Review 2/2016.
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