Odgled odtisa ugljika in analiza skupnih lastniških stroškov za načrtovanje močnega transformatorja

1. Pregled

Iz-za globalnega segrevanja je zmanjševanje emisij toplogrednih plinov ključna težava. Velika delež izgub v sistemih za prenos električne energije pride od transformatorjev. Za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov v elektroenergetskih sistemih morajo biti nameščeni učinkovitejši transformatorji. Vendar pa učinkovitejši transformatorji pogosto zahtevajo več materialov za proizvodnjo. Za določitev optimalnega razmerja med izgubami in stroški proizvodnje transformatorjev je standardna praksa industrije metoda celotnega stroška lastništva (TCO). Formula TCO upošteva nakupno ceno (PP) in stroške izgub med načrtovanim življenjskim obdobjem produkta (PPL). Ta metoda upošteva ceno izgub preko kapitalizacijskih faktorjev (A, B).

Toda ta pristop upošteva le neposredne stroške električne energije transformatorjev med njihovim načrtovanim življenjskim obdobjem. Neposredni vplivi, ki vključujejo ekološke vire, infrastrukturo za proizvodnjo, namestitev in podporni sistemi, niso upoštevani. Na primer, ti električni izdelki so pogosto obnovljeni in/ali ponovno uporabljeni po upokojitvi. Vzemimo za primer transformatorje, pri katerih se 73 % uporabljenih materialov lahko reciklira, in ta odstotek se lahko še dodatno poveča, če se uporabljajo naravna ester-skalna izolacijska olja. Prednosti recikliranja in ponovne proizvodnje materialov niso upoštevane.

Odtis ogljika je druga merila za določitev okoljskega vpliva električne opreme med njenim življenjskim obdobjem. Trenutno ne obstaja široko sprejet metoda za računanje odtisa ogljika električne opreme. Različni orodji za računanje pogosto prinašajo znatno različne rezultate. Ta članek predlaga metodo analize odtisa ogljika in jo uporablja za optimizacijo transformatorjev. Rezultirajoči transformatorji so primerjani s temi, ki temeljijo na metodi TCO.

2. Metoda Celotnega Stroška Lastništva

Formula TCO predstavlja življenjske stroške izdelka od nakupa do končne upokojitve. Drugo pogosto uporabljeno besedilo je Življenjski Cikel Stroškov (LCC). Glavni cilj je, da se transformatorji primerjajo na enakem osnovi za odločitve o nakupu. Standardizirana oblika metode TCO med postopkom ponudbe je naslednja:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Kjer je A koeficient brezobremenih izgub (€/kW), B koeficient obremenjenih izgub (€/kW), PNLL (kW) brezobremene izgube transformatorja v celotnem življenjskem obdobju, in PLL (kW) obremene izgube transformatorja v celotnem življenjskem obdobju.

S stališča elektrarn ali industrijskih in trgovinskih uporabnikov se tudi računi TCO razlikujejo. Postopki ocenjevanja izgub transformatorjev elektrarn vključujejo razumevanje in ocenjevanje skupnega stroška generiranja, prenosa in distribucije izgub transformatorjev, kar prinaša zapletene računske formule. Na drugi strani zahtevajo postopki ocenjevanja izgub transformatorjev industrijskih in trgovinskih uporabnikov razumevanje in ocenjevanje cen električne energije med načrtovanim uporabnim časom transformatorja.

A. Podrobnosti Analitičnega Scenarija

Koeficienta (A, B) smo izračunali za 16 MVA transformator, povezan z sončno elektrarno (Slika 1). Uporabili smo standardizirano metodo za določitev vrednosti A in B v naših izračunih.

