Karbon İzi vs TCO Analizi Elektrik Trafo Tasarımı Üçün

1. Genel Bakış

Küresel ısınma nedeniyle sera gazı emisyonlarını azaltma mühim bir konudur. Elektrik iletim sistemlerindeki kayıpların önemli bir kısmı güç transformatörlerinden kaynaklanır. Elektrik sistemlerinde sera gazı emisyonlarını azaltmak için daha verimli transformatörlerin kurulması gerekmektedir. Ancak, daha verimli transformatörler genellikle daha fazla üretim malzemesi gerektirir. Transformatörlerin optimal kayıp oranı ve üretim fiyatını belirlemek için Toplam Sahiplik Maliyeti (TCO) yöntemi endüstri standartıdır. TCO formülü ürünün planlı ömrü boyunca kayıpların maliyetini (PPL) satın alma fiyatı (PP) ile birlikte dikkate alır. Bu yöntem, sermaye faktörleri (A, B) aracılığıyla kayıpların fiyatını hesaba katmaktadır.

Ancak, bu yaklaşım sadece transformatörlerin planlı hizmet ömrü boyunca doğrudan elektrik maliyetlerini dikkate alır. Ekolojik kaynaklar, üretim altyapısı, kurulum ve destek sistemleri ile ilgili dolaylı etkiler göz ardı edilir. Örneğin, bu elektrik ürünlerinin genellikle emekli olduktan sonra yeniden canlandırılması veya yeniden kullanılması söz konusudur. Güç transformatörleri örnek olarak ele alındığında, uygulanan malzemelerin %73'ü geri dönüştürülebilir ve doğal ester bazlı yalıtım yağı kullanıldığında bu oran daha da artırılabilir. Malzeme geri dönüşümünün ve yeniden üretimin faydaları hesaba katılmamaktadır.

Karbon ayak izi, elektrik ekipmanlarının hizmet ömrü boyunca çevresel etkisini belirlemek için kullanılan başka bir ölçütür. Şu anda, güç ekipmanları için karbon ayak izini hesaplamak için yaygın kabul gören bir yöntem yoktur. Farklı hesaplama araçları genellikle oldukça farklı sonuçlar vermektedir. Bu makale, bir karbon ayak izi analiz yöntemini önermekte ve bunu transformatör optimizasyonuna uygulamaktadır. Sonuçta elde edilen transformatörler, TCO yöntemine dayalı olanlarla karşılaştırılmaktadır.

2. Toplam Sahiplik Maliyeti Yöntemi

TCO formülü, bir ürünün satın alınmasından son emekliliğine kadar yaşam döngüsü maliyetini temsil etmektedir. Başka bir yaygın olarak kullanılan terim de Yaşam Döngüsü Maliyeti (LCC)'dir. Ana hedef, transformatörleri eşit bir temele getirerek satın alma kararları almaktır. Teklif aşamasında TCO yönteminin standartlaştırılmış biçimi şu şekildedir:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Burada A boş yük kaybı katsayısıdır (€/kW), B yük kaybı katsayısıdır (€/kW), PNLL (kW) transformatörün tam yaşamı boyunca boş yük kaybıdır ve PLL (kW) transformatörün tam yaşamı boyunca yük kaybıdır.

Güç şirketleri veya endüstriyel ve ticari kullanıcıların perspektifinden TCO hesaplamaları da farklılık gösterir. Güç şirketi transformatörü kayıp değerlendirme prosedürleri, transformatörün jenerasyon, iletim ve dağıtım kayıplarının toplam maliyetini anlamak ve değerlendirmek içermektedir, bu karmaşık hesaplama formüllerine yol açmaktadır. Diğer yandan, endüstriyel ve ticari kullanıcıların transformatörü kayıp değerlendirme prosedürleri, transformatörün planlı kullanım süresi boyunca elektrik fiyatlarını anlamak ve değerlendirmek gerektirmektedir.

A. Analiz Senaryosunun Detayları

(A, B) katsayıları, bir güneş enerji santraline bağlı 16MVA güç transformatörü için hesaplandı (Şekil 1). Hesaplamalarımızda A ve B değerlerini belirlemek için standart bir yöntem kullandık.

