Análisis de Huella de Carbono vs TCO para el Diseño de Transformadores Eléctricos

1. Visión general

Debido al calentamiento global, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero es un asunto crítico. Una parte significativa de las pérdidas en los sistemas de transmisión de energía proviene de los transformadores de potencia. Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en los sistemas de energía, se deben instalar transformadores más eficientes. Sin embargo, los transformadores más eficientes a menudo requieren más materiales de fabricación. Para determinar la relación óptima de pérdidas y el precio de fabricación de los transformadores, el método del Costo Total de Propiedad (TCO) es la práctica estándar de la industria. La fórmula TCO considera el precio de compra (PP) y el costo de las pérdidas durante el período de vida planificado del producto (PPL). Este método tiene en cuenta el precio de las pérdidas a través de factores de capitalización (A, B).

Sin embargo, este enfoque solo considera los costos directos de electricidad de los transformadores durante su vida útil planificada. Los impactos indirectos que involucran recursos ecológicos, infraestructura de fabricación, instalación y sistemas de soporte no se tienen en cuenta. Por ejemplo, estos productos eléctricos a menudo se reacondicionan y/o reutilizan después de su retiro. Tomando como ejemplo los transformadores de potencia, el 73% de los materiales utilizados puede reciclarse, y este porcentaje puede aumentar aún más cuando se utiliza aceite aislante basado en éster natural. Los beneficios de la reciclaje y remanufactura de materiales no se toman en cuenta.

La huella de carbono es otra métrica para determinar el impacto ambiental de los equipos eléctricos durante su vida útil. Actualmente, no existe un método ampliamente aceptado para calcular la huella de carbono de los equipos de potencia. Las diferentes herramientas de cálculo a menudo producen resultados significativamente diferentes. Este documento propone un método de análisis de la huella de carbono y lo aplica a la optimización de transformadores. Los transformadores resultantes se comparan con aquellos basados en el método TCO.

2. Método del Costo Total de Propiedad

La fórmula TCO representa el costo del ciclo de vida de un producto desde la compra hasta el retiro final. Otro término comúnmente utilizado es el Costo del Ciclo de Vida (LCC). El objetivo principal es comparar transformadores en una base equitativa para tomar decisiones de compra. La forma estandarizada del método TCO durante la fase de licitación es la siguiente:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Donde A es el coeficiente de pérdida sin carga (€/kW), B es el coeficiente de pérdida con carga (€/kW), PNLL (kW) es la pérdida sin carga del transformador a lo largo de toda su vida, y PLL (kW) es la pérdida con carga del transformador a lo largo de toda su vida.

Desde la perspectiva de las empresas de servicios públicos de energía o de usuarios industriales y comerciales, los cálculos TCO también difieren. Los procedimientos de evaluación de pérdidas de transformadores de las empresas de servicios públicos de energía implican comprender y evaluar el costo total de las pérdidas de generación, transmisión y distribución de los transformadores, lo que resulta en fórmulas de cálculo complejas. Por otro lado, los procedimientos de evaluación de pérdidas de transformadores de los usuarios industriales y comerciales requieren comprender y evaluar los precios de la electricidad a lo largo del tiempo de uso planificado del transformador.

A. Detalles del escenario de análisis

Los coeficientes (A, B) se calcularon para un transformador de potencia de 16 MVA conectado a una planta solar (Figura 1). Utilizamos un método estandarizado para determinar los valores de A y B en nuestros cálculos.

Para este propósito, es necesario resolver la siguiente ecuación:

3. Análisis de la Huella de Carbono

Nuestro objetivo es crear una metodología para determinar y comparar la huella de carbono (CF) óptima para los transformadores de potencia. "La CF mide la cantidad total de emisiones de dióxido de carbono causadas directa o indirectamente por una actividad o acumuladas durante el ciclo de vida de un producto." También puede representar la cantidad total de dióxido de carbono (CO2) y otras emisiones de gases de efecto invernadero (GHG) (como metano, óxido nitroso, etc.) asociadas con un producto. La CF es un subconjunto de los datos cubiertos por la Evaluación del Ciclo de Vida (LCA) más completa. La LCA es una metodología estandarizada internacionalmente (ISO 14040, ISO 14044) utilizada para evaluar las cargas ambientales y el consumo de recursos a lo largo del ciclo de vida de un producto. Por lo tanto, la CF es una evaluación del ciclo de vida limitada únicamente a las emisiones que impactan el cambio climático.

Existen dos métodos principales para el cálculo de la CF: el análisis basado en procesos de abajo hacia arriba (PA) o el análisis de entrada-salida ambiental extendido de arriba hacia abajo (EIO). El análisis de procesos (PA) es un enfoque de abajo hacia arriba que considera el impacto ambiental de un producto individual desde la producción hasta el desecho. El análisis de entrada-salida ambiental (EIO) se basa en un enfoque de arriba hacia abajo para estimar la CF.

