Ανάλυση Αποτυπώματος Άνθρακα vs Συνολικού Κόστους Ίδρυσης για Σχεδιασμό Μετατροπέα Ρεύματος

1. Επισκόπηση

Λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη, η μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου είναι ένα κρίσιμο ζήτημα. Μεγάλο μέρος των απωλειών στα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από τους διασυνδέσεις. Για να μειωθούν οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να εγκατασταθούν πιο αποδοτικοί διασυνδέσεις. Ωστόσο, πιο αποδοτικοί διασυνδέσεις συχνά απαιτούν περισσότερα υλικά για την κατασκευή. Για να καθοριστεί το βέλτιστο ρatio απώλειας και η τιμή κατασκευής των διασυνδέσεων, η μέθοδος Total Cost of Ownership (TCO) είναι η βιομηχανική πρακτική. Η τύπος TCO λαμβάνει υπόψη την τιμή αγοράς (PP) και το κόστος των απωλειών κατά την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής του προϊόντος (PPL). Αυτή η μέθοδος λαμβάνει υπόψη την τιμή των απωλειών μέσω παραγόντων κεφαλαιοποίησης (A, B).

Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση λαμβάνει υπόψη μόνο το άμεσο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας των διασυνδέσεων κατά την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής. Δεν λαμβάνονται υπόψη οι έμμεσες επιπτώσεις που αφορούν οικολογικούς πόρους, υποδομές κατασκευής, εγκατάσταση και υποστηριζόμενα συστήματα. Για παράδειγμα, αυτά τα ηλεκτρικά προϊόντα συχνά ανακατασκευάζονται και/ή χρησιμοποιούνται ξανά μετά την παύση λειτουργίας. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τους διασυνδέσεις, το 73% των χρησιμοποιηθέντων υλικών μπορεί να ανακυκλωθεί, και αυτό το ποσοστό μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω με τη χρήση φυσικών εστερικών λιπαντικών. Οι πλεονεκτήσεις της ανακύκλωσης και της ανακατασκευής των υλικών δεν λαμβάνονται υπόψη.

Ο αποτυπωματικός αντίκτυπος του άνθρακα είναι ένας άλλος δείκτης για την καθορίση της περιβαλλοντικής επίδρασης των ηλεκτρικών εξοπλισμών κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Σήμερα, δεν υπάρχει ευρέως αποδεκτή μέθοδος για τον υπολογισμό του αποτυπωματικού αντίκτυπου του άνθρακα των ηλεκτρικών εξοπλισμών. Διαφορετικά εργαλεία υπολογισμού συχνά δίνουν σημαντικά διαφορετικά αποτελέσματα. Αυτό το έγγραφο προτείνει μια μέθοδο ανάλυσης του αποτυπωματικού αντίκτυπου του άνθρακα και την εφαρμόζει στην βελτιστοποίηση διασυνδέσεων. Οι προκύψαντες διασυνδέσεις συγκρίνονται με εκείνους που βασίζονται στη μέθοδο TCO.

2. Μέθοδος Total Cost of Ownership

Ο τύπος TCO αντιπροσωπεύει το κόστος βίου ενός προϊόντος από την αγορά μέχρι την τελική απόσυρση. Ένα άλλο συνηθισμένο όρος είναι Life Cycle Cost (LCC). Το κύριο στόχος είναι η σύγκριση διασυνδέσεων σε ίση βάση για τη λήψη αποφάσεων αγοράς. Η προτυποποιημένη μορφή της μεθόδου TCO κατά τη φάση διαγωνισμού είναι ως εξής:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Όπου A είναι ο συντελεστής απώλειας χωρίς φόρτο (€/kW), B είναι ο συντελεστής απώλειας με φόρτο (€/kW), PNLL (kW) είναι η απώλεια χωρίς φόρτο του διασυνδέσεως κατά την ολότητα της ζωής του, και PLL (kW) είναι η απώλεια με φόρτο του διασυνδέσεως κατά την ολότητα της ζωής του.

