قوی‌ترین گاز گل‌خانه‌ای در صنعت برق استفاده می‌شود و برخی از شرکت‌ها در حال تلاش برای یافتن جایگزین آن هستند.

گاز گوگرد هگزا فلوئورید (SF6) قوی‌ترین گاز گل‌خانه‌ای شناخته‌شده برای بشر است که میزان انتشار آن در سال‌های اخیر به‌شدت افزایش پیدا کرده است.  این گاز در صنعت برق برای جلوگیری از ایجاد اتصال کوتاه و حوادث برق به‌کار برده می‌شود. میزان نشت این گاز کمتر شناخته‌شده در بریتانیا و مناطق دیگر اتحادیه‌ی اروپا در سال ۲۰۱۷ معادل حضور ۱.۳ میلیون خودرو دیگر در جاده‌ها بود. ناگفته نماند سطوح این گاز به‌عنوان پیامد غیرعمدی از رونق انرژی سبز در حال افزایش است.

SF6 گاز مصنوعی ارزان، اشتعال‌ناپذیر، بی‌رنگ و بی‌بو است. این گاز عایق بسیار کارآمدی برای تأسیسات برقی دارای ولتاژ متوسط و زیاد محسوب می‌شود. گاز SF6 به‌طور گسترده‌ای در سرتاسر صنعت استفاده می‌شود؛ از نیروگاه‌های بزرگ گرفته تا توربین‌های بادی و ایستگاه‌های فرعی برق شهرها. SF6 از بروز حوادث برق و آتش‌سوزی جلوگیری می‌کند؛ اگرچه نکته‌ی منفی حاصل از استفاده از این گاز آن است که درمقایسه‌با تمام مواد شناخته‌شده‌ی دیگر، بیشترین ظرفیت گرمایش زمین را دارد. اثر گرم‌کنندگی این گاز در مقایسه با کربن‌دی‌اکسید، ۲۳ هزار و ۵۰۰ برابر بیشتر است. فقط یک کیلوگرم SF6 به‌اندازه‌ای زمین را گرم می‌کند که ۲۴ نفر از مسیر هوایی از لندن به نیویورک بروند و برگردند. همچنین، این گاز به‌مدت طولانی در اتمسفر می‌ماند و حداقل برای هزار سال زمین را گرم می‌کند.

چرا ما از این گاز گل‌خانه‌ای قوی استفاده می‌کنیم؟

روش تولید برق در جهان به‌سرعت در حال تغییر است. زمانی نیروگاه‌های بزرگ زغال‌سنگ انرژی موردنیاز میلیون‌ها نفر را تأمین می‌کرد؛ اما امروزه تلاش برای مبارزه با تغییرات اقلیمی به این مفهوم است که این نیروگاه‌ها در حال جایگزین‌شدن با منابع انرژی ترکیبی شامل انرژی‌های باد و خورشید و گاز هستند. این امر اتصالات بسیار بیشتر در شبکه‌ی برق و افزایش در تعداد سوییچ‌ها و قطع‌کننده‌های مدار را به‌دنبال دارد که برای پیشگیری از تصادفات جدی لازم هستند. این دستگاه‌های ایمنی را «سوییچ‌گیر» می‌گویند و در اکثر آن‌ها برای اطفای جرقه‌ها و متوقف‌کردن مدارهای کوتاه، از گاز SF6 استفاده می‌شود.

در سوییچ‌گیرهای دارای ولتاژ زیاد و عایق‌شده با گاز، تقریبا همیشه از گاز SF6 استفاده می‌شود

کاستا پیرگوسیس، مهندس مسئول مزرعه‌ی بادی East Anglia است که از گاز SF6 در توربین‌های خود استفاده نمی‌کند. وی می‌گوید:

همان‌طورکه پروژه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر بزرگ‌تر و بزرگ‌تر می‌شوند، مجبور می‌شویم به‌ویژه برای توربین‌های بادی از این گاز استفاده کنیم. با نصب تعداد بیشتری توربین، به تعداد بیشتری سوییچ‌گیر نیاز داریم و درنتیجه، مقدار بیشتری گاز SF6 در توربین‌های بزرگ فراساحلی استفاده خواهد شد. کارآیی و قابلیت اعتماد این گاز ثابت شده است و ما می‌دانیم نحوه‌ی عمل آن چگونه است.

