Análise de Pegada de Carbono vs TCO para o Design de Transformadores de Energia

1. Visão Geral

Devido ao aquecimento global, a redução das emissões de gases de efeito estufa é uma questão crítica. Uma parte significativa das perdas nos sistemas de transmissão de energia vem dos transformadores de potência. Para reduzir as emissões de gases de efeito estufa nos sistemas de energia, transformadores mais eficientes devem ser instalados. No entanto, transformadores mais eficientes frequentemente requerem mais materiais de fabricação. Para determinar a proporção ótima de perdas e o preço de fabricação dos transformadores, o método do Custo Total de Propriedade (TCO) é a prática padrão da indústria. A fórmula TCO considera o preço de compra (PP) e o custo das perdas durante o período de vida planejado do produto (PPL). Este método leva em conta o custo das perdas através de fatores de capitalização (A, B).

No entanto, esta abordagem apenas considera os custos diretos de eletricidade dos transformadores durante sua vida útil planejada. Impactos indiretos envolvendo recursos ecológicos, infraestrutura de fabricação, instalação e sistemas de suporte não são considerados. Por exemplo, esses produtos elétricos são frequentemente reformados e/ou reutilizados após a aposentadoria. Tomando os transformadores de potência como exemplo, 73% dos materiais aplicados podem ser reciclados, e esta porcentagem pode ser ainda maior quando se usa óleo isolante à base de éster natural. Os benefícios da reciclagem de materiais e da remanufatura não são levados em conta.

A pegada de carbono é outra métrica para determinar o impacto ambiental dos equipamentos elétricos durante sua vida útil. Atualmente, não existe um método amplamente aceito para calcular a pegada de carbono de equipamentos de energia. Diferentes ferramentas de cálculo frequentemente produzem resultados significativamente diferentes. Este artigo propõe um método de análise de pegada de carbono e o aplica à otimização de transformadores. Os transformadores resultantes são comparados com aqueles baseados no método TCO.

2. Método do Custo Total de Propriedade

A fórmula TCO representa o custo do ciclo de vida de um produto desde a compra até a aposentadoria final. Outro termo comumente usado é Custo de Ciclo de Vida (LCC). O objetivo principal é comparar transformadores em bases iguais para tomar decisões de compra. A forma padronizada do método TCO durante a fase de licitação é a seguinte:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Onde A é o coeficiente de perda sem carga (€/kW), B é o coeficiente de perda com carga (€/kW), PNLL (kW) é a perda sem carga do transformador durante toda a sua vida, e PLL (kW) é a perda com carga do transformador durante toda a sua vida.

Do ponto de vista das empresas de energia ou dos usuários industriais e comerciais, os cálculos de TCO também diferem. Os procedimentos de avaliação de perdas de transformadores de empresas de energia envolvem a compreensão e a avaliação do custo total de geração, transmissão e distribuição de energia, resultando em fórmulas de cálculo complexas. Por outro lado, os procedimentos de avaliação de perdas de transformadores de usuários industriais e comerciais exigem a compreensão e a avaliação dos preços de eletricidade durante o tempo de uso planejado do transformador.

A. Detalhes do Cenário de Análise

Os coeficientes (A, B) foram calculados para um transformador de potência de 16MVA conectado a uma usina de energia solar (Figura 1). Usamos um método padronizado para determinar os valores de A e B em nossos cálculos.

Para este propósito, é necessário resolver a seguinte equação:

3. Análise de Pegada de Carbono

Nosso objetivo é criar uma metodologia para determinar e comparar a pegada de carbono (CF) ótima para transformadores de potência. "A CF mede a quantidade total de emissões de dióxido de carbono causadas diretamente ou indiretamente por uma atividade ou acumuladas durante o ciclo de vida de um produto." Ela também pode representar a quantidade total de dióxido de carbono (CO2) e outras emissões de gases de efeito estufa (GEE) (como metano, óxido nitroso, etc.) associadas a um produto. A CF é um subconjunto dos dados cobertos pela Avaliação de Ciclo de Vida (LCA) mais abrangente. A LCA é uma metodologia internacionalmente padronizada (ISO 14040, ISO 14044) usada para avaliar as cargas ambientais e o consumo de recursos ao longo do ciclo de vida de um produto. Portanto, a CF é uma avaliação de ciclo de vida limitada apenas às emissões que afetam a mudança climática.

Existem dois métodos principais para o cálculo da CF: análise de processo bottom-up (PA) ou análise de entrada-saída ambientalmente estendida top-down (EIO). A análise de processo (PA) é uma abordagem bottom-up que considera o impacto ambiental de um produto individual desde a produção até o descarte. A análise de entrada-saída ambiental (EIO) é baseada em uma abordagem top-down para estimar a CF.