Από την άποψη των επιχειρήσεων ηλεκτρικής ενέργειας ή βιομηχανικών και εμπορικών χρηστών, οι υπολογισμοί TCO διαφέρουν. Οι διαδικασίες αξιολόγησης απώλειας των διασυνδέσεων των επιχειρήσεων ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνουν την κατανόηση και αξιολόγηση του συνολικού κόστους των απωλειών γεννήσεως, μεταφοράς και διανομής των διασυνδέσεων, που οδηγούν σε περίπλοκους τύπους υπολογισμού. Από την άλλη, οι διαδικασίες αξιολόγησης απώλειας των διασυνδέσεων των βιομηχανικών και εμπορικών χρηστών απαιτούν την κατανόηση και αξιολόγηση των τιμών ηλεκτρικής ενέργειας κατά την προγραμματισμένη χρονική περίοδο χρήσης του διασυνδέσεως.

A. Λεπτομέρειες του Σεναρίου Ανάλυσης

Οι συντελεστές (A, B) υπολογίστηκαν για έναν διασυνδέσει 16MVA που συνδέεται με έναν φωτοβολταϊκό σταθμό (Εικόνα 1). Χρησιμοποιήσαμε μια προτυποποιημένη μέθοδο για τον προσδιορισμό των τιμών A και B στους υπολογισμούς μας.

Για αυτό το σκοπό, είναι απαραίτητο να λυθεί ο παρακάτω τύπος:

3. Ανάλυση του Αποτυπωματικού Αντίκτυπου του Άνθρακα

Ο στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε μια μέθοδο για τον προσδιορισμό και σύγκριση του βέλτιστου αποτυπωματικού αντίκτυπου του άνθρακα (CF) για τους διασυνδέσεις. "Το CF μετρά το συνολικό ποσό εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που προκαλούνται άμεσα ή έμμεσα από μια δραστηριότητα ή συσσωρεύονται κατά τη διάρκεια της ζωής ενός προϊόντος." Μπορεί επίσης να αντιπροσωπεύει το συνολικό ποσό εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και άλλων αερίων του θερμοκηπίου (GHG) (όπως μεθάνιο, διοξειδίο του αζώτου, κλπ.) που σχετίζονται με ένα προϊόν. Το CF είναι ένα υποσύνολο των δεδομένων που καλύπτονται από την πιο εκτεταμένη ανάλυση βίου (LCA). Η LCA είναι μια διεθνώς προτυποποιημένη μέθοδος (ISO 14040, ISO 14044) που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών βαρών και της κατανάλωσης πόρων κατά τη διάρκεια της ζωής ενός προϊόντος. Συνεπώς, το CF είναι μια ανάλυση βίου που περιορίζεται αποκλειστικά στις εκπομπές που επηρεάζουν την κλιματική αλλαγή.

Υπάρχουν δύο βασικές μεθόδους υπολογισμού του CF: ανάλυση βάσει διαδικασιών (PA) από κάτω προς τα πάνω ή ανάλυση περιβαλλοντικώς επεκτεταμένης εισόδου-εξόδου (EIO) από πάνω προς τα κάτω. Η ανάλυση βάσει διαδικασιών (PA) είναι μια προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω που λαμβάνει υπόψη την περιβαλλοντική επίδραση ενός μεμονωμένου προϊόντος από την παραγωγή μέχρι την αποσυμπόσευση. Η περιβαλλοντική ανάλυση εισόδου-εξόδου (EIO) βασίζεται σε μια προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω για την εκτίμηση του CF.

Η Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) παρέχει μια κοινή μέθοδο για τον υπολογισμό του CF διαφορετικών τύπων ηλεκτρικών προϊόντων, όπως φωτιστικά, περιστρεφόμενα ηλεκτρικά μηχανήματα, κλπ. Αυτή η μέθοδος υπολογίζει το CF των μοτέρων κατά τις φάσεις παραγωγής, λειτουργίας και ανακύκλωσης. Ωστόσο, η μέθοδος PAIA δεν έχει ακόμη εφαρμοστεί στην αξιολόγηση του CF διασυνδέσεων.

