कार्बन फुटप्रिंट विरुद्ध TCO विश्लेषण इलेक्ट्रिक पावर ट्रांसफॉर्मर डिजाइन के लिए

1. सारांश

वैश्विक गर्मीकरण के कारण ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करना एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। ऊर्जा प्रसारण प्रणालियों में होने वाले नुकसान का एक बड़ा हिस्सा विद्युत ट्रांसफार्मरों से आता है। विद्युत प्रणालियों में ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करने के लिए अधिक कुशल ट्रांसफार्मर स्थापित किए जाने चाहिए। हालांकि, अधिक कुशल ट्रांसफार्मर अधिक विनिर्माण सामग्री की आवश्यकता करते हैं। ट्रांसफार्मरों के लिए इष्टतम नुकसान अनुपात और विनिर्माण मूल्य निर्धारित करने के लिए, टोटल कास्ट ऑफ ओनरशिप (TCO) विधि उद्योग में मानक प्रथा है। TCO सूत्र में खरीद मूल्य (PP) और उत्पाद की योजित जीवन अवधि (PPL) के दौरान नुकसान की लागत को ध्यान में रखा जाता है। यह विधि नुकसान की लागत को पूंजीकरण गुणांक (A, B) के माध्यम से ध्यान में रखती है।

हालांकि, यह दृष्टिकोण केवल ट्रांसफार्मरों की योजित सेवा जीवन अवधि के दौरान सीधी विद्युत लागत को ध्यान में रखता है। पारिस्थितिक संसाधनों, विनिर्माण बुनियादी संरचना, स्थापना और समर्थन प्रणालियों से संबंधित अप्रत्यक्ष प्रभावों को ध्यान में नहीं रखा जाता है। उदाहरण के लिए, इन विद्युत उत्पादों को सेवानिवृत्ति के बाद फिर से तैयार किया जाता है या पुनर्निवेशित किया जाता है। विद्युत ट्रांसफार्मरों के उदाहरण में, 73% लगाए गए सामग्रियों को पुनर्चक्रित किया जा सकता है, और जब प्राकृतिक एस्टर-आधारित इन्सुलेटिंग तेल का उपयोग किया जाता है, तो यह प्रतिशत और भी बढ़ाया जा सकता है। सामग्री के पुनर्चक्रण और पुनर्निर्माण के लाभ ध्यान में नहीं रखे जाते हैं।

कार्बन फुटप्रिंट विद्युत उपकरणों के सेवा जीवन दौरान पर्यावरणीय प्रभाव को निर्धारित करने का एक अन्य मापदंड है। वर्तमान में, विद्युत उपकरणों के कार्बन फुटप्रिंट की गणना करने की कोई व्यापक रूप से स्वीकृत विधि नहीं है। विभिन्न गणना उपकरण अक्सर विभिन्न परिणाम देते हैं। यह पेपर एक कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण विधि का प्रस्ताव करता है और इसे ट्रांसफार्मर विकास पर लागू करता है। परिणामस्वरूप ट्रांसफार्मरों को TCO विधि पर आधारित ट्रांसफार्मरों के साथ तुलना की जाती है।

2. टोटल कास्ट ऑफ ओनरशिप विधि

TCO सूत्र एक उत्पाद की खरीद से लेकर अंतिम सेवानिवृत्ति तक की जीवन चक्र लागत को दर्शाता है। एक अन्य सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली शब्दावली लाइफ साइकल कास्ट (LCC) है। मुख्य लक्ष्य ट्रांसफार्मरों की एक समान आधार पर तुलना करके खरीद निर्णय लेना है। नीलामी चरण के दौरान TCO विधि का मानकीकृत रूप निम्नलिखित है:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

जहाँ A नो-लोड लॉस गुणांक (€/kW), B लोड लॉस गुणांक (€/kW), PNLL (kW) ट्रांसफार्मर के पूरे जीवन दौरान नो-लोड लॉस, और PLL (kW) ट्रांसफार्मर के पूरे जीवन दौरान लोड लॉस है।

विद्युत उपयोगकर्ताओं या औद्योगिक और व्यावसायिक उपयोगकर्ताओं के दृष्टिकोण से, TCO गणनाएँ भी अलग-अलग होती हैं। विद्युत उपयोगकर्ताओं के ट्रांसफार्मर लॉस मूल्यांकन प्रक्रियाएँ ट्रांसफार्मर के उत्पादन, प्रसारण और वितरण लॉस की कुल लागत को समझने और मूल्यांकन करने में शामिल होती हैं, जिससे जटिल गणना सूत्र प्राप्त होते हैं। दूसरी ओर, औद्योगिक और व्यावसायिक उपयोगकर्ताओं के ट्रांसफार्मर लॉस मूल्यांकन प्रक्रियाएँ ट्रांसफार्मर की योजित उपयोग समय के दौरान विद्युत की कीमतों को समझने और मूल्यांकन करने की आवश्यकता होती है।

