تحليل أثر الكربون مقابل تحليل التكلفة الإجمالية للملكية لتصميم محولات الطاقة

1. نظرة عامة

بسبب الاحتباس الحراري، أصبح تقليل انبعاثات غازات الدفيئة قضية حاسمة. يشكل خسارة جزء كبير من أنظمة نقل الطاقة من محولات الطاقة. لتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة في الأنظمة الكهربائية، يجب تركيب محولات أكثر كفاءة. ومع ذلك، غالباً ما تتطلب المحولات الأكثر كفاءة مواد تصنيع أكثر. لتحديد نسبة الخسارة المثلى وسعر التصنيع للمحولات، تعتبر طريقة ملكية الكلفة الكلية (TCO) الممارسة الصناعية المعيارية. تعتبر صيغة TCO سعر الشراء (PP) وتكلفة الخسائر خلال فترة الحياة المخططة للمنتج (PPL). هذه الطريقة تأخذ بعين الاعتبار سعر الخسائر من خلال عوامل رأس المال (A، B).

ومع ذلك، تعتبر هذه الطريقة فقط التكاليف الكهربائية المباشرة للمحولات خلال فترة الخدمة المخططة لها. لا يتم النظر في التأثيرات غير المباشرة المتعلقة بالموارد البيئية والبنية التحتية للتصنيع والتثبيت وأنظمة الدعم. على سبيل المثال، غالبًا ما يتم تجديد هذه المنتجات الكهربائية وإعادة استخدامها بعد التقاعد. على سبيل المثال، يمكن إعادة تدوير 73٪ من المواد المستخدمة في محولات الطاقة، ويمكن زيادة هذا النسبة عند استخدام زيت العزل القائم على الأسترات الطبيعية. لا يتم أخذ فوائد إعادة التدوير وإعادة التصنيع في الاعتبار.

يعتبر الأثر الكربوني مقياسًا آخر لتحديد الأثر البيئي للمعدات الكهربائية خلال فترة خدمتها. حاليا، لا يوجد طريقة مقبولة بشكل واسع لحساب الأثر الكربوني للمعدات الكهربائية. غالبًا ما تنتج أدوات الحساب المختلفة نتائج مختلفة بشكل كبير. تقترح هذه الورقة طريقة تحليل للأثر الكربوني وتطبقها على تحسين المحولات. يتم مقارنة المحولات الناتجة بتلك المستندة إلى طريقة TCO.

2. طريقة ملكية الكلفة الكلية

تمثل صيغة TCO تكلفة دورة حياة المنتج من الشراء حتى التقاعد النهائي. مصطلح آخر شائع الاستخدام هو تكلفة دورة الحياة (LCC). الهدف الرئيسي هو مقارنة المحولات على أساس متساوٍ لاتخاذ قرارات الشراء. الشكل المعياري لطريقة TCO خلال مرحلة المناقصة هو كالتالي:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

حيث A هو معامل الخسارة بدون الحمل (€/kW)، B هو معامل الخسارة تحت الحمل (€/kW)، PNLL (kW) هي الخسارة بدون الحمل للمحول خلال حياته بأكملها، وPLL (kW) هي الخسارة تحت الحمل للمحول خلال حياته بأكملها.

من وجهة نظر شركات الطاقة أو المستخدمين الصناعيين والتجاريين، تختلف حسابات TCO أيضًا. تشمل إجراءات تقييم خسارة محولات الطاقة لدى شركات الطاقة فهم وتقييم الكلفة الكلية لتوليد ونقل وتوزيع المحولات، مما يؤدي إلى صيغ حسابية معقدة. من ناحية أخرى، تتطلب إجراءات تقييم خسارة محولات الطاقة لدى المستخدمين الصناعيين والتجاريين فهم وتقييم أسعار الكهرباء خلال فترة الاستخدام المخططة للمحول.

A. تفاصيل سيناريو التحليل

تم حساب المعاملات (A، B) لمحول طاقة بقدرة 16MVA متصل بمصنع طاقة شمسية (الشكل 1). استخدمنا طريقة معيارية لتحديد قيم A وB في حساباتنا.

