Kolvetráarferli vs. TCO greining fyrir hönnun störfuþrýstinga

1. Yfirlit

Vegna heitarar jarðar er minnka semburkarbondsgosið mikilvæg spurning. Mikið af tapum í orkutengingarkerfi kemur frá orkutraustum. Til að minnka semburkarbondsgos í orkukerfum verða hægt að setja upp efniari trausti. En efniari traustir krefjast oft meira framleiðsluverks. Til að ákveða besta tapphlutfall og framleiðsluverð trausta er að nota aðferð Heildarkostnaðar (TCO) sem er staðlað forspurn í sviðinu. TCO jafnan tekur tillit til keyptaverðs (PP) og kostnaðar af tapum á loðruðu leifstíma (PPL). Þessi aðferð hefur að markmiði að reikna kostnað tapa með kapitaliseringarfaktörum (A, B).

En þessi aðferð hefur eingöngu að markmiði dreift orkuverð trausta yfir ákveðinn leifstíma. Ekki er tekið tillit til óbeina áhrifa eins og ökluðar ressur, framleiðslufræði, uppsetningu og stuðningskerfa. Til dæmis eru elektrísk föru oft endurbúin og/eller endurnýttar eftir lok leifstíma. Til dæmis er hægt að endurtekja 73% af notuðum efnum í orkutraustum, og þetta gildi má auka með nýju vatnsesterbasiðu skelvinguolíu. Þátttak endurtektar og endurfremmingu er ekki tekið tillit til.

Kolufótspór er annar mælingur til að ákvarða umhverfisáhrif elektríska færavélana á leifstíma. Í dag er engin almennt samþykkt aðferð til að reikna kolufótspor orkuverkfjarðara. Ólíkir reiknivélar geta gefið munandi niðurstöður. Í þessu rit er birt aðferð til að greina kolufótspor og hún er beitt til að optímálta traust. Niðurstöður trausta eru síðan samanborin við þau sem byggja á TCO aðferð.

2. Aðferð Heildarkostnaðar

Jafnan fyrir TCO stendur fyrir lífslokakostnað vara frá kaup til lok leifs. Annað algengt orð er Lífshólkostnaður (LCC). Markmiðið er að samanbera trausta á jöfnu grundvelli til að taka kaupafarð. Staðlað form af TCO aðferð í boðsferð er svo:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Þar sem A er hlutfall fyrir laus tapa (€/kW), B er hlutfall fyrir beltið tap (€/kW), PNLL (kW) er laust tap trausts á allan leifstíma, og PLL (kW) er beltið tap trausts á allan leifstíma.

Frá sjónarhorni orkuframleiðenda eða verkamanna og verslunarmanna geta TCO reikningar verið ólíkir. Orkuframleiðendur þurfa að skilja og meta heildarkostnað af tapa í framleiðslu, tengingu og dreifingu trausta, sem gerir reikninga erfitt. Á móti því þurfa verkamenn og verslunarmenn að skilja og meta orkuverð yfir ákveðinn leifstíma trausts.

A. Nánar um greiningarskilyrði

Hlutafli (A, B) voru reiknuð fyrir 16MVA orkutraust tengd sólorkuvirkjun (Mynd 1). Við notuðum staðlaða aðferð til að ákvarða gildi A og B í reikningum okkar.

Til þess er nauðsynlegt að leysa eftirfarandi jöfnu:

3. Greining Kolufótspors

Markmið okkar er að skapa aðferð til að ákvarða og samanbera besta kolufótspor (CF) fyrir orkutrausta. „CF mælir heildarkostnað karbondíoksíðgosa sem er beint eða óbeint valdi af aðgerð eða samanstendur í lífsloka vara.“ Það getur einnig staðið fyrir heildarkostnað karbondíoksíð (CO2) og aðrar semburkarbondsgosi (sem metán, kvíþjóðgass o.s.fr.) sem tengjast vara. CF er undirgrúpa gögnanna sem er fjallað um í meiri samantekt Lífshólkostnaðar (LCA). LCA er alþjóðleg staðlað aðferð (ISO 14040, ISO 14044) notuð til að meta umhverfisbyrðu og notkun af ökluðum ræðurum á löngu tíma varu. Þannig er CF LCA sem er takmarkað við útslitt sem hafa áhrif á loftslagsbreytingu.