A. विश्लेषण परिदृश्य की विस्तार से जानकारी

(A, B) गुणांकों की गणना एक 16MVA शक्ति ट्रांसफार्मर के लिए की गई थी, जो एक सौर ऊर्जा संयंत्र से जुड़ा था (चित्र 1)। हमने गणनाओं में A और B के मूल्यों को निर्धारित करने के लिए एक मानकीकृत विधि का उपयोग किया।

इस उद्देश्य के लिए, निम्नलिखित समीकरण को हल करना आवश्यक है:

3. कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण

हमारा लक्ष्य शक्ति ट्रांसफार्मरों के लिए इष्टतम कार्बन फुटप्रिंट (CF) निर्धारित और तुलना करने की एक विधि बनाना है। "CF एक गतिविधि द्वारा सीधे या अप्रत्यक्ष रूप से उत्पन्न कुल कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन या एक उत्पाद के जीवन चक्र के दौरान उत्पन्न कुल कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) और अन्य ग्रीनहाउस गैस (GHG) उत्सर्जन (जैसे मीथेन, नाइट्रस ऑक्साइड, आदि) का मापदंड है।" CF जीवन चक्र मूल्यांकन (LCA) द्वारा कवर की गई अधिक व्यापक डेटा का एक उपसमूह है। LCA एक अंतर्राष्ट्रीय मानकीकृत विधि (ISO 14040, ISO 14044) है, जिसका उपयोग एक उत्पाद के जीवन चक्र के दौरान पर्यावरणीय बोझ और संसाधन उपभोग का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है। इसलिए, CF एक जीवन चक्र मूल्यांकन है जो केवल जलवायु परिवर्तन पर प्रभाव डालने वाले उत्सर्जनों पर सीमित है।

कार्बन फुटप्रिंट गणना के लिए दो प्राथमिक विधियाँ हैं: निचले-ऊपर विधि-आधारित विश्लेषण (PA) या ऊपर-नीचे विधि-आधारित वातावरणीय इनपुट-आउटपुट (EIO) विश्लेषण। प्रक्रिया विश्लेषण (PA) एक निचले-ऊपर दृष्टिकोण है जो एक व्यक्तिगत उत्पाद के उत्पादन से लेकर निकासी तक के पर्यावरणीय प्रभाव को ध्यान में रखता है। वातावरणीय इनपुट-आउटपुट (EIO) विश्लेषण एक ऊपर-नीचे दृष्टिकोण पर आधारित है जो CF का अनुमान लगाने के लिए उपयोग किया जाता है।

उत्पाद विशेषताओं से प्रभाव एल्गोरिथ्म (PAIA) विभिन्न प्रकार के विद्युत उत्पादों, जैसे प्रकाश फिटिंग, घूर्णन विद्युत मशीनों, आदि के CF की गणना करने के लिए एक सार्वभौमिक विधि प्रदान करता है। यह विधि ट्रांसफार्मरों के विनिर्माण, संचालन और पुनर्चक्रण चरणों के दौरान उत्पन्न CF की गणना करती है। हालांकि, PAIA विधि अभी तक शक्ति ट्रांसफार्मरों के CF मूल्यांकन के लिए लागू नहीं की गई है।

इसके अलावा, आर्थिक फुटप्रिंट डिजाइन आमतौर पर यादृच्छिक रूप से चुने गए मौजूदा डिजाइनों (चित्र 2) की तुलना की जाती है, दो इष्टतम डिजाइन ट्रांसफार्मरों की तुलना की जाती है। शक्ति ट्रांसफार्मरों के लंबे सेवा जीवन के कारण, नियमित प्रतिस्थापन से संबंधित रखरखाव की लागत अतिरिक्त भागों और योजित डाउनटाइम की आवश्यकता होती है। इन सभी लागतों को नीलामी चरण में शामिल नहीं किया जाता है। इंडस्ट्री 4.0 सिद्धांतों - पूर्वानुमान रखरखाव - के लागू के बाद, ये उपकरण डिजाइन के शुरुआत से ही गणना की जा सकती हैं।

3.1 पूंजीकरण गुणांक

इस उद्देश्य के लिए, पूंजीकरण गुणांक निम्नलिखित हैं:

