Analisi tal-Impatt Karboniku vs TCO għal Id-Diżign tal-Transformer tal-Elettricità

1. Ikhtisar

Għal effett tal-ħal mill-klima, il-minnuna tal-emissjonijiet ta' gaz fit-greenhouse huwa suġġett importanti. Parti mhux qasra minn l-ħsara fis-sistemi tal-trasferiment tal-enerġija ġejja mil-transformaturi tal-enerġija. Biex tminna l-emissjonijiet ta' gaz fit-greenhouse fis-sistemi tal-enerġija, għandhom jinstalaw transformaturi aktar effiċjenti. Iwa, l-transformaturi aktar effiċjenti solitament rikiedu materjal akbar għat-talbija. Biex tindika l-proporzjoni optyma tal-ħsara u l-prezz tal-talbija tal-transformaturi, it-teknika tal-Total Cost of Ownership (TCO) hija prattika standard fil-industrija. Il-formula TCO tinkludi l-prezz tal-aqċiż (PP) u l-kost tal-ħsara f'dan is-silġ tal-ħajja preveduta (PPL). Dan metodu jikkonsidra l-prezz tal-ħsara permezz ta' fatturi ta' kapitalizzazzjoni (A, B).

Iwa, dan l-approċċ konsidra biss il-kost dirett tas-silġ tal-transformaturi fl-ħajja preveduta tagħhom. L-impati indiretti li jiġu involuti rikors fit-ekoloġiku, infrastruttura tal-talbija, installazzjoni, u sustemijiet ta' appoġġ ma jiġux konsidrati. Pervażju, dawn l-prodotti elettriku huma sovent riforbi jew riutilizzati wara r-retirament. Pereżempju, 73% minn l-materiali applikati għall-transformaturi tal-enerġija jistgħu jiġu riciclati, u din l-perċentwalta tista' tkun inkora magħmula meta jintużaw l-oli insulanti bazejati fuq ester naturali. L-benefiċċji tal-riciclat u tat-talbija nuova ma jiġux konsidrati.

Il-carbon footprint huwa misur ieħor biex jdetermina l-impati ambientali tal-equipment elettriku fl-ħajja tagħhom. F’ħal waqt, m'hemmx metodu ammess għal-kalkol tal-carbon footprint tar-repartiment tal-enerġija. L-għodod diversi solitament jipproduċu riżultati differenti sostanzjalment. Din id-dokument proponi metodu ta' analisi tal-carbon footprint u l-applika għal ottimizazzjoni tal-transformaturi. Il-transformaturi resultanti jiġu konfrontati mal-ewwel basati fuq it-teknika TCO.

2. Metodu tal-Total Cost of Ownership

Il-formula TCO tintwassa l-kost tal-ċiklu tal-ħajja tal-prodott mid-daħla sal-retirament finali. Terminu komuni oħer huwa Life Cycle Cost (LCC). Il-ġol prinċipali huwa daqsar il-transformaturi fuq base ugwal biex jagħmel deċiżjonijiet ta' aqċiż. Il-forma standardizzata tal-metodu TCO fid-fażi tal-bid ha din:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Fejn A huwa l-koefiċjent tal-ħsara mingħajr cariga (€/kW), B huwa l-koefiċjent tal-ħsara karigata (€/kW), PNLL (kW) huwa l-ħsara mingħajr cariga tal-transformaturi mat-ħajja kollha tagħhom, u PLL (kW) huwa l-ħsara karigata tal-transformaturi mat-ħajja kollha tagħhom.

Mill-perspettiva tal-utilizzaturi industriji u kommerċiali, il-kalkoli TCO ikunu differenti. Il-proċeduri tal-valutazzjoni tal-ħsara tal-transformaturi tal-enerġija involvaw l-inteleġenza u l-assess tal-kost totali tal-ħsara tal-produzzjoni, trasferiment, u distribuzzjoni tal-transformaturi, li jilgħqu fi formule kalkol komplikati. L-ieħor, il-proċeduri tal-valutazzjoni tal-ħsara tal-transformaturi tal-utilizzaturi industriji u kommerċiali involvaw l-inteleġenza u l-assess tal-prezz tas-silġ fl-ħajja preveduta tal-transformaturi.