O Algoritmo de Atributo de Produto para Impacto (PAIA) fornece um método universal para calcular a CF de diferentes tipos de produtos elétricos, como luminárias, máquinas elétricas rotativas, etc. Este método calcula a CF de motores durante as fases de fabricação, operação e reciclagem. No entanto, o método PAIA ainda não foi aplicado à avaliação de CF de transformadores de potência.

Além disso, os designs de pegada econômica são tipicamente comparados para designs existentes selecionados arbitrariamente (Figura 2), em vez de para dois transformadores projetados de forma ótima. Devido à longa vida útil dos transformadores de potência, os custos de manutenção relacionados à substituição rotineira requerem peças adicionais e paradas planejadas. Todos esses custos não estão incluídos na fase de licitação. Após a implementação dos princípios da Indústria 4.0—manutenção preditiva—esses custos podem ser calculados desde o início do design do equipamento.

3.1 Fatores de Capitalização

Para este propósito, os fatores de capitalização são os seguintes:

Onde r representa a taxa de desconto para o investimento. Geralmente, isso varia entre 5-10%, e selecionamos 6,75% para nossos cálculos. Neste caso, a vida útil esperada do transformador (t) é de 25 anos. Na equação (4), p representa a eletricidade anualizada por kW de demanda máxima. O fator de demanda representa a proporção da demanda máxima em relação à capacidade nominal do transformador (0,65). O coeficiente de recuperação do capital (f) mostra o custo total futuro dos pagamentos anuais calculados na moeda corrente. O preço atual da eletricidade na Europa Central é de 0,05 euros (€/kWh). O fator de perda de carga (LLF) é definido como a razão entre a perda média de potência ao longo de um período e a perda no momento de maior demanda. O fator de carga (LF) é a carga média do transformador durante todo o seu ciclo de vida, expressa como a porcentagem equivalente da carga média à carga máxima. No nosso caso, para as centrais fotovoltaicas, LF=25%, portanto, LLF equivale a 0,15625 (Figura 1).

A partir das equações (4,5), os fatores de capitalização (A, B) podem ser calculados. Nas equações (4,5), o fator 8760 representa as horas de operação anuais do transformador. Na equação (B), o custo da perda de carga é calculado. Entre todos os transformadores, o mais econômico e eficiente energeticamente é aquele que minimiza o TCO (Figura 2).

Função Objetivo de Análise de Pegada de Carbono

Análogo à fórmula TCO, pode-se introduzir uma função objetivo para avaliar a pegada de carbono (CF) dos transformadores de energia:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

onde TCO2 representa a pegada de carbono calculada (g), BCP representa a pegada de carbono calculada durante o processo de fabricação da máquina. A* e B* são fatores de capitalização para calcular as emissões de dióxido de carbono (kg/kW) durante a vida útil planejada do transformador.

Para calcular esses fatores de capitalização análogos, três gases de efeito estufa (GEE) são considerados: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) para cada tipo de combustível usado na rede elétrica. Isso ocorre porque, se calculássemos com as emissões zero das centrais solares, o transformador resultante teoricamente teria massa mínima e perdas máximas. As emissões de metano e óxido nitroso são convertidas em emissões equivalentes de CO2 multiplicando-as pelos seus respectivos fatores de potencial de aquecimento global (I):

onde ei é o fator de emissão em unidades de (tCO2/MWh), enquanto eCO2,i, eCH4,i e eN2O,i são os fatores de emissão para dióxido de carbono, metano e óxido nitroso, respectivamente, para o tipo de combustível estudado (i), todos em unidades de (t/GJ). O fator 0,0036 é usado para converter GJ em MWh. Para o combustível i, ni representa a eficiência de conversão do combustível i no sistema de transmissão (em percentagem %), e λi representa a porcentagem de perda de energia para o combustível i no sistema de transmissão. Este artigo usa λi = 8% para os cálculos de cada tipo de combustível.

Usando os dados da estrutura energética da rede elétrica húngara, foram calculados os valores de A*=425 kgCO2/kW e B*=66,5 kgCO2/kW.

4 Modelo do Transformador

A modelagem do transformador de potência utiliza uma parte ativa simplificada de duas bobinas (núcleo e enrolamentos). Esta abordagem é amplamente utilizada nas etapas iniciais de otimização de design, pois as dimensões da parte ativa determinam o tamanho geral do transformador. As características geométricas e elétricas do transformador são modeladas usando parâmetros de design-chave. Essas suposições são amplamente aceitas na indústria, fornecendo precisão suficiente na estimativa das perdas de cobre e núcleo, enquanto significativamente simplifica as várias configurações possíveis de núcleo e enrolamento.

O modelo de transformador de design preliminar define claramente os limites externos dos principais componentes ativos, o que é adequado para cálculos de custo nas etapas iniciais. Compreender esses parâmetros de design-chave acelera o trabalho dos engenheiros, e os parâmetros de design detalhados podem ser facilmente determinados usando práticas padrão (Figura 2). Fabricantes de transformadores na Europa e América empregam métodos de otimização baseados em metaheurística na prática.