Επιπλέον, τα σχεδιασμένα οικονομικά αποτυπώματα συνήθως συγκρίνονται για επιλεγμένες υπάρχουσες σχεδιασμένες δομές (Εικόνα 2), αντί για δύο βελτιστοποιημένους διασυνδέσεις. Λόγω της μακράς ζωής των διασυνδέσεων, τα έξοδα συντήρησης που σχετίζονται με την συνήθη αντικατάσταση απαιτούν πρόσθετα είδη και προγραμματισμένες παύσεις. Όλα αυτά τα έξοδα δεν συμπεριλαμβάνονται στη φάση διαγωνισμού. Μετά την εφαρμογή των αρχών Industry 4.0 - προβλεπτική συντήρηση - αυτά μπορούν να υπολογιστούν από την αρχή του σχεδιασμού της εξοπλισμού.

3.1 Παράγοντες Κεφαλαιοποίησης

Για αυτό το σκοπό, οι παράγοντες κεφαλαιοποίησης είναι ως εξής:

Όπου το r αντιπροσωπεύει τον επιτόκιο για την επένδυση. Αυτό συνήθως μεταβάλλεται ανάμεσα στο 5-10%, και επιλέξαμε 6,75% για τις υπολογισμούς μας. Σε αυτή την περίπτωση, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής του μετατροπέα (t) είναι 25 χρόνια. Στην εξίσωση (4), το p αντιπροσωπεύει την ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά kW της μέγιστης ζήτησης. Ο παράγοντας ζήτησης αντιπροσωπεύει το ποσοστό της μέγιστης ζήτησης σε σχέση με την κατατεθειμένη ικανότητα του μετατροπέα (0,65). Ο συντελεστής ανάκτησης κεφαλαίου (f) δείχνει το συνολικό μέλλον κόστος των ετήσιων πληρωμών υπολογισμένο σε τρέχον νόμισμα. Το τρέχον τιμολόγιο της ηλεκτρικής ενέργειας στην Κεντρική Ευρώπη είναι 0,05 ευρώ (€/kWh). Ο παράγοντας απώλειας φορτίου (LLF) ορίζεται ως το ποσοστό της μέσης απώλειας ισχύος σε ένα διάστημα σε σχέση με την απώλεια στην κορυφαία ώρα ζήτησης. Ο παράγοντας φορτίου (LF) είναι το μέσο φορτίο του μετατροπέα κατά τη διάρκεια όλης της βιομηχανικής ζωής, εκφρασμένο ως το ισοδύναμο ποσοστό του μέσου σε σχέση με το μέγιστο φορτίο. Στην περίπτωσή μας, για φωτοβολταϊκά παραγωγικά εγκαταστάσεις, LF=25%, άρα LLF ισούται με 0,15625 (Σχήμα 1).

Από τις εξισώσεις (4,5), μπορούν να υπολογιστούν οι συντελεστές κεφαλαιοποίησης (A, B). Στις εξισώσεις (4,5), ο παράγοντας 8760 αντιπροσωπεύει τις ετήσιες ώρες λειτουργίας του μετατροπέα. Στην εξίσωση (B), υπολογίζεται το κόστος απώλειας φορτίου. Μεταξύ όλων των μετατροπέων, ο πιο κατάλληλος και ενεργειακά αποδοτικός μετατροπέας είναι αυτός που ελαχιστοποιεί το TCO (Σχήμα 2).

A. Αντικειμενική Συνάρτηση Ανάλυσης Αποτυπώματος Άνθρακα

Παρόμοια με την τύπο TCO, μπορεί να εισαχθεί μια αντικειμενική συνάρτηση για την αξιολόγηση του αποτυπώματος άνθρακα (CF) των μετατροπέων ισχύος:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

όπου το TCO2 αντιπροσωπεύει το υπολογισμένο αποτύπωμα άνθρακα (g), το BCP αντιπροσωπεύει το αποτύπωμα άνθρακα υπολογισμένο κατά τη διάρκεια της κατασκευής του μηχανήματος. Τα A* και B* είναι συντελεστές κεφαλαιοποίησης για τον υπολογισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (kg/kW) κατά την προγραμματισμένη χρήση του μετατροπέα.

