Análise de Pegada de Carbono vs TCO para o Diseño de Transformadores Eléctricos

1. Vista xeral

Debido ao cambio climático, a redución das emisións de gases de efecto invernado é unha cuestión crítica. Unha parte significativa das perdas nos sistemas de transmisión de enerxía provén dos transformadores eléctricos. Para reducir as emisións de gases de efecto invernado nos sistemas eléctricos, deben instalarse transformadores máis eficientes. No entanto, os transformadores máis eficientes adoitan requerir máis materiais de fabricación. Para determinar a proporción óptima de perdas e o prezo de fabricación dos transformadores, o método do Coste Total de Propiedade (TCO) é a práctica estándar da industria. A fórmula TCO ten en conta o prezo de compra (PP) e o custo das perdas durante o período de vida planificado do produto (PPL). Este método considera o prezo das perdas mediante factores de capitalización (A, B).

No obstante, este enfoque só ten en conta os custos directos de electricidade dos transformadores durante o seu período de servizo planificado. Os impactos indirectos que implican recursos ecolóxicos, infraestruturas de fabricación, instalación e sistemas de soporte non se teñen en conta. Por exemplo, estes produtos eléctricos adoitan ser reformados e/ou reutilizados despois da súa retirada. Tomando como exemplo os transformadores de potencia, o 73% dos materiais aplicados pode reciclarse, e esta porcentaxe pode aumentarse aínda máis cando se utiliza aceite aislante baseado en éster natural. Os beneficios da reciclaxe e remanufacturación de materiais non se teñen en conta.

A pegada de carbono é outro indicador para determinar o impacto ambiental do equipo eléctrico durante o seu ciclo de vida. Actualmente, non existe un método ampliamente aceptado para calcular a pegada de carbono do equipo de potencia. Diferentes ferramentas de cálculo adoitan producir resultados significativamente diferentes. Este artigo propón un método de análise da pegada de carbono e aplícao á optimización dos transformadores. Os transformadores resultantes compáranse con aqueles basados no método TCO.

2. Método do Coste Total de Propiedade

A fórmula TCO representa o coste do ciclo de vida dun produto desde a súa compra ata a súa retirada final. Outro termo comúnmente usado é o Coste do Ciclo de Vida (LCC). O obxectivo principal é comparar os transformadores nunha base igual para tomar decisións de compra. A forma estandarizada do método TCO durante a fase de licitación é a seguinte:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Onde A é o coeficiente de perdas sen carga (€/kW), B é o coeficiente de perdas baixo carga (€/kW), PNLL (kW) son as perdas sen carga do transformador durante toda a súa vida, e PLL (kW) son as perdas baixo carga do transformador durante toda a súa vida.

Dende o punto de vista das utilidades eléctricas ou dos usuarios industriais e comerciais, os cálculos TCO tamén difiren. Os procedementos de avaliación de perdas de transformadores de utilidades eléctricas implican entender e avaliar o coste total da xeración, transmisión e distribución de perdas de transformadores, resultando en fórmulas de cálculo complexas. Por outro lado, os procedementos de avaliación de perdas de transformadores de usuarios industriais e comerciais requiren entender e avaliar os prezos da electricidade durante o tempo de uso planificado do transformador.

A. Detalles do escenario de análise

Os coeficientes (A, B) foron calculados para un transformador de potencia de 16MVA conectado a unha planta solar (Figura 1). Utilizamos un método estandarizado para determinar os valores de A e B nos nosos cálculos.

Para este propósito, é necesario resolver a seguinte ecuación:

3. Análise da Pegada de Carbono

O noso obxectivo é crear unha metodoloxía para determinar e comparar a pegada de carbono (CF) óptima para os transformadores de potencia. "A CF mide a cantidade total de emisións de dióxido de carbono directa ou indirectamente causadas por unha actividade ou acumuladas durante o ciclo de vida dun produto." Tamén pode representar a cantidade total de dióxido de carbono (CO2) e outras emisións de gases de efecto invernado (GHG) asociadas a un produto. A CF é un subconxunto dos datos cubertos polo Análise do Ciclo de Vida (LCA) máis abrangente. O LCA é unha metodoloxía internacionalmente estandarizada (ISO 14040, ISO 14044) utilizada para avaliar as cargas ambientais e o consumo de recursos ao longo do ciclo de vida dun produto. Polo tanto, a CF é unha análise do ciclo de vida limitada única e exclusivamente ás emisións que afectan o cambio climático.

Hai dous métodos principais para o cálculo da CF: a análise de proceso de base (PA) ou a análise de entrada-saída ambientalmente extendida (EIO) de arriba a abaixo. A análise de proceso (PA) é un enfoque de base que considera o impacto ambiental dun produto individual desde a súa produción ata a súa eliminación. A análise de entrada-saída ambiental (EIO) está baseada nun enfoque de arriba a abaixo para estimar a CF.