Það eru tvö aðal aðferðir til að reikna CF: botn-up ferlisgreining (PA) eða topp-niður umhverfisbundið innflæði-útflæði (EIO) greining. Ferlisgreining (PA) er botn-up aðferð sem veltur orkuverði enskra vara frá framleiðslu til skiptingar. Umhverfisbundið innflæði-útflæði (EIO) greining er byggð á topp-niður aðferð til að meta CF.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) veitir almenna aðferð til að reikna CF mismunandi tegundir af elektrísku föru, eins og bætlög, snúðar elektrískar málar, o.s.fr. Þessi aðferð reiknar CF af motorum á framleiðslu, starfi og endurtekstu tímabil. En PAIA aðferð hefur ekki enn verið beitt til að meta CF orkutrausta.

Auk þess eru ekonómísk orðaskemmtu hönnuðar typiskt samanburðar fyrir valdir núverandi hönnuðir (Mynd 2), ekki fyrir tvo optímála hönnuð trausta. Vegna lengs leifstíma orkutrausta, kostnaður við vanalegan skiptingu sem krefst viðbótardeila og planlagða stöðutíma, eru ekki með á aðboðsfærslu. Eftir að hafa sett fram Industry 4.0 grunnreglur - forspálegri viðhald - er hægt að reikna þetta frá upphafi hönnunar.

3.1 Kapitaliseringarfaktar

Til þessa markmiðs eru kapitaliseringarfaktarnir svo:

Þar sem r stendur fyrir afsláttarröðun á fjárfestingum. Þetta fer yfirleitt milli 5-10% og við valdi 6,75% fyrir reikninga okkar. Í þessu tilfelli er væntanleg líftími umskiptavélarinnar (t) 25 ár. Í jöfnu (4) stendur p fyrir árlega elektravirkjun fyrir hvert kW af hámarkseyðibyggð. Eyðibyggtarfakturinn stendur fyrir hlutfall milli hámarks eyðibyggtar og merktar byggingar umskiptavélarinnar (0,65). Fjárhagsmagns endurgreiðslukóferninn (f) sýnir heildarframtíðarkostnað allra árlega greiðsla reiknað í núverandi gjaldeiningum. Núverandi verð á elektra í mið-Europa er 0,05 evró (€/kWh). Byrjunareyðifakturinn (LLF) er skilgreindur sem hlutfall meðalvirkjunar yfir tímabil við eyði á hámarkstíma. Byrjunarfakturinn (LF) er meðaleyði umskiptavélarinnar á öllu líftímabili, skýrt sem jafngild prósent af meðaleyði til hámarkseyðis. Í voru tilfelli, fyrir ljóshæðisbúa, er LF=25%, svo LLF er 0,15625 (Mynd 1).

Með jöfnunum (4,5) má reikna fjárhagsmagnsfaktana (A, B). Í jöfnunum (4,5) stendur taflan 8760 fyrir árlegar virktímar umskiptavélarinnar. Í jöfnu (B) er reiknað kostnaður við byrjunareyði. Meðal allra umskiptavéla er það kostefni og orkuþrífenda umskiptavélan sem minnkar TCO mest (Mynd 2).

A. Markmiðsfall koldísarsköpunar

Samanburðarlegt við TCO formúluna, má einfalda markmiðsfalli til að meta koldísarsköpun (CF) af orkuumskiptavélu:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

þar sem TCO2 stendur fyrir reiknuð koldísarsköpun (g), BCP stendur fyrir koldísarsköpun reiknuð á meðan málin eru framleidd. A* og B* eru fjárhagsmagnsfaktar til að reikna koldísarsköpun (kg/kW) á áætlaða notkunartíma umskiptavélarinnar.