Για τον υπολογισμό αυτών των αντίστοιχων συντελεστών κεφαλαιοποίησης, λαμβάνονται υπόψη τρία αερία θερμοκηπίου (GHG): διοξείδιο του άνθρακα (CO2), μεθάνιο (CH4) και διοξείδιο του αζώτου (N2O) για κάθε είδος καυσίμου που χρησιμοποιείται στο δίκτυο ηλεκτροδότησης. Αυτό συμβαίνει, διότι, αν υπολογίσουμε με την χρήση των μηδενικών εκπομπών από τις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, ο μετατροπέας θα έχει θεωρητικά ελάχιστο βάρος και μέγιστες απώλειες. Οι εκπομπές μεθανίου και διοξειδίου του αζώτου μετατρέπονται σε ισοδύναμες εκπομπές CO2 πολλαπλασιάζοντας τις με τους αντίστοιχους παράγοντες παγκόσμιας θερμοκηπιακής προσαρμογής (I):

όπου ei είναι ο παράγοντας εκπομπών σε μονάδες (tCO2/MWh), ενώ eCO2,i, eCH4,i και eN2O,i είναι οι παράγοντες εκπομπών για το διοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο και το διοξείδιο του αζώτου αντίστοιχα για το εξεταζόμενο είδος καυσίμου (i), όλοι σε μονάδες (t/GJ). Ο παράγοντας 0,0036 χρησιμοποιείται για τη μετατροπή GJ σε MWh. Για το καύσιμο i, ni αντιπροσωπεύει την απόδοση μετατροπής του καυσίμου i στο σύστημα μεταφοράς (σε ποσοστό %), και λi αντιπροσωπεύει το ποσοστό απώλειας ισχύος για το καύσιμο i στο σύστημα μεταφοράς. Αυτό το έγγραφο χρησιμοποιεί λi = 8% για τους υπολογισμούς κάθε είδους καυσίμου.

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της δομής ενέργειας του ουγγρικού δικτύου, υπολογίστηκαν τιμές A*=425 kgCO2/kW και B*=66,5 kgCO2/kW.

4 Μοντέλο Μετατροπέα

Το μοντέλο του μετατροπέα ισχύος χρησιμοποιεί μια απλοποιημένη διαδικασία δύο ενεργών μερών (πύρηνας και στροφές). Αυτή η προσέγγιση είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη στις προετοιμασιακές φάσεις βελτιστοποίησης σχεδίασης, διότι οι διαστάσεις των ενεργών μερών καθορίζουν το συνολικό μέγεθος του μετατροπέα. Τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα μοντελοποιούνται με βάση κλειδί σχεδιαστικά παράμετρα. Αυτές οι υποθέσεις είναι ευρέως αποδεκτές στη βιομηχανία, παρέχοντας αρκετή ακρίβεια στις εκτιμήσεις των απωλειών χαλκού και πυρήνα, ενώ απλοποιούν σημαντικά τις διάφορες πιθανές διατάξεις πυρήνα και στροφών.

Το προετοιμασιακό μοντέλο μετατροπέα ορίζει ξεκάθαρα τα εξωτερικά ορία των κυρίων ενεργών συστατικών, το οποίο είναι επαρκές για προκαταρκτικούς υπολογισμούς κόστους. Η κατανόηση αυτών των κλειδί σχεδιαστικών παραμέτρων επιταχύνει τη δουλειά των μηχανικών, και τα λεπτομερή σχεδιαστικά παράμετρα μπορούν εύκολα να καθοριστούν με την χρήση τυπικών πρακτικών (Σχήμα 2). Οι κατασκευαστές μετατροπέων στην Ευρώπη και την Αμερική χρησιμοποιούν μεταευριστικές μεθόδους βελτιστοποίησης στην πράξη.

