Koldioxid fotavtryck vs TCO-analys för design av strömförstärkare

1. Översikt

På grund av den globala uppvärmningen är minskning av växthusgasutsläpp ett kritiskt problem. En betydande andel av förlusterna i elförsörjningssystem kommer från strömförädlingstransformatorer. För att minska växthusgasutsläppen i elförsörjningssystem måste mer effektiva transformatorer installeras. Mer effektiva transformatorer kräver dock ofta fler tillverkningsmaterial. För att fastställa den optimala förlustkvoten och tillverkningspriset för transformatorer används metoden Total Cost of Ownership (TCO) som branschens standardpraxis. TCO-formeln tar hänsyn till inköpspriset (PP) och kostnaden för förluster under produktens planerade livslängd (PPL). Denna metod beräknar priset för förluster genom kapitaliseringfaktorer (A, B).

Denna metod tar emellertid endast hänsyn till de direkta elkostnaderna för transformatorer under deras planerade drifttid. Indirekta effekter som involverar ekologiska resurser, tillverkningsinfrastruktur, installation och stödsystem tas inte i beaktning. Till exempel återanvänds eller återvinns dessa elektriska produkter ofta efter pensionsåldern. Med strömförädlingstransformatorer som exempel kan 73% av de använda materialen återvinnas, och denna procentandel kan ökas ytterligare vid användning av naturligt esterbaserat isolerande olja. Fördelarna med materialåtervinning och remanufakturering tas inte i beaktning.

Koldioxidavtryck är en annan mätmetod för att bestämma miljöpåverkan av elektrisk utrustning under dess drifttid. Det finns för närvarande ingen allmänt accepterad metod för att beräkna koldioxidavtrycket för elkraftutrustning. Olika beräkningsverktyg ger ofta betydligt olika resultat. I detta arbete föreslås en analysmetod för koldioxidavtryck och tillämpas på transformatoroptimering. De resulterande transformatorerna jämförs med de baserade på TCO-metoden.

2. Metoden för total ägandekostnad

TCO-formeln representerar produktens livscykelkostnad från inköp till slutgiltig pensionering. Ett annat vanligt användbart begrepp är Life Cycle Cost (LCC). Det primära målet är att jämföra transformatorer på lika villkor för att fatta inköpsbeslut. Den standardiserade formen av TCO-metoden under upphandlingsfasen är följande:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Där A är nolastförlustkoefficienten (€/kW), B är belastningsförlustkoefficienten (€/kW), PNLL (kW) är transformatorens nolastförlust över hela livet, och PLL (kW) är transformatorens belastningsförlust över hela livet.

Från energiföretagens eller industriella och kommersiella användares perspektiv skiljer sig TCO-beräkningar. Beräkningsprocedurer för transformatorförluster inom energiföretag innebär att förstå och bedöma den totala kostnaden för transformatorers generering, transmission och distribution, vilket resulterar i komplexa beräkningsformler. Å andra sidan kräver industriella och kommersiella användares transformatorförlustberäkningsprocedurer att förstå och bedöma elpriser under transformatorernas planerade användningstid.

A. Analysscenarios detaljer

Koefficienterna (A, B) beräknades för en 16MVA strömförädlingstransformator ansluten till en solkraftverk (Figur 1). Vi använde en standardiserad metod för att fastställa värdena för A och B i våra beräkningar.

För detta syfte är det nödvändigt att lösa följande ekvation:

3. Analys av koldioxidavtryck

Vårt mål är att skapa en metodik för att fastställa och jämföra det optimala koldioxidavtrycket (CF) för strömförädlingstransformatorer. "CF mäter den totala mängden koldioxidutsläpp direkt eller indirekt orsakade av en aktivitet eller ackumulerade under en produkts livscykel." Det kan också representera den totala mängden koldioxid (CO2) och andra växthusgaser (GHG) som är associerade med en produkt. CF är en delmängd av data som täcks av den mer omfattande livscykelanalysen (LCA). LCA är en internationellt standardiserad metodik (ISO 14040, ISO 14044) som används för att utvärdera miljöbelastningar och resursförbrukning under en produkts livscykel. Således är CF en livscykelanalys begränsad endast till utsläpp som påverkar klimatförändringar.

Det finns två huvudsakliga metoder för CF-beräkning: bottom-up processbaserad analys (PA) eller top-down miljömässigt utökad input-output (EIO) analys. Processanalys (PA) är en bottom-up metod som tar hänsyn till miljöpåverkan av en individuell produkt från produktion till bortskaffande. Miljömässigt utökad input-output (EIO) analys bygger på en top-down metod för att uppskatta CF.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) erbjuder en universell metod för att beräkna CF för olika typer av elektriska produkter, såsom belysningsarmaturer, roterande elektriska maskiner, etc. Denna metod beräknar CF för motorer under tillverknings-, drift- och återvinningssked. PAIA-metoden har dock inte ännu tillämpats på CF-utvärdering av strömförädlingstransformatorer.