Bu amaçla, aşağıdaki denklemin çözümü gerekir:

3. Karbon Ayak İzi Analizi

Amacımız, güç transformatörleri için en iyi karbon ayak izini (CF) belirlemek ve karşılaştırmak üzere bir metodoloji oluşturmaktır. "CF, bir faaliyet tarafından doğrudan veya dolaylı olarak veya bir ürünün yaşam döngüsü boyunca biriken karbon dioksit emisyonlarının toplam miktarını ölçer." Ayrıca, bir ürünle ilişkili karbon dioksit (CO2) ve diğer sera gazı (GHG) emisyonlarının (metan, lityum oksit vb.) toplam miktarını da temsil edebilir. CF, daha kapsamlı Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (LCA) tarafından kapsanan verilerin bir alt kümesidir. LCA, uluslararası standartlaştırılmış bir metodolojidir (ISO 14040, ISO 14044) ve bir ürünün yaşam döngüsü boyunca çevresel yükler ve kaynak tüketimini değerlendirmek için kullanılır. Bu nedenle, CF sadece iklim değişikliğine etki eden emisyonları kapsayan bir yaşam döngüsü değerlendirmesidir.

CF hesaplaması için iki ana yöntem vardır: alttan yukarı süreç tabanlı analiz (PA) veya üstten aşağı çevresel genişletilmiş giriş-çıkış (EIO) analizi. Süreç analizi (PA), bir ürünün üretimden atık oluşmasına kadar çevresel etkisini dikkate alan bir alttan yukarı yaklaşımıdır. Çevresel giriş-çıkış (EIO) analizi, CF'yi tahmin etmek için üstten aşağı bir yaklaşıma dayanır.

Ürün Niteliği Etki Algoritması (PAIA), aydınlatma cihazları, dönen elektrik makineleri gibi farklı türde elektrik ürünlerinin CF'sini hesaplamak için genel bir yöntem sağlar. Bu yöntem, motorların üretim, işletme ve geri dönüşüm aşamalarındaki CF'sini hesaplar. Ancak, PAIA yöntemi henüz güç transformatörlerinin CF değerlendirmesine uygulanmamıştır.

Ayrıca, ekonomik ayak izi tasarımları genellikle rastgele seçilen mevcut tasarımlar (Şekil 2) için değil, iki optimal tasarlanmış transformatör için karşılaştırılır. Güç transformatörlerinin uzun hizmet ömrü nedeniyle, rutin değiştirmeyle ilgili bakım maliyetleri ek parçalar ve planlanmış duruş zamanı gerektirir. Tüm bu maliyetler teklif aşamasına dahil değildir. Endüstri 4.0 prensiplerini uyguladıktan sonra—tahmini bakım—bu maliyetler ekipmanın tasarımından itibaren hesaplanabilir.

3.1 Sermaye Faktörleri

Bu amaçla, sermaye faktörleri şöyledir:

Buraxilı r investisiya endirimi tarixinin diskont reytidir. Bu adətən 5-10% arasında dəyişir və biz hesablamalarımız üçün 6,75% seçdik. Bu halda, transformatorun (t) gözlənilən ömrü 25 ildir. Tənlik (4)-də p maksimum tələb kVt başına illik elektrik enerjisinin ifadəsi olur. Tələb faktoru maksimum tələbi transformatorun nominal qabiliyyətinə (0,65) nisbətidir. Kapital bərpa koeffisiyenti (f) cari valyutada hesablanan illik ödəmələrin ümumi gelecekteki maliyyə həcmini göstərir. Orta Avropadaki hazırkı elektrik qiyməti 0,05 euro (€/kWh)-dur. Yük zədə faktoru (LLF) mütləq zədənin peak tələb zamanına nisbəti kimi təyin edilir. Yük faktoru (LF) transformatorun tam ömrü boyunca ortalama yükünü, maksimum yükə nisbət olaraq ifadə edir. Bizim vəzifəmizdə, fotovoltaik elektrik stansiyaları üçün LF=25%, bu səbəbdən LLF 0,15625-e bərabərdir (Şəkil 1).

Tənliklərdən (4,5), kapitallaşdırma faktorları (A, B) hesablana bilər. Tənliklərdə (4,5), faktor 8760 transformatorun illik işləmə saatını ifadə edir. Tənlik (B)-də yük zədə maliyyəsi hesablanır. Bütün transformatorlar arasında, ən maliyyəvi və enerji verimli olan, TCO-nu minimuma endirən transformator (Şəkil 2)dir.

A. Karbon izi təhlili məqsədi funksiyası

TCO düsturu ilə analog olaraq, enerji transformatorlarının karbon izini (CF) qiymətləndirmək üçün bir məqsəd funksiyası təklif edilə bilər:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

burada TCO2 hesablanan karbon izini (g) ifadə edir. BCP maşın istehsal prosesində hesablanan karbon izini ifadə edir. A* və B* transformatorun planlaşdırılmış xidmət ömrü boyunca CO2 emisyonlarını (kg/kW) hesablamaq üçün kapitallaşdırma faktorlarıdır.

