Karbona Tirovs TCO-Analizo por Enerĝtransformila Konstruo

1. Superrigardo

Ĉar la malvarmigo de la mondo, redukti emision de varmhause gazoj estas kritika demando. Granda parto de perdoj en energitransdonaj sistemoj venas el energitransformiloj. Por redukti emision de varmhause gazoj en energisistemoj, oni devas instali pli efikajn transformilojn. Tamen, pli efikaj transformiloj ofte postulas pli da materialoj por fabrikado. Por determini la optimuman rilatumon de perdoj kaj la prezon de fabrikado de transformiloj, la metodo de Totala Poseda Kosto (TPK) estas la norma praktiko en la industrio. La formulo de TPK konsideras la aĉetprezon (AP) kaj la koston de perdoj dum la planita vivo de la produkto (PVP). Ĉi tiu metodo kalkulas la prezon de perdoj per kapitalizaj faktoroj (A, B).

Tamen, ĉi tiu proksimaĵo nur konsideras la rektajn elektrajn kostojn de transformiloj dum ilia planita servoperiodo. Indirektaj efektoj, kiuj implicas ekologiajn resursojn, productivajn infrastrukturojn, instaladon, kaj subtenajn sistemojn ne estas konsideritaj. Ekzemple, ĉi tiuj elektraj produktoj ofte estas renovigitaj kaj/aux reuzataj post sia retrito. Prezentante energitransformilojn kiel ekzemplon, 73% de la uzitaj materialoj povas esti reciklataj, kaj ĉi tiu proporcio povas esti plu plibonigita se oni uzas naturan estecon-bazitan izoladan oleon. La valoroj de materialreciklo kaj remanufakturo ne estas konsideritaj.

La karbona vestspuro estas alia mezurilo por determini la ekologian efekton de elektra equipamento dum sia servo-vivo. Nuntempe, ne ekzistas vaste akceptita metodo por kalkuli la karbonan vestspuron de energiekipaĵo. Diferentaj kalkililoj ofte produktas signife malsamajn rezultojn. Ĉi tiu artikolo proponas analizmetodon de karbona vestspuro kaj aplikas ĝin al la optimigo de transformiloj. La rezultantaj transformiloj estas komparitaj kun tiuj bazitaj sur la TPK-metodo.

2. Metodo de Totala Poseda Kosto

La formulo de TPK reprezentas la ciklan koston de produkto de la aĉeto ĝis la fina retrito. Alia komune uzata termino estas Cikla Vivo Kosto (CVK). La ĉefa celo estas kompari transformilojn sur egala bazo por fari aĉetdecidojn. La normigita formo de la TPK-metodo dum la liciteca fazo estas jena:

TPK = AP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Kie A estas la koeficiento de senŝargaj perdoj (€/kW), B estas la koeficiento de ŝargaj perdoj (€/kW), PNLL (kW) estas la senŝargaj perdoj de la transformilo dum ĝia tuta vivo, kaj PLL (kW) estas la ŝargaj perdoj de la transformilo dum ĝia tuta vivo.

El la perspektivo de energiutiligoj aŭ industriaj kaj komerciaj uzantoj, la kalkuloj de TPK ankaŭ malsamas. Procedoj de evaluado de perdoj de transformiloj de energiutiligoj implikas komprenon kaj aserton de la totala kostoj de generado, transdonado, kaj distribuo de perdoj de transformiloj, rezultigante kompleksajn kalkilformulojn. Aliflanke, procedoj de evaluado de perdoj de transformiloj de industriaj kaj komerciaj uzantoj postulas komprenon kaj aserton de elektraj prezoj dum la planita uzotempo de la transformilo.

A. Detaloj de Analiza Scenaro

La koeficientoj (A, B) estis kalkulitaj por 16MVA-energitransformilo konektita al fotovolta energeta centra (Figuro 1). Ni uzis normigitan metodon por determini la valorojn de A kaj B en niaj kalkuloj.

