六フッ化硫黄: あまりに便利すぎて使用をやめられない悪夢のような温室効果ガス

六フッ化硫黄 (SF6) は CO2 ほど悪名が高くなく、人為的気候変動の責任のほとんどは CO2 にあります。 しかし、CO2 の放出を抑制するための対策が実施されている一方で、SF6 については、SF6 の方がはるかに大きな影響を与える可能性があるにもかかわらず、同様のことが当てはまらないようです。 これは、大気中に放出された場合、CO2 の地球温暖化係数 (GWP) は 1 のみであるのに対し、メタンのそれは 100 年間で約 28 であり、SF6 の同じ期間での GWP は 22,000 をはるかに超えるためです。

ここでまた注目すべき点は、メタンは大気中でわずか約 12.4 年しか存続しないのに対し、SF6 は非常に安定であるため、数千年存続し、現在約 3,200 年と推定されています。 2019年に温室効果ガスの文脈で六フッ化硫黄に触れたとき、ほとんどのSF6が高電圧開閉装置（機械式スイッチ）、変圧器、およびその関連機器に使用され、ガスが不活性で安定しているため、そこから漏れていることに注目しました。その性質により、アーク放電の防止と消火に最適です。

主に（洋上）風力タービンや太陽光発電パークの形で高度に分散されたエネルギー生産が急速に成長しているため、これは、それぞれに独自の（ガス充填）開閉装置が装備されていることも意味します。 この市場では SF6 が依然として広く普及しているため、これは SF6 の使用がどの程度減少したか、そして潜在的な災害をなんとか回避できるかどうかを検討する絶好の機会のように思えます。

SF6 が電気アークを鎮め、高電圧電気システムを絶縁するための優れたワンストップショップの選択肢である理由は、その安定性のためです。 一般に、他の物質と容易に相互作用しないため、無色、不燃性、無毒という特性が得られます。 残念ながら、この化学反応性の欠如は、例えば地球の大気中に非常に長い間漂着する可能性があることも意味します。

SF6 は自然に発生しますが、圧倒的大部分は工業プロセスや医療での使用を目的として人間によって生成されますが、主に高電圧電気システムで誘電ガスとして生成されます。 ここでの誘電性ガスの主な目的は、一般に空気に比べてより狭いスペースでより高い電圧を使用できるように、破壊電圧を高めることです。

アーク放電が発生した場合、ガスの目的はアーク放電を消すことでもあるはずであり、そこで SF6 が威力を発揮します。 ガスのごく一部は有毒な S2F10 (十フッ化二硫黄) に分解される可能性がありますが、ほとんどの分解生成物はすぐに SF6 に再形成されるため、開閉装置としてはメンテナンスの手間がかからない選択肢となります。 特に、遠隔地で比較的アクセスできない場所に設置される機器の場合、これは非常に役立つプロパティです。

SF6 は無毒で分子量が高いため、ヘリウムの逆パーティーギャグとしても使用されています。ヘリウムの分子密度が低いため、SF6 を吸ってヘリウムを充填した媒体を通して話すと、知覚されるピッチが増加します。気道からガスが排出されるまで、声のピッチが大幅に下がります。

私たちの惑星のガス大気の残念な副作用は、格納容器から漏れ出たガスや人間の活動によって放出されたガスが最終的に大気中に混入することです。 これについてどの程度懸念すべきかは、問題のガスによって異なります。 CFC が地球のオゾン層を急速に侵食していることが判明したとき、このガスの大量放出を直ちに排除することが重要になりました。 これはモントリオール議定書によって達成され、CFC の使用のほとんどが急速に停止されました。

SF6 の場合、脅威の範囲がどの程度なのかを尋ねるのが公平だと思われます。 これを評価するには、AGAGE のデータを見てみましょう。 これは、大気中の広範囲のガスを追跡する先進的な全地球大気ガス実験です。 彼らの調査結果によると、SF6 の量は 2000 年以降大幅に増加し、2020 年までに約 4 ppt (1 兆分の 1) から約 10 ppt まで増加し、1970 年頃から直線的な増加が顕著になりました。産業化前の対流圏レベルはおよそ 54 ppq でした。 (1000 兆分の 1)。

生成される SF6 の 80% 以上が電力業界で使用されるため、これが最大の漏洩源であることも当然のことです。 その多くは、ガスが厳密に監視された工業プロセスで使用されるのではなく、分散型の性質によるもので、開閉装置などの部品は文字通り世界中の砂漠、風力タービンの上部、畑の真ん中に配置されています。 設置、修理、または廃止の際に、SF6 ガスが大気中に漏れて開閉装置が損傷する可能性もあります。

