Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR a VŠCHT se ve spolupráci s nadnárodní americkou společností Eaton podařilo vyvinout funkční prototyp rozvaděče středního napětí, který obsahuje náhradu za plyn SF6. Na tomto velmi prestižním projektu se mohli čeští akademici podílet díky výstupům z kvalitního a dlouhodobě vedeného základního výzkumu v oblasti molekulární fyziky.
Máme know-how, vybavení a publikujeme výsledky naší práce v odborných titulech, a to je důvod, proč se na nás Eaton obrátil,“ říká v rozhovoru ke spolupráci na projektu vývoje prototypu rozvaděče středního napětí využívajícího náhradu za skleníkový plyn fluorid sírový Juraj Fedor, vedoucí projektu a vedoucí Oddělení dynamiky molekul a klastrů Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.
Fluorid sírový (SF6) se používá jako izolační plyn v elektrárnách a rozvodnách po celém světě desítky let. Proč mu tedy nyní zvoní hrana? Velkou předností tohoto plynu jsou jeho izolační vlastnosti, dokáže velmi dobře zabránit vzniku elektrického výboje. Tím však jeho pozitiva končí. Jde totiž také o plyn s největším známým potenciálem globálního oteplování, kdy 1 kg SF6 vypuštěný do ovzduší má vliv na globální oteplování jako vypuštěných 23 tisíc kg CO2. I když se plynu SF6 dostává do atmosféry řádově méně a ke globálnímu oteplování přispívá pouze z 0,2—0,3 %, je jeho používání v současnosti zakázáno s jedinou výjimkou. Tou je využití ve vysokonapěťových izolacích. Tuto výjimku má proto, že k němu zatím neexistuje alternativa. Neznáme žádný jiný plyn, který by elektricky izoloval tak dobře jako právě SF6. Do určitých hodnot napětí se spínače mohou izolovat kapalnými dielektriky, ale pro vysoké napětí je nezbytné používat izolační plyn. EU počítá s tím, že v roce 2022 přijme legislativní opatření k absolutnímu zákazu tohoto plynu na základě výsledků výzkumu, v Kalifornii už mají jasně definovány roky, kdy k zákazu dojde. Existuje tedy legislativní tlak na to, aby se našla za SF6 náhrada. To byl vlastně i náš úkol.
V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského se věnujete zejména molekulární fyzice. Čím jste společnost Eaton zaujali, že vás do svého projektu přizvala? Klíčem k úspěchu byl jednoznačně náš základní výzkum. Máme zde několik aparatur postavených na to, abychom zkoumali vlastnosti elektron-molekulových srážek, pohybujeme se tedy v oblasti kvantové fyziky. Dalo by se říci, že zde děláme něco podobného jako vědci ve švýcarském CERN. Nám k tomu ovšem stačí nízké energie, a proto může být naše zařízení daleko menší. V červnu roku 2015 otevřela nadnárodní americká společnost Eaton v Roztokách u Prahy své inovační centrum a jeden z jejich projektů byl zaměřený právě na vývoj vysokonapěťového spínače, naplněného jiným plynem než SF6.
Mezinárodní tým inženýrů tam tvoří různé počítačové simulace a k práci na tomto projektu potřebovali přesná data o tom, co se stane, když elektron narazí do molekuly. Náš výzkum jim nebyl neznámý, a tak nás v roce 2016 společnost kontaktovala a nabídla nám spolupráci na vývoji takového zařízení. Po prvotním krátkém „oťukávání“ jsme společně zažádali o společný projekt Náhrada plynu SF6 v rozvaděčích u TAČR [Technologická agentura České republiky – pozn. red.], který byl přijat v rámci veřejné soutěže v Programu na podporu aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje Epsilon. Hlavním žadatelem a řešitelem byla firma Eaton a my jsme spolu s VŠCHT byli vedeni jako spoluřešitelé. Po schválení poskytl TAČR na projekt všem třem subjektům dotaci 20 milionů korun a v listopadu 2017 jsme mohli začít pracovat. Akademický tým byl složený z osmi lidí, přičemž čtyři byli od nás a čtyři z VŠCHT.
Pro vás jako akademika to byla určitě velká zkušenost. Jak se vám s nadnárodní americkou firmou na výzkumu spolupracovalo? Ano, zkušenost to byla opravdu veliká, protože práce, a hlavně vedení projektu probíhaly úplně jinak, než na co jsme byli zvyklí ze základního výzkumu. Projekt měl hlavního manažera z Eatonu, každých 14 dnů jsme měli pravidelné meetingy a jednou za měsíc se odevzdával písemný report. V soukromé sféře je to běžné, v té akademické panuje určitě větší svoboda, protože třeba pro GAČR nebo TAČR reportujeme většinou jednou ročně. Tím, že jsme byli v tak intenzivním kontaktu, probíhala zároveň velmi striktní kontrola toho, co přesně děláme, a hlavně jak postupujeme vpřed. Velký rozdíl byl také ve stanovení milníků. Popsal bych to tak, že v akademickém světě se v průběhu základního výzkumu hledá cesta a slepé uličky, které nás na čas zaměstnají, nejsou žádnou výjimkou. Při spolupráci s Eatonem jsme však měli předem stanovené klíčové body projektu, kterých jsme museli v určitý čas dosahovat. S tím pak souvisel i kvartální velký meeting, kdy jsme se setkali s lidmi z celého Eatonu napříč světem, a na něm jsme prezentovali naše pokroky a stanovovaly se přesné plány na další období včetně dalších klíčových bodů.
