კარბონის ფუტპრინტი და TCO ანალიზი ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორის დიზაინისთვის

1. საერთო მინიშნება

გლობალური დათბობის გამო, განათლების აღმოცემის ამცირება კრიტიკული პრობლემაა. ელექტროენერგიის ტრანსპორტის სისტემების დაკარგვის სიდიდის მნიშვნელოვანი ნაწილი მოდის ელექტრო ტრანსფორმატორებიდან. ელექტროსისტემებში განათლების ამცირებისთვის უნდა დადგინდეს უფრო ეფექტური ტრანსფორმატორები. თუმცა, უფრო ეფექტური ტრანსფორმატორები ხშირად მოითხოვენ მეტ მასალას წარმოებისთვის. ტრანსფორმატორების ოპტიმალური დაკარგვის რაოდენობისა და წარმოების ფასის დასადგენად ტოტალური საკუთრების ღირებულების (TCO) მეთოდი არის ინდუსტრიის სტანდარტული პრაქტიკა. TCO ფორმულა თავიდან შეძენის ფასს (PP) და პროდუქტის გეგმავს მცხოვრებლობის პერიოდის დაკარგვის ღირებულებას (PPL) ითვლებს. ეს მეთოდი დაკარგვის ფასს კაპიტალიზაციის ფაქტორებით (A, B) ითვლებს.

თუმცა, ეს მიდგომა თავიდან ხელმისაწვდომი ელექტროენერგიის ღირებულებას ტრანსფორმატორების გეგმავს მცხოვრებლობის პერიოდში ითვლებს. ეკოლოგიური რესურსების, წარმოების ინფრასტრუქტურის, დაყენების და მხარდაჭერის სისტემების შესახებ არადირექტული შედეგები არ ითვლება. მაგალითად, ეს ელექტრო პროდუქტები ხშირად განახლებული და/ან გამოყენებული იქნება გასვლის შემდეგ. ელექტრო ტრანსფორმატორების მაგალითად, 73% გამოყენებული მასალის შესაძლებელია რეციკლირება, და ეს პროცენტი შეიძლება შემდგომში შეიცვალოს ნატურალური ესტერ-ბაზის იზოლაციის ზეთის გამოყენებით. მასალის რეციკლირებისა და რემანუფაქტურირების სარგებელი არ ითვლება.

ნახშიროს სიდიდე არის კიდევ ერთი მეტრიკა ელექტრო მოწყობილობების ეკოლოგიური შედეგის განსაზღვრას მცხოვრებლობის პერიოდში. ამჟამად არ არსებობს ფართოდ მიღებული მეთოდი ელექტრო მოწყობილობების ნახშიროს სიდიდის გამოთვლისთვის. სხვადასხვა გამოთვლის ინსტრუმენტები ხშირად აძლევენ საკმარისად განსხვავებულ შედეგს. ამ სტატიაში შემოთავაზებულია ნახშიროს სიდიდის ანალიზის მეთოდი და გამოყენებულია ტრანსფორმატორების ოპტიმიზაციაში. შედეგი ტრანსფორმატორები შედარებით იქნება TCO მეთოდზე დაფუძნებული ტრანსფორმატორებთან.

2. ტოტალური საკუთრების ღირებულების მეთოდი

TCO ფორმულა წარმოადგენს პროდუქტის ციკლურ ღირებულებას შესაძენად დაბალანსირების დასასრულამდე. კიდევ ერთი ხშირად გამოყენებული ტერმინი არის ციკლური ღირებულება (LCC). მთავარი მიზანია ტრანსფორმატორების შედარება თანაბარ პირობებში შესაძენად. TCO მეთოდის სტანდარტიზებული ფორმა ბიდინგის ფაზაში შემდეგია:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

სადაც A არის არატვირთული დაკარგვის კოეფიციენტი (€/kW), B არის ტვირთული დაკარგვის კოეფიციენტი (€/kW), PNLL (kW) არის ტრანსფორმატორის არატვირთული დაკარგვა მთელი ციკლის განმავლობაში, ხოლო PLL (kW) არის ტრანსფორმატორის ტვირთული დაკარგვა მთელი ციკლის განმავლობაში.