Til að reikna þessa samanburðarlegu fjárhagsmagnsfaktana, er tekinn tillit til þriggja grínhausamengi (GHG): koldís (CO2), metán (CH4) og nítreð (N2O) fyrir hverja benslutegund sem notað er í orkuvefninu. Þetta er vegna þess, að ef við reiknum með núll koldísarsköpun frá ljóshæðisbúum, myndi uppnámlega umskiptavélan hafa lægsta massa og hámarkseyði. Skýringar fyrir metán og nítreð eru breytt í CO2 jafngild skýringar með því að margfalda þær við sérstök varmingarkerfi (I):

þar sem ei er skýringarfaktur í einingum (tCO2/MWh), en eCO2,i, eCH4,i og eN2O,i eru skýringarfaktar fyrir koldís, metán og nítreð á sama hátt fyrir rannsakaða benslutegund (i), allir í einingum (t/GJ). Taflan 0,0036 er notuð til að breyta GJ í MWh. Fyrir benslutegund i, stendur ni fyrir umbreytingarhlutfall benslutegundar i í fluttarasysteminu (í prósent %), og λi stendur fyrir hlutfall orkuhættis fyrir benslutegund i í fluttarasysteminu. Í þessu ritgerð er notaður λi = 8% fyrir reikninga fyrir hverja benslutegund.

Með notkun orkustofnudaga Ungverjar, voru gildin A*=425 kgCO2/kW og B*=66,5 kgCO2/kW reiknuð.

4 Umskiptavélamódel

Orkuumskiptavélamódelið notar einfalda tvívindinga virkan hluta (kjarn og vindingu). Þessi aðferð er almennt notuð í upphaflegu hönnunaroptimumunargreinum þar sem stærð virkan hlutar ákvarðar heildarstærð umskiptavélarinnar. Rúmfræðilegar og rafmagnslegar eiginleikar umskiptavélarinnar eru módelda með aðalskipulagsparametrar. Þessi forsendur eru almennt samþykkt í atvinnu, sem veitir nægjanlegt nákvæmni í mat á kopar- og kjarnaleyði, en einfaldar mjög mögulegar uppbyggingar kjarna og vindungar.

Upphaflegu hönnunar umskiptavélamódelið skilgreini skýrt ytri takmarka fyrir aðalaðila, sem er nægjanlegt fyrir upphaflega kostnaðarreikninga. Að skilja þessa aðalskipulagsparametrar hræddar verk starfsmanna, og mun víða skipulagsparametrar geta verið auðveldlega skilgreindir með venjulegum aðferðum (Mynd 2). Umskiptavélaframleiðendur í Evrópu og Ameríku nota metaheuristic-based optimumunaraðferðir í raun.

5 Metaheuristic leit

Umskiptavélamódelið notar rúmfræðilega forritun lausn með metaheuristic aðferðum til að meðhöndla stærðfræðilega módel upphaflegu hönnunaroptimumunarverkefnisins. Tveir faktorar ákvarða gildi rúmfræðilegra forritunaraðferða. Fyrst, nútíma innri punktsbundið GP lausnarforrit eru flott og örugg. Annar, stærðfræðilegar reglur rúmfræðilegrar forritunar tryggja að fengin lausn sé almennt besta. Jafnt og ójafnt vinna skyldu vera lýst með sérstökum stærðfræðilegum formúlum sem köllum monomials (10) og posynomials (11).

Þar sem ck>0, α parametrar eru rauntölur, og gildi x breytanna verða að vera jákvæð. Kostnaðaroptimumunarmál fyrir shell-type orkuumskiptavélar geta verið lýst í sérstökum rúmfræðilegu formi. Hins vegar, þessi stærðfræðilega optimumunaraðferð getur ekki verið beitt til core-type orkuumskiptavéla vegna strikskrara krava fyrir sturtuhringar. Þar af leiðandi, með því að sameina GP aðferðina við branch-and-bound aðferðina, fengist flott og nákvæm lausnaraðferð.

