Carbon Footprint vs TCO Analysis para sa Design sa Power Transformer

1. Overview

Tungod sa global warming, ang pagbawas sa greenhouse gas emissions usa ka kritikal nga isyu. Usa ka dako nga bahin sa mga pagkawala sa power transmission systems gikan sa power transformers. Aron mabawasan ang greenhouse gas emissions sa power systems, ang mas epektibong transformers ang dapat i-install. Subalit, ang mas epektibong transformers kasagaran nagkinahanglan og mas daghan nga materyales sa pagbuhat. Aron matukod ang optimal nga loss ratio ug manufacturing price sa mga transformers, ang Total Cost of Ownership (TCO) method ang standard nga praktika sa industriya. Ang TCO formula gitimbang ang purchase price (PP) ug ang cost sa losses sa planned life period (PPL). Kini nga metodo gitimbang ang presyo sa losses pinaagi sa capitalization factors (A, B).

Subalit, kini nga paagi lamang gitimbang ang direkta nga electricity costs sa mga transformers sa ilang planned service life. Wala gitimbang ang indirect impacts na may kalabutan sa ecological resources, manufacturing infrastructure, installation, ug support systems. Pwede mapasabot niini, ang mga electrical products kasagaran gi-refurbish o gi-reuse human mahimong retired. Isip ektan, ang 73% sa applied materials sa power transformers ma-recycle, ug makapadako kini nga percentage kon gamiton ang natural ester-based insulating oil. Wala gitimbang ang benefits sa material recycling ug remanufacturing.

Ang carbon footprint usa ka uban pang metric aron matukod ang environmental impact sa electrical equipment sa ilang service life. Kasagaran wala pa adunay widely accepted method alang sa pagkuha sa carbon footprint sa power equipment. Ang magkalain-laing calculation tools kasagaran madugay sa magkalain-laing resulta. Kini nga paper naghulagway og usa ka carbon footprint analysis method ug gigamit kini sa transformer optimization. Ang resulting transformers gitun-an sa comparison sa mga transformers nga based sa TCO method.

2. Total Cost of Ownership Method

Ang TCO formula represent sa life cycle cost sa produkto gikan sa pag-buy hangtod sa final retirement. Usa ka common nga ginagamit nga term mao ang Life Cycle Cost (LCC). Ang primary goal mao ang pag-compare sa mga transformers sa equal basis aron makahimo og purchasing decisions. Ang standardized form sa TCO method sa bidding phase mao kini:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Kung diin A mao ang no-load loss coefficient (€/kW), B mao ang load loss coefficient (€/kW), PNLL (kW) mao ang no-load loss sa transformer sa tanang buhata, ug PLL (kW) mao ang load loss sa transformer sa tanang buhata.

Gikan sa perspective sa power utilities o industrial and commercial users, ang TCO calculations usab naglakip sa mga kalainan. Ang power utility transformer loss evaluation procedures naglakip sa pag-unawa ug pag-assess sa total cost sa transformer generation, transmission, ug distribution losses, resulta niana complex nga calculation formulas. Sa uban hand, ang industrial and commercial users' transformer loss evaluation procedures naglakip sa pag-unawa ug pag-assess sa electricity prices sa planned usage time sa transformer.

A. Details of Analysis Scenario

Ang coefficients (A, B) gihisgutan alang sa 16MVA power transformer nga giconnect sa solar power plant (Figure 1). Gisulti nami ang standardized method aron matukod ang values sa A ug B sa atong calculations.

Alang sa kini nga purpose, kinahanglan mohatag sa sumala sa mosunod nga equation:

3. Carbon Footprint Analysis

Ang amoa nga goal mao ang pag-create og methodology aron matukod ug higdaanan ang optimal carbon footprint (CF) sa power transformers. "CF measures the total amount of carbon dioxide emissions directly or indirectly caused by an activity or accumulated during a product's life cycle." Kini usab makapresentar sa total amount of carbon dioxide (CO2) ug uban pang greenhouse gas (GHG) emissions (such as methane, nitrous oxide, etc.) na may kalabutan sa produkt. Ang CF usa ka subset sa data nga gicover sa more comprehensive Life Cycle Assessment (LCA). Ang LCA usa ka internationally standardized methodology (ISO 14040, ISO 14044) nga gisulti sa pag-evaluate sa environmental burdens ug resource consumption sa tanang buhata sa produkt. Kini nga CF usa ka life cycle assessment limited solely to emissions that impact climate change.

Adunay duha ka primary methods alang sa CF calculation: bottom-up process-based analysis (PA) o top-down environmentally extended input-output (EIO) analysis. Ang Process analysis (PA) usa ka bottom-up approach nga gitimbang ang environmental impact sa individual nga produkt gikan sa production hangtod sa disposal. Ang Environmental input-output (EIO) analysis based sa top-down approach aron estimahan ang CF.

