Hexafluorure de soufre : le gaz à effet de serre cauchemardesque qu'il est tout simplement trop utile d'arrêter d'utiliser

L'hexafluorure de soufre (SF6) n'est pas aussi tristement célèbre que le CO2, ce dernier étant en grande partie responsable du changement climatique anthropique. Pourtant, alors que des mesures sont mises en œuvre pour limiter les émissions de CO2, il ne semble pas en être de même pour le SF6, malgré l'impact potentiellement beaucoup plus important du SF6. En effet, lorsqu'il est rejeté dans l'atmosphère, le CO2 n'a qu'un potentiel de réchauffement global (PRP) de 1, alors que celui du méthane est d'environ 28 sur 100 ans et que le SF6 a un PRG bien supérieur à 22 000 sur la même période.

Il convient également de noter ici que si le méthane ne durera qu'environ 12,4 ans dans l'atmosphère, le SF6 est si stable qu'il dure des milliers d'années, actuellement estimées à environ 3 200 ans. Lorsque nous avons évoqué l'hexafluorure de soufre en 2019 dans le contexte des gaz à effet de serre, il a été noté que la plupart du SF6 est utilisé pour - et fuit - les appareillages de commutation haute tension (interrupteurs mécaniques), les transformateurs et autres, où la nature inerte et stable du gaz le rend idéal pour prévenir et éteindre les arcs électriques.

Avec la croissance rapide de la production d'énergie hautement distribuée sous la forme d'éoliennes principalement (offshore) et de parcs solaires photovoltaïques, cela signifie également que chacun d'entre eux est équipé de son propre appareillage de commutation (à gaz). Le SF6 étant toujours très répandu sur ce marché, cela semble être une excellente occasion d'examiner dans quelle mesure l'utilisation du SF6 a chuté et si nous pouvons réussir à éviter une catastrophe potentielle.

Ce qui fait du SF6 un excellent choix de guichet unique pour étouffer les arcs électriques et isoler les systèmes électriques à haute tension, c'est sa stabilité. Généralement, il n'interagit pas facilement avec d'autres substances, ce qui lui confère des propriétés incolores, ininflammables et non toxiques. Malheureusement, ce manque de réactivité chimique signifie également qu'il peut traîner par exemple dans l'atmosphère terrestre pendant très longtemps.

Bien que le SF6 soit présent naturellement, l'écrasante majorité est produite par l'homme, pour une utilisation dans les processus industriels et la médecine, mais principalement dans les systèmes électriques à haute tension en tant que gaz diélectrique. Le but principal d'un gaz diélectrique ici est d'augmenter la tension de claquage afin que des tensions plus élevées puissent être utilisées dans moins d'espace, généralement par rapport à l'air.

Car lorsqu'un arc se produit, le but du gaz devrait également être d'éteindre l'arc, c'est là que le SF6 brille. Bien qu'une petite partie du gaz puisse être décomposée en S2F10 toxique (décafluorure de disulfure), la plupart des produits de décomposition se reformeront rapidement en SF6, ce qui en fait un choix nécessitant peu d'entretien pour les appareillages de commutation. Surtout pour les équipements qui finissent par être installés dans un endroit éloigné et relativement inaccessible, c'est une propriété très utile.

Parce que le SF6 est non toxique et a un poids moléculaire élevé, il a également trouvé une utilisation comme bâillon de fête inverse à l'hélium : là où la faible densité moléculaire de l'hélium entraîne une augmentation de la hauteur perçue lorsque l'on parle à travers un milieu rempli d'hélium, respirer SF6 abaissera considérablement la hauteur de la voix jusqu'à ce que le gaz ait été expulsé des voies respiratoires de la personne.

Un effet secondaire malheureux de l'atmosphère gazeuse de notre planète est que tous les gaz qui s'échappent du confinement ou qui sont libérés par l'activité humaine finissent par rejoindre ladite atmosphère. Le degré d'inquiétude que nous devrions avoir à ce sujet dépend du gaz en question. Lorsqu'il a été découvert que les CFC érodaient rapidement la couche d'ozone de la Terre, il a été crucial d'éliminer immédiatement tout rejet important de ce gaz. Cela a été accompli via le Protocole de Montréal, qui a vu un arrêt rapide de la plupart des utilisations des CFC.

Dans le cas du SF6, il semble juste de se demander quelle est l'étendue de la menace. Pour évaluer cela, nous pouvons examiner les données d'AGAGE. Il s'agit de l'Advanced Global Atmospheric Gases Experiment, qui suit une large gamme de gaz dans l'atmosphère. Leurs conclusions sont que la quantité de SF6 a considérablement augmenté depuis 2000, passant d'environ 4 ppt (parties par billion) à environ 10 ppt d'ici 2020, avec une augmentation linéaire devenant perceptible vers 1970. Les niveaux de troposphère préindustriels étaient d'environ 54 ppq (parties par quadrillion).

Comme plus de 80 % du SF6 produit est utilisé dans l'industrie de l'énergie électrique, il s'agit également, sans surprise, de la plus grande source de fuites. Cela est dû en grande partie à la nature distribuée, au lieu que le gaz soit utilisé dans un processus industriel étroitement surveillé, des éléments comme les appareillages de commutation sont situés littéralement dans le monde entier, dans les déserts, au sommet des éoliennes et au milieu des champs. Lors de l'installation, de la réparation ou du démantèlement, l'appareillage peut également être endommagé, le gaz SF6 s'échappant dans l'atmosphère.

