Kooljalanõigu ja TCO-analüüsi võrdlus elektritrahvite disaini puhul

1. Ülevaade

Kliimamuutuste tõttu on heitkogustega seotud saaste vähendamine kriitiline küsimus. Elektrisüsteemide edastamisel tekkinud kaotuste oluline osa tuleb elektritransformatoritest. Elektrisüsteemides heitkogustega seotud saaste vähendamiseks tuleb paigaldada tõhusamaid transformatoreid. Kuid tõhusamad transformatorid nõuavad sageli rohkem valmistusmaterjale. Optimaalse kaotuse suhte ja tootmise hinda määramiseks kasutatakse tööstusharuis standardpraktikat - Kokkuarvatud Omakust (TCO) meetodit. TCO valem arvestab ostuhinda (PP) ja kaotuste kulu plaanitud kasutusaegaga (PPL). See meetod arvestab kaotuste hinda kapitaliseerimiskordajate (A, B) kaudu.

See lähenemine arvestab aga ainult transformatorite otseseid elektri kulutusi nende plaanitud kasutusaegaga. Indirektsete mõjudega, mis puudutavad ökosüsteeme, tootmisinfrastruktuuri, paigaldust ja toetussüsteeme, ei arvestata. Näiteks need elektriseadmed on sageli remonteeritud ja/või uuesti kasutatud väljaspoolteenistuseastumise järel. Võttes näiteks elektroonilised transformatorid, saab taaskasutada 73% rakendatud materjalidest, ja see protsent võib veelgi kasvada loodusliku esteripõhise eraldusõli kasutamisel. Materjalide taaskasutamise ja remanufactureerimise eelised ei ole arvesse võetud.

Süsiniku jalajälg on teine meetod, millega määrata elektriseadmete keskkonnaimpakt nende kasutusaega jooksul. Praegu ei eksisteeri laialdaselt vastuvõetavat meetodit süsiniku jalajälje arvutamiseks elektriseadmete puhul. Erinevad arvutustööriistad toovad sageli oluliselt erinevaid tulemusi. Selles artiklis pakutakse välja süsiniku jalajälje analüüsimeetod ja seda rakendatakse transformatori optimeerimiseks. Tulemused võrreldakse TCO meetodil põhinevate transformatoritega.

2. Kokkuarvatud Omakusti Meetod

TCO valemi kaudu esitatakse toote elutsükli kulud ostmist kuni lõplikule väljaspoolteenistuseastumiseni. Teine tavaliselt kasutatav term on Elutsüklik Kulukulu (LCC). Põhiline eesmärk on võrrelda transformatoreid võrdsel alusel, et aidata otsustada ostuüleandmisel. TCO meetodi standardiseeritud vorm hankemenetluse käigus on järgmine:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Kus A on tühi koormuseta kaotuse kordaja (€/kW), B on koormusega kaotuse kordaja (€/kW), PNLL (kW) on transformatori kogukaotus tema terve elutsükli jooksul koormuseta ja PLL (kW) on transformatori kogukaotus tema terve elutsükli jooksul koormusega.

Elektrivõrkude, tööstus- ja kaubanduskasutajate perspektiivist erinevad TCO arvutused. Elektrivõrkude transformatori kaotuste hindamismeetodid hõlmavad üldist kulu arvutamist, sealhulgas genereerimise, edastamise ja jaotamise kaotusi, mis viib keerulistele arvutusvalemitete. Muidugi, tööstus- ja kaubanduskasutajate transformatori kaotuste hindamismeetodid nõuavad elektrihindade arvesse võtmist transformatori plaanitud kasutusaega jooksul.

A. Analüüssenaariumi üksikasjad

Kordajad (A, B) arvutati 16MVA võimsusega transformatorile, mis on ühendatud päikeseenergia elektrijaamaga (Joonis 1). Meie arvutustes kasutasime standardiseeritud meetodit, et määrata A ja B väärtused.