Čím konkrétně se tedy Ústav fyzikální chemie v rámci spolupráce zabýval? Náš tým se věnoval dvěma oblastem. V rámci první jsme mohli hodně čerpat právě z našeho základního výzkumu o srážkách molekul s elektrony. Experimentovali jsme s plyny, o nichž jsme uvažovali jako o náhradě za SF6, a zjišťovali jsme, co se s nimi při srážkách děje. Druhou oblastí, v níž jsme ovšem museli začít úplně od začátku, byly experimenty zaměřené na plazmochemii. Náhradní plyn musel splňovat mnoho různých požadavků, z nichž jedním bylo i to, že bude při spínání odolávat chemickým změnám při parciálních výbojích. V tomto případě jsme tedy urychlovali stárnutí plynů za pomoci silnějších výbojů a následně prováděli chemickou analýzu jejich složení. K tomu nám sloužila infračervená spektroskopie, kterou jsme upravovali tak, abychom byli schopni určit i stopové množství toxických plynů ve vzorcích, a hmotnostní spektrometrie, díky které je možné zjistit molekulární hmotnosti ve vzorcích.
Můžete prozradit, jaké plyny jste testovali a který vyhrál? Jsme samozřejmě vázáni smlouvami o mlčenlivosti, takže nebudu moci být úplně konkrétní, pokusím se vám však odpovědět alespoň částečně. Momentální stav hledání náhrady za SF6 je takový, že vývoji se věnuje mnoho subjektů, ať už z akademické, nebo soukromé sféry. Několik vědeckých skupin provedlo před časem screening, kdy z databáze stovek známých plynů vytipovali i za pomoci strojového učení zhruba deset plynů, které bychom mohli nazvat jako horké kandidáty. Jednalo se například o plyny Novec 4710 (fluorovaný nitril), Novec 5110 (fluoroketon), HFO-1234ze, HFO-1234yf či HFPO. Když jsme pak začali pracovat na projektu my a VŠCHT, udělala univerzita za pomoci softwarového nástroje další analýzu a ze jmenovaných deseti kandidátů vybrala dva nejslibnější: Novec 4710 a Novec 5110. Měli jsme tedy dva plyny, avšak před sebou také jeden zásadní problém. Ani jeden z nich se nemůže ve spínačích používat samotný, protože při nízkých teplotách jeden i druhý zkapalňují. To jsou jejich fyzikální vlastnosti, které nelze změnit. Spínač by tedy fungoval jenom do jisté spodní hranice teploty. Řešením je, že se plyn používá ve směsi s jinými plyny, jejichž názvy už prozradit nemohu. Naším úkolem bylo nalézt ideální poměr koncentrace všech plynů tak, aby výsledná směs splňovala všechny potřebné podmínky pro užití ve spínačích.
Když jste dokázali nalézt odpovědi na všechny tyto otázky, co se dělo dál? Všechna data jsme předávali do českého Eatonu, kde paralelně s naším výzkumem upravovali svůj software tak, aby s nimi mohli pracovat při počítačových simulacích. Tam pak také vyvíjeli geometrii spínače a konstruovali digitální prototypy. Protože tam ale nejsou zařízení na stavbu fyzického prototypu, postavila nám jej pobočka v Holandsku. Designem vychází z existujícího zařízení společnosti a je velké zhruba jako středně velká skříňka z IKEA. Prototyp se poté přivezl zpět do Prahy, kde jej poté outsourcovaná firma Kema Laboratories týden testovala ve svých vysokonapěťových laboratořích. Jako první se zkoušela vakuová těsnost, pak teprve mohly přijít na řadu testy s naší směsí. Tyto zkoušky ukázaly, že je náš prototyp zcela funkční a splňuje vše, co má splňovat. Tři roky práce byly tedy úspěšně završeny odměnou v podobě zařízení, které je možné po splnění certifikací a dalších administrativních záležitostí prakticky pustit na trh.
Kam lze toto zařízení nasazovat? Do každé elektrárny či rozvoden v zemích, kde bude legislativa omezovat používání SF6, což bude v blízké budoucnosti americký stát Kalifornie a velmi pravděpodobně EU a Čína. Můj odhad je, že na trh se produkt může dostat v řádu jednotek roků. Nutno však podotknout, že naše zařízení určitě nebude jediné. Každá firma dodávající tyto elektrické komponenty si totiž dělá svůj vlastní výzkum a řešení náhrad SF6 tak může být více. Na trhu se tak v blízké budoucnosti objeví určité množství řešení a já si dokonce myslím, že žádný náhradní plyn nebude stoprocentním vítězem. Každá firma si najde svou směs, kterou bude ve svých produktech používat. Může se ale také stát, že se jedna z těch směsí ukáže natolik ideální, že na ni časem přejdou všichni výrobci. Kdo ví. /Kristina Kadlas Blümelová/