Dans une étude de 2020 basée sur les résultats de l'AGAGE intitulée L'augmentation de la charge atmosphérique du gaz à effet de serre hexafluorure de soufre (SF6), Simmonds et al. couvrent les 40 dernières années de mesures. Ils notent cinq principales sources de fuite de SF6 :

Quant aux principaux pays émetteurs de SF6, ceux-ci ont été déduits des mesures comme étant principalement la Chine et la Corée du Sud en Asie de l'Est, et l'Allemagne en Europe de l'Ouest. Dans le cas de l'Allemagne, les producteurs de semi-conducteurs sont soupçonnés d'être des contributeurs majeurs.

Quant aux appareillages de commutation à haute tension isolés au gaz (GIS), ils utilisent comme mentionné plus de 80 % de la production annuelle de SF6, les GIS à moyenne tension représentant 10 % supplémentaires. Ces SIG ont généralement une durée de vie de 30 à 40 ans, et de nouveaux SIG à base de SF6 sont installés encore aujourd'hui, chacun d'entre eux subira un certain niveau de fuite pendant le fonctionnement normal en raison de la nature imparfaite des joints. Dans les industries du magnésium, de l'aluminium et des semi-conducteurs, les fuites ont été progressivement réduites au fil du temps, mais restent une source importante.

En 2018, les émissions mondiales de SF6 étaient de 9,0 ± 0,4 Gg an−1, les émissions de CO2 de 2018 étant de 33,1 Gt (33 100 000 Gg). En tenant compte du GWP beaucoup plus élevé (22800) du SF6, cela rend ses émissions de 2018 équivalentes à environ 205 200 Gg, soit 0,6 % des émissions annuelles de CO2. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un nombre étonnant, nous devons tenir compte du fait que jusqu'à présent, les émissions de SF6 augmentent d'année en année. Tout SIG à base de SF6 ou similaire installé aujourd'hui s'ajoutera à ce total pour les prochaines décennies, tout en contribuant au réchauffement climatique pendant une période plus longue que l'ère industrielle jusqu'à présent.

De toute évidence, remplacer le SF6 et l'empêcher de manière générale de fuir dans l'atmosphère est donc une bonne chose. Peut-être ironiquement, le SF6 remplaçait auparavant l'utilisation d'huile dans les appareillages de commutation en raison de substances toxiques et autrement nocives, et certains des substituts suggérés pour le SF6 ne sont eux-mêmes pas aussi bénins que ce gaz. Dans la mesure du possible, l'une des meilleures options est le vide, avec un vide poussé fournissant une isolation diélectrique très élevée.

Maintenir un vide poussé n'est pas facile, surtout pas sur des années, ce qui conduit à des alternatives allant de l'air pur, du CO2 et de diverses substances à base de fluorure. Récemment, Owens et al. (2021) en tant que chercheurs de 3M ont publié une étude sur deux alternatives au SF6 que 3M vend dans le commerce. Leurs noms commerciaux sont Novec 4710 ((CF3)2CFCN) et Novec 5110 ((CF3)2CFC(O)CF3), tous deux étant des mélanges de fluoronitrile et de fluorocétone.

L'idée est que de tels mélanges sont ajoutés au CO2 ou à l'air à l'intérieur du SIG, pour améliorer les propriétés diélectriques. Dans cette configuration, Novec 5110 avec mélange d'air semble assez décent, avec un GWP (100 ans) de <1, mais Novec 4710 avec mélange de CO2 a un GWP de 398, ce qui est mieux, mais pas génial. Le SF6 a également montré une meilleure performance globale par temps froid, jusqu'à -38 °C, contre -27 °C pour le Novec 4710/CO2 et 0 °C pour le Novec 5110/air.

Cela met en évidence la complexité du remplacement du SF6 dans les applications SIG, car chaque partie d'un réseau électrique a des plages de température différentes et d'autres facteurs qui rendraient une alternative particulière au SF6 plus attrayante. Le SF6 étant relativement bon marché, universellement applicable et son utilisation jusqu'à présent sans entrave dans l'industrie de l'électricité - même dans le cadre des réglementations européennes sur les gaz fluorés - il n'est pas étonnant que le marché du SF6 continue de croître d'année en année.

Les gaz fluorés ont en commun qu'ils ont tendance à être fabriqués par l'homme, populaires dans l'industrie et d'autres applications, et qu'ils ont un GWP élevé. Ils comprennent les HFC, les PFC, le SF6 et le NF3. Parmi ceux-ci, les HFC sont populaires dans la réfrigération, où ils remplacent les CFC précédemment populaires, ainsi qu'un certain nombre d'autres gaz. Par leur production, leur utilisation et leur démantèlement éventuel, une quantité importante de ces gaz se retrouve dans l'atmosphère, où ils contribuent au spectre du réchauffement climatique anthropique.

Au vu de la popularité de ces gaz, de la difficulté à trouver des substituts et de la volonté de produire de plus en plus de réfrigérateurs, d'éoliennes et de systèmes d'alimentation distribués de moins en moins chers, il semble peu probable que nous assistions à un changement majeur ici. Pendant ce temps, chaque jour voit de plus en plus de SIG et de parents basés sur le SF6 installés dans la ruée mondiale pour décarboner et étendre le réseau électrique, où ils continueront d'être un problème pour les décennies à venir.

Bien que ce soit une perspective peut-être déprimante, un certain espoir peut être tiré de la façon dont le monde s'est réuni pour bannir les CFC alors qu'il était clair qu'ils constituaient une menace existentielle pour toute vie sur cette Terre. En espérant que nous pourrons le faire encore quelques fois.