Selleks on vaja lahendada järgmine võrrand:

3. Süsiniku Jalajälje Analüüs

Meie eesmärk on luua meetod, et määrata ja võrrelda optimaalset süsiniku jalajälge (CF) elektritransformatorite puhul. "CF mõõdab kogu süsinikdioksiidi heitkoguseid, mida tegevus otse või kaudselt põhjustab või mis kogunevad toote elutsükli jooksul." See võib esindada ka kogu süsinikdioksiidi (CO2) ja muude soodikutehe (SH) heitkoguseid (nt metaan, lämmastiksid, jne) toote seostatuna. CF on laiemalt Life Cycle Assessment (LCA) andmekogumi alamhulk. LCA on rahvusvaheliselt standardiseeritud meetod (ISO 14040, ISO 14044), mida kasutatakse keskkonna koormuse ja ressursside tarbimise hindamiseks toote kogu elutsükli jooksul. Seega, CF on elutsükli hindamise piiratud versioon, mis keskendub ainult kliimamuutustele mõjuvatele heitkogustele.

Süsiniku jalajälje arvutamiseks on kaks peamist meetodit: alapoolne protsessipõhine analüüs (PA) või ülapoolne keskkonnakaitlik sisendsiga input-output (EIO) analüüs. Protsessianalüüs (PA) on alapoolne lähenemine, mis arvestab individuaalse toote keskkonnakoormust tootmisest kuni hävitamiseni. Keskkonnakaitlik sisendsiga input-output (EIO) analüüs põhineb ülapoolse lähenemisviisil süsiniku jalajälje hinnanguteks.

Toote atribuudi mõju algoritm (PAIA) annab universaalmeetodi erinevate tüübiga elektriseadmete süsiniku jalajälje arvutamiseks, nagu valgustusseadmed, pöördvad elektrimasinad jne. See meetod arvutab mootorite süsiniku jalajälje tootmis-, töötlemis- ja taaskasutamisfaasis. Kuid PAIA meetodit pole veel rakendatud elektritransformatorite süsiniku jalajälje hindamiseks.

Lisaks võrreldakse tavaliselt majanduslikke jalajälgi mitteoptimaalselt disainitud olemasolevate disainide vahel (Joonis 2), mitte kahete optimaalselt disainitud transformatori vahel. Elektritransformatorite pika kasutusaega tõttu nõuavad hoolduskulud regulaarse asendamise ja planeeritud aeglaste korral lisamaterjale. Kõik need kulud ei ole arvesse võetud hankemenetluses. Industry 4.0 printsiipide rakendamisel - ennustava hooldusega - saab need arvutada juba varahetkel seadme disainimisel.

3.1 Kapitaliseerimiskordajad

Selleks on kapitaliseerimiskordajad järgmised:

Kui r esindab investeeringu diskontmäära. See tavaliselt varieerub 5-10% vahemikus ja me valisime oma arvutusteks 6,75%. Sel juhul on transformatooriga seotud oodatav eluajad (t) 25 aastat. Võrrandis (4) esindab p aastast elektrienergia tarbimist maksimaalse nõudluse kW kohta. Nõudlusfaktor näitab maksimaalset nõudlust transformatori niminaalse võimsuse suhtes (0,65). Kapitali taastamise kordaja (f) näitab kogu tulevase aastase makse kulu summat, mis on arvutatud praeguses valuutas. Kesk-Euroopa praegune elektrienergia hind on 0,05 eurot (€/kWh). Laadikaotuse tegur (LLF) defineeritakse kui keskmise võimsuskaotuse suheteena perioodil pöördumine maksimaalse nõudlusega. Laadifaktor (LF) on transformatori kogu elutsükli jooksul keskmine laad, väljendatud kui keskmise ja maksimaalse laadi ekvivalentne protsent. Meie juhul, fotogaalne energiajärgulised LF=25%, seega LLF on 0,15625 (Joonis 1).

Võrranditest (4,5) saab arvutada kapitaliseerimiste tegurid (A, B). Võrrandites (4,5) esindab tegur 8760 transformatori aastased töötundide arv. Võrrandis (B) arvutatakse laadikaotuste kulud. Kõigi transformatorkogumi hulgas on kõige odavam ja energiatõhusaim transformatoor see, mis minimeerib TCO-d (Joonis 2).

