Karbono oinarrizkopea vs TCO analisia Indar Trasformatorren diseinurako

1. Ikuspegi orokorra

Ehizkari gasen emisioak murrizteak munduko hezurren ondorioz garrantzitsua da. Indar elektrikoaren transmitazio sistemetan gertatzen diren galderen zati handia transformadoreelektroekin lotuta dago. Transformadore elektro gehiagoei eraman behar zaie indar elektrikoaren sistemen ehizkari gasen emisioak murrizteko. Hala ere, transformadore elektro efizientzi handiagoak material gehiagorako behar dituzte eraikitzeko. Transformadoreen galderen maila optimo eta prezioa askatu arte, Ondorio Guztien Kostuak (TCO) metodoa industrian praktika estandarra da. TCO formula kalkulatzen du produktuaren bizitza planeatutako aldiroko kostuak (PP) eta galderen kostuak (PPL). Metodo honek kontuan hartzen ditu galderen kostuak kapitalizazio faktoreen (A, B) bidez.

Hala ere, abordatze hau bakarrik kontuan hartzen ditu transformadore elektrikoak euren bizitza planifikatuan direnean sortzen diren kostu elektriko zuzena. Ekologiko edo manufakturatzeko infraestruktura, instalazioa eta sustapen sistema horiei buruzko eragin indirektuak ez dira kontuan hartzen. Adibidez, produktu elektriko hauek askotan berriro egiten eta/edo erabiltzen dira. Transformadore elektrikoak adibidez, aplikatutako materialen %73 erreciclagarriak dira, eta porcentaj hori zenbat eta gehiago lanpetrol natural ester-en oinarrituta izan daiteke. Materialen erreciclaje eta remanufakturazioaren abantailak ez dira kontuan hartzen.

Karbono-jartura beste neurri bat da, elektrikoaren elementuak bere bizitza aldirokoan ekosistema gainean duen eragina aztertzen laguntzeko. Une honetan, ez dago metodo orokorrean onartutako metodo bat indar elektrikoaren elementuen karbono-jartura kalkulatzeko. Kalkulu ferramentu desberdinek emaitza desberdinak ematen dituzte. Artikulu honek karbono-jartura analisi metodo bat proposatzen du eta transformadoreen optimizaziora aplikatzen dio. Emaitzak TCO metodoaren oinarritutako transformadorekin konparatzen dira.

2. Ondorio Guztien Kostuak Metodoa

TCO formularioa produktu baten kostu guztiak irakasleko aldiroko kostuak adierazten ditu. Erabilitako termino bat bestea da Bizitza Zikloaren Kostua (LCC). Helburu nagusia da transformadoreak berdintasun batean konparatzeko erosten dena erabakitzea. TCO metodoaren forma estandarrizatua eskaintza fasean hau da:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Non A ez duten karga galderen koefizientea (€/kW), B karga galderen koefizientea (€/kW), PNLL (kW) transformadorearen galdera ez duten kargatik bertoko bizitza osotan, eta PLL (kW) transformadorearen galdera kargatik bertoko bizitza osotan.

Indar elektrikoaren edo industri eta komertzialen erabiltzaileen perspektibatik, TCO kalkuluak ere desberdinak dira. Indar elektrikoaren transformadoreen galderen ebaluazio protokoloak generazio, transmitazio eta banaketako galderen kostu guztiak ulertzeko eta ebaluatzeko behar ditu, formulak konplexuak lortzeko. Bestalde, industri eta komertzialen erabiltzaileentzat, transformadoreen galderen ebaluazio protokoloak elektrizitatearen prezioak ulertzeko eta ebaluatzeko behar ditu transformadorearen erabilera planeatutako aldirokoan.

A. Analisiaren kasuaren xehetasunak

(A, B) koefizienteak 16MVA transformadore elektriko bat erabiliz kalkulatu dira, (irudi 1). Eguneroko energia sortzaile fotovoltaikoaren 500kW (Hungaria, 2018ko maiatza 21an) erabili dugu, eta maximo energia sortzailea 12 eta 16 ordutan gertatzen da. Koefiziente horiek kalkulatzeko, metodo estandarrizatua erabil dugu.