6 Niðurstöður og umræða

A. Prufuvegla tekniskar eiginleikar

Þróunarreiknir voru framkvæmdir á orkaþrýstingi með 16MVA og spennaorðu 120kV/20kV. Þróunarmarkmiðin voru fyrst heildarkostnaður eignar (TCO) og svo minnsti koldveggjarinnspá (CF). Rásarsviðið var 50Hz, með nauðsynlegri styttskrifhliða 8,5%. Vörpunarkostir voru valdir samkvæmt staðalmálum. Kjölsetning var valin sem ONAN, með umhverfisþrám 40°C. Því svaraði að leyfilegur straumþéttleiki hringilsins í aðalhringilinum var stilltur á 3A/mm², en í tapbreytingahringlinum á 3,5A/mm².

Lágspennuhringillinn (fyrirspennuhringill) var lagður upp sem snárhringill með CTC (Continuous Transposed Cable), en háspennuhringillinn (eftirspennuhringill) var lagður upp sem skífurhringill með tvövirkjum. Með tilliti til metalaðgerðarmetalkerfi og rásarsviðs ofrspennu var hámarksflúxþéttleiki takmarkaður við 1,7T. Lágmarksleyfilegar gertingastöðvar voru valdar samkvæmt reikniaðferð. Verð á elektrískum járni var valt 3,5€/kg, og verð á hringslóðaraefni 8€/kg. Koldveggjarinnspá vegna framleiðslu á elektrísku járni var 1,8kgCO2/kg, og fyrir kopar 6,5kgCO2/kg.

Úttök útfræðingarins eru samanfellt í töflu 2. Úr niðurstöðunum er að sjá að besta trafohagnýta við CF-útfræði er lægri en hagnýtan eftir TCO-rannsókn. Spennubilið á hverju snúningi trafoins er tengt kupferjálfhlutfallinu, og gildin eru næstum sama í báðum tilvikum. Kjarnatapir eru sátt fyrir bæði tilviki, án merkilegs munar. Vegna lágmarks LLF sólarorkustöðva er kostnaður kjarnatapa miður hárr í hlutfalli við kostnað tapa undir byrðu. Aðal munurinn liggur í kupfertapum, sem eru mjög minni en í TCO-tilviki. Þar sem verðhlutfallið milli ófémetala og fémetala smelta er hærri en verðhlutfallið milli kjarna- og kupfermateria lausnartækiflisins, og CF notaðra efna er hærra heldur en CF af raforkutapum, stefnir útfræðitækiflið til að taka upp hönnunar með minni kupfer til að minnka CF trafoins. Vegna stóra munarinnar á CF raforkuveislu og þeirra af kupfer/fe smelta, valdar útfræðitalningin litla, lægra hagnýta hönnun heldur en reikninga byggða á TCO.

7 Ályktun

Núverandi er ekki til staðbundið, almennt samþykkt aðferð til að ákveða körfukolufotspor (CF) af raftrafo. Eftir tímabilinu við tækifæri hefur CF-rannsókn í bókmenntum verið framkvæmd á handvaldu partrafa. En stór raftrafo eru gerð til malsmeila við mismunandi tækifæri. Til að sameina bestu hönnun, voru framkvæmdir tveir útfræðitök í praktískum dæmi. Fyrsta tilfelli var TCO-útfræði framkvæmd; í öðru tilfelli var mínimað CF trafoins. Niðurstöðurnar sýna að CF-rannsókn getur gefið trafo með lægra hagnýtu en hefðbundnar TCO-aðferðir. Þetta gæti verið vegna þess að umhverfiskostnaður stóra motoranna er hærri við framleiðslu heldur en tapir þeirra í vefnum. Nánari rannsókn getur metað umhverfisefni framleiðslutímans, viðhalds, notkun nýrra brottnandi skiljaolía eða endurtekningu trafos.