Bu analog kapitallaşdırma faktorlarının hesablanması üçün üç təbii qaz (GHG) nəzərə alınır: karbon dioksidi (CO2), metan (CH4) və azot oksidi (N2O) hər bir yanğın növü üçün enerji şəbəkəsində. Bu, çünki, əgər günəş elektrik stansiyalarından sıfır emisyanı hesablayarsaq, nəticədə alacağımız transformator teorik olaraq minimum ağırlığa və maksimum zədəyə malik olar. Metan və azot oksidinin emisiyaları onların uyğun global istilikləşmə potensial faktorları (I) ilə çoxaldıqlarında CO2 ekvivalent emisiyalarına çevrilir:

burada ei emisiya faktorudur (tCO2/MWh cinsində), eCO2,i, eCH4,i və eN2O,i isə nəzərdə tutulan yanğın növü (i) üçün karbon dioksid, metan və azot oksidinin emisiya faktorlarıdır (t/GJ cinsində). 0,0036 faktoru GJ-ni MWh-a çevirmək üçün istifadə olunur. i yanğısı üçün ni i yanğının transmisson sistemindeki effektivliyini (faiz %) ifadə edir, λi isə i yanğının transmisson sistemindeki güc zədəsi faizini ifadə edir. Bu məqalədə hər bir yanğın növü üçün λi = 8% kimi istifadə olunmuşdur.

Macarıstan enerji şəbəkəsinin enerji struktur datası istifadə edilərək, A*=425 kgCO2/kW və B*=66,5 kgCO2/kW dəyərləri hesablandı.

4 Transformator modeli

Güc transformatorlarının modelləşdirilməsi sadələştirilmiş iki sarımlı aktiv hissə (çekirdek və sarımlar) ilə yerinə yetirilir. Bu yanaşma, aktiv hissənin ölçülərinin ümumi transformator ölçüsünü müəyyənləşdirə biləcəyi səbəbindən, ilk dəqiqlik optimallaşdırma mərhələlərində geniş istifadə olunur. Transformatorun həndəsi və elektrik xüsusiyyətləri asılı olaraq nöqtəli dizayn parametrləri ilə model edilir. Bu farzlar endirikdə geniş qəbul edilib, misi və çekirdek zədələrini hesablamaqda kifayət qədər dəqiqlik təmin edir, buna baxmayaraq, müxtəlif mövcud çekirdek və sarım konfigurasiyalarını əhəmiyyətli dərəcədə sadələşdirir.

İlk dəqiqlik transformator modeli ana aktiv komponentlərin dış sərhədlərini açıqlı şəkildə müəyyənləşdirir ki, bu, ilk mərhələ maliyyə hesablamaları üçün kifayətdir. Bu nöqtəli dizayn parametrlərinin anlayışı inşaatçıların işini təzələyir, və standart praktikalar (Şəkil 2) ilə detallı dizayn parametrləri asanlıqla müəyyənləşdirilə bilər. Avropa və Amerika transformator istehsalçıları praktikada metaeuristiki optimallaşdırma metodlarından istifadə edirlər.

5 Metaeuristiki axtarış

Transformator modeli, ilk dəqiqlik dizayn optimallaşdırma probleminin matematik modelinə həll tapmaq üçün metaeuristiki alqoritmlər vasitəsilə həll edilən həndəsi proqramlaşdırmadan istifadə edir. Həndəsi proqramlaşdırma həllçilərinin üstünlüyü iki faktordan asılıdır. Birincisi, modern iç nöqtə əsaslı GP həllçiləri sürətli və qidalıdır. İkincisi, həndəsi proqramlaşdırmanın matematik modelinq qaydaları, əldə edilən həllin ümumilikdə optimal olduğunu təmin edir. Bərabərlik və bərabərsizlik məhdudiyyətlərinin ifadələri, monomial (10) və posynomial (11) adlandırılan xüsusi matematik formulalarla təsvir edilməlidir.

Burada ck>0, α parametrləri həqiqi ədədlərdir, x dəyişənlərinin dəyərləri pozitiv olmalıdır. Qapalı tip güc transformatorlarının maliyyə optimallaşdırma problemi xüsusi həndəsi struktura formasında ifadə edilə bilər. Amma bu matematik optimallaşdırma metodu çekirdek tipi güc transformatorlarına tətbiq edilə bilməz, çünki çekirdek tipi güc transformatorları qısa kontakt impedansı üçün çətin tələblərə malikdir. Bu səbəbdən, GP metodu branch-and-bound metodu ilə birləşdirilərək, sürətli və dəqiq bir həll metodu əldə edildi.