Por ĉi tiu celo, necesas solvi la jenan ekvacion:

3. Analizo de Karbona Vestspuro

Nia celo estas krei metodologion por determini kaj kompari la optimuman karban vestspuron (KV) por energitransformiloj. "KV mezuras la tutan kvanton de karbon-dioksidemisionoj direktaj aŭ indirektaj kaŭzitaj de ago aŭ akumulitaj dum la cikla vivo de produto." Ĝi ankaŭ povas reprezenti la tutan kvanton de karbon-dioxid (CO2) kaj aliaj varmhause gazemisionoj (kiel metano, nitroso, etc.) asociitaj kun produto. KV estas subaro de la datumoj kovritaj per la pli ampleksa Cikla Vivo Aserto (CVA). CVA estas internacie normigita metodologio (ISO 14040, ISO 14044) uzata por evalui ekologian pezan kaj resurskonsumadon dum la cikla vivo de produto. Do, KV estas cikla vivo aserto limigita nur al emisionoj kiuj influas la klimatan ŝanĝon.

Estas du ĉefaj metodoj por kalkulado de KV: suben-al-supra proceza analizo (PA) aŭ supre-al-suba ekologia etendita enspezo-elvenko (EIO) analizo. Procesa analizo (PA) estas suben-al-supra proksimaĵo kiu konsideras la ekologian efekton de individua produto de produkcio ĝis forĵeto. Ekologia enspezo-elvenko (EIO) analizo estas bazita sur supre-al-suba proksimaĵo por taksado de KV.

La Produkta Attributo al Efektalgoritmo (PAIA) provizas universalan metodon por kalkulado de KV de diversaj tipoj de elektraj produktoj, kiel lumilaroj, rotaciantaj elektraj maŝinoj, etc. Ĉi tiu metodo kalkulas la KV de motoroj dum la fazoj de fabrikado, operacio, kaj reciklado. Tamen, la PAIA-metodo ankoraŭ ne estas aplikita al KV-evaluo de energitransformiloj.

Plue, ekonomia vestspuro dizajnoj estas tipike komparitaj por arbitre elektitaj ekzistantaj dizajnoj (Figuro 2), anstataŭe de du optimalaj disegnitaj transformiloj. Pro la longa servoperiodo de energitransformiloj, manĝostoj rilatitaj al rutina anstataŭigo postulas pliajn partojn kaj planitajn halttempojn. Ĉiuj ĉi tiuj kostoj ne estas inkluditaj en la liciteca fazo. Post la implementado de Industria 4.0 principoj—prognostika manĝo—ĉi tiuj povas esti kalkulitaj de la komenco de la disegno de la ekipaĵo.

3.1 Kapitalizaj Faktoroj

Por ĉi tiu celo, la kapitalizaj faktoroj estas jenaj:

Kie r reprezentas la diskontan tarifon por investo. Tio kutime varias inter 5-10%, kaj ni elektis 6,75% por niaj kalkuloj. En ĉi tiu okazo, la atendata vivdaŭro de la transformilo (t) estas 25 jaroj. En ekvacio (4), p reprezentas la jaran elektron por kW de maksimuma demando. La faktoro de demando reprezentas la rilatumon de maksimuma demando al la norma kapablo de la transformilo (0,65). La kapitala restitucia koeficiento (f) montras la tutan estontan koston de jaraj pagoj kalkulitaj en nuntempa mono. La aktuala elektra prezo en Centra Eŭropo estas 0,05 euroj (€/kWh). La ŝarĝa perdo-faktoro (LLF) estas difinita kiel la rilatumo de meza potenco-perdo dum certa periodo al la perdo je plej alta demando. La ŝarĝa faktoro (LF) estas la meza ŝarĝo de la transformilo tra sia tuta ciklo, esprimita kiel ekvivalenta procento de mezaj al maksimumaj ŝarĝoj. En nia okazo, por fotovoltaikaj energiejoj, LF=25%, do LLF egalas 0,15625 (Figuro 1).

El ekvacioj (4,5), oni povas kalkuli la kapitalizajn faktorojn (A, B). En ekvacioj (4,5), la faktoro 8760 reprezentas la jaran operacian horon de la transformilo. En ekvacio (B), la kostoj de ŝarĝa perdo estas kalkulitaj. Inter ĉiuj transformiloj, la plej kostefika kaj energiekonoma transformilo estas tiu, kiu minimumigas la TCO (Figuro 2).