El Algoritmo de Atributo de Producto a Impacto (PAIA) proporciona un método universal para calcular la CF de diferentes tipos de productos eléctricos, como luminarias, máquinas eléctricas rotativas, etc. Este método calcula la CF de los motores durante las fases de fabricación, operación y reciclaje. Sin embargo, el método PAIA aún no se ha aplicado a la evaluación de la CF de los transformadores de potencia.

Además, los diseños de huella económica generalmente se comparan para diseños existentes seleccionados arbitrariamente (Figura 2), en lugar de para dos transformadores diseñados de manera óptima. Debido a la larga vida útil de los transformadores de potencia, los costos de mantenimiento relacionados con el reemplazo rutinario requieren piezas adicionales y tiempos de inactividad planificados. Todos estos costos no se incluyen en la fase de licitación. Después de implementar los principios de la Industria 4.0—mantenimiento predictivo—estos pueden calcularse desde el principio del diseño del equipo.

3.1 Factores de Capitalización

Para este propósito, los factores de capitalización son los siguientes:

Donde r representa la tasa de descuento para la inversión. Esto generalmente varía entre el 5-10%, y seleccionamos el 6.75% para nuestros cálculos. En este caso, la vida útil esperada del transformador (t) es de 25 años. En la ecuación (4), p representa la electricidad anualizada por kW de demanda máxima. El factor de demanda representa la relación de la demanda máxima con la capacidad nominal del transformador (0.65). El coeficiente de recuperación de capital (f) muestra el costo total futuro de los pagos anuales calculados en moneda actual. El precio actual de la electricidad en Europa Central es de 0.05 euros (€/kWh). El factor de pérdida de carga (LLF) se define como la relación de la pérdida de potencia promedio durante un período a la pérdida en el momento de mayor demanda. El factor de carga (LF) es la carga promedio del transformador a lo largo de su ciclo de vida, expresado como el porcentaje equivalente de la carga promedio a la carga máxima. En nuestro caso, para las plantas fotovoltaicas, LF=25%, por lo tanto, LLF es igual a 0.15625 (Figura 1).

A partir de las ecuaciones (4,5), se pueden calcular los factores de capitalización (A, B). En las ecuaciones (4,5), el factor 8760 representa las horas de operación anuales del transformador. En la ecuación (B), se calcula el costo de la pérdida de carga. Entre todos los transformadores, el más rentable y eficiente energéticamente es el que minimiza el TCO (Figura 2).

A. Función Objetivo de Análisis de Huella de Carbono

Análogamente a la fórmula TCO, se puede introducir una función objetivo para evaluar la huella de carbono (CF) de los transformadores de potencia:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

donde TCO2 representa la huella de carbono calculada (g), BCP representa la huella de carbono calculada durante el proceso de fabricación de la máquina. A* y B* son factores de capitalización para calcular las emisiones de dióxido de carbono (kg/kW) durante la vida útil planificada del transformador.

Para calcular estos factores de capitalización análogos, se consideran tres gases de efecto invernadero (GHG): dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O) para cada tipo de combustible utilizado en la red eléctrica. Esto se debe a que, si calculamos utilizando las emisiones cero de las plantas solares, el transformador resultante teóricamente tendría mínima masa y máximas pérdidas. Las emisiones de metano y óxido nitroso se convierten a emisiones equivalentes de CO2 multiplicándolas por sus respectivos factores de potencial de calentamiento global (I):

donde ei es el factor de emisión en unidades de (tCO2/MWh), mientras que eCO2,i, eCH4,i y eN2O,i son los factores de emisión para dióxido de carbono, metano y óxido nitroso respectivamente para el tipo de combustible estudiado (i), todos en unidades de (t/GJ). El factor 0.0036 se utiliza para convertir GJ a MWh. Para el combustible i, ni representa la eficiencia de conversión del combustible i en el sistema de transmisión (en porcentaje %), y λi representa el porcentaje de pérdida de potencia para el combustible i en el sistema de transmisión. Este artículo utiliza λi = 8% para los cálculos de cada tipo de combustible.

Utilizando los datos de la estructura energética de la red eléctrica húngara, se calcularon los valores de A*=425 kgCO2/kW y B*=66.5 kgCO2/kW.

4 Modelo de Transformador

La modelización del transformador de potencia emplea una parte activa de dos devanados simplificada (núcleo y devanados). Este enfoque se utiliza ampliamente en las etapas de optimización de diseño preliminar porque las dimensiones de la parte activa determinan el tamaño total del transformador. Las características geométricas y eléctricas del transformador se modelizan utilizando parámetros de diseño clave. Estas suposiciones son ampliamente aceptadas en la industria, proporcionando suficiente precisión en la estimación de las pérdidas de cobre y núcleo, al tiempo que simplifica significativamente las diversas configuraciones posibles de núcleo y devanados.

El modelo de transformador de diseño preliminar define claramente los límites exteriores de los componentes activos principales, lo cual es adecuado para los cálculos de costos en etapas tempranas. Comprender estos parámetros de diseño clave acelera el trabajo de los ingenieros, y los parámetros de diseño detallados pueden determinarse fácilmente utilizando prácticas estándar (Figura 2). Los fabricantes de transformadores en Europa y América emplean métodos de optimización basados en metaheurísticas en la práctica.