لهذا الغرض، من الضروري حل المعادلة التالية:

3. تحليل الأثر الكربوني

هدفنا هو إنشاء منهجية لتحديد ومقارنة الأثر الكربوني الأمثل (CF) لمحولات الطاقة. "يقيس CF الكمية الإجمالية لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تسببها نشاط مباشرة أو بشكل غير مباشر أو تتراكم خلال دورة حياة المنتج." يمكن أن يمثل أيضًا الكمية الإجمالية لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) وغيرها من غازات الدفيئة (GHG) المرتبطة بالمنتج. يعتبر CF مجموعة فرعية من البيانات التي تغطيها التقييم الشامل لدورة الحياة (LCA). LCA هي منهجية معيارية دولية (ISO 14040، ISO 14044) تُستخدم لتقييم الأعباء البيئية واستهلاك الموارد خلال دورة حياة المنتج. لذلك، يعتبر CF تقييمًا لدورة الحياة محدودًا فقط بالإصدارات التي تؤثر في تغير المناخ.

هناك طريقتان أساسيتان لحساب CF: التحليل القائم على العملية من الأسفل إلى الأعلى (PA) أو التحليل المدخلات والمخرجات البيئي الممتد من الأعلى إلى الأسفل (EIO). يعتبر التحليل القائم على العملية (PA) منهجية من الأسفل إلى الأعلى تأخذ بعين الاعتبار الأثر البيئي للمنتج الفردي من الإنتاج إلى التخلص. يستند التحليل المدخلات والمخرجات البيئي (EIO) إلى منهجية من الأعلى إلى الأسفل لتقدير CF.

يوفر خوارزمية السمات المنتجية للأثر (PAIA) طريقة عالمية لحساب الأثر الكربوني لأنواع مختلفة من المنتجات الكهربائية مثل الأجهزة الإضاءة والأجهزة الكهربائية الدوارة وما إلى ذلك. تحسب هذه الطريقة الأثر الكربوني للمحركات أثناء مراحل التصنيع والتشغيل وإعادة التدوير. ومع ذلك، لم يتم بعد تطبيق طريقة PAIA لتقييم الأثر الكربوني لمحولات الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، عادة ما يتم مقارنة تصاميم الأثر الاقتصادي لتصميمات موجودة تم اختيارها بشكل تعسفي (الشكل 2)، بدلاً من مقارنة محولين تم تصميمهما بشكل مثالي. بسبب عمر الخدمة الطويل لمحولات الطاقة، تتطلب تكاليف الصيانة المرتبطة بالاستبدال الروتيني أجزاء إضافية وتوقف مخطط له. جميع هذه التكاليف لا تدرج في مرحلة المناقصة. بعد تنفيذ مبادئ الثورة الصناعية الرابعة - الصيانة التنبؤية - يمكن حساب هذه التكاليف من بداية تصميم المعدات.

3.1 عوامل رأس المال

لهذا الغرض، تكون عوامل رأس المال كما يلي:

حيث يمثل r معدل الخصم للاستثمار. عادةً ما يتراوح هذا المعدل بين 5-10٪، وقمنا باختيار 6.75٪ لحساباتنا. في هذه الحالة، المتوقع أن يكون عمر المحول (t) 25 عامًا. في المعادلة (4)، يمثل p استهلاك الكهرباء السنوي لكل كيلوواط من الطلب الأقصى. معامل الطلب يمثل نسبة الطلب الأقصى إلى السعة المقننة للمحول (0.65). معامل استرداد رأس المال (f) يظهر الكلفة المستقبلية الإجمالية للدفوعات السنوية المحسوبة بالعملة الحالية. سعر الكهرباء الحالي في أوروبا الوسطى هو 0.05 يورو (€/كيلوواط ساعة). معامل خسارة الحمل (LLF) محدد كنسبة القوة المتوسطة الضائعة على مدى فترة زمنية إلى الخسارة عند وقت الذروة. معامل الحمل (LF) هو الحمل المتوسط للمحول على مدار دورة حياته، معبّرًا عنه كنسبة مئوية مكافئة للحمل المتوسط إلى الحمل الأقصى. في حالتنا، بالنسبة لمصانع الطاقة الشمسية، LF=25٪، وبالتالي LLF يساوي 0.15625 (الشكل 1).

من خلال المعادلات (4،5)، يمكن حساب عوامل التمويل (A، B). في المعادلات (4،5)، يمثل العامل 8760 ساعات التشغيل السنوية للمحول. في المعادلة (B)، يتم حساب تكلفة خسارة الحمل. من بين جميع المحولات، يعتبر المحول الأكثر فعالية من حيث التكلفة والطاقة هو الذي يقلل من TCO (الشكل 2).