5 Busca Metaheurística

O modelo de transformador utiliza programação geométrica resolvida por algoritmos metaheurísticos para abordar o modelo matemático do problema de otimização de design preliminar. Dois fatores determinam a superioridade dos solucionadores de programação geométrica. Primeiro, os modernos solucionadores GP baseados em pontos interiores são rápidos e robustos. Segundo, as regras de modelagem matemática da programação geométrica garantem que a solução obtida seja globalmente ótima. As expressões para restrições de igualdade e desigualdade devem ser representadas usando fórmulas matemáticas especiais chamadas monômios (10) e posinômios (11).

Onde ck>0, os parâmetros α são números reais, e os valores das variáveis x devem ser positivos. O problema de otimização de custo para transformadores de potência do tipo casco pode ser formulado em uma forma especial de estrutura geométrica. No entanto, este método de otimização matemática não pode ser aplicado a transformadores de potência do tipo núcleo, pois esses transformadores têm requisitos rigorosos para a impedância de curto-circuito. Portanto, combinando o método GP com o método branch-and-bound, obteve-se um método de solução rápido e preciso.

6 Resultados e Discussão

A. Especificações Técnicas do Transformador de Teste

Testes de otimização foram realizados em um transformador de potência de 16MVA com uma relação de tensão de 120kV/20kV. Os alvos de otimização foram o Custo Total de Propriedade (CTP) no primeiro caso e a Menor Pegada de Carbono (PC). A frequência da rede foi de 50Hz, com uma impedância de curto-circuito requerida de 8,5%. Os parâmetros foram selecionados de acordo com os padrões. O método de resfriamento do transformador foi selecionado como ONAN, com a temperatura ambiente especificada como 40°C. Portanto, o limite de densidade de corrente admissível para o enrolamento principal foi definido em 3A/mm², e para o enrolamento do reator de derivação em 3,5A/mm². 

O enrolamento de baixa tensão (primário) foi modelado como um enrolamento helicoidal com CTC (Cabo Transposto Contínuo), enquanto o enrolamento de alta tensão (secundário) foi modelado como um enrolamento em disco com condutores duplos. Considerando a saturação do material do núcleo e a sobretensão da rede, a densidade de fluxo máxima foi limitada a 1,7T. As distâncias mínimas de isolamento foram selecionadas com base em regras empíricas. O custo do aço elétrico foi selecionado como 3,5€/kg, e o custo do material de enrolamento como 8€/kg. O custo de pegada de carbono para a fabricação do aço elétrico foi de 1,8kgCO2/kg, e para o cobre 6,5kgCO2/kg.

Os resultados da otimização são resumidos na Tabela 2. A partir dos resultados, pode-se observar que a eficiência ótima do transformador sob otimização CF é menor do que a eficiência após a análise TCO. A tensão por volta do transformador está relacionada à razão cobre-ferro, e os valores são quase idênticos em ambos os casos. As perdas no núcleo são relativamente pequenas em ambos os casos, sem diferença significativa. Devido ao baixo FLL das usinas solares, os custos de perda no núcleo são relativamente altos em comparação com os custos de perda de carga. A principal diferença reside nas perdas no cobre, que são significativamente menores no caso TCO. Como a relação de preços entre a fundição de metais não ferrosos e ferrosos é maior do que a relação de preços entre materiais de núcleo e cobre, e o CF dos materiais aplicados é relativamente maior do que o CF das perdas elétricas, o algoritmo de otimização tende a adotar designs com menos cobre para reduzir o CF do transformador. Devido à grande diferença entre o CF dos preços de eletricidade e o da fundição de cobre/ferro, o algoritmo favorece um design menor e menos eficiente em comparação com cálculos baseados em TCO.

7 Conclusão

Atualmente, não existe um método pronto e amplamente aceito para determinar a pegada de carbono de transformadores de energia. Na era pós-econômica, as análises de pegada de carbono na literatura foram realizadas em pares de transformadores selecionados arbitrariamente. No entanto, grandes transformadores de potência são feitos sob encomenda para diferentes cenários econômicos. Para comparar designs otimizados, duas otimizações de design foram conduzidas em um exemplo prático. No primeiro caso, foi realizada uma otimização TCO; no segundo caso, a pegada de carbono do transformador foi minimizada. Os resultados mostram que a análise de pegada de carbono pode resultar em transformadores com menor eficiência do que os métodos TCO tradicionais. Isso pode ser devido ao custo ambiental de grandes motores ser maior durante a fabricação do que suas perdas na rede. Pesquisas futuras poderiam avaliar o impacto ambiental do tempo de fabricação, manutenção, uso de novos óleos isolantes biodegradáveis ou reciclagem de transformadores.