Helburu horretarako, jarraian dagoen ekuazioa ebaztea beharrezkoa da:

3. Karbono-Jartura Analisia

Helburu gurea da, transformadore elektrikoentzat karbono-jartura optimoak (CF) zehazteko eta konparatzeko metodo bat sortzea. "CF neurtzen du aktibitate batek zuzenean edo ez zuzenean eragindako CO2 emisio guztiak edo produktu baten bizitza ziklo osoan bildutako CO2 emisio guztiak." CF bihurtzaile gasen (GHG) emisio guztiak (metano, nitro oksido, etab.) produktu batekin lotuta daudenak ere adieraz ditzake. CF datu bat da LCA (Life Cycle Assessment) orokorreagoaren barruan, ISO 14040, ISO 14044 estandarizatutako metodo internazional bat da, produktu baten bizitza zikloan eragindako ekosistema-egoera eta erresursu-konsumoaren ebaluazioa egiteko. Beraz, CF klima aldaketen eragin dituzten emisioetara mugatutako bizitza ziklo ebaluazioa da.

Bi metodo nagusi daude CF kalkulatzeko: goitik behera prozesu-analisi (PA) edo goraketa behera ingurumen-etendutako sarrera-irteera (EIO) analisia. Prozesu-analisi (PA) goitik behera abordatzea da, produktu individual baten eraginak sortzeetatik errepasoarekin. Ingurumen-sarrera-irteera (EIO) analisia goraketa behera abordatzea da, CF estimatzeko.

Produktu-atributuak eragin-algoritmoa (PAIA) metodo orokorre bat eskaintzen du produktu elektriko desberdinetarako, argi-egokiak, biribil elektriko maquinak, etab. Metodo honek motorren CF kalkulatzen du sortzea, erabilera eta errepaso faseetan. PAIA metodoa oraindik ez da transformadore elektrikoentzako CF ebaluazioan aplikatu.

Gainera, ekonomiko-jartura diseinuak arrazoi baterako diseinu aukeratuta daude (Irudi 2), bi optimoki diseinatutako transformadoreen ordez. Transformadore elektrikoek bizitza luzea duelako, mantentze kostuak orduko aldaketekin lotuta daudela, osagai gehiago eta planifikatutako gelditasuna behar dituzte. Kostu guzti horiek ez dira eskaintza fasean barne. Industria 4.0 printzipioak aplikatu ondoren, mantentze proaktibarekin, hainbat kostu hasieratik kalkula daitezke.

3.1 Kapitalizazio Faktoreak

Helburu horretarako, kapitalizazio faktoreak hauek dira:

Non r adieraziorako diskontazio-tasa da. Normalean, 5-10% artean aldatzen da, eta 6,75% hautatu dugu kalkuluak egiteko. Kasu honetan, transformatorraren espero den bizitza-esperientzia (t) 25 urtekoa da. Ekuazio (4)an, p-k watt maximo esplizituaren batezbesteko elektrizitatea adierazten du. Eskari-faktorea eskari maximoaren eta transformatorraren kapasitate finkoaren arteko erlazioa da (0,65). Kapital-berriztagarritasun koefizientea (f) diru-orduan kalkulatutako ordutegoko ordainketa guztien kostu osoa adierazten du. Erdi-Europako uneko elektrizitate-prezioa 0,05 euro (€/kWh) da. Karga-galdu faktorea (LLF) epe baten bataz besteko indarraren galderen eta pikeko eskari orduko galderen arteko erlazioa da. Karga-faktorea (LF) transformatorraren bizitza-osagaian bataz besteko karga da, bataz besteko eta gehieneko kargaren arteko ehuneko baliokide gisa adierazita. Kasu honetan, fotovoltaiko energia-eragentzietarako, LF=25%, beraz LLF 0,15625 da (Irudia 1).

Ekuazioetatik (4,5), kapitalizazio-faktoreak (A, B) kalkula daitezke. Ekuazio (4,5)etan, 8760 faktorea transformatorraren urteko lan-orduak adierazten ditu. Ekuazio (B)an, karga-galdu kostua kalkulatzen da. Transformatore guztietan, TCO (Total Cost of Ownership) minimizatzen duena da kostu handiena eta energia efizientzia handiena dutena (Irudia 2).