A. Dettagli tal-scenario tal-analisi

Il-koefiċjenti (A, B) kienu kalkolati għal transformatur 16MVA imqassam ma' plant tal-enerġija solari (Figura 1). Ussamu metodu standardizzat biex ndeterminaw il-valuri ta' A u B fid-kalkol tagħna.

Biex dan isseħħ, huwa neċessarju li nħalliġu l-equazzjoni seguenta:

3. Analisi tal-Carbon Footprint

Il-ġol tagħna huwa li ngħadlu metodiku biex nidterminaw u nadqsar il-carbon footprint (CF) optymu għal transformaturi tal-enerġija. "Il-CF misur il-kwantità totali ta' emissjonijiet ta' diossido tal-koxx tal-karbonju diretta jew indirettament mgħaqqda ma' attivita' jew accumulata mat-ħajja tal-prodott." Huwa wkoll jistgħu jirrapreżenta l-kwantità totali ta' diossido tal-koxx tal-karbonju (CO2) u l-oħrajn gas fit-greenhouse (kif methane, nitrous oxide, etc.) assosjati ma' prodott. Il-CF huwa subset tal-data kopperta mill-Life Cycle Assessment (LCA) akbar. L-LCA huwa metodiku standardizzat internazzjonali (ISO 14040, ISO 14044) uftuħ biex evalua l-onus ambientali u l-konsum tal-risorsi mat-ħajja tal-prodott. Għalhekk, il-CF huwa assess ta' ċiklu tal-ħajja limitat biss għal l-emissjonijiet li influenzaw it-tabbil tal-klima.

Jiġu applicati żewġ metodi primarji għal kalkol tal-CF: l-analisi process-based bottom-up (PA) jew l-analisi input-output environnementally extended top-down (EIO). L-analisi process (PA) huwa approċċ bottom-up li kunsidra l-impat ambientali ta' prodott individwali mid-daħla sal-dispożizzjoni. L-analisi input-output environnementally extended (EIO) hija bsata fuq approċċ top-down biex estimaxxi l-CF.

L-Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) jfornixxi metodu universali għal kalkol tal-CF ta' tipi diversi ta' prodotti elettriku, kif lighting fixtures, rotating electrical machines, etc. Dan il-metodu jikalkola l-CF tal-motors mid-daħla sal-operazzjoni u sal-riciclat. Iwa, il-metodu PAIA ma ġie applicat aktar għal valutazzjoni tal-CF tal-transformaturi tal-enerġija.

Addizzjonali, id-disegni tal-footprint ekonomiku solitament jiġu konfrontati għal disegni esistenti arbitrariament selezzjonati (Figura 2), mhux għal żewġ transformaturi ottimalment disegnati. Għal effett tal-ħajja twila tal-transformaturi tal-enerġija, il-kostijiet relavoli għal manutenzjoni relatati għal rimpiazzament rutinari rikiedu parti addizzjonali u downtime pianifikat. Kull dawn il-kostijiet ma jiġux inklużi fid-fażi tal-bid. Wara l-applicazzjoni tal-prinċipji Industry 4.0—manutenzjoni predittiva—dan jistgħu jiġu kalkolati mill-bid ta' disegnu tal-equipment.