Simmondsらは、AGAGEの調査結果に基づいた2020年の温室効果ガス六フッ化硫黄（SF6）の大気負荷の増加と題した研究で、 過去 40 年間の測定をカバーします。 彼らは、SF6 漏洩の主な原因として次の 5 つを指摘しています。

主要な SF6 排出国については、東アジアでは主に中国と韓国、西ヨーロッパではドイツであることが測定結果から推定されました。 ドイツの場合、半導体メーカーが主要な貢献者である疑いがある。

高圧ガス絶縁開閉装置 (GIS) については、前述したように、SF6 の年間生産量の >80% が使用され、中圧 GIS はさらに 10% を使用します。 これらの GIS の寿命は 30 ～ 40 年である傾向があり、現在でも新しい SF6 ベースの GIS が設置されていますが、シールの不完全な性質により、通常の動作中にある程度の漏れが発生します。 マグネシウム、アルミニウム、半導体産業では、漏れは時間の経過とともに徐々に減少してきましたが、依然として重大な発生源となっています。

2018 年の世界の SF6 排出量は 9.0±0.4 Gg / 年で、2018 年の CO2 排出量は 33.1 Gt (33,100,000 Gg) でした。 SF6 のはるかに高い GWP (22,800) を考慮すると、2018 年の排出量は約 205,200 Gg、または年間 CO2 排出量の 0.6% に相当します。 驚くべき数字ではありませんが、これまでのところ SF6 の排出量が年々増加していることを考慮する必要があります。 現在設置されている SF6 ベースの GIS または同様のものは、今後数十年間にわたってこの合計をさらに増加させ、これまでの工業化時代よりも長期にわたって地球温暖化に寄与することになります。

したがって、SF6 を交換し、SF6 の大気中への漏出を一般的に防ぐことが良いことであることは明らかです。 おそらく皮肉なことに、SF6 は以前、有毒物質やその他の有害な物質による開閉装置でのオイルの使用に代わって使用されており、SF6 の代替として提案されているものの一部は、それ自体がこのガスほど無害ではありません。 可能であれば、最良の選択肢の 1 つは真空であり、高真空により非常に高い誘電絶縁が得られます。

高真空を維持するのは簡単ではなく、特に何年もかかることは難しいため、代替手段としては、普通の空気、CO2、さまざまなフッ化物ベースの物質が使用されます。 最近、オーエンスら。 (2021) 3M の研究者が、3M が市販している 2 つの SF6 代替品に関する研究を発表したためです。 それらの商品名は、Novec 4710 ((CF3)2CFCN) および Novec 5110 ((CF3)2CFC(O)CF3) で、どちらもフルオロニトリルとフルオロケトンの混合物です。

このような混合物を GIS 内の CO2 または空気に添加して、誘電特性を改善するという考えです。 この構成では、空気混合物を使用した Novec 5110 は (100 年) GWP が 1 未満でかなりまともに見えますが、CO2 混合物を使用した Novec 4710 の GWP は 398 で、これより優れていますが、優れているわけではありません。 また、SF6 は、Novec 4710/CO2 の -27 °C、Novec 5110/air の 0 °C と比較して、-38 °C まで、全体的に優れた寒冷地性能を示しました。

これは、配電網の各部分に異なる温度範囲や、特定の SF6 代替品がより魅力的となるその他の要因があるため、GIS アプリケーションで SF6 を置き換える際の複雑さを浮き彫りにしています。 SF6 は比較的安価で、普遍的に適用可能であり、電力業界内ではこれまでのところ、EU の F ガス規制内であってもその使用が妨げられていないため、SF6 市場が年々成長し続けているのも不思議ではありません。

フッ素化ガスには、人工である傾向があり、産業やその他の用途で広く使用されており、GWP が高いという共通点があります。 これらには、HFC、PFC、SF6、NF3 が含まれます。 これらのうち、HFC は冷凍分野で人気があり、他の多くのガスとともに、以前に普及していた CFC に取って代わります。 これらのガスの生産、使用、そして最終的な廃止措置を通じて、大量のガスが最終的に大気中に放出され、人為的地球温暖化の恐怖の一因となります。

これらのガスの人気、代替ガスを見つけることの難しさ、そしてより安価な冷蔵庫、風力タービン、分散型電源システムの生産の増加を考えると、ここで大きな変化が見られる可能性は低いように思えます。 一方、世界では脱炭素化と送電網の拡大を急ぐ中、SF6 ベースの GIS と キンが日々導入されており、これらは今後数十年にわたって問題となり続けるでしょう。

これはおそらく憂鬱な見方ではありますが、CFC が地球上のすべての生命にとって存続の脅威となっていることが明らかだったときに世界が団結して CFC を追放したことから、いくらかの希望が得られるでしょう。 あと数回それができることを願っています。