5 Búsqueda Metaheurística

El modelo de transformador emplea programación geométrica resuelta por algoritmos metaheurísticos para abordar el modelo matemático del problema de optimización de diseño preliminar. Dos factores determinan la superioridad de los solucionadores de programación geométrica. Primero, los solucionadores modernos de GP basados en punto interior son rápidos y robustos. Segundo, las reglas de modelización matemática de la programación geométrica garantizan que la solución obtenida es óptima globalmente. Las expresiones de restricciones de igualdad y desigualdad deben representarse utilizando fórmulas matemáticas especiales llamadas monomios (10) y posinomios (11).

Donde ck>0, los parámetros α son números reales, y los valores de las variables x deben ser positivos. El problema de optimización de costos para transformadores de potencia de carcasa puede formularse en una forma especial de estructura geométrica. Sin embargo, este método de optimización matemática no puede aplicarse a los transformadores de potencia de núcleo, ya que estos tienen requisitos estrictos para la impedancia de cortocircuito. Por lo tanto, al combinar el método GP con el método de ramificación y acotación, se obtuvo un método de solución rápido y preciso.

6 Resultados y Discusión

A. Especificaciones Técnicas del Transformador de Prueba

Se realizaron pruebas de optimización en un transformador de potencia de 16 MVA con una relación de voltaje de 120 kV/20 kV. Los objetivos de optimización fueron el Costo Total de Propiedad (CTP) en el primer caso y la Huella de Carbono (HC) mínima. La frecuencia de la red fue de 50 Hz, con un impedancia de cortocircuito requerida del 8,5%. Se seleccionaron parámetros de acuerdo con las normas. El método de enfriamiento del transformador se seleccionó como ONAN, con una temperatura ambiente especificada de 40°C. Por lo tanto, se estableció un límite de densidad de corriente permitido para el devanado principal de 3 A/mm², y para el devanado del cambiador de tomas de 3,5 A/mm².

El devanado de baja tensión (primario) se modeló como un devanado helicoidal con CTC (Cable Transpuesto Continuamente), mientras que el devanado de alta tensión (secundario) se modeló como un devanado de disco con conductores duales. Considerando la saturación del material del núcleo y la sobretensión de la red, la densidad de flujo máxima se limitó a 1,7 T. Las distancias mínimas de aislamiento se seleccionaron según reglas empíricas. El costo del acero eléctrico se seleccionó como 3,5 €/kg, y el costo del material de bobinado como 8 €/kg. El costo de huella de carbono para la fabricación de acero eléctrico fue de 1,8 kgCO2/kg, y para el cobre 6,5 kgCO2/kg.

Los resultados de la optimización se resumen en la Tabla 2. A partir de los resultados, se puede observar que la eficiencia óptima del transformador bajo la optimización CF es menor que la eficiencia después del análisis TCO. El voltaje por vuelta del transformador está relacionado con la relación cobre-hierro, y los valores son casi idénticos en ambos casos. Las pérdidas en el núcleo son relativamente pequeñas en ambos casos, sin una diferencia significativa. Debido al pequeño LLF de las plantas solares, los costos de pérdida en el núcleo son relativamente altos en comparación con los costos de pérdida de carga. La principal diferencia radica en las pérdidas de cobre, que son considerablemente menores en el caso TCO. Dado que la relación de precios de la fundición de metales no ferrosos y ferrosos es mayor que la relación de precios de los materiales de núcleo y cobre, y el CF de los materiales aplicados es relativamente mayor que el CF de las pérdidas eléctricas, el algoritmo de optimización tiende a adoptar diseños con menos cobre para reducir el CF del transformador. Debido a la diferencia significativa entre el CF de los precios de la electricidad y el de la fundición de cobre/hierro, el algoritmo favorece un diseño más pequeño y menos eficiente en comparación con los cálculos basados en TCO.

7 Conclusión

Actualmente, no existe un método listo y ampliamente aceptado para determinar la huella de carbono de los transformadores de potencia. En la era post-económica, los análisis de huella de carbono en la literatura se han realizado en pares de transformadores seleccionados arbitrariamente. Sin embargo, los grandes transformadores de potencia se fabrican a medida para diferentes escenarios económicos. Para comparar diseños optimizados, se llevaron a cabo dos diseños de optimización en un ejemplo práctico. En el primer caso, se realizó una optimización TCO; en el segundo caso, se minimizó la huella de carbono del transformador. Los resultados muestran que el análisis de la huella de carbono puede producir transformadores con menor eficiencia que los métodos TCO tradicionales. Esto puede deberse a que el costo ambiental de los grandes motores es mayor durante la fabricación que sus pérdidas en la red. Investigaciones adicionales podrían evaluar el impacto ambiental del tiempo de fabricación, mantenimiento, uso de nuevos aceites aislantes biodegradables o reciclaje de transformadores.