Za ta namen je potrebno rešiti naslednjo enačbo:

3. Analiza Odtisa Ogljika

Naš cilj je ustvariti metodologijo za določanje in primerjavo optimalnega odtisa ogljika (CF) za transformatorje. "CF meri skupno količino emisij ogljikovega dioksida, ki jih neposredno ali posredno povzroči dejavnost ali se skupaj zbere med življenjskim ciklom izdelka." Lahko predstavlja tudi skupno količino emisij ogljikovega dioksida (CO2) in drugih toplogrednih plinov (GHG) (tako kot metan, dušikov oksid itd.), povezanih z izdelkom. CF je podmnožica podatkov, ki jih pokriva bolj komprehensivna analiza življenjskega cikla (LCA). LCA je mednarodno standardizirana metodologija (ISO 14040, ISO 14044), uporabljena za ocenjevanje okoljskega bremena in porabe virov skozi življenjski cikel izdelka. Zato je CF analiza življenjskega cikla, omejena samo na emisije, ki vplivajo na podnebne spremembe.

Obstoje dve glavni metodi za izračun CF: analiza procesov od spodaj navzgor (PA) ali analiza vnesenih-izvedenih podatkov od zgoraj navzdol (EIO). Analiza procesov (PA) je pristop od spodaj navzgor, ki upošteva okoljski vpliv posameznega izdelka od proizvodnje do odstranitve. Analiza vnesenih-izvedenih podatkov (EIO) temelji na pristopu od zgoraj navzdol za ocenjevanje CF.

Algoritem atributov izdelka do vpliva (PAIA) zagotavlja univerzalno metodo za izračun CF različnih vrst električnih izdelkov, kot so svetilnice, vrtilne električne stroji itd. Ta metoda izračuna CF motorjev med fazami proizvodnje, delovanja in recikliranja. Vendar pa metoda PAIA še ni bila uporabljena za ocenjevanje CF transformatorjev.

Dodatno, ekonomski odtisi so običajno primerjani za poljubno izbrane obstoječe dizajne (Slika 2), namesto za dva optimalno dizajnirana transformatorja. Zaradi dolgega življenjskega obdobja transformatorjev so stroški vzdrževanja, povezani z rednimi zamenjavami, zahtevali dodatne delci in načrtovano časovno zaustavitev. Vse te stroške niso vključeni v fazi ponudbe. Po uvedbi načel Industrije 4.0 - prediktivno vzdrževanje - se lahko to izračuna že od samega začetka oblikovanja opreme.

3.1 Kapitalizacijski Faktorji

Za ta namen so kapitalizacijski faktorji naslednji:

Kjer r predstavlja diskontni faktor za naložbe. Ta običajno znaša med 5-10 %, in smo za naše izračune izbrali 6,75 %. V tem primeru je pričakovana življenjska doba transformatorja (t) 25 let. V enačbi (4) p predstavlja letno energijo po kW največje potrebe. Faktor potrebe predstavlja razmerje med največjo potrebno močjo in imenovano zmogljivostjo transformatorja (0,65). Kapitalizacijski prekupni koeficient (f) kaže skupno prihodnjo ceno letnih odplačil, izračunanih v trenutnem denarnem znesku. Trenutna cena električne energije v Srednji Evropi znaša 0,05 evrov (€/kWh). Faktor gubitkov optereženosti (LLF) je definiran kot razmerje povprečnih gubitkov moči v določenem časovnem obdobju do gubitkov ob vrhuni potrebe. Faktor optereženosti (LF) je povprečna optereženost transformatorja v celotnem življenjskem ciklu, izražena kot ekvivalentni delež povprečne do največje optereženosti. V našem primeru za fotovoltaične elektrarne LF = 25 %, tako da LLF znaša 0,15625 (Slika 1).

Iz enačb (4, 5) se lahko izračunata kapitalizacijska faktorja (A, B). V enačbah (4, 5) faktor 8760 predstavlja letne delovne ure transformatorja. V enačbi (B) se izračuna strošek gubitkov optereženosti. Med vsemi transformatorji je najbolj ekonomičen in energetsko učinkovit tisti, ki minimizira TCO (Slika 2).