Ang Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) naghatag og universal nga method aron matukod ang CF sa uban-uban nga types sa electrical products, sama sa lighting fixtures, rotating electrical machines, etc. Kini nga method naghulagway sa CF sa motors sa manufacturing, operation, ug recycling phases. Subalit, wala pa ang PAIA method gisulti sa CF evaluation sa power transformers.

Bisan unsa, ang economic footprint designs kasagaran gitun-an sa arbitrarily selected existing designs (Figure 2), wala sa duha ka optimally designed transformers. Tungod sa long service life sa power transformers, ang maintenance costs related sa routine replacement nagkinahanglan og additional parts ug planned downtime. Tanang costs wala gitimbang sa bidding phase. Human implementado ang Industry 4.0 principles—predictive maintenance—kini mahimong calculated gikan sa unang design sa equipment.

3.1 Capitalization Factors

Alang sa kini nga purpose, ang capitalization factors mao kini:

Asa r mao ang diskwento nga rate alang sa investment. Kasagaran kini nagbago gikan sa 5-10%, ug miangkon kami og 6.75% alang sa atong pagkalkula. Sa kasong ini, ang inila nga lifetime sa transformer (t) mao ang 25 tuig. Sa equation (4), p mao ang annualized electricity per kW sa maximum demand. Ang demand factor mao ang ratio sa maximum demand ngadto sa rated capacity sa transformer (0.65). Ang capital recovery coefficient (f) nagpakita sa total nga future cost sa annual payments na gigikit sa kasamtangan nga currency. Ang kasamtangan nga presyo sa kuryente sa Central Europe mao ang 0.05 euros (€/kWh). Ang load loss factor (LLF) nailhan isip ang ratio sa average power loss sa usa ka panahon ngadto sa loss sa peak demand time. Ang load factor (LF) mao ang average load sa transformer sa tibuok iyang life cycle, gibabag-o isip ang equivalent percentage sa average ngadto sa maximum load. Sa amua case, para sa photovoltaic power plants, LF=25%, busa LLF sama sa 0.15625 (Figure 1).

Gikan sa equations (4,5), ang capitalization factors (A, B) mahimong makalkula. Sa equations (4,5), ang factor 8760 mao ang annual operating hours sa transformer. Sa equation (B), ang load loss cost gi-calculate. Sa tanang transformers, ang pinaka cost-effective ug energy-efficient nga transformer mao ang adunay minimum nga TCO (Figure 2).

A. Carbon Footprint Analysis Objective Function

Analogous sa TCO formula, mahimo mopasabot og objective function aron ebaluha ang carbon footprint (CF) sa power transformers:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

asawa TCO2 mao ang gicalculation nga carbon footprint (g), BCP mao ang carbon footprint nga gicalculate sa panahon sa machine manufacturing process. A* ug B* mao ang capitalization factors aron ecalculate ang carbon dioxide emissions (kg/kW) sa planned service life sa transformer.

Arong ecalculate kini nga analogous nga capitalization factors, gitimbang ang tulo ka greenhouse gases (GHG): carbon dioxide (CO2), methane (CH4), ug nitrous oxide (N2O) para sa bawhong fuel type nga gamiton sa power grid. Busa, kon ecalculate nato pinaagi sa zero emissions sa solar power plants, ang resulting nga transformer teoretikal nga adunay minimum nga mass ug maximum nga losses. Ang emissions sa methane ug nitrous oxide iconvert sa CO2 equivalent emissions pinaagi sa pagmultiply sila sa ilang respective nga global warming potential factors (I):

asawa ei mao ang emission factor sa units of (tCO2/MWh), samantalang eCO2,i, eCH4,i ug eN2O,i mao ang emission factors para sa carbon dioxide, methane, ug nitrous oxide respectively para sa studied nga fuel type (i), tanan sa units of (t/GJ). Ang factor 0.0036 gigamit aron econvert ang GJ ngadto sa MWh. Para sa fuel i, ni mao ang conversion efficiency sa fuel i sa transmission system (sa percentage %), ug λi mao ang power loss percentage sa fuel i sa transmission system. Ang paper na siya gigamit λi = 8% sa calculations sa bawhong fuel type.

Pinaagi sa energy structure data sa Hungarian power grid, ang values sa A*=425 kgCO2/kW ug B*=66.5 kgCO2/kW gicalculate.

4 Transformer Model

Ang power transformer modeling magamit og simplified nga two-winding active part (core ug windings). Kini nga approach labi nga gamiton sa preliminary design optimization stages tungod kay ang dimensions sa active part mahimong magdetermina sa overall size sa transformer. Ang geometric ug electrical characteristics sa transformer gipamodel pinaagi sa key design parameters. Kini nga mga assumption labi nga accept sa industry, naghatag og sufficient nga accuracy sa pag-estimate sa copper ug core losses samantalang nagsimplify sa daghang possible nga core ug winding configurations.

Ang preliminary design transformer model clear nga nidefine ang outer boundaries sa main active components, asawa adequate sa early-stage cost calculations. Ang pagkaunawa sa key design parameters mogapasan sa trabaho sa mga engineers, ug ang detailed design parameters mahimong masayran gamay pinaagi sa standard practices (Figure 2). Ang mga transformer manufacturers sa Europe ug America gigamit metaheuristic-based optimization methods sa practice.