از کجا می‌دانیم که SF6 در حال افزایش است؟

در کل تأسیسات شبکه‌های برق و ایستگاه‌های فرعی بریتانیا، حدود یک‌میلیون کیلوگرم گاز SF6 به‌کار رفته است. مطالعه‌‌ی دانشگاه کاردیف نشان داده است مقدار استفاده‌شده از این گاز در کل شبکه‌های انتقال و توزیع برق، هرساله ۳۰ تا ۴۰ تن افزایش پیدا کرده است. این افزایش در سرتاسر اروپا مشاهده شده و در سال ۲۰۱۷، انتشارات حاصل از ۲۸ کشور عضو معادل ۶.۷۳ میلیون تن کربن‌دی‌اکسید بوده است. این رقم معادل انتشارات حاصل از حضور ۱.۳ میلیون اتومبیل دیگر به‌مدت یک سال در جاده‌ها است. پژوهشگران دانشگاه بریستول که غلظت گازهای گرم‌کننده را در اتمسفر رصد می‌کنند، می‌گویند در ۲۰ سال گذشته شاهد افزایش چشمگیر این گاز بوده‌اند. دکتر مت ریگبی، از دانشگاه بریستول می‌گوید:

آنچه شاهدش بودیم، این است که سطوح این گاز به‌میزان چشمگیری افزایش یافته است و ما در دو دهه‌ی گذشته، افزایش دو‌برابری غلظت اتمسفری این گاز را شاهد بوده‌ایم.

گسترش اتصالات شبکه‌ی برق موجب افزایش استفاده از SF6 شده است

گاز SF6 چگونه وارد اتمسفر می‌شود؟

مهم‌ترین راه واردشدن گاز SF6 به اتمسفر، نشتی حاصل از صنعت برق است. پژوهش‌های شرکت Eaton، تولیدکننده‌ی سوییچ‌گیرهای بدون SF6، نشان می‌دهد میزان نشتی حاصل از کل چرخه‌ی زندگی محصول می‌تواند ۱۵ درصد باشد. این برآورد بسیار بیشتر از مقادیری است که قبلا گزارش شده است. لوئیس شفر، مدیر شرکت Eaton می‌گوید:

سوییچ‌گیرهای جدیدتر نرخ نشتی بسیار کمتری دارند؛ اما سؤال مهم این است: آیا از سوییچ‌گیرهای جدید استفاده می‌کنید؟ ما به همه‌ی تجهیزات توجه و میزان متوسط نشتی همه‌ی آن‌ها را بررسی کردیم. کسی نشتی مربوط به زمان پرکردن را در نظر نگرفته بود. علاوه‌بر‌این، ما بازیافت و چگونگی بازگرداندن این محصول را به‌همراه نشتی فاجعه‌بار آن در نظر گرفتیم.

این گاز چقدر برای اقلیم مخرب است؟

در‌حال‌حاضر، غلظت‌ این گاز در اتمسفر بسیار کم است. اگرچه پیش‌بینی می‌شود میزان استفاده از آن تا سال ۲۰۳۰، ۷۵ درصد افزایش پیدا کند. نگرانی دیگر آن است که SF6 گازی مصنوعی است و به‌طور طبیعی جذب یا تخریب نمی‌شود و برای محدودکردن اثر آن روی اقلیم، این گاز باید جایگزین یا تخریب شود. کشورهای توسعه‌یافته هرسال میزان استفاده‌ی خود از گاز SF6 را به سازمان ملل گزارش می‌کنند؛ اما کشورهای درحال‌توسعه با محدودیتی برای استفاده از این گاز مواجه نیستند.

دانشمندان غلظت‌هایی از گاز SF6 را در اتمسفر اندازه‌گیری کرده‌اند که ۱۰ برابر مقدار اعلام‌شده‌ی کشورهای مذکور است. آن‌ها می‌گویند همه‌ی این انتشارت از کشورهایی مانند هند و چین و کره‌جنوبی نیامده است. نتایج مطالعه‌ای نشان می‌دهد مقادیر گزارش‌شده براساس روش‌های استفاده‌شده در محاسبه‌ی میزان انتشارات در کشورهای ثروتمند بسیار کمتر از حد واقعی است.

چرا این گاز ممنوع نشده است؟

گاز SF6 به گروهی از مواد تولیدشده‌ی انسان تعلق دارد که گازهای F نامیده می‌شوند. از سال ۲۰۱۴، کمیسیون اروپا تلاش کرده است تعدادی از این مواد مضر زیست‌محیطی ازجمله گازهای به‌کاررفته در یخچال‌ها و تهویه‌ی مطبوع را ممنوع اعلام کند. بااین‌حال، آن‌ها درباره‌ی SF6 با مخالفت شدید صنایع در سرتاسر اروپا مواجه شدند. بس ایکهوت، مسئول تلاش برای تنظیم قوانین مرتبط با گازهای F می‌گوید:

در پایان، لابی صنعت برق چنان قدرتمند بود که مجبور شدیم آن را به آن‌ها واگذار کنیم. بخش برق چنین استدلال کرد اگر شما قصد انتقال انرژی را داشته باشید و بخواهید به برق روی آورید، به دستگاه‌های برقی بیشتری نیاز خواهید داشت. در این صورت، SF6 بیشتری نیز موردنیاز خواهد بود. آن‌ها چنین استدلال کردند که در غیر این صورت، انتقال انرژی کُند خواهد شد.