A. Analizo de Karbona Spuro Objetiva Funkcio

Analoge al la TCO formulo, oni povas enkonduki objektivan funkcion por evalui la karbonan spuron (CF) de potenctransformiloj:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

kie TCO2 reprezentas la kalkulitan karbonan spuron (g), BCP reprezentas la karbonan spuron kalkulitan dum la maŝinara produktado. A* kaj B* estas kapitalaj faktoroj por kalkuli karbonajn dioxidemisionojn (kg/kW) dum la planita servperiodo de la transformilo.

Por kalkuli ĉi tiujn analogajn kapitalajn faktorojn, tri varmhusaj gazoj (GHG) estas konsideritaj: karbona dioxiido (CO2), metano (CH4), kaj laktoza oksido (N2O) por ĉiu brulejo uzata en la energia reto. Tio estas, ĉar se ni kalkulas uzante la nul emisionojn de solaj energiejoj, la rezulta transformilo teorie havus minimuman mason kaj maksimumajn perdojn. La emisionoj de metano kaj laktoza oksido estas konvertitaj al CO2 ekvivalentaj emisionoj per multipliko kun iliaj respektivaj globala varmhusaj potencialaj faktoroj (I):

kie ei estas la emisa faktoro en unuoj de (tCO2/MWh), dum eCO2,i, eCH4,i kaj eN2O,i estas la emisaj faktoroj por karbona dioxiido, metano, kaj laktoza oksido respektive por la studata brulejo (i), ĉiuj en unuoj de (t/GJ). La faktoro 0,0036 estas uzata por konverti GJ al MWh. Por brulejo i, ni reprezentas la konverton de efikeco de brulejo i en la transmetosistemo (en procento %), kaj λi reprezentas la procenton de potenco-perdo por brulejo i en la transmetosistemo. Ĉi tiu artikolo uzas λi = 8% por kalkuloj de ĉiu brulejo.

Uzante la energetan strukturan daton de la hungara energia reto, la valoroj de A*=425 kgCO2/kW kaj B*=66,5 kgCO2/kW estis kalkulitaj.

4 Transformila Modelo

La modelado de potenctransformiloj uzas simpligitan duventran aktivan parton (ĵeto kaj ventroj). Ĉi tiu aliro estas larĝe uzata en la etapoj de antaŭa dizajnooptimumigo, ĉar la dimensioj de la aktiva parto determinas la tutan grandon de la transformilo. La geometriaj kaj elektraj karakterizoj de la transformilo estas modelitaj per klavaj dizajnparametroj. Ĉi tiuj supozoj estas larĝe akceptitaj en la industrio, donante sufiĉan precizecon en la estimado de kupra kaj ĵetperdoj dum signife simpligante la diversajn eblajn ĵetajn kaj ventrajn konfiguraciojn.

La antaŭdizajna transformila modelo klare difinas la eksterajn barojn de la ĉefaj aktivaj komponantoj, kio estas sufiĉa por fruaj kostokalkuloj. Komprendi ĉi tiujn klavajn dizajnparametrojn akcelas la laboron de inĝenieroj, kaj detalaj dizajnparametroj povas facile esti determinitaj uzante normajn praktikojn (Figuro 2). Transformilprodontoj en Eŭropo kaj Ameriko uzas metaheuristikajn optimumigajn metodojn en prakto.

5 Metaheuristika Serĉo

La transformila modelo uzas geometrian programadon solvitajn per metaheuristikaj algoritmoj por trakti la matematikan modelon de la antaŭa dizajno-optimumigproblemo. Du faktoroj determinas la superiorecon de geometriaj programsolvoj. Unue, modernaj intern-punktbazitaj GP solvoj estas rapidaj kaj robustaj. Due, la matematikaj modeligreguloj de geometria programado garantias, ke la ricevita solvo estas globale optimala. Ekspresioj por egalecaj kaj malegalecaj limigoj devas esti reprezentitaj per specialaj matematikaj formuloj nomitaj monomialoj (10) kaj posynomialoj (11).

Kie ck>0, la α parametroj estas reelaj nombroj, kaj la valoroj de x variabloj devas esti pozitivaj. La kostoptimigproblemo por kuireformaj potenctransformiloj povas esti formulita en speciala geometria strukturforma maniero. Tamen, ĉi tiu matematika optimigmetodo ne povas esti aplikita al ĵetformaj potenctransformiloj, ĉar ĵetformaj potenctransformiloj havas striktajn postulojn pri mallongcirkuitimpedanco. Do, kombinante la GP-metodon kun la branĉ-kaj-limiga metodo, rapidega kaj akcura solvometodo estis ricevita.