Dessutom jämförs ekonomiska fotavtryck vanligtvis för godtyckligt valda befintliga design (Figur 2), snarare än för två optimalt designade transformatorer. På grund av de långa driftstiderna för strömförädlingstransformatorer krävs underhållskostnader relaterade till rutinmässig ersättning av ytterligare delar och planerad driftstopp. Alla dessa kostnader ingår inte i upphandlingsfasen. Genom att implementera Industri 4.0-principer—prediktivt underhåll—kan dessa beräknas redan från början av utrustningsdesignen.

3.1 Kapitaliseringfaktorer

För detta syfte är kapitaliseringfaktorerna följande:

Där r representerar avskrivningsräntan för investering. Detta varierar vanligtvis mellan 5-10%, och vi valde 6,75% för våra beräkningar. I detta fall är den förväntade livslängden för transformatorn (t) 25 år. I ekvation (4) representerar p årlig elpris per kW av maximal efterfrågan. Efterfrågefaktorn representerar förhållandet mellan maximal efterfrågan och transformatorns nominella effekt (0,65). Kapitalåtervinningseffekten (f) visar det totala framtida kostnaden för årliga betalningar beräknade i nuvarande valuta. Nuvarande elpris i Central-Europa är 0,05 euro (€/kWh). Belastningsförlustfaktorn (LLF) definieras som förhållandet mellan genomsnittlig effektbelastning under en period till förlust vid toppbelastning. Belastningsfaktorn (LF) är den genomsnittliga belastningen på transformatorn under hela dess livscykel, uttryckt som procentuell motsvarighet av genomsnittlig till maximal belastning. I vårt fall, för fotovoltaiska kraftverk, LF=25%, därför LLF är lika med 0,15625 (Figur 1).

Från ekvationer (4,5) kan kapitaliseringsfaktorer (A, B) beräknas. I ekvationer (4,5) representerar faktorn 8760 transformatorns årliga drifttimmar. I ekvation (B) beräknas belastningsförlustkostnaden. Bland alla transformatorer är den mest kostnadseffektiva och energieffektiva transformatorn den som minimerar TCO (Figur 2).

Koldioxidavtrycksanalys målfunktion

Analogt med TCO-formeln kan en målfunktion införas för att utvärdera koldioxidavtrycket (CF) av strömförädlingstransformatorer:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

där TCO2 representerar det beräknade koldioxidavtrycket (g), BCP representerar koldioxidavtrycket som beräknats under maskinens tillverkningsprocess. A* och B* är kapitaliseringsfaktorer för beräkning av koldioxidutsläpp (kg/kW) under transformatorns planerade drifttid.

För att beräkna dessa analoga kapitaliseringsfaktorer beaktas tre växthusgaser (GHG): koldioxid (CO2), metan (CH4) och kväveoxid (N2O) för varje bränsletyp som används i elkraftnätet. Detta beror på att om vi beräknar med nollutsläpp från solkraftverk, skulle den resulterande transformatorn teoretiskt ha minimal massa och maximala förluster. Utsläppen av metan och kväveoxid konverteras till CO2-ekvivalenta utsläpp genom att multiplicera dem med deras respektive globala uppvärmningspotentialsfaktorer (I):

där ei är utsläppsparametern i enheter av (tCO2/MWh), medan eCO2,i, eCH4,i och eN2O,i är utsläppsparametrarna för koldioxid, metan och kväveoxid respektive för den studerade bränsletypen (i), allt i enheter av (t/GJ). Faktorn 0,0036 används för att konvertera GJ till MWh. För bränsle i, ni representerar konverteringseffektiviteten för bränsle i i överföringssystemet (i procent %), och λi representerar effektavsidesprocenten för bränsle i i överföringssystemet. Denna artikel använder λi = 8% för beräkningar av varje bränsletyp.

Genom att använda energistrukturdata från Ungerns elkraftnät beräknades värdena A*=425 kgCO2/kW och B*=66,5 kgCO2/kW.

4 Transformatormodell

Modelleringen av strömförädlingstransformatorerna använder en förenklad tvåvindnings aktiv del (kärna och vindningar). Denna metod används ofta i inledande designoptimeringssteg eftersom dimensionerna på den aktiva delen bestämmer transformatorns totala storlek. De geometriska och elektriska egenskaperna hos transformatorn modelleras med hjälp av viktiga designparametrar. Dessa antaganden accepteras brett inom industrin, vilket ger tillräcklig noggrannhet vid uppskattning av koppar- och kärnförluster samtidigt som de betydligt förenklar de olika möjliga kärn- och vindningskonfigurationerna.

Den preliminära designtransformatormodellen definierar tydligt de yttre gränserna för de viktigaste aktiva komponenterna, vilket är tillräckligt för tidiga kostnadsberäkningar. Förståelsen av dessa viktiga designparametrar accelererar ingenjörarnas arbete, och detaljerade designparametrar kan enkelt fastställas med hjälp av standardmetoder (Figur 2). Transformatorstillverkare i Europa och Amerika använder metaheuristiska optimeringsmetoder i praktiken.