A. Karbono-Ondorengorria Analisi Objektiboa

TCO formularekin antolatuta, karbono-ondorengorriaren (CF) kalkulatzeko objektibo funtzio bat sartu daiteke:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

non TCO2 kalkulatutako karbono-ondorengorria (g) adierazten duen. BCP maquinaren fabrikazio-prozesuan kalkulatutako karbono-ondorengorria da. A* eta B* transformatorraren planifikatutako zerbitzu-denboran CO2 emisioak (kg/kW) kalkulatzeko kapitalizazio-faktoreak dira.

Kapitalizazio-faktore hauen analogikoak kalkulatzeko, hiru gas hauek hartzen dira kontuan: karbono-dioksidoa (CO2), metanoa (CH4) eta azotara (N2O) erabiltzen diren osagai guztiengatik. Honek adierazten du, eguzki-energia eragentzietako zero emisioekin kalkulatzerakoan, transformator teorikoki pisu txikiena eta galderik handiena izango lukeela. Metano eta azotarren emisioak CO2 baliokide-emisioetara bihurtzen dira haien global warming potential faktoreekin biderkatuz (I):

non ei emisio-faktorea (tCO2/MWh) unitateetan, eCO2,i, eCH4,i eta eN2O,i aldiz, i osagaiari buruzko CO2, CH4 eta N2O emisio-faktoreak (t/GJ) unitateetan. 0,0036 faktorea GJ bat MWh batzuei bihurtzeko erabiltzen da. Osagai i-rentzat, ni i osagaiaren transmitizio-sistemako konbertsio-ehunekoa adierazten du (ehuneko %), eta λi i osagaiaren transmitizio-sistemako galderen ehunekoa. Artikulu honek λi = 8% erabili du kalkuluetarako osagai guztiengatik.

Hungariako elektrizitate-sarearen energia-egitura datuen arabera, A*=425 kgCO2/kW eta B*=66,5 kgCO2/kW balioak kalkulatu dira.

4 Transformator Modelua

Indar-transformatorraren modelak bi biraka aktibo partea (nukleo eta birak) sinplifikatua erabiltzen du. Honen abantaila, aktibo parteko neurriak transformator osoaren tamaina zehazten duelako, eta horrek diseinu-hastapen optimizazio etapean erabili ohi da. Transformatorraren geometriko eta elektriko ezaugarriak diseinu-parametro nagusiekin modelatzen dira. Industrian onartutako suposizio hauek kobre eta nukleoko galderak estimatzeko beharrezkoa duguna zehazteko baliabideak ematen dituzte, birak eta nukleo konfigurazio desberdinei errazaldia egiten diete.

Diseinu-hastapeneko transformator-modeluak aktibo osagai nagusiaren kanpo-muga zehazten ditu, hau hastapen-etapako kostu-kalkuluetarako oso osoa da. Diseinu-parametro nagusi horiek ulertzeko ingeniarien lanak azkarrago egiten dira, eta diseinu xehatu parametroak arrakasta-praktikan zehaztu daitezke (Irudia 2). Europako eta Amerikako transformator-manufacturariak metaheuristika optimizazio metodoak praktikan erabiltzen dituzte.

5 Metaheuristika Bilaketa

Transformator-modeluak geometriko programazioa erabiltzen du diseinu-hastapen optimizazio arazoaren matematika-modeluan, metaheuristika algoritmoen bidez ebazten dena. Bi faktorek dituzte geometriko programazio ebazleak hobetsitzeko. Lehenik, moderno barruko-puntu baseko GP ebazleak azkar eta fidagarriak dira. Bigarren, geometriko programazioaren matematika-modelizazio arauak frogatzen dute lortutako soluzioa global optimala dela. Berdintasun eta desberdintasun murrizketen adierazpenak monomial (10) eta posynomial (11) deituriko formula matematiko espesializatuekin adieraziko dituzte.

Non ck>0, α parametroak zenbaki erreala dira, eta x aldagaien balioak positiboak izan behar dira. Indar-transformatorrako kostu optimizazio-arazoak era berezi geometriko batean formulatzeko ahalmena dute. Hala ere, matematika optimizazio metodo hau ezin da aplikatu nukleo-mota transformatorretan, nukleo-mota transformatorrek murrizketa elektro-erdiko sakonak dituztelako. Beraz, GP metodoa branch-and-bound metodoarekin batuz, ebazpen azkar eta zehatz bat lortu da.