أ. دالة هدف تحليل بصمة الكربون

وبشكل مشابه لصيغة TCO، يمكن تقديم دالة هدف لتقييم بصمة الكربون (CF) للمحولات الكهربائية:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

حيث يمثل TCO2 البصمة الكربونية المحسوبة (غرام)، وBCP البصمة الكربونية المحسوبة أثناء عملية تصنيع الجهاز. A* وB* هما عوامل التمويل لحساب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (كجم/كيلوواط) خلال فترة الخدمة المخططة للمحول.

لحساب هذه العوامل التمويلية المماثلة، تم النظر في ثلاثة غازات الدفيئة (GHG): ثاني أكسيد الكربون (CO2)، والميثان (CH4)، وأكسيد النيتروز (N2O) لكل نوع من الوقود المستخدم في الشبكة الكهربائية. وهذا لأن، إذا قمنا بحساب باستخدام الانبعاثات الصفرية من محطات الطاقة الشمسية، فإن المحول الناتج سيكون نظريًا بأقل كتلة وأكبر خسائر. يتم تحويل انبعاثات الميثان وأكسيد النيتروز إلى انبعاثات مكافئة لثاني أكسيد الكربون عن طريق ضربها بمعاملات إمكانية الاحتباس الحراري الخاصة بها (I):

حيث ei هو عامل الانبعاث بوحدات (طن CO2/ميجاواط ساعة)، بينما eCO2,i، eCH4,i وeN2O,i هم عوامل الانبعاث لثاني أكسيد الكربون، والميثان، وأكسيد النيتروز على التوالي لنوع الوقود المدروس (i)، كلها بوحدات (طن/جيجا جول). يستخدم العامل 0.0036 لتحويل الجيجا جول إلى الميجاواط ساعة. بالنسبة لنوع الوقود i، يمثل ni كفاءة تحويل الوقود i في نظام النقل (بالنسبة المئوية %)، ويمثل λi نسبة خسارة الطاقة لنوع الوقود i في نظام النقل. يستخدم هذا البحث λi = 8٪ لحسابات كل نوع من الوقود.

باستخدام بيانات هيكل الطاقة لشبكة الكهرباء الهنغارية، تم حساب القيم A*=425 كجم CO2/كيلوواط وB*=66.5 كجم CO2/كيلوواط.

4 نموذج المحول

يعتمد نمذجة المحول الكهربائي على الجزء الفعال ذو اللفائف الثنائية المبسط (القلب واللفائف). يتم استخدام هذا النهج بشكل واسع في مراحل تحسين التصميم الأولية لأن أبعاد الجزء الفعال تحدد حجم المحول الكلي. يتم نمذجة الخصائص الهندسية والكهربائية للمحول باستخدام معلمات تصميم رئيسية. يتم قبول هذه الافتراضات على نطاق واسع في الصناعة، مما يوفر دقة كافية في تقدير خسائر النحاس والقلب مع تبسيط كبير لمختلف التكوينات الممكنة للقلب واللفائف.

يحدد نموذج المحول الأولي حدود الجزء الفعال الرئيسي بوضوح، وهو كافٍ لحسابات التكلفة في المرحلة الأولى. يسرع فهم هذه المعلمات التصميمية العمل المهندسين، ويمكن تحديد المعلمات التفصيلية للتصميم باستخدام الممارسات القياسية (الشكل 2). تستخدم شركات تصنيع المحولات في أوروبا وأمريكا طرق التحسين القائمة على البحث الاستقرائي في الممارسة العملية.

5 البحث الاستقرائي

يعتمد نموذج المحول على البرمجة الهندسية التي يتم حلها بواسطة خوارزميات البحث الاستقرائي لمعالجة النموذج الرياضي لمشكلة تحسين التصميم الأولي. عاملان يحددان التفوق في حلقات البرمجة الهندسية. أولاً، حلقات GP الحديثة القائمة على نقطة داخلية سريعة وقوية. ثانياً، قواعد نمذجة البرمجة الهندسية تضمن أن الحل الناتج هو الأمثل عالمياً. يجب أن يتم تمثيل تعابير القيود المتساوية وغير المتساوية باستخدام صيغ رياضية خاصة تسمى الأحاديات (10) والمتعددات (11).

