Jejak Karbon vs Analisis TCO untuk Reka Bentuk Penjana Kuasa

1. Gambaran Keseluruhan

Akibat pemanasan global, pengurangan emisi gas rumah kaca menjadi isu yang penting. Sebahagian besar kerugian dalam sistem penghantaran tenaga berasal dari transformator tenaga. Untuk mengurangi emisi gas rumah kaca dalam sistem tenaga, transformator yang lebih cekap perlu dipasang. Walau bagaimanapun, transformator yang lebih cekap sering memerlukan lebih banyak bahan pembuatan. Untuk menentukan nisbah kerugian dan harga pembuatan yang optimum bagi transformator, kaedah Total Cost of Ownership (TCO) adalah amalan piawai industri. Formula TCO mempertimbangkan harga pembelian (PP) dan kos kerugian semasa tempoh hidup produk yang dirancang (PPL). Kaedah ini mengambil kira harga kerugian melalui faktor-faktor kapitalisasi (A, B).

Walau bagaimanapun, pendekatan ini hanya mempertimbangkan kos elektrik langsung transformator semasa tempoh hidup layanan yang dirancang. Impak tidak langsung yang melibatkan sumber ekologi, infrastruktur pembuatan, pemasangan, dan sistem sokongan tidak dipertimbangkan. Sebagai contoh, produk elektrik ini sering direkondisi dan/atau digunakan semula selepas pensiun. Mengambil transformator tenaga sebagai contoh, 73% daripada bahan yang digunakan boleh didaur ulang, dan peratusan ini boleh ditingkatkan lagi apabila menggunakan minyak isolasi berbahan ester semula jadi. Manfaat daur ulang dan remanufaktur bahan tidak diambil kira.

Jejak karbon adalah metrik lain untuk menentukan impak alam sekitar peralatan elektrik semasa tempoh hidupnya. Pada masa ini, tiada kaedah yang diterima secara luas untuk menghitung jejak karbon peralatan tenaga. Alat pengiraan yang berbeza sering menghasilkan hasil yang sangat berbeza. Kertas ini mencadangkan kaedah analisis jejak karbon dan menerapkannya pada pengoptimuman transformator. Transformator yang dihasilkan dibandingkan dengan yang berdasarkan kaedah TCO.

2. Kaedah Total Cost of Ownership

Formula TCO mewakili kos siklus hidup produk dari pembelian hingga pensiun akhir. Istilah yang sering digunakan adalah Life Cycle Cost (LCC). Tujuan utama adalah untuk membandingkan transformator pada asas yang sama untuk membuat keputusan pembelian. Bentuk piawaian kaedah TCO semasa fasa tender adalah seperti berikut:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Di mana A adalah pekali kerugian tanpa beban (€/kW), B adalah pekali kerugian beban (€/kW), PNLL (kW) adalah kerugian tanpa beban transformator sepanjang hidupnya, dan PLL (kW) adalah kerugian beban transformator sepanjang hidupnya.

Dari perspektif utiliti tenaga atau pengguna industri dan komersial, pengiraan TCO juga berbeza. Prosedur penilaian kerugian transformator utiliti tenaga melibatkan pemahaman dan penilaian kos total generasi, penghantaran, dan pengedaran kerugian transformator, menghasilkan formula pengiraan yang kompleks. Di sisi lain, prosedur penilaian kerugian transformator pengguna industri dan komersial memerlukan pemahaman dan penilaian harga elektrik selama masa penggunaan transformator yang dirancang.

A. Detail Senario Analisis

Pekali (A, B) telah dikira untuk transformator tenaga 16MVA yang terhubung ke ladang tenaga suria (Gambar 1). Kami menggunakan kaedah piawaian untuk menentukan nilai A dan B dalam pengiraan kami.

