Il CO₂ supercritico può sostituire il gas SF6 nei interruttori di alta tensione?

Negli ultimi anni i ricercatori hanno cercato un’alternativa più ecologica al gas SF6, usato da decenni per spegnere gli archi elettrici nei trasformatori e negli interruttori. La risposta sembra arrivare dal supercritico anidride carbonica, o scCO₂, una fase della CO₂ che combina le proprietà di un liquido e di un gas quando è compressa oltre 7,38 MPa e riscaldata sopra 31 °C. In questa condizione, lo scCO₂ trasporta calore molto velocemente, resiste a rotture elettriche e si comporta come un isolante robusto. Gli studi mostrano che la distanza media tra le collisioni di elettroni (mean free path) è ottimale per limitare la formazione di archi, mentre la capacità di dissipare energia termica riduce il tempo di spegnimento. Un prototipo di interruttore a corrente alternata da 72 kV, alimentato da scCO₂, ha dimostrato tempi di arco più brevi e una resistenza dielettrica comparabile a quella del SF6, ma con un impatto ambientale quasi nullo. Inoltre, mescolare lo scCO₂ con altri fluidi supercritici può migliorare ulteriormente le prestazioni, aprendo la strada a sistemi di distribuzione elettrica più sostenibili. Se questi risultati si confermeranno su scala industriale, potremmo assistere a una rivoluzione verde nei network elettrici, dove l’energia viaggia più pulita e sicura.

Il comportamento del CO₂ supercritico deriva dalla sua densità elevata (≈ 0.5 g cm⁻³) e dalla bassa viscosità (≈ 0.02 cP), che consentono un rapido scambio termico. Dal punto di vista elettrico, la costante dielettrica dello scCO₂ è circa 1.1, molto più bassa del SF6 (≈ 2.5), ma la sua alta densità aumenta la probabilità di collisioni ionizzanti, riducendo la lunghezza di percorso libero medio degli elettroni. Questo porta a una maggiore probabilità di assorbimento dell’energia dell’arco e a una più rapida formazione di specie chimiche neutre che spengono l’arco. Inoltre, la capacità termica specifica (≈ 0.85 kJ kg⁻¹ K⁻¹) permette di assorbire rapidamente il calore generato, evitando il surriscaldamento locale. Le simulazioni CFD‑EM mostrano che, per una pressione di 10 MPa e temperatura di 40 °C, lo scCO₂ può gestire correnti di arco fino a 10 kA con tempi di spegnimento inferiori a 5 ms, valori competitivi rispetto al SF6. Le misure sperimentali di breakdown voltage indicano una resistenza dielettrica di circa 30 kV mm⁻¹, con una variazione marginale al variare della composizione del fluido. L’aggiunta di piccole frazioni di perfluorocarburi (≤ 5 %) può aumentare la costante dielettrica senza compromettere la biodegradabilità, offrendo un compromesso tra performance e impatto ambientale. Infine, la gestione del ciclo di vita del fluido è semplificata: lo scCO₂ può essere riciclato mediante compressione e raffreddamento, riducendo i costi operativi e le emissioni di gas serra.