3.1 Fatturi ta' Kapitalizzazzjoni

Biex dan isseħħ, il-fatturi ta' kapitalizzazzjoni huma dawn:

F’huwa r jirra l-diskont għal l-investiment. Tipikament din tivvarja bejn 5-10%, u ngħixxilna 6.75% għal kalkolat tagħna. F’dan il-każ, l-aħħar attesa tal-trafo (t) hi 25 sena. F’l-ekwazzjoni (4), p jirrappreżenta l-elettricità annwali għal kW ta’ domanda massima. Il-fattur tal-domanda jirrappreżenta l-rapport bejn id-domanda massima u l-kapaċità ratifikata tat-trafo (0.65). Il-koeffiċjent tal-rekupru kapitali (f) juri dawkx-xogħlijiet tal-futur totali tal-pagamenti annwali kalkulati fl-valuta preżenti. Il-prezz preżenti tal-elettricità fiċ-Ċentrali Ewropea hu 0.05 euro (€/kWh). Il-fattur tal-perdita tal-karġa (LLF) hu definit bħala rapport tal-perdita medja tal-potenza suġġett lejn perjodu mal-perdita f’dan il-ħin tal-domanda massima. Il-fattur tal-karġa (LF) hu l-karġa medja tat-trafo mat-tul kollu tal-ċiklu tal-ħajja, espress bħala l-persentagg ekwivalent tal-medja għal karġa massima. F’dan il-każ, għal stazzjonijiet tal-potenza fotovoltaika, LF=25%, li għaddeh LLF jiġi 0.15625 (Figura 1).

Minn l-ekwazzjonijiet (4,5), is-silġa tas-silġa kapitali (A, B) tista tkun mikkalkulata. F’l-ekwazzjonijiet (4,5), il-fattur 8760 jirrappreżenta s-siegħa annwali operattiva tat-trafo. F’l-ekwazzjoni (B), ikun hemm l-kalkol tal-kost tal-perdita tal-karġa. Minn kull trafo, it-trafo aktar kost-effiċjent u energetiku hu dak li jniżżel l-TCO (Figura 2).

A. Analisi tal-Ambjent tal-Karbonju Objettiv

Analogament mal-formola TCO, tista tużaw funzjoni objettiv biex tivaluta l-impatt tal-karbonju (CF) tal-transformaturi tal-elettricità:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

fejn TCO2 jirrappreżenta l-impatt tal-karbonju mikkalkulat (g), BCP jirrappreżenta l-impatt tal-karbonju mikkalkulat waqt ip-proċess tal-manifattura. A* u B* huma fatturi tas-silġa kapitali għal ikkalkulazzjoni tal-emissjonijiet tal-anidrid tal-karbonju (kg/kW) matul is-servizz pianifikat tat-trafo.

Biex nikkalkulaw dawn il-fatturi tas-silġa analoġi, sejrin tre gasijiet tal-effett tal-serra (GHG): anidrid tal-karbonju (CO2), metan (CH4), u ossidu nitriku (N2O) għal kull tip ta’ karbużit użat fil-graż elettriku. Dan minħabba li, jekk nikkalkulaw bl-emissjonijiet nulli mill-stazzjonijiet tal-potenza solari, it-trafo teoretikament jiġi b’massa minima u perditi massima. L-emissjonijiet tal-metan u l-ossidu nitriku jintibu għal emissjonijiet ekwivalenti tal-CO2 permezz tal-moltiplikazzjoni tagħhom ma’ l-fatturi tal-potenzjal globali tal-scaldatura (I):

fejn ei hu l-fattur tal-emissjon fid-unitt (tCO2/MWh), waqt eCO2,i, eCH4,i u eN2O,i huma l-fatturi tal-emissjon għal anidrid tal-karbonju, metan, u ossidu nitriku rispettivament għal it-tip tal-karbużit studjat (i), kollox fid-unitt (t/GJ). Il-fattur 0.0036 hu użat biex jikkonverti GJ f’MWh. Għal karbużit i, ni jirrappreżenta l-effiċjenza tal-konverżjoni ta’ karbużit i fis-sistema tal-trasferiment (fil-persen %), u λi jirrappreżenta l-persen tal-perdita tal-potenza għal karbużit i fis-sistema tal-trasferiment. Din il-pajjiż uża λi = 8% għal kalkol ta’ kull tip ta’ karbużit.

Biex użu d-data strutturali tal-enerġija tas-silġa elettrika tal-Ungherija, il-valuri ta’ A*=425 kgCO2/kW u B*=66.5 kgCO2/kW kienu mikkalkulati.