ელექტროენერგიის კომპანიების ან სამართავი და კომერციული მომხმარებლების მხრივ TCO გამოთვლებიც განსხვავდება. ელექტროენერგიის კომპანიების ტრანსფორმატორების დაკარგვის შეფასების პროცედურები მოიცავს ტრანსფორმატორების გენერაციის, ტრანსპორტირების და დისტრიბუციის დაკარგვის სრული ღირებულების განსაზღვრას და შესაფასებლად, რითაც იღებს კომპლექსური გამოთვლის ფორმულები. მეორე მხრივ, სამართავი და კომერციული მომხმარებლების ტრანსფორმატორების დაკარგვის შეფასების პროცედურები მოიცავს ელექტროენერგიის ფასების განსაზღვრას ტრანსფორმატორის გეგმავს გამოყენების დროს.

A. ანალიზის სცენარის დეტალები

კოეფიციენტები (A, B) გამოითვალეს 16MVA ელექტრო ტრანსფორმატორისთვის, რომელიც დაკავშირებულია სოლარულ ელექტროსადგურთან (ფიგურა 1). ჩვენ გამოვიყენეთ სტანდარტიზებული მეთოდი ჩვენი გამოთვლებისთვის A და B მნიშვნელობების დასადგენად.

ამ მიზნით, საჭიროა შემდეგი განტოლების გადაწყვეტა:

3. ნახშიროს სიდიდის ანალიზი

ჩვენი მიზანია შექმნა მეთოდოლოგია ელექტრო ტრანსფორმატორების ნახშიროს სიდიდის (CF) დასადგენად და შედარებად. "CF შემოსახვევა არის ნახშიროს ემისიების სრული რაოდენობა, რომელიც დირექტულად ან არადირექტულად გამოწვეულია აქტივობით ან პროდუქტის ციკლური პერიოდის განმავლობაში." ეს შეიძლება წარმოადგენდეს ნახშიროს (CO2) და სხვა გლობალური დათბობის აზრის გაზეთების (GHG) ემისიების სრული რაოდენობას, რომლებიც დაკავშირებულია პროდუქტთან. CF არის უფრო მორგებული ციკლური ანალიზის (LCA) შემოსახვევის ქვესიმება. LCA არის საერთაშორისო სტანდარტიზებული მეთოდოლოგია (ISO 14040, ISO 14044), რომელიც გამოიყენება პროდუქტის ციკლური პერიოდის განმავლობაში ეკოლოგიური ტვირთის და რესურსების ხარჯის შესაფასებლად. ამიტომ, CF არის ციკლური ანალიზი, რომელიც შემოსახვევად იღებს მხოლოდ ემისიებს, რომლებიც განათლებს კლიმატურ ცვლილებებს.

CF გამოთვლის სათითაოდ არის ორი მთავარი მეთოდი: ქვემოდან ზემოთ პროცესური ანალიზი (PA) ან ზემოდან ქვემოთ ენვირონმენტურად გაფართოებული ინპუტ-აუტპუტის (EIO) ანალიზი. პროცესური ანალიზი (PA) არის ქვემოდან ზემოთ მიდგომა, რომელიც თანამედროვე პროდუქტის ეკოლოგიური შედეგის განსაზღვრას განსაზღვრას პროდუქციიდან დასახმარებამდე. ენვირონმენტური ინპუტ-აუტპუტის (EIO) ანალიზი არის ზემოდან ქვემოთ მიდგომა ნახშიროს სიდიდის შესაფასებლად.