6 Emaitzak eta Eztabaida

A. Proba Transformator Tekniko Espezifikazioak

Eginbide probaketa optimizazioa egin zuten 16MVAko indar transformadore batean, 120kV/20kVko tentsio erlazioa duena. Lehenengo kasuan, optimizazio helburua izan zen Ondorio-Guztira-Kostua (Total Cost of Ownership - TCO) eta, bigarren kasuan, Karbono-Izpien (Carbon Footprint - CF) minimoa. Sarearen maiztasuna 50Hz-koa izan zen, eta eskuratze-kortzkitzailea beharrezkoa zela 8.5% definitu zen. Egiten diren parametroak estandarrak dituen arabera hautatu ziren. Transformadorearen egokitze metodoa ONAN bezala hautatu zen, eta ingurumen-tenperatura 40°C gisa zehaztu zen. Beraz, hondar-entsitate maximoa 3A/mm² ezarri zen hilagai nagusirako, eta 3.5A/mm² aldagai-hilagaierako.

Tentsio baxuko (lehenengoa) hilagaia modelatuta dago CTC (Continuously Transposed Cable) espiral hilagaian, eta tentsio altuko (bigarrena) hilagaia disko hilagaian, bikonduko duela. Nukleo materialaren saturazioa eta sareko tentsio altua kontsideratuta, fluxu densitate maximoa 1.7T-ra murriztu zen. Isulagatze distantzia minimoak empeinari dagokien arauetan oinarrituta hautatu ziren. Elektrikoa hutseko kostua 3.5€/kg hartu da, eta hilagaieko materialaren kostua 8€/kg. Karbono-izpien kostua elektrikoa hutseko eraikitzeko 1.8kgCO2/kg da, eta konpontarako 6.5kgCO2/kg.

Optimizazio emaitzak laburdu dira Taula 2an. Emaitzetatik ikus daiteke optimo transformagailuaren efizientzia CF optimizazioan txikiagoa dela TCO analisiaren ondoren lortutako efizientziarekin alderatuta. Transformagailuaren tenperatura bakoitzeko tenperia kobre eta burdin arteko erlaziora dator eta bi kasuetan balioak gutxi gorabehera berdinak dira. Nukleoko galduak bi kasuetan ere txikiak dira, ez duten aldaketarik nabarmena. Eguzki-energia instalazioetan LLF txikiagatik nukleoko galduen kostuak oso handiak dira karga galduen kostuekin alderatuta. Aldaketaren adarra nagusi kobre galduen artean datza, hauen zenbakiak TCO kasuan lortutakoekin alderatuta askoz txikiagoak baitira. Izan ere, kolorezko eta koloregabeko metalen landasuna-prezio erlazia kobre eta burdin materialen arteko prezio erlaziaren gainean dago, eta aplikatzen diren materialen CF elektriko galduen CFaren gainean dago, horregatik optimizazio algoritmoak kobre gutxiago dituen diseinuak hartzea dute tendentzia. Elektrizitate prezien CF eta kobre/burdin landasunen arteko desberdintasun handiengatik, algoritmoak TCO kalkuluak baino neurri txikiagoa eta efizientziagatik txikiagoa duen diseinua hobeto uzten du.

7 Iraultza

Orain egun, erabilgarri dagoen, orokorrean onartutako metodo bat existitzen ez denean transformagailuen karbono oinarrizko azpiaren zehazteko. Ondoren ekonomikoaren era, literaturan egin diren karbono oinarrizko azpianalisiak arbitrario hautatutako transformagailuen bikoteetan egin dira. Baina, potentzia handiko transformagailuak desberdintasun ekonomikoetarako antolatuta egiten dira. Diseinu optimizatuak alderatzeko praktikan adibide batean bi optimizazio diseinu egin ziren. Lehenengo kasuan, TCO optimizazioa egin zen; bigarren kasuan, transformagailuaren karbono oinarrizko azpia gutxitu egin zen. Emaitzak erakusten dute karbono oinarrizko azpianalisiak tradizional TCO metodoetatik ateratutako diseinuak baino efizientziagatik txikiagoak dituzten transformagailuak lor daitezkeela. Honek arrazoia izan dezake motore handien fabrikazioan gertatzen diren kontsumo inguru maila altuagoa, hauek sarean gertatzen direnen baino. Ikerketa gehigarria inspektiona egin dezake fabrikazio denboraren, mantentzeko, biodegradagarriak diren aisial laguntzaile berrien edo transformagailuen birziklagarritasunaren eragina inspezionatzea.