6 Nəticələr və təhlil

A. Test transformatorun texniki xüsusiyyətləri

16 MVA gücü olan və 120 kV/20 kV qıratma nisbətinə malik elektrik transformatorunda optimallaşdırma testləri həyata keçirildi. Birinci halla dair optimallaşdırma məqsədi Bütöv Maliyyə Məsuliyyət (TCO) idi, ikinci halda isə minimum Karbon İzi (CF). Şəbəkə tezliyi 50 Hz idi, tələb olunan qısalama sərtərəf dəyəri 8,5% idi. Parametrlər standartlara uyğun seçildi. Transformator soğutma üsulu ONAN kimi seçildi, ətraftakı temperatur 40°C kimi göstərildi. Bu səbəbdən, asılıq bobinin icazə verilən əmələ gələn cərəyan sıxlığı limiti 3 A/mm², şundan çəkici bobinin üçün isə 3,5 A/mm² kimi təyin edildi.

Nizamət (birinci) bobini CTC (Sürekli Değişdirilmiş Kabel) ilə spiral bobin kimi modellandırdıq, baxımından (ikinci) bobinini isə ikihədli kənarlı kabl ile disk bobin kimi modellandırdıq. Qərbüz materialının doyumuna və şəbəkənin artıq qıratmasına diqqət edərək, maksimum manyetik potansial sürəti 1,7 T-ə məhdudlaşdırdıq. Minimum izolyasiya məsafələri empirik qaydalara əsasən seçildi. Elektrik demiri maliyeti 3,5€/kg, bobin materialı maliyeti isə 8€/kg kimi təyin edildi. Elektrik demiri istehsalı üçün karbon izi maliyeti 1,8 kgCO2/kg, mis maliyeti isə 6,5 kgCO2/kg idi.

Optimizasiya nəticələri Cədvəl 2-də ümumiləşdirilib. Nəticələrdən görünür ki, CF optimizasiyası altında olan optimal transformator effektivliyi, TCO təhlili sonra gələn effektivlikdən aşağıdır. Transformatorun hər bir sarımının voltu demir-əsaslı materialların nisbətinə bağlıdır və hər iki halda də qiymətlər nəzəriyyən eyni-dir. İkinci hallarda da mərkəzi zədələr nisbətən kiçikdir və heç bir çox fərq yoxdur. Gündüz işı elektrik stansiyalarının LLF-nin kiçik olması səbəbindən, yükləmə zədəsi maliyyatına nisbətən mərkəzi zədə maliyyatı nisbətən yüksəkdir. Asıl fərq məsələn, TCO hallarında nisbətən daha kiçik olan misi zədələrdədir. Non-ferrous və ferrous metal qalınlaşdırmasının qiymət nisbəti, mərkəzi və misi materialların qiymət nisbətidən yüksəkdir və tətbiq olunan materialların CF-ni elektrik zədələrinin CF-dən nisbətən yüksəkdir, bu səbəbdən optimizasiya alqoritmi, transformatorun CF-ni azaltmaq üçün daha az misi istifadə edən dizaynlara meyllidir. Elektrik tariflərinin və misi/demir qalınlaşdırmasının CF-nin arasında var olan əhəmiyyətli fərqlər səbəbindən, alqoritm TCO əsaslı hesablamalara nisbətən daha kiçik, daha az effektiv dizayna meyllidir.

7 Nəticə

Hazırda, elektrik transformatorlarının karbon izini müəyyən etmək üçün hazır, geniş qəbul edilmiş metod yoxdur. Ekonomik epochdan sonra, ədəbiyyatda karbon izi təhlilleri rastgele seçilmiş transformator cütləri üzərində aparılmışdır. Amma böyük elektrik transformatorları fərqli ekonomik senaryolar üçün xüsusi hazırlanır. Optimallaşdırılmış dizaynları müqayisə etmək üçün praktiki misalda iki optimallaşdırma dizaynı aparıldı. Birinci halda, TCO optimizasiyası icra edildi; ikinci halda, transformatorun karbon izi minimala endirildi. Nəticələr göstərir ki, karbon izi təhlili, tradisiyonal TCO üsullarından daha az effektiv transformatorlar verə bilər. Bu, böyük motorların istehsal zamanı grid zədələrinə nisbətən daha yüksək mühit maliyyatına bənzə bilər. Daha ilə, istehsal zamanı, servis, yeni biodegradable illit yağların istifadəsi və ya transformatorların geri dönüşümünün mühitə təsiri araşdırılabilir.