4 Model tal-Trafo

Il-model tal-trafo tal-elettricità jempjiex metod semplifikat ta’ parti attivi b’żewġ avvolgimenti (nucli u avvolgimenti). Din l-approċċ hija amministrata ħafna f’stadij tal-ottimizazzjoni preliminar, għax id-dimensjonijiet tal-parti attivi jdeddu d-dimensioni olltra tal-trafo. Il-karatteristiċi ġeometriċi u elettriki tal-trafo jiġu modellati permezz ta’ parametri ta’ dissenj ċavetta. Dawn l-assumptjonijiet huma ammessi ħafna fil-settur, li jagħmlu suffiċjent akkuratija f’l-istima tal-perditi tal-ram u nucli, waqt li jsemplifikaw b’mod sostanzjali l-konfigurazzjonijiet possibbli tal-nucli u avvolgimenti.

Il-model preliminar tal-trafo jdefini ċar liġġer il-limiti esterni tal-komponenti attivi ġran, li hu adekvat għal kalkol tal-kost fit-tqassim inizjali. Tiftixha ta’ dawn il-parametri ta’ dissenj ċavetta jispeġġa l-ħdija tal-inġiniera, u l-parametri ta’ dissenj dettaljati jistgħu jiġu determinati b’mod facili permezz ta’ prattika standard (Figura 2). Il-manifatturieri tal-trafo f’Europa u Amerika jempljaw metodi ta’ ottimizazzjoni metaeuristika f’prattika.

5 Ricerca Metaeuristica

Il-model tal-trafo jempjiex programmazzjoni ġeometrika solvta permezz ta’ algoritmi metaeuristici biex jaħles il-problema tal-ottimizazzjoni ta’ dissenj preliminar. Żewġ fatturi jdeddu l-supeżorità tas-solvwar tas-silġa ġeometrika. Liġġer, is-solvwar tas-silġa GP bazejati fuq interior-point huma veloċi u robosti. Tieni, ir-regoli ta’ modellazzjoni matematika tas-silġa ġeometrika jgarantu li s-soluzzjoni ottenuta hija globalment ommessa. L-espressioni għal vincoli ta’ ugwaljanza u inegwaljanza għandhom jiġu rappresentati permezz ta’ formule matematika speċjali magħrufa bħala monomi (10) u posinomi (11).

Fejn ck>0, il-parametri α huma numri reali, u l-valuri tal-varjabbli x għandhom ikunu pożittivi. Il-problema ta’ ottimizazzjoni tal-kost għal transformaturi tal-elettricità shell-type tista tikun formulata f’forma strutturale ġeometrika speċjali. Imma dan il-metod ta’ ottimizazzjoni matematika ma jistax jiġi applikat għal transformaturi tal-elettricità core-type għaliex l-transformaturi tal-elettricità core-type għandhom imponi vincoli stretti għall-impedanza tal-kurtin. Għalhekk, permezz tal-kombinazzjoni tal-metod GP mal-metod branch-and-bound, s-soluzzjoni veloċi u aċkar ġiet ottenuta.

6 Risultati u Diskussjoni

A. Speċifikazzjonijiet Teknikali tal-Trafo tal-Prova

Qeddem testi ottimizzazzjonijiet fuq trasformatur tal-enerġija ta' 16MVA b'rapport tal-voltàġġ ta' 120kV/20kV. L-obiektivi tat-tottimizzazzjoni kienu l-Kost Tot tal-Proprietà (TCO) fl-każ ewlen u s-silġ minima ta' l-Imprejta Carbonija (CF). Il-frequenza tal-graġ huwa 50Hz, b'impeđanċ ta' short-circuit meħtieġ ta' 8.5%. Il-parametri kienu selezzjonati skond is-standardi. Il-metodu ta' raffreddament tal-trasformatur kienu selezzjonat bħal ONAN, b'temperatura ambientali speċifikata bħala 40°C. Għalhekk, il-limit massimu tas-silġ tal-korrent tal-maġġarja għall-maġġarja prinċipali kienu settjat għal 3A/mm², u għall-maġġarja tal-switcher ta' tap għal 3.5A/mm². 