5 Metaheuristisk sökning

Transformatormodellen använder geometrisk programmering som löses av metaheuristiska algoritmer för att hantera den matematiska modellen av det preliminära designoptimeringsproblemet. Två faktorer bestämmer överlägsenheten hos lösare för geometrisk programmering. För det första är moderna GP-lösare baserade på inre punkt snabba och robusta. För det andra garanterar de matematiska modelleringsreglerna för geometrisk programmering att den erhållna lösningen är globalt optimal. Uttryck för likhet och olikhet villkor måste representeras med särskilda matematiska formler kallade monomialer (10) och posynomialer (11).

Där ck>0, de α-parametrarna är reella tal, och värdena av x-variabler måste vara positiva. Kostnadsoptimeringsproblemet för skaltypsströmförädlingstransformatorer kan formuleras i en speciell geometrisk strukturform. Men denna matematiska optimeringsmetod kan inte tillämpas på kärntypsströmförädlingstransformatorer eftersom kärntypsströmförädlingstransformatorer har strikta krav på kortslutningsimpedans. Därför, genom att kombinera GP-metoden med gren-och-gräns-metoden, erhölls en snabb och exakt lösning.

6 Resultat och diskussion

A. Testtransformators tekniska specifikationer

Optimeringstester genomfördes på en 16 MVA strömförstärkare med ett spänningsförhållande på 120 kV/20 kV. Optimeringsmålen var Total Cost of Ownership (TCO) i det första fallet och minimalt kolavtryck (CF). Nätets frekvens var 50 Hz, med ett krävt kortslutningsimpedans på 8,5 %. Parametrar valdes enligt standarder. Kylmetoden för transformatorn valdes som ONAN, med en omgivningstemperatur angiven till 40 °C. Därför sattes den tillåtna virvelströmsdensitetsgränsen för huvudvirvel till 3 A/mm², och för tap changer-virvel till 3,5 A/mm².

Den lågspännings- (primära) virvlingen modellerades som en spiralformad virvel med CTC (Continuously Transposed Cable), medan den högspännings- (sekundära) virvlingen modellerades som en diskvirvel med dubbla ledare. Med hänsyn tagen till kärnmaterialssättning och överspänning i nätet begränsades den maximala flödestätheten till 1,7 T. Minimiklämningsavstånd valdes utifrån empiriska regler. Kostnaden för elektriskt stål valdes till 3,5 €/kg, och virvelmaterialskostnaden till 8 €/kg. Kolavtryckskostnaden för tillverkning av elektriskt stål var 1,8 kg CO2/kg, och för koppar 6,5 kg CO2/kg.

Optimeringsresultaten sammanfattas i tabell 2. Från resultaten kan man se att den optimala transformatorseffektiviteten under CF-optimering är lägre än effektiviteten efter TCO-analys. Transformatorns spänning per varv är relaterad till koppar-järn-förhållandet, och värdena är nästan identiska i båda fallen. Kärnförluster är relativt små i båda fallen, utan någon signifikant skillnad. På grund av det lilla LLF för solkraftverk är kärnförlustkostnaderna relativt höga jämfört med belastningsförlustkostnader. Det stora skillnaden ligger i kopparförlusterna, som är betydligt mindre än i TCO-fallet. Eftersom prisförhållandet mellan icke-malm- och malmmetallsmältning är högre än prisförhållandet mellan kärn- och kopparmaterial, och CF för de använda materialen är relativt högre än CF för elektriska förluster, tenderar optimeringsalgoritmen att anta design med mindre koppar för att minska transformatorns CF. På grund av den stora skillnaden mellan CF för elpriser och koppar/järnsmältning, gynnar algoritmen en mindre, mindre effektiv design jämfört med beräkningar baserade på TCO.

7 Slutsats

Det finns för närvarande ingen färdig, allmänt accepterad metod för att fastställa koldioxidavtrycket för strömförstärkare. I det postekonomiska åldern har koldioxidavtrycksanalys i litteraturen genomförts på godtyckligt valda par av strömförstärkare. Stora strömförstärkare anpassas dock för olika ekonomiska scenarion. För att jämföra optimerade designar genomfördes två optimeringsdesignar i ett praktiskt exempel. I det första fallet utfördes TCO-optimering; i det andra fallet minimerades transformatorns koldioxidavtryck. Resultaten visar att koldioxidavtrycksanalys kan ge strömförstärkare med lägre effektivitet än traditionella TCO-metoder. Detta kan bero på att miljökostnaden för stora motorer är högre vid tillverkning än deras förluster i nätet. Vidare forskning skulle kunna utvärdera miljöpåverkan av tillverkningstid, underhåll, användningen av nya nedbrytbart isolerande oljor eller transformatorrecycling.