პროდუქტის ატრიბუტის შედეგის ალგორითმი (PAIA) არის უნივერსალური მეთოდი სხვადასხვა ტიპის ელექტრო პროდუქტების, როგორიცაა განათების სისტემები, როტაციული ელექტრო მანქანები და ა.შ. ნახშიროს სიდიდის გამოთვლისთვის. ეს მეთოდი გამოითვლებს მოტორების ნახშიროს სიდიდეს წარმოების, გამოყენების და რეციკლირების ფაზებში. თუმცა, PAIA მეთოდი არ არის გამოყენებულ ელექტრო ტრანსფორმატორების ნახშიროს სიდიდის შეფასებისთვის.

ადიში, ეკონომიკური ფუტპრინტის დიზაინები ჩვეულებრივ შედარებულია შემთხვევით არჩეული არსებული დიზაინებით (ფიგურა 2), და არა ოპტიმალურად დიზაინებული ტრანსფორმატორებით. ელექტრო ტრანსფორმატორების გრძელი სერვისული ციკლის გამო, რეგულარული ჩანაცვლების დაკარგვის და განახლების და პლანირებული დაშვების დაკარგვის დაკარგვები არ ჩაითვლება ბიდინგის ფაზაში. ინდუსტრიის 4.0 პრინციპების შესაძენად—პრედიქტიული მექანიკა—ეს შეიძლება გამოითვალოს მოწყობილობის დიზაინის საათიდან დაწყებით.

3.1 კაპიტალიზაციის ფაქტორები

ამ მიზნით, კაპიტალიზაციის ფაქტორები შემდეგნაირად არიან:

სადაც r წარმოადგენს ინვესტიციის დისკონტირების პროცენტულ ანდაზა. ჩვენ თვალსახვით აირჩიეთ 6,75% ჩვენი გამოთვლებისთვის. ამ შემთხვევაში, ტრანსფორმატორის შესაძლო ხანგრძლივობა (t) არის 25 წელი. განტოლებაში (4), p წარმოადგენს წლიურ ელექტროენერგიის დასახელებას kW-ზე მაქსიმალური მოთხოვნის მიხედვით. მოთხოვნის ფაქტორი წარმოადგენს მაქსიმალური მოთხოვნის და ტრანსფორმატორის ნომინალური ერთეულის კაპაციტეტის შეფარდებას (0,65). კაპიტალის აღდგენის კოეფიციენტი (f) აჩვენებს მომავალი წლიური გადახდების სრული ღირებულებას ამჟამინდელი ვალუტით გამოთვლილი. ცენტრალურ ევროპაში ამჟამინდელი ელექტროენერგიის ფასია 0,05 ევრო (€/kWh). ტვირთის დაკარგვის ფაქტორი (LLF) განიხილება საშუალო ძალის დაკარგვის შეფარდებით პიკის დროს დაკარგვასთან. ტვირთის ფაქტორი (LF) არის ტრანსფორმატორის მთელი ცხოვრების ციკლის განმავლობაში საშუალო ტვირთი, როგორც მაქსიმალური ტვირთის საერთო პროცენტი. ჩვენს შემთხვევაში, ფოტოვოლტაიკური ელექტროსადგურებისთვის, LF=25%, ამიტომ LLF უდრის 0,15625 (ფიგურა 1).

განტოლებებიდან (4,5), შესაძლებელია გამოთვალოთ კაპიტალიზაციის ფაქტორები (A, B). განტოლებებში (4,5), ფაქტორი 8760 წარმოადგენს ტრანსფორმატორის წლიურ მუშაობის საათებს. განტოლებაში (B), გამოთვლილია ტვირთის დაკარგვის ღირებულება. ყველა ტრანსფორმატორში, ყველაზე ეფექტური და ენერგიული ეფექტური ტრანსფორმატორი არის ის, რომელიც მინიმიზირებს TCO-ს (ფიგურა 2).