Untuk tujuan ini, perlu menyelesaikan persamaan berikut:

3. Analisis Jejak Karbon

Tujuan kami adalah untuk mencipta metodologi untuk menentukan dan membandingkan jejak karbon (CF) yang optimum bagi transformator tenaga. "CF mengukur jumlah keseluruhan emisi karbon dioksida yang disebabkan secara langsung atau tidak langsung oleh aktiviti atau terakumulasi sepanjang siklus hidup produk." Ia juga dapat mewakili jumlah keseluruhan emisi karbon dioksida (CO2) dan gas rumah kaca (GHG) lain (seperti metana, oksida nitrat, dll.) yang berkaitan dengan produk. CF adalah subset data yang ditutupi oleh Penilaian Siklus Hidup (LCA) yang lebih komprehensif. LCA adalah metodologi piawaian antarabangsa (ISO 14040, ISO 14044) yang digunakan untuk menilai beban alam sekitar dan penggunaan sumber sepanjang siklus hidup produk. Oleh itu, CF adalah penilaian siklus hidup yang terbatas hanya kepada emisi yang mempengaruhi perubahan iklim.

Terdapat dua kaedah utama untuk pengiraan CF: analisis berdasarkan proses bottom-up (PA) atau analisis input-output yang diperluas secara alam sekitar (EIO) top-down. Analisis proses (PA) adalah pendekatan bottom-up yang mempertimbangkan impak alam sekitar produk individu dari produksi hingga pembuangan. Analisis input-output (EIO) berdasarkan pendekatan top-down untuk menganggarkan CF.

Algoritma Atribut Produk ke Impak (PAIA) memberikan kaedah universal untuk mengira CF pelbagai jenis produk elektrik, seperti perlengkapan pencahayaan, mesin elektrik berputar, dll. Kaedah ini mengira CF motor semasa fasa pembuatan, operasi, dan daur ulang. Walau bagaimanapun, kaedah PAIA belum diterapkan pada penilaian CF transformator tenaga.

Selain itu, reka bentuk jejak ekonomi biasanya dibandingkan untuk reka bentuk yang ada dan dipilih secara sewenang-wenang (Gambar 2), bukan untuk dua transformator yang dirancang dengan optimal. Akibat tempoh hidup yang panjang transformator tenaga, kos penyelenggaraan berkaitan penggantian rutin memerlukan bahagian tambahan dan waktu rencana. Semua kos ini tidak termasuk dalam fasa tender. Setelah menerapkan prinsip-prinsip Industri 4.0—penyelenggaraan prediktif—ini boleh dihitung dari awal rancangan peralatan.

3.1 Faktor Kapitalisasi

Untuk tujuan ini, faktor-faktor kapitalisasi adalah seperti berikut:

Di mana r mewakili kadar diskaun untuk pelaburan. Ini biasanya bervariasi antara 5-10%, dan kami memilih 6.75% untuk pengiraan kami. Dalam kes ini, jangka hayat transformer yang dijangka (t) adalah 25 tahun. Dalam persamaan (4), p mewakili elektrik tahunan per kW permintaan maksimum. Faktor permintaan mewakili nisbah permintaan maksimum kepada kapasiti terpampat transformer (0.65). Pemuliharaan modal (f) menunjukkan kos masa depan bagi pembayaran tahunan yang dikira dalam mata wang semasa. Harga elektrik semasa di Eropah Tengah adalah 0.05 euro (€/kWh). Faktor kerugian beban (LLF) ditakrifkan sebagai nisbah kehilangan kuasa purata selama satu tempoh kepada kehilangan pada masa permintaan puncak. Faktor beban (LF) adalah beban purata transformer sepanjang siklus hidupnya, dinyatakan sebagai peratusan setara beban purata kepada beban maksimum. Dalam kes kami, untuk lombong kuasa photovoltaic, LF=25%, oleh itu LLF bersamaan 0.15625 (Gambar 1).

Dari persamaan (4,5), faktor modal (A, B) boleh dikira. Dalam persamaan (4,5), faktor 8760 mewakili jam operasi tahunan transformer. Dalam persamaan (B), kos kerugian beban dikira. Di antara semua transformer, transformer yang paling berkesan kos dan cekap tenaga adalah yang mengurangkan TCO (Gambar 2).

A. Analisis Jejak Karbon Fungsi Objektif

Sama seperti formula TCO, fungsi objektif boleh diperkenalkan untuk menilai jejak karbon (CF) transformer kuasa:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

di mana TCO2 mewakili jejak karbon yang dikira (g), BCP mewakili jejak karbon yang dikira semasa proses pembuatan mesin. A* dan B* adalah faktor modal untuk mengira pelepasan karbon dioksida (kg/kW) semasa jangka hidup yang dirancang transformer.