حيث ck>0، ومعاملات α هي أعداد حقيقية، ويجب أن تكون قيم متغيرات x موجبة. يمكن صياغة مشكلة تحسين التكلفة للمحولات الكهربائية ذات الغلاف في شكل هندسي خاص. ومع ذلك، لا يمكن تطبيق هذا الأسلوب الرياضي لتحسين التكلفة على المحولات الكهربائية ذات القلب لأن المحولات الكهربائية ذات القلب لديها متطلبات صارمة لمقاومة القصر. لذلك، من خلال الجمع بين طريقة GP وطريقة الفرع والربط، تم الحصول على طريقة حل سريعة ودقيقة.

6 النتائج والمناقشة

أ. المواصفات التقنية للمحول الاختباري

تم إجراء اختبارات التحسين على محول كهربائي بقدرة 16 ميجافاراد ونسبة جهد تبلغ 120 كيلوفولت/20 كيلوفولت. كانت أهداف التحسين هي تكلفة الملكية الإجمالية (TCO) في الحالة الأولى وأقل أثر للكربون (CF). كان تردد الشبكة 50 هرتز، مع الحاجة إلى عزل قصير الدائرة بنسبة 8.5٪. تم اختيار المعلمات وفقًا للمعايير. تم اختيار طريقة تبريد المحول كـ ONAN، مع تحديد درجة الحرارة المحيطة عند 40 درجة مئوية. لذا، تم تحديد حد الكثافة الحالية المسموح به لللفائف الرئيسية عند 3 أمبير/مم²، وللفائف مبدل الخطوة عند 3.5 أمبير/مم². 

تم نمذجة اللفائف ذات الجهد المنخفض (الرئيسية) كلفائف حلزونية مع CTC (كابل متصل بشكل مستمر)، بينما تم نمذجة اللفائف ذات الجهد العالي (الثانوية) كلفائف قرصية مع موصلين مزدوجين. باعتبار التشبع في مادة اللب والت超额字符数

تم تلخيص نتائج التحسين في الجدول 2. من النتائج، يمكن رؤية أن كفاءة المحول الأمثل تحت تحسين CF أقل من الكفاءة بعد تحليل TCO. يرتبط فولت المحول لكل لفافة بنسبة النحاس إلى الحديد، والقيم متطابقة تقريباً في الحالتين. الخسائر الأساسية صغيرة نسبياً في الحالتين، ولا يوجد فرق كبير. بسبب LLF الصغيرة لمصانع الطاقة الشمسية، تكون تكاليف خسارة القلب مرتفعة نسبياً مقارنة بتكاليف خسارة الحمل. الفرق الرئيسي يكمن في خسائر النحاس، والتي تكون أصغر بكثير من حالة TCO. بما أن نسبة سعر صهر المعادن غير الحديدية والحديدية أعلى من نسبة سعر المواد الأساسية والنحاس، وCF للمواد المستخدمة أعلى نسبياً من CF للخسائر الكهربائية، يميل خوارزمية التحسين إلى اعتماد تصاميم بها كمية أقل من النحاس لتقليل CF للمحول. بسبب الاختلاف الكبير بين CF أسعار الكهرباء وCF صهر النحاس/الحديد، تفضل الخوارزمية تصميماً أصغر وأقل كفاءة مقارنة بالحسابات المستندة إلى TCO.

7 استنتاج

حالياً، لا توجد طريقة جاهزة ومقبولة على نطاق واسع لتحديد بصمة الكربون للمحولات الكهربائية. في العصر ما بعد الاقتصادي، تم إجراء تحليلات بصمات الكربون في الأدبيات على أزواج من المحولات تم اختيارها بشكل تعسفي. ومع ذلك، فإن المحولات الكهربائية الكبيرة يتم تصنيعها حسب الطلب لأوضاع اقتصادية مختلفة. لمقارنة التصاميم المحسنة، تم إجراء تصميمين محسنين في مثال عملي. في الحالة الأولى، تم إجراء تحسين TCO؛ وفي الحالة الثانية، تم تقليل بصمة الكربون للمحول. تظهر النتائج أن تحليل بصمة الكربون يمكن أن ينتج محولات أقل كفاءة من الأساليب التقليدية المستندة إلى TCO. قد يكون هذا بسبب أن تكلفة البيئة للأجهزة الكهربائية الكبيرة أعلى أثناء التصنيع مما هي عليه عند الخسائر على الشبكة. يمكن أن تقييم البحوث المستقبلية الأثر البيئي لوقت التصنيع والصيانة واستخدام الزيوت العازلة القابلة للتحلل أو إعادة تدوير المحولات.