A. კარბონური საფრთხის ანალიზის ობიექტური ფუნქცია

TCO ფორმულის ანალოგიურად, შესაძლებელია შემოსაწინააღმდეგო ფუნქციის შესართავად კარბონური საფრთხის (CF) შეფასებისთვის ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორების შესახებ:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

სადაც TCO2 წარმოადგენს გამოთვლილ კარბონურ საფრთხეს (გრ), BCP წარმოადგენს მანქანის წარმოების პროცესისას გამოთვლილ კარბონურ საფრთხეს. A* და B* არიან კაპიტალიზაციის ფაქტორები კარბონური დიოქსიდის გამოტაცების (kg/kW) გამოთვლისთვის ტრანსფორმატორის დიდი სამსახურის ხანგრძლივობის განმავლობაში.

ამ ანალოგური კაპიტალიზაციის ფაქტორების გამოთვლისთვის, განხილულია სამი გლეხის ატმოსფეროს გაზეთი (GHG): კარბონური დიოქსიდი (CO2), მეთან (CH4) და ნიტროზო (N2O) თითოეული საწვავის ტიპისთვის, რომელიც გამოიყენება ენერგიის ქსელში. ეს იმიტომ, რომ, თუ გამოვთვლით სოლარული ელექტროსადგურების ნულოვანი გამოტაცებით, შედეგი ტრანსფორმატორი თეორიულად იქნება მინიმალური მასით და მაქსიმალური დაკარგვით. მეთანის და ნიტროზოს გამოტაცება კონვერტირებულია CO2 ექვივალენტურ გამოტაცებად მათი შესაბამისი გლობალური დათბობის ფაქტორებით (I):

სადაც ei არის გამოტაცების ფაქტორი ერთეულებში (tCO2/MWh), ხოლო eCO2,i, eCH4,i და eN2O,i არიან გამოტაცების ფაქტორები კარბონური დიოქსიდის, მეთანის და ნიტროზოს შესაბამისად შესწავლილი საწვავის ტიპის (i) შესაბამისად, ყველა ერთეულებში (t/GJ). ფაქტორი 0,0036 გამოიყენება GJ-ის MWh-ში კონვერტირებისთვის. საწვავი i-თვის, ni წარმოადგენს საწვავი i-ის გადაცემის სისტემაში კონვერტირების ეფექტურობას (პროცენტებში %), ხოლო λi წარმოადგენს საწვავი i-ის დაკარგვის პროცენტს გადაცემის სისტემაში. ამ სტატიაში გამოიყენება λi = 8% თითოეული საწვავის ტიპის გამოთვლისთვის.

უნგრეთის ენერგიის ქსელის ენერგიის სტრუქტურის მონაცემების გამოყენებით, გამოთვლილი არის A*=425 kgCO2/kW და B*=66,5 kgCO2/kW მნიშვნელობები.

4 ტრანსფორმატორის მოდელი

ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორის მოდელირება გამოიყენებს გამარტივებულ ორი სარტყელიან აქტიურ ნაწილს (ბურთულა და სარტყელები). ეს მიდგომა ფართოდ გამოიყენება პრელიმინარული დიზაინის օპტიმიზაციის ეტაპებზე, რადგან აქტიური ნაწილის ზომები განსაზღვრავს ტრანსფორმატორის სრულ ზომებს. ტრანსფორმატორის გეომეტრიული და ელექტროტექნიკური ქარაქტერისტიკები მოდელირებულია მნიშვნელოვანი დიზაინის პარამეტრებით. ეს დარკვევები ფართოდ არის ინდუსტრიაში დაადგინებული, რაც საკმარისი სიზუსტის მიღწევას ხელს უწყობს თითოეული შესაძლო ბურთულისა და სარტყელის კონფიგურაციის გამარტივებით.

პრელიმინარული დიზაინის ტრანსფორმატორის მოდელი განსაზღვრავს მთავარი აქტიური კომპონენტების გარე ზღვებს, რაც საკმარისია დასაწყისი ეტაპის ღირებულების გამოთვლისთვის. ეს მნიშვნელოვანი დიზაინის პარამეტრების გაგება აჩქარებს ინჟინერების მუშაობას, ხოლო დეტალური დიზაინის პარამეტრები სამუშაოდ შესაძლებელია სტანდარტული პრაქტიკების გამოყენებით (ფიგურა 2). ევროპის და ამერიკის ტრანსფორმატორის წარმომადგენლები პრაქტიკაში გამოიყენებენ მეტაჰეურისტიკულ მეთოდებს დასაგეგმად.