Koolonfüsi analüüsi eesmärk

Analoogselt TCO valemiga võib tuua eesmärgi funktsiooni, et hinnata transformatoorte karbonijalanjälge (CF):

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

kus TCO2 esindab arvutatud süsiniku jalajälge (g), BCP esindab masina tootmisprotsessi ajal arvutatud süsiniku jalajälge. A* ja B* on kapitaliseerimiste tegurid süsinikdioksiidi heitkoguste (kg/kW) arvutamiseks transformatooriga seotud planeeritud kasutusaia jooksul.

Nende analoogsete kapitaliseerimiste tegurite arvutamiseks kaalutakse kolme kasvuhoonegaasi (GHG): süsinikdioksiidi (CO2), metään (CH4) ja lüüsigaasi (N2O) igal käsitel energiavõrgus kasutatava kütuse jaoks. Sellepärast, et kui me arvutame päikeseenergiakasvatuste abil nullheitmetega, siis teoreetiliselt oleks transformatoori mass minimaalne ja kaotused maksimaalsed. Metään ja lüüsigaasi heitmed muudetakse CO2 ekvivalentseteks heitmeteks, korrutades need vastavate globaalsete soojendamispotentsiaalide tegurite (I)ga:

kus ei on heitmete tegur ühikutes (tCO2/MWh), samas kui eCO2,i, eCH4,i ja eN2O,i on vastavalt süsinikdioksiidi, metäänide ja lüüsigaasi heitmete tegurid uuritava kütuse tüübi (i) jaoks, kõik ühikutes (t/GJ). Tegur 0,0036 kasutatakse GJ MWh konverteerimiseks. Kütuse i puhul esindab ni selle kütuse i ülekandmise süsteemi teisenduskiirust (protsentides %) ja λi esindab kütuse i ülekandmise süsteemis tekkinud võimsuse kaotuse protsenti. Selle artiklis kasutatakse λi = 8% iga kütuse tüübi arvutamiseks.

Ungari elektrivõrgu energiastruktuuri andmete kasutamisel arvutati A*=425 kgCO2/kW ja B*=66,5 kgCO2/kW väärtused.

4 Transformatoormudel

Elektritransformatoormudel kasutab lihtsustatud kahevindinglikku aktiivset osa (tuum ja vindingud). See lähenemine on laialdaselt kasutusel eeldusliku disainioptimiseerimise etappidel, kuna aktiivse osa mõõdud määravad kogu transformatooriga seotud suuruse. Transformatooriga seotud geomeetrilised ja elektrilised omadused modelleeritakse olulistest disainiparameetritest. Need eeldused on laialdaselt vastuvõetud tööstuses, pakkudes piisavat täpsust kupari ja tuuma kaotuste hinnangut, samas oluliselt lihtsustades erinevaid võimalikke tuuma ja vindingukonfiguratsioone.

Eelduslik disaini transformatoormudel määrab selgelt peamiste aktiivsete komponentide välised piirid, mis on piisav vara staadiumi kulude arvutamiseks. Nende olulistest disainiparameetrite mõistmise aeglustab insenereid tööd, ja detailsete disainiparameetrite saab lihtsalt kindlaks teha standardsete tavade abil (Joonis 2). Euroopa ja Ameerika transformatooriga seotud tootjad kasutavad praktiliselt metaheuristilisi optimiseerimismeetodeid.

5 Metaheuristiline otsing

Transformatoormudel kasutab geomeetrilist programmeerimist, mida lahendatakse metaheuristiliste algoritmidega, et lahendada eeldusliku disainioptimiseerimise probleemi matemaatilist mudelit. Kaks tegurit määravad geomeetriliste programmeerijate eelistatavuse. Esiteks, modernsed sisemispunkt-põhised GP lahendajad on kiired ja stabiilsed. Teiseks, geomeetriliste programmeerimise matemaatiliste modelleerimise reeglid tagavad, et saadud lahendus on globaalselt optimaalne. Võrdsuse ja ebavõrdsuse tingimuste avaldised tuleb esitada eriliste matemaatiliste valemite, monomide (10) ja posinomiide (11) abil.

Kus ck>0, α parameetrid on reaalarvud, ja x muutujate väärtused peavad olema positiivsed. Kulude optimiseerimisprobleem kuuskorguse transformatooriga seotud saab esitada erilises geomeetrilises struktuuril. Kuid see matemaatiline optimiseerimismeetod ei saa rakendada tuumaga seotud transformatooriga, kuna neil on rangeid nõuded lühikese kõrvalpaneku impedantsile. Seega, GP meetodi kombinatsiooniga poolitusmeetodiga, saadi kiire ja täpne lahendusmeetod.