5 Μεταευριστική Αναζήτηση

Το μοντέλο μετατροπέα χρησιμοποιεί γεωμετρική προγραμματισμό λύνεται με μεταευριστικούς αλγόριθμους για την αντιμετώπιση του μαθηματικού μοντέλου του προβλήματος προετοιμασιακής βελτιστοποίησης σχεδίασης. Δύο παράγοντες καθορίζουν την εξαιρετικότητα των λύτρων γεωμετρικού προγραμματισμού. Πρώτον, οι σύγχρονες μεθόδους λύτρων GP βασισμένες σε εσωτερικά σημεία είναι γρήγορες και ανθεκτικές. Δεύτερον, οι κανόνες μαθηματικής μοντελοποίησης του γεωμετρικού προγραμματισμού εγγυάνονται ότι η λύση που λαμβάνεται είναι παγκόσμια βέλτιστη. Οι παραστάσεις ισότητας και ανισότητας πρέπει να εκφραστούν με τη χρήση ειδικών μαθηματικών τύπων που ονομάζονται μονώνυμα (10) και πολυώνυμα (11).

Όπου ck>0, οι παράμετροι α είναι πραγματικοί αριθμοί, και τα τιμές των μεταβλητών x πρέπει να είναι θετικές. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης κόστους για μετατροπέας τύπου στέγασης μπορεί να μοντελοποιηθεί σε μια ειδική γεωμετρική μορφή. Ωστόσο, αυτή η μαθηματική μέθοδος βελτιστοποίησης δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μετατροπέας τύπου πυρήνα, διότι οι μετατροπέας τύπου πυρήνα έχουν αυστηρές απαιτήσεις για την αντίσταση σε σύνδεση. Συνεπώς, με την συνδυασμό της μεθόδου GP με τη μέθοδο branch-and-bound, πήραμε μια γρήγορη και ακριβή μέθοδο λύσης.

6 Αποτελέσματα και Συζήτηση

A. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Προσδοκώμενου Μετατροπέα

Έγιναν δοκιμές βελτιστοποίησης σε έναν μετατροπέα ρεύματος 16MVA με λόγο τάσης 120kV/20kV. Στην πρώτη περίπτωση, το στόχος βελτιστοποίησης ήταν το Συνολικό Κόστος Διαχείρισης (Total Cost of Ownership - TCO) και στη δεύτερη περίπτωση, η ελάχιστη Αποτύπωση Άνθρακα (Carbon Footprint - CF). Η συχνότητα του δικτύου ήταν 50Hz, με απαιτούμενη αντίσταση σε μικρή σύνδεση 8.5%. Οι παράμετροι επιλέχθηκαν σύμφωνα με πρότυπα. Επιλέχθηκε ο τρόπος ψύξης του μετατροπέα ONAN, με θερμοκρασία περιβάλλοντος 40°C. Συνεπώς, ο επιτρεπόμενος οριακός όρος πυκνότητας ρεύματος για το κύριο πλέξιμο ορίστηκε σε 3A/mm², ενώ για το πλέξιμο της μετατροπής της έντασης σε 3.5A/mm². 

Το χαμηλό-τάση (πρωταρχικό) πλέξιμο μοντελοποιήθηκε ως ελικοειδές πλέξιμο με CTC (Continuously Transposed Cable), ενώ το υψηλό-τάση (δευτερεύον) πλέξιμο μοντελοποιήθηκε ως πλέξιμο δίσκου με διπλά ηγωντικά. Λαμβάνοντας υπόψη την κορώση του υλικού της πύραυλης και την υπερτάση του δικτύου, η μέγιστη πυκνότητα φλεξιμότητας περιορίστηκε σε 1.7T. Τα ελάχιστα αποστάσματα απομόνωσης επιλέχθηκαν βάσει εμπειρικών κανόνων. Το κόστος του ηλεκτρικού χάλυβα επιλέχθηκε σε 3.5€/kg, και το κόστος υλικού πλέξιμου σε 8€/kg. Το κόστος αποτυπώματος άνθρακα για την παραγωγή ηλεκτρικού χάλυβα ήταν 1.8kgCO2/kg, και για το χάλυβα 6.5kgCO2/kg.

Τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης συνοψίζονται στο Πίνακα 2. Από τα αποτελέσματα, φαίνεται ότι η βέλτιστη απόδοση του μετατροπέα κάτω από τη βελτιστοποίηση CF είναι χαμηλότερη από την απόδοση μετά από ανάλυση TCO. Η τάση ανά στροφή του μετατροπέα σχετίζεται με το πηλίκο χάλυβα-ασήμι, και οι τιμές είναι σχεδόν ταυτόσημες στις δύο περιπτώσεις. Οι απώλειες της πυξίδας είναι σχετικά μικρές στις δύο περιπτώσεις, χωρίς σημαντική διαφορά. Λόγω του μικρού LLF των φωτοηλιακών εγκαταστάσεων, το κόστος απώλειας της πυξίδας είναι σχετικά υψηλό σε σύγκριση με το κόστος απώλειας φορτίου. Η κύρια διαφορά βρίσκεται στις απώλειες ασήμι, οι οποίες είναι σημαντικά μικρότερες σε σχέση με την περίπτωση TCO. Επειδή το πηλίκο των τιμών των μη-σιδηρούχων και σιδηρούχων μετάλλων είναι υψηλότερο από το πηλίκο των υλικών πυξίδας και ασήμι, και το CF των εφαρμοσμένων υλικών είναι σχετικά υψηλότερο από το CF των ηλεκτρικών απωλειών, ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης τείνει να εφαρμόζει σχεδιασμούς με λιγότερο ασήμι για να μειώσει το CF του μετατροπέα. Λόγω της σημαντικής διαφοράς μεταξύ του CF των τιμών ηλεκτρισμού και εκείνου της εξομολόγησης ασήμι/χάλυβα, ο αλγόριθμος ευνοεί ένα μικρότερο, λιγότερο αποδοτικό σχεδιασμό σε σύγκριση με τις υπολογισμούς με βάση το TCO.

7 Συμπέρασμα

Σήμερα, δεν υπάρχει έτοιμη, ευρέως αποδεκτή μέθοδος για την καθορίση του αποτυπώματος άνθρακα των μετατροπέων. Στην εποχή μετά την οικονομία, οι αναλύσεις αποτυπώματος άνθρακα στη βιβλιογραφία έχουν εκτελεστεί σε τυχαία επιλεγμένα ζευγάρια μετατροπέων. Ωστόσο, οι μεγάλοι μετατροπείς κατασκευάζονται προσαρμοσμένα για διάφορα οικονομικά σενάρια. Για τη σύγκριση των βελτιστοποιημένων σχεδιασμών, διεξήχθησαν δύο σχεδιασμοί βελτιστοποίησης σε ένα πρακτικό παράδειγμα. Στην πρώτη περίπτωση, εκτελέστηκε βελτιστοποίηση TCO· στη δεύτερη περίπτωση, ελαχιστοποιήθηκε το αποτύπωμα άνθρακα του μετατροπέα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ανάλυση αποτυπώματος άνθρακα μπορεί να παράγει μετατροπείς με χαμηλότερη απόδοση από τις παραδοσιακές μεθόδους TCO. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι το περιβαλλοντικό κόστος των μεγάλων κινητήρων είναι υψηλότερο κατά την κατασκευή σε σύγκριση με τις απώλειες τους στο δίκτυο. Περαιτέρω έρευνα μπορεί να αξιολογήσει την περιβαλλοντική επίδραση του χρόνου κατασκευής, της συντήρησης, της χρήσης νέων βιοαναστολής επιστρωτικών ελαίων ή της ανακύκλωσης των μετατροπέων.