5 მეტაჰეურისტიკული ძებნა

ტრანსფორმატორის მოდელი გამოიყენებს გეომეტრიული პროგრამირების მეთოდს, რომელიც ამოხსნილია მეტაჰეურისტიკული ალგორითმებით პრელიმინარული დიზაინის ოპტიმიზაციის მათემატიკური მოდელის ამოსახსნელად. გეომეტრიული პროგრამირების ამომხსნელების უდიდესობა განსაზღვრულია ორი ფაქტორით. პირველი, თანამედროვე ინტერიორული პუნქტის მიხედვით GP ამომხსნელები სწრაფი და მარტივია. მეორე, გეომეტრიული პროგრამირების მათემატიკური მოდელირების წესები გარანტირებს, რომ მიღებული ამონახსნი არის გლობალურად უდიდესი. თანასწორობის და უთანასწორობის შეზღუდვების გამოსახატავად გამოიყენება სპეციალური მათემატიკური ფორმულები, რომლებსაც ეწოდება მონომიალები (10) და პოზინომიალები (11).

სადაც ck>0, α პარამეტრები არიან ნამდვილი რიცხვები, ხოლო x ცვლადების მნიშვნელობები უნდა იყვნებიან დადებითი. შესაძლებელია ფორმულირება გეომეტრიული სტრუქტურის სპეციალური ფორმით საბურთულო ტიპის ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორების ღირებულების ოპტიმიზაციის პრობლემისთვის. თუმცა, ეს მათემატიკური ოპტიმიზაციის მეთოდი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბურთულის ტიპის ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორებზე, რადგან ბურთულის ტიპის ელექტროენერგიის ტრანსფორმატორებს აქვთ სტრიქონის შეზღუდვები მახვილი შეკრულების იმპედანტზე. ამიტომ, GP მეთოდის კომბინებით ბრანჩ-და-ბაუნდ მეთოდთან, მიღებული არის სწრაფი და სწორი ამოხსნის მეთოდი.

6 შედეგები და დისკუსია

A. ტესტის ტრანსფორმატორის ტექნიკური სპეციფიკაციები

ოპტიმიზაციის ტესტები შესრულდა 16MVA ძალის ტრანსფორმატორზე, რომლის ვოლტაჟის რაოდენობა იყო 120kV/20kV. ოპტიმიზაციის მიზნები იყვნენ საერთო ხელმისაწვდომობის ღირებულება (TCO) პირველ შემთხვევაში და მინიმალური ნაკადი ნეგრი (CF). ქსელის სიხშირე იყო 50Hz, საჭირო მოკლე-მცირე შეკრულების იმპედანსი 8.5%. პარამეტრები იყვნენ არჩეული სტანდარტების შესაბამისად. ტრანსფორმატორის გაცილების მეთოდი იყო არჩეული ONAN, გარემოს ტემპერატურა მითითდა 40°C. ამიტომ, ძირითადი ნაკრების დასაშვები მიმართული დენის სიმკვრივი იყო მითითებული 3A/mm², ხოლო რეგულირების ნაკრებისთვის 3.5A/mm².

დაბალი ვოლტაჟის (პირველი) ნაკრები იყო მოდელირებული სპირალური ნაკრები CTC (Continuously Transposed Cable) როგორც, ხოლო მაღალი ვოლტაჟის (მეორე) ნაკრები იყო მოდელირებული დისკური ნაკრები დუბლური მისამართებით. კორპუსის მასალის სათავეში და ქსელის ზედმეტ ვოლტაჟში მაქსიმალური ფლაქსის სიმკვრივი იყო შეზღუდული 1.7T-მდე. მინიმალური იზოლაციის მანძილები იყვნენ არჩეული ემპირიული წესების მიხედვით. ელექტროსტალის ღირებულება იყო არჩეული 3.5€/kg, ხოლო ნაკრების მასალის ღირებულება 8€/kg. ნაკადი ნეგრის ღირებულება ელექტროსტალის წარმოებისთვის იყო 1.8kgCO2/kg, ხოლო თითოეული კუპრის თითოეული კილოგრამისთვის 6.5kgCO2/kg.

