Hướng tới giảm phát thải khí nhà kính: Sự cần thiết phải thay thế khí SF6 trong thiết bị điện

Nhờ những đặc tính ưu việt về độ cách điện, tính ổn định hóa học và khả năng dập hồ quang hiệu quả, khí SF6 là lựa chọn lý tưởng cho nhiều thiết bị điện nhằm giảm kích cỡ vật lý. Tuy nhiên, việc sử dụng khí SF6 tiềm ẩn nguy cơ phát thải khí nhà kính mạnh hơn rất nhiều so với CO2, buộc các nhà nghiên cứu phải tìm cách thay thế loại khí này để hướng tới mục tiêu Net Zero. 

Về khí SF6

Sulfur Hexafluoride (SF6) là một khí nhân tạo, được sử dụng rộng rãi trong ngành điện lực như khí cách điện và dập hồ quang cho các thiết bị điện: máy cắt, GIS (Gas Insulated Switchgear), RMU, bộ ngắt mạch,... Do tính chất ổn định điện môi rất cao, không cháy, không độc và khả năng dập hồ quang vượt trội, SF6 đã trở thành tiêu chuẩn trong các ứng dụng điện cao áp kể từ giữa thế kỷ 20.

Tuy nhiên, đây lại là một trong những khí nhà kính có GWP (Global Warming Potential) cực kỳ cao, khiến chúng trở thành đối tượng quan ngại trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

Các tính chất kỹ thuật khiến SF6 được sử dụng rộng rãi:

• Độ cách điện rất cao: Ở điều kiện thường, SF6 có độ bền điện môi cao hơn từ 2,5 - 3 lần so với không khí, thậm chí tính chất này còn tăng gấp nhiều lần khi được nén ở áp suất thích hợp. Qua đó có thể giảm đáng kể kích thước các thiết bị như trạm biến áp, thiết bị đóng cắt. 
• Tính ổn định hóa học: SF6 là khí trơ trong nhiều điều kiện làm việc nên sẽ không phản ứng với bất kỳ vật liệu nào trong các thiết bị. SF6 cũng có khả năng tự tái tạo sau khi phân rã tạm thời để dập hồ quang. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của SF6 trong môi trường kín cũng như tuổi thọ thiết bị. 
• Khả năng dập hồ quang hiệu quả: SF6 có tính chất âm điện. Ngay khi hồ quang điện xuất hiện trong quá trình cắt mạch của máy cắt, SF6 lập tức hấp thụ năng lượng của hồ quang, khiến tia lửa điện bị dập tắt nhanh chóng, đảm bảo tính an toàn trong quá trình đóng/ngắt dòng điện lớn.
• Không cháy, không dẫn điện: Ở dạng nguyên chất, SF6 không mùi, không cháy, không dẫn điện nên phù hợp với thiết bị điện trong môi trường đóng gói kín.

Tác động môi trường của SF6

Mặc dù không độc và an toàn trong sử dụng nhưng SF6 lại có:

• GWP ≈ 23.500 (100 năm): Tức là 1 kg SF6 gây hiệu ứng nhà kính tương đương ~23,5 tấn CO₂ trong cùng chu kỳ.
• Tuổi thọ trong khí quyển ~3.200 năm: Lâu hơn hầu hết các khí nhà kính khác.

Điều này có nghĩa là một lượng nhỏ rò rỉ SF6 cũng gây ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng nhà kính, góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong khi thực tế, các thiết bị điện lớn chứa hàng chục đến hàng trăm kg SF6, nên mức rò rỉ dù chỉ từ 1–2% mỗi năm cũng tương đương phát thải CO₂ rất lớn.

Tỷ lệ khí SF6 trong khí quyển

Theo Báo cáo Kiểm kê Quốc gia năm 2019 của Liên Hợp Quốc, lượng khí thải SF6 ở EU-28 (hiện là EU-27), chỉ riêng trong năm 2017, là 286 tấn, trong đó có đến 68 tấn SF6 (tương đương 2 triệu tấn CO₂) đến từ lượng khí thải vận hành rò rỉ trong thiết bị điện. 

Nguy cơ khi tiếp tục sử dụng SF6

Việc sử dụng khí SF6 làm môi trường cách điện cho khả năng gia tăng tuổi thọ của thiết bị lên từ 2 - 3 lần nhưng việc tiếp tục sử dụng khí nhà kính này tiềm ẩn nhiều rủi ro đối với môi trường và sức khỏe con người. 

Rò rỉ trong quá trình vận hành

• Đường ống, mối nối, van và thiết bị không phải lúc nào cũng duy trì độ kín 100%.
• Các chu trình bảo trì, thay thế thiết bị có thể tạo ra rò rỉ hoặc thải SF6 ra môi trường nếu không được thu hồi đúng quy trình.

Thải ra trong bảo dưỡng và tháo dỡ

• Bảo trì, thay thế thường yêu cầu tách khí SF6 ra khỏi thiết bị.
• Nếu không có hệ thống xử lý/thu hồi khí chuyên dụng, SF6 có thể thoát trực tiếp vào khí quyển.

Quy mô vấn đề 

Với việc điện lực mở rộng, nhu cầu về thiết bị điện khí SF6 toàn cầu ngày càng tăng, đồng nghĩa với tích lũy khí SF6 trong khí quyển cũng tăng theo. Đây là xu hướng cần dừng và đảo ngược càng sớm càng tốt để đảm bảo mục tiêu Net Zero 2050 được thực hiện trọn vẹn ở quy mô toàn cầu. 