شرکت‌های برقی و تنظیم‌کننده در این‌ باره چه می‌گویند؟

همه تلاش می‌کنند وابستگی خود به گاز را کاهش دهند؛ زیرا این عامل در سطح جهانی به‌عنوان عاملی مضر برای اقلیم شناخته شده است. در بریتانیا، اداره‌ی گاز و بازارهای برق (Ofgem) می‌گوید در حال همکاری با مراکز دیگر است تا میزان نشتی را کاهش دهد. سخن‌گوی Ofgem در مصاحبه با بی‌بی‌سی گفت:

مشغول استفاده از انواع مختلفی از ابزارها هستیم تا مطمئن شویم شرکت‌ها میزان استفاده از SF6، یکی از گاز‌های گل‌خانه‌ای قوی را محدود می‌کنند. این به‌نفع مصرف‌کنندگان انرژی است. تلاش‌های ما شامل تأمین اعتبار آزمایش‌های نوآوری و پاداش‌دادن به شرکت‌ها برای انجام پژوهش و یافتن گزینه‌های جایگزین، تعیین اهداف انتشارات، پاداش‌دادن به شرکت‌هایی که به آن اهداف می‌رسند و مجازات آن‌هایی است که این اهداف را برآورده نمی‌سازند.

آیا گزینه‌های جایگزینی وجود دارد؟

در سال‌های اخیر، مسئله‌ی یافتن جایگزینی برای SF6 مدنظر بوده است. کارشناسان می‌گویند برای کاربردهای با ولتاژ زیاد، راه‌حل‌های بسیار کمی وجود دارد که به‌دقت آزمایش شده باشند. پروفسور مانو حداد، از دانشکده مهندسی دانشگاه کاردیف گفت:

هیچ جایگزین حقیقی تأییدشده‌ای وجود ندارد. برخی از گزینه‌های پیشنهادی وجود دارند؛ اما اثبات عملکرد آن‌ها در مدت‌زمان طولانی ریسکی است که بسیاری از شرکت‌ها آن را نمی‌پذیرند.

البته برای عملیات دارای ولتاژ متوسط چندین ماده‌ی آزمایش‌شده وجود دارد. برخی از دست‌اندرکاران این صنعت می‌گویند طبیعت محافظه‌کارانه‌ی صنعت برق موجب می‌شود کسی به استفاده از جایگزینی با ضرر کمتر تمایل نداشته باشد. شفر می‌گوید:

همه در این صنعت می‌دانند شما این کار را می‌توانید انجام دهید و هیچ دلیل فنی‌ای برای انجام‌ندادن آن وجود ندارد؛ اما این واقعا اقتصادی نیست. مسئله مهم این است که تغییر مذکور به تلاش نیاز دارد و اگر مجبور نباشید، آن کار را انجام نخواهید داد.

شرکت Scottish Power Renewables در ۴۳ کیلومتری سواحل سافک یکی از بزرگ‌ترین مزارع بادی را راه‌اندازی کرده است که توربین‌های آن فاقد گاز SF6 هستند. تا سال ۲۰۲۰، در مزرعه‌ی East Anglia One تعداد ۱۰۲ برج با ظرفیت تولید ۷۱۴ مگاوات برافراشته خواهد شد که می‌توانند برق موردنیاز نیم‌میلیون خانه را تأمین کنند.

توربین‌های بادی East Anglia One بلندتر از برج الیزابت در ساختمان پارلمان انگلیس هستند

قبلا در چنین تأسیساتی برای جلوگیری از حوادث برقی باید از سوییچ‌گیرهای دارای گاز SF6 استفاده می‌شد. هر توربین معمولا حاوی پنج کیلوگرم SF6 است که اگر به اتمسفر نشت کند، معادل ۱۱۷ تن کربن‌دی‌اکسید خواهد بود. این مقدار تقریبا معادل انتشارات یک سال حاصل از ۲۵ اتومبیل است. کاستا می‌گوید:

در این زمینه، از ترکیبی از هوای پاک و فناوری خلأ درون توربین‌ها استفاده می‌کنیم. این امر به ما اجازه می‌دهد شبکه‌ی دارای ولتاژ زیاد بسیار کارآمد و مطمئنی داشته باشیم که به محیط نیز آسیبی نمی‌رساند. هنگامی‌که گزینه‌های مناسبی در بازار وجود داشته باشد، دلیلی برای استفاده‌نکردن از آن‌ها وجود ندارد. در این باره، جایگزین مناسبی پیدا کرده‌ایم؛ به همین دلیل، از آن استفاده می‌کنیم.