O Algoritmo de Atributos de Produto ao Impacto (PAIA) proporciona un método universal para calcular a CF de diferentes tipos de produtos eléctricos, como luminarias, máquinas eléctricas rotativas, etc. Este método calcula a CF de motores durante as fases de fabricación, operación e reciclaxe. No entanto, o método PAIA aínda non se aplicou á avaliación da CF dos transformadores de potencia.

Ademais, os diseños de pegada económica adoitan compararse para deseños existentes seleccionados arbitrariamente (Figura 2), en lugar de para dous transformadores deseñados ópticamente. Debido á longa vida útil dos transformadores de potencia, os custos de manutención relacionados coa substitución rutinaria requiren pezas adicionais e paradas planeadas. Todos estes custos non están incluídos na fase de licitación. Despois da implementación dos principios da Industria 4.0—mantemento predictivo—estes poden calcularse desde o mesmo inicio do deseño do equipo.

3.1 Factores de Capitalización

Para este propósito, os factores de capitalización son os seguintes:

Onde r representa a taxa de desconto para a inversión. Isto xeralmente varía entre o 5-10%, e seleccionamos o 6,75% para as nosas cálculos. Neste caso, a vida útil esperada do transformador (t) é de 25 anos. Na ecuación (4), p representa a electricidade anualizada por kW de demanda máxima. O factor de demanda representa a relación entre a demanda máxima e a capacidade nominal do transformador (0,65). O coeficiente de recuperación do capital (f) amosa o custo total futuro dos pagamentos anuais calculados na moeda actual. O prezo actual da electricidade no centro da Europa é de 0,05 euros (€/kWh). O factor de perda de carga (LLF) defínese como a relación entre a perda media de potencia durante un período e a perda no momento de máxima demanda. O factor de carga (LF) é a carga media do transformador ao longo do seu ciclo de vida, expresado como o equivalente porcentaxe de carga media a máxima. No noso caso, para as centrais fotovoltaicas, LF=25%, polo que LLF é igual a 0,15625 (Figura 1).

A partir das ecuacións (4,5), poden calcularse os factores de capitalización (A, B). Nas ecuacións (4,5), o factor 8760 representa as horas de funcionamento anuais do transformador. Na ecuación (B), calculase o custo da perda de carga. Entre todos os transformadores, o máis eficaz en termos de custo e enerxético é o que minimiza o TCO (Figura 2).

Función Obxectivo de Análise da Pegada de Carbono

Análogo á fórmula TCO, pode introducirse unha función obxectivo para avaliar a pegada de carbono (CF) dos transformadores de potencia:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

onde TCO2 representa a pegada de carbono calculada (g), BCP representa a pegada de carbono calculada durante o proceso de fabricación da máquina. A* e B* son factores de capitalización para calcular as emisións de dióxido de carbono (kg/kW) durante a vida útil planeada do transformador.

Para calcular estes factores de capitalización análogos, consideranse tres gases de efecto invernadero (GHG): dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) para cada tipo de combustible utilizado na rede eléctrica. Isto é debido a que, se calculamos usando as emisións nulas das centrais fotovoltaicas, o transformador resultante teoricamente tería mínima masa e máximas perdas. As emisións de metano e óxido nitroso convértense en emisións equivalentes de CO2 multiplicándoas co seus respectivos factores de potencial de calentamento global (I):

onde ei é o factor de emisión en unidades de (tCO2/MWh), mentres que eCO2,i, eCH4,i e eN2O,i son os factores de emisión para dióxido de carbono, metano e óxido nitroso respectivamente para o tipo de combustible estudado (i), todos en unidades de (t/GJ). O factor 0,0036 empregase para converter GJ a MWh. Para o combustible i, ni representa a eficiencia de conversión do combustible i no sistema de transmisión (en porcentaxe %), e λi representa o porcentaxe de perda de potencia para o combustible i no sistema de transmisión. Este artigo usa λi = 8% para os cálculos de cada tipo de combustible.

Usando os datos da estrutura energética da rede eléctrica húngara, calculáronse os valores de A*=425 kgCO2/kW e B*=66,5 kgCO2/kW.

Modelo de Transformador 4

A modelización do transformador de potencia emprega unha parte activa simplificada de dúas bobinas (núcleo e espiras). Esta aproximación é amplamente utilizada nas etapas de optimización do deseño preliminar porque as dimensións da parte activa determinan o tamaño global do transformador. As características xeométricas e eléctricas do transformador modelázanse usando parámetros de deseño clave. Estas suposicións son ampliamente aceptadas na industria, proporcionando suficiente precisión na estimación das perdas de cobre e núcleo, mentres se simplifican significativamente as varias posibles configuracións de núcleo e espiras.

O modelo de transformador de deseño preliminar define claramente os límites exteriores dos componentes activos principais, o que é adecuado para os cálculos de custo iniciais. Comprender estes parámetros de deseño clave acelera o traballo dos enxeñeiros, e os parámetros de deseño detallado poden determinarse facilmente usando prácticas estándar (Figura 2). Os fabricantes de transformadores en Europa e América empregan métodos de optimización baseados en metaheurísticas na práctica.