6 Tulemused ja arutelu

A. Testtransformatooriga seotud tehnilised spetsifikatsioonid

Optimiseerimistestid viidi läbi 16MVA võimsusega transformaatoril, mille napetuse suhe oli 120kV/20kV. Esimesel juhul oli optimiseerimise eesmärk kokkuhoiukulu (TCO) minimeerimine ja teisel juhul vähima süsiniku jalanjärgu (CF). Võrgusagedus oli 50Hz ning nõutav lühikringi impedants oli 8,5%. Parameetrid valiti vastavalt standarditele. Transformaatori jahutamismeetodiks valiti ONAN, ümbritseva temperatuurina 40°C. Seega määrati peamise kireleviini lubatud joonteiheline tugevuspiiranguks 3A/mm² ja napetegevuse muutmise kireleviini jaoks 3,5A/mm². 

Madala napetuse (primääri) kireleviin modelleeriti CTC (Continuously Transposed Cable) põhjal helikakujuliseks kireleviiniks, samas kui kõrge napetuse (sekundaari) kireleviin modelleeriti kahejuhiliseks diskviiniks. Arvestades tuumamaterjali sättumist ja võrgunapetuse ületust, piirati maksimaalne fluxitihedus 1,7T-ni. Minimaalsed eralduskaugused valiti empiiriliste reeglite järgi. Elektroterase hind valiti 3,5€/kg, kireleviini materjali hind 8€/kg. Elektroterase tootmise süsiniku jalanjärgu maksumus oli 1,8kgCO2/kg ja valuabi 6,5kgCO2/kg.

Optimiseerimistulemused on kokku võetud tabelis 2. Tulemustest nähtub, et CF optimiseerimisel saavutatud optimaalne transformatoreffiitsents on madalam kui TCO analüüsi järel saavutatud effiitsents. Transformatori tõmbe kohta langev voltagemäär on seotud veekli-välimete suhtega ning mõlemas juhul on väärtused peaaegu identsead. Mõlemas juhul on tuumakahjud suhteliselt väikesed, ilma oluliste erinevusteta. Päikeseenergia elektrijaamade madala LLF tõttu on tuumakahjudes tekkinud kulud suhtes laadikahjudest suuremad. Oluline erinevus seisneb veeklikahjudes, mis on TCO juhul märkimisväärselt väiksemad. Kuna mitteäärsete ja äärsete metallide viljendamise hindade suhe on kõrgem kui tuuma- ja veeklimaterjalide hinnasuhet ning kasutatavate materjalide CF on suurem kui elektrikahjude CF, siis optimiseerimisalgoritm soovib disainide kasutamist, kus on vähem veeki, et vähendada transformaatori CF-d. Elektri hinna CF ja veeki/välimete viljendamise CF vahelisel olulisel erinevusel tuletab algoritm välja väiksemad ja vähem effektiivsed disainid, kui võrrelda TCO põhinevat arvutust.

7 Järeldus

Praegu ei ole olemas valmis, laialdaselt aktsepteeritud meetodit, mis hõlmaks võimsuste transformaatorite süsinikjala määramist. Majanduse pärastajal on kirjanduses tehtud süsinikjala analüüsid suvaliselt valitud transformaatoride paaride põhjal. Kuid suured võimsuste transformaatorid on spetsiaalselt valmistatud erinevate majandusskenaaride jaoks. Optimeeritud disainide võrdlemiseks tehakse praktilises näites kaks optimiseerimisdisaini. Esimeses juhul tehakse TCO optimiseerimine; teises juhul minimiseeritakse transformaatori süsinikjala. Tulemused näitavad, et süsinikjala analüüsid võivad anda vähem efektiivseid transformaatoreid, kui traditsioonilised TCO meetodid. See võib selgituda sellest, et suurte mootorite tootmise ajal tekkinud keskkonnakulud on suuremad kui nende kaotused võrgus. Lisauuringute abil võiks hinnata tootmise, hoolduse, uute lõhkuvate eraldusõlite kasutamise või transformaatorite taaskasutamise keskkondlikku mõju.