जहाँ r निवेश के लिए छूट दर को प्रतिनिधित्व करता है। आमतौर पर यह 5-10% के बीच भिन्न होता है, और हमने अपनी गणनाओं के लिए 6.75% चुना है। इस मामले में, ट्रांसफ़ोर्मर (t) की अपेक्षित जीवनकाल 25 वर्ष है। समीकरण (4) में, p अधिकतम मांग प्रति kW की वार्षिक विद्युत का प्रतिनिधित्व करता है। मांग कारक अधिकतम मांग और ट्रांसफ़ोर्मर की निर्धारित क्षमता (0.65) के बीच का अनुपात है। पूंजी पुनर्प्राप्ति गुणांक (f) वर्तमान मुद्रा में गणना की गई वार्षिक भुगतानों की कुल भविष्य की लागत को दर्शाता है। मध्य यूरोप में वर्तमान विद्युत की कीमत 0.05 यूरो (€/kWh) है। लोड लॉस फैक्टर (LLF) औसत शक्ति नुकसान और शिखर मांग के समय नुकसान के बीच का अनुपात है। लोड फैक्टर (LF) ट्रांसफ़ोर्मर के पूरे जीवन चक्र में औसत लोड को अधिकतम लोड के तुल्य प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। हमारे मामले में, फोटोवोल्टाइक विद्युत संयंत्रों के लिए, LF=25%, इसलिए LLF 0.15625 (आकृति 1) के बराबर है।

समीकरण (4,5) से, पूंजीकरण कारक (A, B) की गणना की जा सकती है। समीकरण (4,5) में, कारक 8760 ट्रांसफ़ोर्मर के वार्षिक संचालन घंटों को प्रतिनिधित्व करता है। समीकरण (B) में, लोड लॉस की लागत की गणना की जाती है। सभी ट्रांसफ़ोर्मरों में, TCO (आकृति 2) को न्यूनतम करने वाला सबसे लागत-प्रभावी और ऊर्जा-कुशल ट्रांसफ़ोर्मर है।

ए. कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण उद्देश्य फ़ंक्शन

TCO सूत्र के समान, एक उद्देश्य फ़ंक्शन को शक्ति ट्रांसफ़ोर्मरों के कार्बन फुटप्रिंट (CF) का मूल्यांकन करने के लिए पेश किया जा सकता है:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

जहाँ TCO2 गणना किए गए कार्बन फुटप्रिंट (g) का प्रतिनिधित्व करता है, BCP मशीन निर्माण प्रक्रिया के दौरान गणना किए गए कार्बन फुटप्रिंट का प्रतिनिधित्व करता है। A* और B* ट्रांसफ़ोर्मर के नियोजित सेवा जीवन के दौरान CO2 उत्सर्जन (kg/kW) की गणना के लिए पूंजीकरण कारक हैं।

इन समान पूंजीकरण कारकों की गणना करने के लिए, तीन ग्रीनहाउस गैस (GHG) ध्यान में रखी गई हैं: कार्बन डाइऑक्साइड (CO2), मीथेन (CH4), और लॉस ऑक्साइड (N2O) पावर ग्रिड में प्रयोग किए गए प्रत्येक ईंधन प्रकार के लिए। क्योंकि, यदि हम सौर ऊर्जा संयंत्रों से शून्य उत्सर्जन का उपयोग करके गणना करते हैं, तो परिणामस्वरूप ट्रांसफ़ोर्मर सैद्धांतिक रूप से न्यूनतम द्रव्यमान और अधिकतम नुकसान वाला होगा। मीथेन और लॉस ऑक्साइड के उत्सर्जन को उनके संबंधित वैश्विक गर्मी वाले गुणांक गुणांक (I) के साथ गुणा करके CO2 समतुल्य उत्सर्जन में परिवर्तित किया जाता है:

जहाँ ei (tCO2/MWh) में उत्सर्जन कारक है, जबकि eCO2,i, eCH4,i और eN2O,i अध्ययन किए गए ईंधन प्रकार (i) के लिए कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन, और लॉस ऑक्साइड के उत्सर्जन कारक हैं, सभी (t/GJ) में। गुणांक 0.0036 GJ को MWh में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है। ईंधन i के लिए, ni ईंधन i की पावर ग्रिड में रूपांतरण दक्षता (प्रतिशत %) का प्रतिनिधित्व करता है, और λi ईंधन i के लिए पावर ग्रिड में शक्ति नुकसान प्रतिशत का प्रतिनिधित्व करता है। यह पेपर प्रत्येक ईंधन प्रकार के लिए λi = 8% का उपयोग करता है।

हंगरी के पावर ग्रिड के ऊर्जा संरचना डेटा का उपयोग करके, A*=425 kgCO2/kW और B*=66.5 kgCO2/kW के मूल्य गणना किए गए थे।