A. Ciljna funkcija analize ogljikovega odtisa

Analogno formuli TCO, se lahko vpelje ciljna funkcija za ocenjevanje ogljikovega odtisa (CF) močnih transformatorjev:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

kjer TCO2 predstavlja izračunani ogljikov odtis (g), BCP predstavlja ogljikov odtis, izračunan med proizvodnjo stroja. A* in B* so kapitalizacijski faktorji za izračun emisij ogljikovega dioksida (kg/kW) v planiranem servisnem življenju transformatorja.

Za izračun teh analognih kapitalizacijskih faktorjev se upoštevajo tri plinovi steklinja (GHG): ogljikov dioksid (CO2), metan (CH4) in dušikov oksid (N2O) za vsak tip goriva, uporabljenega v omrežju. To je zaradi tega, ker, če bi izračunavali z ničelnimi emisijami iz fotovoltaičnih elektrarn, bi rezultirajoči transformator teoretično imel minimalno maso in maksimalne gubitke. Emisije metana in dušikovega oksida se pretvorijo v ekvivalentne emisije CO2 s pomnožitvijo s svojimi posebnimi faktorji globalnega segrevanja (I):

kjer ei predstavlja faktor emisije v enotah (tCO2/MWh), medtem ko eCO2,i, eCH4,i in eN2O,i predstavljajo faktorje emisije za ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid, za obravnavani tip goriva (i), vse v enotah (t/GJ). Faktor 0,0036 se uporablja za pretvorbo GJ v MWh. Za gorivo i, ni predstavlja konverzijsko učinkovitost goriva i v prenosnem sistemu (v postankih %), λi pa predstavlja delež gubitkov moči za gorivo i v prenosnem sistemu. Ta članek uporablja λi = 8 % za izračune za vsak tip goriva.

S pomočjo podatkov o strukturi energije madžarskega omrežja, so bile izračunate vrednosti A* = 425 kgCO2/kW in B* = 66,5 kgCO2/kW.

4 Model transformatorja

Modeliranje močnih transformatorjev uporablja poenostavljeno aktivno sestavino z dvema navojema (jedro in navoji). Ta pristop se pogosto uporablja v fazi optimizacije predhodnega dizajna, ker dimenzije aktivne sestavine določajo celotno velikost transformatorja. Geometrijske in električne karakteristike transformatorja modeliramo z ključnimi parametri dizajna. Te predpostavke so široko sprejeti v industriji, kar zagotavlja zadostno točnost pri ocenjevanju gubitkov bakra in jedra, hkrati pa znatno poenostavi različne možne konfiguracije jedra in navojev.

Predhodni model transformatorja jasno določa zunanje meje glavnih aktivnih komponent, kar je zadostno za začetne izračune stroškov. Razumevanje teh ključnih parametrov dizajna pospeši delo inženirjev, medtem ko se podrobni parametri dizajna lahko zlahka določijo z uporabo standardnih praks (Slika 2). Proizvajalci transformatorjev v Evropi in Ameriki v praksi uporabljajo metahevristične metode optimizacije.

5 Metahevristično iskanje

Model transformatorja uporablja geometrijsko programiranje, rešeno z metahevrističnimi algoritmi, za reševanje matematičnega modela problema optimizacije predhodnega dizajna. Dva dejavnika določata prednost reševalcev geometrijskega programiranja. Prvič, sodobni reševalci GP, temelječi na notranjih točkah, so hitri in trdni. Drugič, matematična pravila modeliranja geometrijskega programiranja zagotavljajo, da je pridobljeno reševanje globalno optimalno. Izrazi za enakosti in neenakosti morajo biti predstavljeni z posebnimi matematičnimi formulami, imenovanimi monomi (10) in pozinomi (11).

Kjer je ck > 0, α parameteri so realna števila, vrednosti spremenljivk x morajo biti pozitivne. Problem optimizacije stroškov za transformatorje s školjkasto konstrukcijo se lahko formulira v posebni geometrijski obliki. Vendar ta matematična metoda optimizacije ni uporabna za transformatorje s jedrom, ker transformatorji s jedrom imajo stroge zahteve glede odpornosti na kratkoročne krmelje. Zato je kombinacija metode GP s metodo veja-in-meja prinesla hitro in natančno rešitev.