Trước những lo ngại về tác động tiêu cực ngày càng tăng của SF6 đến biến đổi khí hậu, Liên minh Châu Âu (EU) đã thông qua Quy định về khí F 2024/573, nhằm mục đích cắt giảm mạnh lượng khí SF6 và hướng tới các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn. 

Lộ trình cắt giảm SF6 tại EU được thực hiện như sau: 

• 01/01/2026: SF6 bị cấm sử dụng trong các thiết bị đóng cắt điện áp trung thế mới (lên đến 24 kV).
• 01/01/2028: SF6 bị cấm sử dụng trong thiết bị đóng cắt điện cao áp mới (52–145 kV, ≤50 kA).
• 01/01/2030: SF6 bị cấm sử dụng trong thiết bị đóng cắt điện áp trung thế mới (24–52 kV).
• 01/01/2032: SF6 bị cấm sử dụng trong thiết bị đóng cắt điện cao áp (>45 kV).
• 01/01/2035: Cấm hoàn toàn việc lắp đặt thiết bị đóng cắt SF6 mới (với một số ngoại lệ hạn chế).

Điểm quan trọng trong quy định này là các thiết bị SF6 hiện có không yêu cầu phải thay thế ngay lập tức mà có lộ trình cụ thể để các ngành công nghiệp thích ứng dần và không gây ra sự gián đoạn lớn. 

Các giải pháp thay thế SF6

Trong vài năm gần đây, lĩnh vực thiết bị điện đã nghiên cứu và ứng dụng nhiều giải pháp thay thế SF6 mà vẫn đảm bảo hiệu quả kỹ thuật:

Khí thay thế (SF6-free gases)

Các hỗn hợp khí được phát triển với mục tiêu:

• Giảm đáng kể GWP.
• Duy trì hiệu điện môi tương đương SF6.

Ví dụ:

• Hỗn hợp khí CO₂ – O₂ – N₂ với phụ gia để cải thiện đặc tính cách điện.
• Hỗn hợp fluorocarbon thấp GWP (vd. C5-PFK, Novec™ n5110).

Ưu điểm: GWP thấp hơn SF6 rất nhiều, nhiều loại đạt <1.

Hạn chế: Một số cần áp suất vận hành cao hơn, chi phí thiết kế/lắp đặt cao hơn, hiệu suất dập hồ quang đôi khi thấp hơn SF6.

Thiết bị không khí/không khí nén

• Dùng không khí hoặc không khí được xử lý (dry air, compressed air) như môi chất cách điện/dập hồ quang.
• Phù hợp với các mức điện áp trung và cao ở một số ứng dụng.

Vật liệu rắn cách điện & dập hồ quang

• Phát triển vật liệu polymer, composite chịu áp lực và nhiệt tốt.
• Tích hợp kỹ thuật dập hồ quang bằng cơ học, không khí hoặc chân không.

Công nghệ chân không (Vacuum)

• Thiết bị dập hồ quang chân không không sử dụng khí SF6.
• Thường dùng cho mức điện áp trung bình và đang mở rộng sang ứng dụng cao hơn.

So sánh SF6 và các giải pháp thay thế

Tiêu chí	SF6	Hỗn hợp khí thay thế	Không khí/Chân không
Hiệu điện môi	Rất cao	Tương đương/cải thiện	Thấp hơn SF₆
GWP (mức 100 năm)	~23.500	Thấp rất nhiều (<1 đến vài trăm)	~1 (không khí)
Hiệu quả dập hồ quang	Xuất sắc	Tốt đến rất tốt	Tốt (chân không – rất tốt)
An toàn vận hành	An toàn (không độc)	Tương tự	Tương tự
Chi phí hệ thống	Hiện có, tiêu chuẩn	Cao hơn (đầu tư ban đầu)	Biến thiên theo thiết kế
Quy trình bảo trì	Phải thu hồi khí	Tương tự nhưng ít rủi ro	Ít khí nhà kính

Lợi ích của việc thay thế SF6

Giảm phát thải khí nhà kính

• Giảm hàng triệu tấn CO₂ tương đương mỗi năm nếu loại bỏ SF6 khỏi thiết bị điện.
• Hỗ trợ các mục tiêu cam kết quốc gia về khí nhà kính (Net Zero 2050).

Giảm rủi ro pháp lý và chi phí tuân thủ

• Một số quốc gia/khối kinh tế đang siết chặt quy định về sử dụng SF6, điển hình như EU.
• Thay thế sớm giúp tránh phạt, mất thị phần hoặc chi phí tái thiết bị sau này.

Tăng hiệu quả, đổi mới kỹ thuật

• Áp lực thay thế thúc đẩy R&D về vật liệu cách điện, giải pháp dập hồ quang hiệu quả.
• Tăng tính cạnh tranh cho ngành thiết bị điện.

Mặc dù SF6 đã thực hiện tốt vai trò trong kỹ thuật điện lực với những ưu điểm về cách điện và dập hồ quang nhưng tác động đến môi trường của loại khí này là không thể bỏ qua — với GWP cực cao và tuổi thọ dài trong khí quyển. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp như hiện nay, giảm phát thải khí nhà kính là ưu tiên chiến lược toàn cầu. Do đó, việc thay thế SF6 bằng khí/vật liệu khác là điều tất yếu, vừa để giảm phát thải, vừa để thích ứng với yêu cầu kỹ thuật và pháp quy mới.

Tất nhiên, quá trình này đòi hỏi đầu tư, chuẩn hóa kỹ thuật và đào tạo vận hành phức tạp nhưng lợi ích lâu dài về môi trường và kinh tế là rất lớn và bền vững.