4 ट्रांसफ़ोर्मर मॉडल

शक्ति ट्रांसफ़ोर्मर मॉडलिंग एक सरलीकृत दो-विंडिंग सक्रिय भाग (कोर और विंडिंग) का उपयोग करती है। यह दृष्टिकोण प्रारंभिक डिजाइन अनुकूलन चरणों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है क्योंकि सक्रिय भाग के आयाम ट्रांसफ़ोर्मर के कुल आकार को निर्धारित करते हैं। ट्रांसफ़ोर्मर के ज्यामितिक और विद्युतीय विशेषताओं को महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटरों का उपयोग करके मॉडल किया जाता है। ये धारणाएँ उद्योग में व्यापक रूप से स्वीकृत हैं, जो तांबे और कोर नुकसान का अनुमान लगाने में पर्याप्त सटीकता प्रदान करती हैं, जबकि विभिन्न संभावित कोर और विंडिंग कॉन्फ़िगरेशन को विशेष रूप से सरल बनाती हैं।

प्रारंभिक डिजाइन ट्रांसफ़ोर्मर मॉडल मुख्य सक्रिय घटकों की बाहरी सीमाओं को स्पष्ट रूप से परिभाषित करता है, जो प्रारंभिक लागत गणनाओं के लिए पर्याप्त है। इन महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटरों को समझने से इंजीनियरों का काम तेज हो जाता है, और विस्तृत डिजाइन पैरामीटरों को मानक विधियों का उपयोग करके आसानी से निर्धारित किया जा सकता है (आकृति 2)। यूरोप और अमेरिका के ट्रांसफ़ोर्मर निर्माताओं व्यवहार में मेटाह्युरिस्टिक-आधारित अनुकूलन विधियों का उपयोग करते हैं।

5 मेटाह्युरिस्टिक खोज

ट्रांसफ़ोर्मर मॉडल ज्यामितीय प्रोग्रामिंग का उपयोग करता है, जिसे मेटाह्युरिस्टिक एल्गोरिदम द्वारा हल किया जाता है, जिससे प्रारंभिक डिजाइन अनुकूलन समस्या का गणितीय मॉडल संबोधित किया जाता है। दो कारक ज्यामितीय प्रोग्रामिंग सोल्वर्स की उत्कृष्टता को निर्धारित करते हैं। पहला, आधुनिक इंटीरियर-पॉइंट-आधारित GP सोल्वर्स तेज और रॉबस्ट हैं। दूसरा, ज्यामितीय प्रोग्रामिंग के गणितीय मॉडलिंग नियम यह सुनिश्चित करते हैं कि प्राप्त समाधान वैश्विक रूप से अनुकूल है। समानता और असमानता की शर्तों के लिए व्यक्तिगत गणितीय सूत्र, जिन्हें मोनोमियल (10) और पोसिनोमियल (11) कहा जाता है, का उपयोग किया जाना चाहिए।

जहाँ ck>0, α पैरामीटर वास्तविक संख्याएँ हैं, और x चरों के मूल्य सकारात्मक होने चाहिए। शेल-टाइप शक्ति ट्रांसफ़ोर्मरों के लिए लागत अनुकूलन समस्या को विशेष ज्यामितीय संरचना रूप में व्यक्त किया जा सकता है। हालांकि, यह गणितीय अनुकूलन विधि कोर-टाइप शक्ति ट्रांसफ़ोर्मरों पर लागू नहीं की जा सकती क्योंकि कोर-टाइप शक्ति ट्रांसफ़ोर्मरों के लिए छोटे सर्किट इम्पीडेंस के लिए सख्त आवश्यकताएँ होती हैं। इसलिए, GP विधि को ब्रांच-एंड-बाउंड विधि के साथ जोड़कर, तेज और सटीक समाधान विधि प्राप्त की गई।

6 परिणाम और चर्चा

ए. परीक्षण ट्रांसफ़ोर्मर तकनीकी विशेषताएँ

16MVA शक्ति ट्रांसफॉर्मर पर अनुपात 120kV/20kV के साथ विकास परीक्षण किए गए थे। पहले मामले में विकास लक्ष्य सम्पूर्ण मालिकाना लागत (TCO) और न्यूनतम कार्बन छाप (CF) थे। ग्रिड आवृत्ति 50Hz थी, जिसके लिए आवश्यक छोटे-सर्किट इंपीडेंस 8.5% था। मानकों के अनुसार पैरामीटर चुने गए थे। ट्रांसफॉर्मर की ठंडा करने की विधि ONAN के रूप में चुनी गई थी, जिसके लिए वातावरणीय तापमान 40°C निर्दिष्ट किया गया था। इसलिए, मुख्य वाइंडिंग के लिए अनुमत होने वाली वाइंडिंग विद्युत घनत्व सीमा 3A/mm², और टैप चेंजर वाइंडिंग के लिए 3.5A/mm² निर्धारित की गई थी।