Búsqueda Metaheurística 5

O modelo de transformador emprega programación xeométrica resolta por algoritmos metaheurísticos para abordar o modelo matemático do problema de optimización de deseño preliminar. Dois factores determinan a superioridade dos solucionadores de programación xeométrica. En primeiro lugar, os modernos solucionadores GP basados en puntos interiores son rápidos e robustos. En segundo lugar, as regras de modelización matemática da programación xeométrica garanten que a solución obtida é globalmente óptima. As expresións para as restricións de igualdade e desigualdade deben representarse usando fórmulas matemáticas especiais chamadas monomios (10) e posinomios (11).

Onde ck>0, os parámetros α son números reais, e os valores das variables x deben ser positivos. O problema de optimización de custos para transformadores de potencia de carcasa pode formularse nunha forma especial de estrutura xeométrica. No entanto, este método de optimización matemática non pode aplicarse a transformadores de potencia de núcleo porque os transformadores de potencia de núcleo teñen requisitos estritos para a impedancia de curto circuito. Polo tanto, combinando o método GP co método de ramificación e delimitación, obtívose un método de solución rápido e preciso.

Resultados e Discusión 6

Especificacións Técnicas do Transformador de Proba A

Realizáronse probas de optimización nun transformador de potencia de 16MVA cunha relación de voltaxes de 120kV/20kV. Os obxectivos de optimización foron o Custo Total de Posesión (TCO) no primeiro caso e a Pegada de Carbono (CF) mínima. A frecuencia da rede era de 50Hz, cunha impedancia de cortocircuíto requerida do 8,5%. Selecciónáronse os parámetros de acordo coas normas. O método de refrixeración do transformador seleccionouse como ONAN, cunha temperatura ambiente especificada de 40°C. Polo tanto, o límite permisible de densidade de corrente para o enrolamento principal fixose en 3A/mm², e para o enrolamento do cambiador de deriva en 3,5A/mm². 

O enrolamento de baixa tensión (primario) modelouse como un enrolamento helicoidal con CTC (Cable Transposto Continuamente), mentres que o enrolamento de alta tensión (secundario) modelouse como un enrolamento en disco con conductores duais. Considerando a saturación do material do núcleo e a sobretensión da rede, a densidade máxima de fluxo limitouse a 1,7T. As distancias mínimas de aislamento seleccionáronse baseándose en regras empíricas. O custo do ferro eléctrico seleccionouse como 3,5€/kg, e o custo do material de enrolamento como 8€/kg. O custo da pegada de carbono para a fabricación de ferro eléctrico foi de 1,8kgCO2/kg, e para o cobre de 6,5kgCO2/kg.

Os resultados da optimización resúmense na Táboa 2. A partir dos resultados, pódese observar que a eficiencia óptima do transformador baixo a optimización CF é menor que a eficiencia tras a análise TCO. A tensión por volta do transformador está relacionada coa relación cobre-ferro, e os valores son case idénticos en ambos os casos. As perdas no núcleo son relativamente pequenas en ambos os casos, sen diferenzas significativas. Debido ao baixo factor de carga (LLF) das centrais solares, os custos de perda no núcleo son relativamente altos en comparación cos custos de perda de carga. A principal diferenza atópase nas perdas de cobre, que son significativamente menores no caso CF. xa que a relación de prezos entre a fundición de metais non ferrosos e ferrosos é maior que a relación de prezos entre os materiais do núcleo e o cobre, e o CF dos materiais aplicados é relativamente maior que o CF das perdas eléctricas, o algoritmo de optimización tende a adoptar diseños con menos cobre para reducir o CF do transformador. Debido á diferenza significativa entre o CF dos prezos da electricidade e o da fundición de cobre/ferro, o algoritmo favorece un deseño menor e menos eficiente en comparación cos cálculos baseados en TCO.

7 Conclusión

Actualmente, non existe un método preparado e xeralmente aceptado para determinar a pegada de carbono dos transformadores eléctricos. Na era pós-económica, as analises de pegada de carbono na literatura foron realizadas en pares de transformadores seleccionados arbitrariamente. No entanto, os grandes transformadores eléctricos son fabricados a medida para diferentes escenarios económicos. Para comparar diseños optimizados, realizáronse dous diseños de optimización nun exemplo práctico. No primeiro caso, realizouse a optimización TCO; no segundo caso, minimizouse a pegada de carbono do transformador. Os resultados mostran que a análise da pegada de carbono pode producir transformadores con menor eficiencia que os métodos TCO tradicionais. Isto pode deberse ao custo ambiental dos grandes motores ser maior durante a fabricación que as súas perdas na rede. Investigacións posteriores poden avaliar o impacto ambiental do tempo de fabricación, mantemento, uso de novos óleos isolantes biodegradables ou reciclaxe de transformadores.