5 Metaheuristic Search

Ang transformer model magamit og geometric programming solved pinaagi sa metaheuristic algorithms aron mapatuman ang mathematical model sa preliminary design optimization problem. Duha nga factors magdetermine sa superiority sa geometric programming solvers. Unang, ang modern interior-point-based GP solvers mabilis ug robust. Ikaduha, ang mathematical modeling rules sa geometric programming naggarantiya nga ang nakit-an nga solution globally optimal. Ang expressions para sa equality ug inequality constraints kinahanglan ibag-o pinaagi sa special mathematical formulas nga gitawag og monomials (10) ug posynomials (11).

Asawa ck>0, ang α parameters mao ang real numbers, ug ang values sa x variables kinahanglan positive. Ang cost optimization problem para sa shell-type power transformers mahimo ipormula sa special geometric structure form. Busa, kini nga mathematical optimization method dili maaplikar sa core-type power transformers tungod kay ang core-type power transformers adunay strict nga requirements sa short-circuit impedance. Busa, pinaagi sa pagcombine sa GP method sa branch-and-bound method, nakit-an ang fast ug accurate nga solution method.

6 Results and Discussion

A. Test Transformer Technical Specifications

Ginahanon ang mga test sa pag-optimisar para sa 16MVA power transformer nga may voltage ratio nga 120kV/20kV. Ang target sa pag-optimisar mao ang Total Cost of Ownership (TCO) sa unang kasinatian ug ang minimum Carbon Footprint (CF). Ang grid frequency mao ang 50Hz, ug ang gipangutanaan nga short-circuit impedance mao ang 8.5%. Gipili ang mga parameter sumala sa standards. Ang cooling method sa transformer gipili kaniya isip ONAN, ug ang ambient temperature gipasabot isip 40°C. Kini nagresulta sa pagset sa allowable winding current density limit sa main winding isip 3A/mm², ug sa tap changer winding isip 3.5A/mm².

Ang low-voltage (primary) winding gimodel isip helical winding nga may CTC (Continuously Transposed Cable), samtang ang high-voltage (secondary) winding gimodel isip disc winding nga may dual conductors. Hinuon ang materyales sa core ug ang overvoltage sa grid, ang maximum flux density gilimitar isip 1.7T. Ang minimum insulation distances gipili sumala sa empirical rules. Ang cost sa electrical steel gipili isip 3.5€/kg, ug ang winding material cost isip 8€/kg. Ang carbon footprint cost sa pagbuhat sa electrical steel mao ang 1.8kgCO2/kg, ug sa copper 6.5kgCO2/kg.

Ang mga resulta sa pag-optimisa gisumaryahan sa Table 2. Gikan sa resulta, makita nga ang optimal nga epektividad sa transformer sa CF optimization mas baba kaysa sa epektividad human sa TCO analysis. Ang volts per turn sa transformer gitukod sa ratio sa copper sa iron, ug ang mga balore halos pareho sa duha ka kasong. Ang core losses relatyibong gamay sa duha ka kasong, walay significant nga lain. Tungod sa gamay nga LLF sa solar power plants, ang cost sa core loss mas taas kumpara sa load loss costs. Ang primary nga lain mahimutang sa copper losses, nga mas gamay kaysa sa TCO case. Tungod kay mas taas ang price ratio sa non-ferrous ug ferrous metal smelting kaysa sa price ratio sa core ug copper materials, ug ang CF sa applied materials mas taas kaysa sa CF sa electrical losses, ang optimization algorithm tend to adopt designs nga mas gamay ang copper aron mapugos ang CF sa transformer. Tungod sa significant nga lain tali sa CF sa electricity prices ug ang CF sa copper/iron smelting, ang algorithm nagpabor sa mas gamay ug less efficient nga design kumpara sa TCO-based calculations.

7 Conclusion

Karon, wala pay ready-made, widely accepted nga method alang sa pagtukod sa carbon footprint sa power transformers. Sa post-economic era, ang carbon footprint analyses sa literature gihimo sa arbitrarily selected nga pairs of transformers. Apan, ang large power transformers custom-made para sa different economic scenarios. Aron mogamit og optimized designs, duha ka optimization designs gihimo sa usa ka practical example. Sa unang caso, gihimo ang TCO optimization; sa ikaduha nga caso, minimahon ang carbon footprint sa transformer. Ang resulta nagpakita nga ang carbon footprint analysis makapadasig og transformers nga mas baba ang epektividad kaysa sa traditional TCO methods. Kini maaari tungod kay mas taas ang environmental cost sa large motors sa panahon sa manufacturing kaysa sa ilang losses sa grid. Mas naugaling pagtuon mahimo mag-evaluate sa environmental impact sa manufacturing time, maintenance, ang paggamit sa bag-ong biodegradable insulating oils, o recycling sa transformer.