ოპტიმიზაციის შედეგები ჯამურად ჩანთა 2-ში შეჯამებულია. შედეგებიდან ჩანს, რომ CF ოპტიმიზაციის პირობებში ტრანსფორმატორის ოპტიმალური ეფექტურობა ნაკლებია TCO ანალიზის შედეგის შედარებით. ტრანსფორმატორის ძაბვა ყოველი ხრეხის შემთხვევაში დაკავშირებულია სპირტის და ნიკლის რაოდენობის შეფარდებაზე და ორივე შემთხვევაში მნიშვნელობები თითქმის იდენტურია. ბუნებრივი დაკარგულებები ორივე შემთხვევაში შედარებით პატარაა და არ არის ნაკლები მნიშვნელოვანი განსხვავება. სოლარული ელექტროსადგურების პატარა LLF-ის გამო, ბუნებრივი დაკარგულებების ღირებულება შედარებით მაღალია ტვირთის დაკარგულებების ღირებულებაზე. ძირითადი განსხვავება ისეთია, რომ სპირტის დაკარგულებები ნაკლებად არის შედარებით TCO შემთხვევასთან. რადგან არაფერის და ფერის მეტალურგიის ფასების შეფარდება მაღალია ბუნებრივი და სპირტის მასალების ფასების შეფარდების შედარებით და მიღებული მასალების CF შედარებით მაღალია ელექტრო დაკარგულებების CF-ზე, ალგორითმი ემილიერება ნაკლებ სპირტის დიზაინების მიღებას ტრანსფორმატორის CF-ის შემცირებისთვის. ელექტროენერგიის ფასების და სპირტის/ფერის მეტალურგიის CF-ს შორის ნაკლები განსხვავების გამო, ალგორითმი ფავორის არაეფექტური დიზაინებს შედარებით TCO-დაფუძნებული გამოთვლებისთან.

7 დასკვნა

ამჟამად არ არსებობს მზადად და ფართოდ აღმოსავლეთი მეთოდი ელექტრო ტრანსფორმატორების ნახშირობის ფუტის დადგენისთვის. ეკონომიკის ერაში, ლიტერატურაში ნახშირობის ფუტის ანალიზები შედარებით შემთხვევით შერჩეული ტრანსფორმატორების წყვილებზე იყო შესრულებული. თუმცა, დიდი ელექტრო ტრანსფორმატორები სხვადასხვა ეკონომიკურ სცენარიებისთვის ინდივიდუალურად დაიკავშირება. დაოპტიმიზებული დიზაინების შედარებისთვის, პრაქტიკულ მაგალითში შესრულდა ორი დიზაინის დაოპტიმიზება. პირველ შემთხვევაში, TCO დაოპტიმიზება იყო შესრულებული; მეორე შემთხვევაში, ტრანსფორმატორის ნახშირობის ფუტის შემცირება. შედეგები ჩვენის აჩვენებს, რომ ნახშირობის ფუტის ანალიზი შეიძლება დაინიშნოს ნაკლებად ეფექტური ტრანსფორმატორები ტრადიციული TCO მეთოდების შედარებით. ეს შეიძლება იყოს დაკარგულებების გრიდზე დასახარის შედარებით დიდი მოტორების დასახარის უფრო მაღალი ენვირონმენტალური ღირებულების გამო. შემდეგი კვლევები შეიძლება განხილოს მანქანის დროს, მერემენტის, ახალი ბიოდეგრადირებადი იზოლაციური ზელების გამოყენების ან ტრანსფორმატორის რეციკლინგის ენვირონმენტალური გავლენა.