Untuk mengira faktor modal ini, tiga gas rumah hijau (GHG) dipertimbangkan: karbon dioksida (CO2), metana (CH4), dan oksida nitrat (N2O) untuk setiap jenis bahan api yang digunakan dalam grid kuasa. Ini kerana, jika kita mengira menggunakan pelepasan sifar dari lombong kuasa solar, transformer yang dihasilkan akan secara teori mempunyai jisim minimum dan kehilangan maksimum. Pelepasan metana dan oksida nitrat ditukar kepada pelepasan setara CO2 dengan mengalikannya dengan potensi pemanasan global masing-masing (I):

di mana ei adalah faktor pelepasan dalam unit (tCO2/MWh), sementara eCO2,i, eCH4,i dan eN2O,i adalah faktor pelepasan untuk karbon dioksida, metana, dan oksida nitrat masing-masing untuk jenis bahan api yang dikaji (i), semua dalam unit (t/GJ). Faktor 0.0036 digunakan untuk menukar GJ kepada MWh. Untuk bahan api i, ni mewakili kecekapan pemindahan bahan api i dalam sistem transmisi (dalam peratus %), dan λi mewakili peratus kehilangan kuasa untuk bahan api i dalam sistem transmisi. Kertas ini menggunakan λi = 8% untuk pengiraan setiap jenis bahan api.

Menggunakan data struktur tenaga grid kuasa Hungary, nilai A*=425 kgCO2/kW dan B*=66.5 kgCO2/kW telah dikira.

4 Model Transformer

Pemodelan transformer kuasa menggunakan bahagian aktif dua gulungan yang disederhanakan (inti dan gulungan). Pendekatan ini luas digunakan pada stadium pengoptimuman reka bentuk awal kerana dimensi bahagian aktif menentukan saiz transformer secara keseluruhan. Ciri-ciri geometri dan elektrik transformer dimodelkan menggunakan parameter reka bentuk utama. Anggapan-anggapan ini diterima luas dalam industri, memberikan ketepatan yang mencukupi dalam menganggar kehilangan tembaga dan inti sambil menyederhanakan secara signifikan pelbagai konfigurasi inti dan gulungan yang mungkin.

Model transformer reka bentuk awal dengan jelas menentukan sempadan luar komponen aktif utama, yang mencukupi untuk pengiraan kos tahap awal. Memahami parameter reka bentuk utama ini mempercepatkan kerja jurutera, dan parameter reka bentuk terperinci boleh ditentukan dengan mudah menggunakan amalan standard (Gambar 2). Pembuat transformer di Eropah dan Amerika menggunakan kaedah pengoptimuman berdasarkan metaheuristik dalam amalan.

5 Penyelidikan Metaheuristik

Model transformer menggunakan pengecaman geometri diselesaikan oleh algoritma metaheuristik untuk menangani model matematik masalah pengoptimuman reka bentuk awal. Dua faktor menentukan keunggulan penyelesai pemrograman geometri. Pertama, penyelesai GP berdasarkan titik dalaman moden cepat dan kukuh. Kedua, peraturan pemodelan matematik pemrograman geometri menjamin bahawa penyelesaian yang diperoleh adalah optimum secara global. Ungkapan untuk kendala kesamaan dan ketidaksamaan mesti diwakili menggunakan formula matematik khas yang dipanggil monomial (10) dan posynomial (11).

Di mana ck>0, parameter α adalah nombor nyata, dan nilai pemboleh ubah x mesti positif. Masalah pengoptimuman kos untuk transformer kuasa jenis shell boleh diformulasikan dalam bentuk struktur geometri khas. Walau bagaimanapun, kaedah pengoptimuman matematik ini tidak dapat diterapkan pada transformer kuasa jenis inti kerana transformer kuasa jenis inti mempunyai syarat ketat untuk impedans short circuit. Oleh itu, dengan menggabungkan kaedah GP dengan kaedah branch-and-bound, kaedah penyelesaian yang cepat dan tepat telah diperoleh.