Il-maġġarja tal-başa (prinċipali) kienu modellata bħala maġġarja elikoidali b'CTC (Continuously Transposed Cable), waqt illi l-maġġarja tal-alt (sekondarju) kienu modellata bħala maġġarja ta' disk b'du kondutturi. Fissiderazzjoni tal-saturazzjoni tal-material tal-core u tal-overvoltage tal-graġ, il-flux densità massima kienu limitata għal 1.7T. Id-distanza minimu ta' isolament kienu selezzjonata skond ir-regoli empiriku. Il-kost tal-electrical steel kienu selezzjonat għal 3.5€/kg, u dik tal-material tal-maġġarja għal 8€/kg. Il-kost ta' l-imprejta carbonija għall-manifattura tal-electrical steel kienu 1.8kgCO2/kg, u għall-awr 6.5kgCO2/kg.

Ir-riżultati tal-optymizazzjoni huma msomma fit-Tavola 2. Minn dawn ir-riżultati, tista' tibda' li l-effiċjenza optyma tal-transformatur taħt l-optymizazzjoni CF hija infeżel mill-effiċjenza wara l-analiżi TCO. Il-voltiġġ għal kull mitla tal-transformatur hu relazjonat mal-rapport tal-kupru għall-ferru, u l-valuri huma qrib is-samajn fid-dwejjet it-tnejn. Il-pierditi tal-nifs huma relativament żgħar fid-dwejjet it-tnejn, b'mod mhux significanti. Għal effett tas-silġ LLF tal-imtaħan tal-enerġija tal-ħelu, il-kostijiet tal-pierditi tal-nifs huma relativament aqwa minn dawk tal-pierditi tal-karġa. Il-ħolqa prinċipali tinsab fil-pierditi tal-kupru, li huma qabel konsiderevol iżgħar mill-kaz TCO. Minħabba li r-rapport tal-prezzijiet tal-mital non-ferrosi u ferrosi hu aqwa mill-rapport tal-materiali tal-nifs u tal-kupru, u l-CF tal-materiali applikati hu relativament aqwa mill-CF tal-pierditi elektrika, l-algoritmu ta’ optymizazzjoni tendi ad-adopta disigni b'akbar quantità ta' kupru biex jniżżel il-CF tal-transformatur. Minħabba l-differenza konsiderevol bejn il-CF tal-prezzijiet tal-enerġija u dak tal-smigħ tal-kupru/ferru, l-algoritmu ifawwara disign ikbier, iktar ineffiċjenti minn dik basata fuq l-analiżi TCO.

7 Konkluzzjoni

Fl-azzjend, ma jnexisti metodu preparat u miftuh sabiex tintluq il-carbon footprint ta' transformaturi tal-enerġija. Fl-èra post-ekonomika, l-analiżi tal-carbon footprint fl-istudju ġew midejt fuq pjaċer ta' transformaturi arbitrariament selezzjonati. Isemma, it-transformaturi kbar huma moħħobin għal skenarijiet ekonomi differenti. Biex jintleqq disigni optymizzati, ġie esegwit l-esempju prattiku ta' żewġ disigni optymizzati. Fid-dawl prima, saret l-optymizazzjoni TCO; fid-dawl tan-nisba, saret l-optymizazzjoni tal-minimum tal-carbon footprint tal-transformatur. Ir-riżultati juri li l-analiżi tal-carbon footprint tista' tgħoddi transformaturi bl-infeżlillità minn dawk tradizzjonali tal-metodu TCO. Dan jista' jiġi spiegat billi l-kost ambientali tal-moturi kbar hu aqwa waqt it-talbiet mill-kost tal-pierditi fuq il-gra. L-istudji futuri jistgħu evalwa l-impatt ambientali tal-ħin tal-manifattura, tal-manutenzjoni, tal-użu tal-oil insulanti biodegradabbli ġodda, jew tal-recycling tal-transformaturi.