حتی برای شرکت‌هایی که برای محدودکردن استفاده از SF6 در حال تلاش هستند، محدودیت‌هایی وجود دارد. در قلب East Anglia One ایستگاه فرعی فراساحلی بزرگی قرار می‌گیرد که تمام ۱۰۲ توربین به آن متصل خواهند شد. در این بخش، هنوز مقادیر درخورتوجهی از گازهای گرم‌کننده استفاده می‌شود. سال آینده، اتحادیه‌ی اروپا مسئله‌ی استفاده از SF6 و جایگزین‌های احتمالی را بررسی خواهد کرد؛ اگرچه حتی خوشبین‌ترین کارشناسان نیز تصور نمی‌کنند در‌ این‌ زمینه تا قبل از سال ۲۰۲۵ ممنوعیتی اعمال شود.

پژوهشگران روی نوعی از فناوری ترموالکتریک کار می‌‌کنند که می‌‌تواند انرژی تجدیدپذیر محدود و قابل‌‌دسترسی را طی ساعات شب تولید کند.

دو سال قبل در یکی از شب‌‌های سرد و زمستانی کالیفرنیا بود که پژوهشگران توانستند تنها باکمک هوای سرد شب‌‌هنگام، یک لامپ کوچک را روی پشت بام دانشگاه استنفورد روشن کنند. البته این لامپ نور چندان زیادی نداشت؛ ولی همین آزمایش کوچک برای اثبات امکان تولید انرژی تجدیدپذیر حتی در ساعات پس از غروب آفتاب کافی بود.

به‌‌تازگی وی لی و شانهوی فن از دانشکده‌‌ی مهندسی دانشگاه استفورد به‌‌همراه آسواث رامان، دانشمند علم مواد از دانشگاه کالیفرنیای لس آنجلس توانسته‌‌اند دستگاهی را تولید کنند که با هدایت جریان هوای گرم بهجای مانده از روز به بخش در معرض هوای سرد، ولتاژ خروجی تولید می‌‌کند. رامان می‌‌گوید:

پژوهش ما نشان‌‌دهنده‌‌ی فرصت موجود در بهره‌‌گیری از انرژی سرمای فضای آزاد به‌‌عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر است. ما فکر می‌‌کنیم این [پژوهش] مبنای یک فناوری مکمل برای انرژی خورشیدی خواهد بود. با اینکه توان خروجی به‌‌طرز چشمگیری پایین‌‌تر است، ولی می‌‌توان در ساعاتی کارکرد داشته باشد که سلول خورشیدی قادر به تولید نیست.

انرژی خورشیدی با تمام مزایایی که دارد، یک منبع انرژی ۲۴ ساعته محسوب نمی‌‌شود. البته می‌‌توان بخشی از انرژی را در یک باتری بزرگ ذخیره کرد یا حتی از انرژی مازاد برای پمپاژ آب به یک مخزن استفاده کرد. اما تا زمانی‌که این راهکارها به‌‌صورت تجاری درآیند، می‌‌توان روی انرژی تجدیدپذیر دسترس‌‌پذیر در ساعات شب حساب کرد.

بیش‌‌تر مردم در ساعات پس از غروب آفتاب به منازل خود بازمی‌‌گردند و این همان زمانی است که شبکه‌ی برق معمولا با حداکثر تقاضای انرژی در بخش خانگی و شهری مواجه است. متاسفانه در حال حاضر ما اغلب برای جبران این کمبود انرژی به سوخت‌‌های فسیلی روی می‌‌آوریم. این موضوع برای افرادی که به شبکه‌‌ی برق دسترسی ندارند، به‌‌معنای محدودیت بیشتر در استفاده از انرژی برق و تجهیزات پرمصرف خواهد بود.

شانهوی فن از جمله کارشناسانی است که نیاز به انرژی تجدیدپذیر در طول ساعات شب را به‌‌ خوبی درک کرده است. او روی فناوری مربوط به چندین دستگاه مشابه کار کرده که یکی از آن‌‌ها شامل نوعی سلول فتوولتائیک است که می‌‌تواند با جذب تشعشعات حرارتی ناشی از زمین گرم‌‌شده در طول روز مقداری الکتریسیته تولید کند. البته کارکرد صحیح این ابداع هوشمندانه تاحدودی وابسته به طول موج نور ساطع‌‌شده از جسم گرم خواهد بود؛ ولی با این حال چنین تجهیزی می‌‌تواند به‌‌خوبی نحوه‌‌ی کار با اثر ترموالکتریک را نشان دهد.