कम वोल्टेज (प्राथमिक) वाइंडिंग को CTC (Continuously Transposed Cable) के साथ सर्पिल वाइंडिंग के रूप में मॉडल किया गया था, जबकि उच्च वोल्टेज (द्वितीयक) वाइंडिंग को दोहरे चालकों के साथ डिस्क वाइंडिंग के रूप में मॉडल किया गया था। कोर सामग्री की संतृप्ति और ग्रिड ओवरवोल्टेज को ध्यान में रखते हुए, अधिकतम फ्लक्स घनत्व 1.7T सीमित किया गया था। न्यूनतम इंसुलेशन दूरी अनुभवजन्य नियमों के आधार पर चुनी गई थी। इलेक्ट्रिकल स्टील की लागत 3.5€/kg, और वाइंडिंग सामग्री की लागत 8€/kg निर्धारित की गई थी। इलेक्ट्रिकल स्टील निर्माण के लिए कार्बन छाप की लागत 1.8kgCO2/kg, और कॉपर के लिए 6.5kgCO2/kg थी।

प्राप्त अनुकूलन के परिणाम सारणी 2 में सारांशित किए गए हैं। परिणामों से यह देखा जा सकता है कि CF अनुकूलन के तहत ऑप्टीमल ट्रांसफार्मर की दक्षता TCO विश्लेषण के बाद की दक्षता से कम है। ट्रांसफार्मर का प्रति चक्र वोल्टेज कॉपर-टू-आयरन अनुपात से संबद्ध है, और दोनों मामलों में मान लगभग एक समान हैं। दोनों मामलों में कोर नुकसान अपेक्षाकृत छोटे हैं, जिसमें कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं है। सौर ऊर्जा संयंत्रों के छोटे LLF के कारण, कोर नुकसान की लागत लोड नुकसान की लागत की तुलना में अधिक है। मुख्य अंतर कॉपर नुकसान में है, जो TCO मामले की तुलना में बहुत कम है। चूंकि गैर-फेरोस और फेरोस धातु आधान की कीमत का अनुपात कोर और कॉपर सामग्रियों की कीमत के अनुपात से अधिक है, और उपयोग की गई सामग्रियों का CF विद्युत नुकसानों के CF से अधिक है, इसलिए अनुकूलन एल्गोरिथ्म कम कॉपर वाले डिजाइनों को अपनाने की प्रवृत्ति दिखाता है ट्रांसफार्मर के CF को कम करने के लिए। विद्युत की कीमतों और कॉपर/आयरन आधान के बीच CF के बीच के महत्वपूर्ण अंतर के कारण, एल्गोरिथ्म TCO-आधारित गणनाओं की तुलना में छोटे, कम दक्ष डिजाइन को पसंद करता है।

7 निष्कर्ष

वर्तमान में, विद्युत ट्रांसफार्मरों के कार्बन फुटप्रिंट को निर्धारित करने के लिए कोई तैयार, व्यापक रूप से स्वीकार किया गया तरीका नहीं है। आर्थिक काल के बाद, साहित्य में कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण अनियमित रूप से चुने गए ट्रांसफार्मरों के जोड़ियों पर किए गए हैं। हालांकि, बड़े विद्युत ट्रांसफार्मर विभिन्न आर्थिक परिदृश्यों के लिए विशेष रूप से बनाए जाते हैं। अनुकूलित डिजाइनों की तुलना करने के लिए, एक व्यावहारिक उदाहरण में दो अनुकूलन डिजाइन किए गए थे। पहले मामले में, TCO अनुकूलन किया गया था; दूसरे मामले में, ट्रांसफार्मर का कार्बन फुटप्रिंट न्यूनतम किया गया था। परिणाम दिखाते हैं कि कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण पारंपरिक TCO विधियों की तुलना में कम दक्ष ट्रांसफार्मर प्रदान कर सकता है। यह इसके कारण हो सकता है कि बड़े मोटरों के निर्माण के दौरान वातावरणीय लागत ग्रिड पर उनके नुकसानों से अधिक होती है। आगे के शोध निर्माण समय, रखरखाव, नए जैविक अपघट्य अनुवर्ती तेलों के उपयोग, या ट्रांसफार्मर की पुनर्चक्रण के वातावरणीय प्रभाव का मूल्यांकन कर सकते हैं।