6 Rezultoj kaj Diskuto

A. Teknikaj Specifikoj de Testa Transformilo

Sur optimumigo testojn estis faritaj sur 16MVA transformilo kun tensio-proporcio de 120kV/20kV. La celoj de la optimumigo estis en la unua okazo la Totala Poseda Kosto (TPK) kaj minimuma Karbona Ekoĵaro (KE). La reto-frekvenco estis 50Hz, kun postulata mallonga-ĉirkaŭfera impedanco de 8,5%. Parametroj estis elektitaj laŭ normoj. Elektita transformila raftecmetodo estis ONAN, kun ĉirkaŭa temperaturo specifita kiel 40°C. Tial, la permesata limeso de la vinda elektra denseco por la ĉefa vindo estis agordita al 3A/mm², kaj por la ŝanĝanta vindo al 3,5A/mm². 

La malalta-volta (primara) vindo estis modeligita kiel heliksa vindo kun CTC (Daŭre Transponita Kabolo), dum la alta-volta (sekundara) vindo estis modeligita kiel diska vindo kun duaj konduktoroj. Konsiderante saturaĵon de la kernmaterialo kaj reto-superŝargo, la maksimuma fluodenseco estis limigita al 1,7T. Minimumaj izolaj distancoj estis elektitaj laŭ empiriaj reguloj. La kostoj de elektra akero estis elektitaj kiel 3,5€/kg, kaj la materejo de la vindo kiel 8€/kg. La karbona ekoĵaro-kosto por la fabrikado de elektra akero estis 1,8kgCO2/kg, kaj por kupro 6,5kgCO2/kg.

La optimizaj rezultoj estas resumitaj en Tabelo 2. El la rezultoj oni povas vidi, ke la optimala transforma efikeco sub CF-optimizo estas pli malalta ol la efikeco post TCO-analizo. La transforma voltado por ĉiu spiro rilatas al la rilatumo de kupro-al-fero, kaj la valoroj estas preskaŭ identaj en ambaŭ okazoj. Kerdamortoj estas relative malgrandaj en ambaŭ okazoj, sen signifa diferenco. Pro la malgranda LLF de fotovoltaj stacioj, la kostoj de kerdamortoj estas relative altaj kompare al la kostoj de ŝarĝamortoj. La ĉefa diferenco kuŝas en la kupramortoj, kiuj estas signife pli malgrandaj ol en la TCO-kazo. Ĉar la prezo-rilatumo de nefermetaloj kaj fermetaloj estas pli alta ol la prezo-rilatumo de kerdaj kaj kupraj materialoj, kaj la CF de aplikitaj materialoj estas relativale pli alta ol la CF de elektraj amortoj, la optimiga algoritmo tendencas al adopti dizajnojn kun malpli da kupro por redukti la transforman CF. Pro la signifa diferenco inter la CF de elektra prezo kaj tiu de kupra/fera fundadado, la algoritmo favoras pli malgrandan, malpli efikan dizajnon kompare al TCO-bazitaj kalkuloj.

7 Konkludo

Aktualmente, ne ekzistas pretfarita, vaste akceptita metodo por determini la karbonopreton de potenctransformiloj. En la postra ekonomia epoko, karbonopretonanalizoj en literaturo estis faritaj sur arbitre elektitaj paroj de transformiloj. Tamen, grandaj potenctransformiloj estas speciale konstruitaj por malsamaj ekonomiaj scenaroj. Por kompari optimigitajn dizajnojn, du optimigdizajnoj estis faritaj en praktika ekzemplo. En la unua okazo, TCO-optimigo estis farita; en la dua okazo, la transforma karbonopreto estis minimumigita. La rezultoj montras, ke karbonopretonanalizo povas doni transformilojn kun pli malalta efikeco ol tradiciaj TCO-metodoj. Tio povas esti pro tio, ke la ekologia kostoj de grandaj motoroj estas pli altaj dum la manufakturo ol iliaj amortoj en la reto. Pluaj esploroj povus evalui la ekologian efekton de manufakturtempo, manteno, la uzo de novaj biodifektiĝemaj izolantaj oloj, aŭ transformreciklado.