حتما قبلا درمورد ترموکوپل چیزهایی شنیده‌‌اید. این وسیله می‌‌تواند تفاوت دمایی میان دو منبع را به‌‌شکل اختلاف ولتاژ نشان دهد. در نهایت با برقراری مدار الکتریکی و مصرف انرژی الکتریکی، انرژی گرمایی نیز از منبع گرم به منبع سرد هدایت می‌‌شود.

با دانستن این اصول اولیه، توضیح سازوکار نظری دستگاه جدید نیز چندان پیچیده نخواهد بود. چالش اصلی تنها این است که موادی را بیابیم که بتواند یک ولتاژ قابل‌‌ملاحظه را با کمک اختلاف دمایی موجود در محیط سرد ایجاد کند.

برای این‌‌که بتوانیم هزینه‌‌ها را کنترل کنیم، تیم مذکور موادی را به‌‌کار گرفته‌‌اند که در دسترس عموم مردم است. آن‌‌ها یک ژنراتور ترموالکتریک ارزان تهیه کردند و آن را به یک دیسک آلومینیومی مشکی‌‌رنگ متصل کردند. این دیسک رو به آسمان قرار می‌‌گیرد و انرژی گرمایی جذبی خود را به هوای سرد شب‌‌هنگام ساطع می‌‌کند. ژنراتور نیز در داخل یک محفظه‌‌ی پلی‌‌استایرن عایق‌‌بندی‌‌شده قرار می‌‌گیرد و تنها یک دریچه‌‌ی کوچک شفاف نسبت‌‌به نور فروسرخ روی آن تعبیه می‌‌شود. خروجی ولتاژ ژنراتور نیز به یک لامپ LED کوچک متصل است.

طی مدت زمان ۶ ساعت پس از غروب آفتاب، محفظه‌‌ با کاهش دمای هوای محیط به‌‌آرامی خنک‌‌تر می‌‌شود. این روند تا رسیدن دمای هوا در پشت‌‌بام به آستانه‌‌ی دمای منجمدکننده‌‌ی نیمه شب ادامه می‌‌یابد و همان‌‌طور که حرارت از زمین به‌‌سوی آسمان می‌‌رود، ژنراتور کوچک تعبیه‌‌شده نیز جریان برق کافی برای روشن‌‌ماندن چراغ را فراهم می‌‌آورد.

در بهترین حالت، دستگاه می‌‌تواند ۰.۸ میلی‌‌وات برق تولید کند؛ با توجه به سطح اشغال‌‌شده می‌‌توان گفت چگالی تولید انرژی حدود ۲۵ میلی‌‌وات در هر متر مربع خواهد بود. این میزان انرژی شاید بتواند برای به‌‌راه‌‌انداختن یک سمعک شنوایی کافی باشد. چنانچه تعداد کافی از این تجهیزات را به یکدیگر متصل کنید، شاید بتوانید یک رقص نور لیزری جذاب را نیز راه‌‌اندازی کنید. واضح است که فعلا نمی‌‌توان تولید انرژی زیادی را از این تجهیز انتظار داشت.

با این حال، همین نمونه‌‌ی اولیه نیز می‌‌تواند نقطه‌‌ی شروع مناسبی برای یک فناوری باشد. تیم پژوهشی می‌‌گوید تحت شرایط مناسب و درصورت بهینه‌‌سازی فناوری، تولید انرژی تا میزان ۵۰۰ میلی‌‌وات در هر مترمربع دور از ذهن نخواهد بود. رامان می‌‌گوید:

صرف‌نظر از بحث روشنایی، ما باور داریم که این فناوری می‌‌تواند به‌‌شکلی گسترده برای تأمین انرژی در مناطق دورافتاده و هر جای دیگری که نیاز به تولید انرژی در شب باشد، مورد استفاده قرار گیرد.

ما معمولا به‌‌دنبال ایده‌‌هایی درخشان برای ایجاد یک انقلاب در بحث انرژی‌‌های تجدیدپذیر هستیم؛ با این حال، این قضیه نباید موجب غفلت ما از راهکارهای ساده‌‌تر و کوچک‌‌تر در این حوزه شود. راهکارهایی مانند همین فناوری اخیر می‌‌تواند بخشی از نیازهای شبانه‌‌ی ما را تأمین کنند.

زومیت