6 Keputusan dan Perbincangan

A. Spesifikasi Teknikal Transformer Ujian

Ujian pengoptimuman dijalankan pada transformer kuasa 16MVA dengan nisbah voltan 120kV/20kV. Sasaran pengoptimuman adalah Jumlah Kos Pemilikan (TCO) dalam kes pertama dan Jejak Karbon (CF) yang minimum. Frekuensi grid adalah 50Hz, dengan rintangan singgahan yang diperlukan sebanyak 8.5%. Parameter dipilih mengikut piawaian. Kaedah penyejukan transformer dipilih sebagai ONAN, dengan suhu ambien ditentukan sebagai 40°C. Oleh itu, had ketumpatan arus winding yang dibenarkan untuk winding utama ditetapkan kepada 3A/mm², dan untuk winding pemilih tapisan ditetapkan kepada 3.5A/mm².

Winding voltan rendah (primer) dimodelkan sebagai winding helikal dengan CTC (Continuously Transposed Cable), manakala winding voltan tinggi (sekunder) dimodelkan sebagai winding disc dengan konduktor berganda. Mengambil kira kekenyapan bahan inti dan overvoltan grid, ketumpatan fluks maksimum dibatasi kepada 1.7T. Jarak isolasi minimum dipilih berdasarkan peraturan empirikal. Kos baja elektrik dipilih sebagai 3.5€/kg, dan kos bahan winding sebagai 8€/kg. Kos jejak karbon untuk pembuatan baja elektrik adalah 1.8kgCO2/kg, dan untuk kuprum 6.5kgCO2/kg.

Keputusan pengoptimuman diringkaskan dalam Jadual 2. Dari keputusan tersebut, dapat dilihat bahawa kecekapan transformer yang optimum di bawah pengoptimuman CF adalah lebih rendah daripada kecekapan selepas analisis TCO. Voltan setiap putaran transformer berkaitan dengan nisbah tembaga ke besi, dan nilai-nilai tersebut hampir sama dalam kedua-dua kes. Kehilangan inti adalah relatif kecil dalam kedua-dua kes, tanpa perbezaan yang signifikan. Disebabkan oleh LLF yang kecil bagi pembangkit tenaga suria, kos kehilangan inti adalah relatif tinggi berbanding kos kehilangan beban. Perbezaan utama terletak pada kehilangan tembaga, yang secara signifikan lebih kecil daripada kes TCO. Kerana nisbah harga antara logam bukan ferus dan ferus lebih tinggi daripada nisbah harga bahan inti dan tembaga, dan CF bahan yang digunakan adalah relatif lebih tinggi daripada CF kehilangan elektrik, algoritma pengoptimuman cenderung mengambil reka bentuk dengan kurang tembaga untuk mengurangkan CF transformer. Disebabkan perbezaan yang signifikan antara CF harga elektrik dan CF penempaan tembaga/besi, algoritma lebih suka reka bentuk yang lebih kecil dan kurang efisien berbanding pengiraan berdasarkan TCO.

7 Kesimpulan

Saat ini, tiada kaedah siap pakai dan luas diterima untuk menentukan jejak karbon transformer kuasa. Dalam era pasca-ekonomi, analisis jejak karbon dalam literatur telah dilakukan pada pasangan transformer yang dipilih secara sewenang-wenang. Namun, transformer kuasa besar dibuat khusus untuk skenario ekonomi yang berbeza. Untuk membandingkan reka bentuk yang dioptimumkan, dua reka bentuk pengoptimuman telah dilakukan dalam contoh praktikal. Dalam kes pertama, pengoptimuman TCO telah dilakukan; dalam kes kedua, jejak karbon transformer dikurangkan. Keputusan menunjukkan bahawa analisis jejak karbon boleh menghasilkan transformer dengan kecekapan yang lebih rendah daripada kaedah TCO tradisional. Ini mungkin disebabkan kos alam sekitar motor besar lebih tinggi semasa pembuatan daripada kehilangan mereka di grid. Penelitian lanjut dapat menilai impak alam sekitar masa pembuatan, pemeliharaan, penggunaan minyak isolasi biodegradabel baru, atau kitar semula transformer.