6 Rezultati in razprava

A. Tehnične specifikacije preskusnega transformatorja

Optimizacijski testi so bili izvedeni na transformatorju moči 16 MVA z napetostnim razmerjem 120 kV/20 kV. Cilji optimizacije so bili v prvem primeru skupni strošek lastništva (TCO) in minimalna ogljikova otiska (CF). Frekvenca omrežja je bila 50 Hz, s zahtevanim odpornostjo pri kratkem zaprtju 8,5 %. Parametri so bili izbrani v skladu s standardi. Način hlaščenja transformatorja je bil izbran kot ONAN, z temperaturo okolice, določeno na 40 °C. Zato je bil dovoljeni mejni tokovni gostoti glavnega vijaka nastavljen na 3 A/mm², za vijak spreminjanja povezave pa na 3,5 A/mm². 

Nizevnapetostni (primarni) vijak je bil modeliran kot škrilec z CTC (zvezno premeščeno kabelstvo), medtem ko je bil visokonapetostni (sekundarni) vijak modeliran kot diskovit vijak z dvema vodili. Ob upoštevanju nasititve materiala jedra in prekomernih napetosti v omrežju je bila največja gostota magnetnega toka omejena na 1,7 T. Minimalne izolacijske razdalje so bile izbrane glede na empirične pravice. Strošek električnega železa je bil izbran na 3,5 €/kg, strošek materiala za vijake pa na 8 €/kg. Ogljikova otiska za proizvodnjo električnega železa je bila 1,8 kgCO2/kg, za bakar pa 6,5 kgCO2/kg.

Rezultati optimizacije so povzročeni v tabeli 2. Iz rezultatov je vidno, da je optimalna učinkovitost transformatorja pri optimizaciji CF nižja od učinkovitosti po analizi TCO. Napihtenje na zavoj transformatorja je povezano s razmerjem bakra do železa in vrednosti v obeh primerih skoraj enake. Iztokovine jedra so v obeh primerih relativno majhne, brez značilnih razlik. Zaradi malega LLF sončnih elektrarn, so stroški iztokovin jedra glede na stroške izgub obremenitve sorazmerno visoki. Glavna razlika je v izgubah bakra, ki so v primeru TCO značilno manjše. Ker je cena razmerja med neželeznimi in železnimi kovini višja kot cena razmerja med materiali za jedro in bakar, in ker je CF uporabljenih materialov sorazmerno višji kot CF električnih izgub, optimizacijski algoritem naklonjen postopkom z manjšim količinam bakra, da zmanjša CF transformatorja. Zaradi značilne razlike med CF cenami elektrike in CF topnega pretvarjanja bakra/železa, algoritem preferira manjša, manj učinkovita rešitev v primerjavi z izračuni, temelječimi na TCO.

7 Zaključek

Trenutno ne obstaja pripravljena, široko sprejeta metoda za določanje ogljičnega odtisa preoblikovalnikov. V post-ekonomskem obdobju so v literaturi bil izvedene analize ogljičnega odtisa na poljubno izbranih parih preoblikovalnikov. Vendar pa veliki preoblikovalniki prilagojeni različnim gospodarskim scenarijem. Za primerjavo optimiziranih načrtov sta bili v praktičnem primeru izvedeni dva optimizacijska načrta. V prvem primeru je bil izveden TCO, v drugem pa je bil zmanjšan ogljični odtis transformatorja. Rezultati kažejo, da lahko analiza ogljičnega odtisa privede do preoblikovalnikov z nižjo učinkovitostjo v primerjavi s tradicionalnimi metodami TCO. To je morda posledica tega, da so okoljski stroški pri izdelavi velikih motorjev višji kot njihove izgube v omrežju. Nadaljnji raziskave bi lahko ocenile okoljski vtir izdelave, vzdrževanja, uporabe novih biodegradabilnih izolacijskih olj ali recikliranja preoblikovalnikov.