کاربن فوٹ پرنٹ کے مقابلہ میں TCO تجزیہ برائے پاور ٹرانسفارمر ڈیزائن

1. نظرة عامة

بسبب الاحتباس الحراري، يعتبر تقليل انبعاثات غازات الدفيئة مسألة حيوية. جزء كبير من الخسائر في أنظمة نقل الطاقة يأتي من محولات الطاقة. لتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة في أنظمة الطاقة، يجب تركيب محولات أكثر كفاءة. ومع ذلك، غالباً ما تتطلب المحولات الأكثر كفاءة المزيد من المواد الصناعية. لتحديد نسبة الخسارة المثلى وسعر التصنيع للمحولات، يعد طريقة تكلفة الملكية الكلية (TCO) الممارسة القياسية في الصناعة. صيغة TCO تأخذ بعين الاعتبار سعر الشراء (PP) وتكلفة الخسائر خلال فترة الحياة المخططة للمنتج (PPL). هذه الطريقة تأخذ بعين الاعتبار سعر الخسائر من خلال عوامل رأس المال (A, B).

ومع ذلك، فإن هذا النهج يأخذ فقط في الاعتبار تكاليف الكهرباء المباشرة للمحولات خلال فترة الخدمة المخططة لها. الآثار غير المباشرة المتعلقة بالموارد البيئية والبنية التحتية للتصنيع والتثبيت وأنظمة الدعم لا يتم اعتبارها. على سبيل المثال، غالباً ما يتم تجديد وإعادة استخدام هذه المنتجات الكهربائية بعد التقاعد. إذا أخذنا محولات الطاقة كمثال، يمكن إعادة تدوير 73٪ من المواد المستخدمة، ويمكن زيادة هذه النسبة عند استخدام زيت العزل القائم على الأسترات الطبيعية. الفوائد المرتبطة بإعادة التدوير وإعادة التصنيع لم تتم مراعاتها.

الرقم الكربوني هو مقياس آخر لتحديد التأثير البيئي للأجهزة الكهربائية خلال فترة خدمتها. حالياً، لا يوجد طريقة مقبولة بشكل واسع لحساب الرقم الكربوني للأجهزة الكهربائية. أدوات الحساب المختلفة غالباً ما تعطي نتائج مختلفة بشكل كبير. يقترح هذا البحث طريقة لتحليل الرقم الكربوني ويقوم بتطبيقها على تحسين المحولات. يتم مقارنة المحولات الناتجة بتلك المستندة إلى طريقة TCO.

2. طريقة تكلفة الملكية الكلية

تمثل صيغة TCO تكلفة دورة حياة المنتج من الشراء حتى التقاعد النهائي. المصطلح الشائع الاستخدام الآخر هو تكلفة دورة الحياة (LCC). الهدف الرئيسي هو مقارنة المحولات على أساس متساوٍ لاتخاذ قرارات الشراء. الشكل الموحد لطريقة TCO خلال مرحلة المناقصة هو كالتالي:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

حيث A هو معامل خسارة عدم الحمل (€/kW)، B هو معامل خسارة الحمل (€/kW)، PNLL (kW) هي خسارة عدم الحمل للمحول خلال حياتها الكاملة، وPLL (kW) هي خسارة الحمل للمحول خلال حياتها الكاملة.

من منظور شركات الطاقة الكهربائية أو المستخدمين الصناعيين والتجاريين، تختلف حسابات TCO أيضاً. إجراءات تقييم خسارة المحولات لشركات الطاقة الكهربائية تتضمن فهم وتقييم التكلفة الكلية لخسارة توليد ونقل وتوزيع المحولات، مما يؤدي إلى صيغ حسابية معقدة. من ناحية أخرى، تتطلب إجراءات تقييم خسارة المحولات للمستخدمين الصناعيين والتجاريين فهم وتقييم أسعار الكهرباء خلال فترة الاستخدام المخطط لها للمحول.

A. تفاصيل سيناريو التحليل

تم حساب المعاملات (A, B) لمحول طاقة بقدرة 16MVA متصل بمحطة طاقة شمسية (الشكل 1). استخدمنا طريقة موحدة لتحديد قيم A وB في حساباتنا.

لهذا الغرض، من الضروري حل المعادلة التالية:

3. تحليل الرقم الكربوني

هدفنا هو إنشاء منهجية لتحديد ومقارنة الرقم الكربوني الأمثل (CF) لمحولات الطاقة. "يقيس الرقم الكربوني الإجمالي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المباشرة وغير المباشرة الناجمة عن نشاط أو المتراكمة خلال دورة حياة المنتج." يمكن أن يمثل أيضًا الإجمالي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) وغيرها من غازات الدفيئة (GHG) المرتبطة بالمنتج. الرقم الكربوني هو مجموعة بيانات محدودة ضمن التقييم الشامل لدورة الحياة (LCA). LCA هو منهجية موحدة دولياً (ISO 14040، ISO 14044) تُستخدم لتقييم الأعباء البيئية واستهلاك الموارد خلال دورة حياة المنتج. لذلك، الرقم الكربوني هو تقييم لدورة الحياة محدود فقط بالإصدارات التي تؤثر في التغير المناخي.

هناك طريقتان أساسيتان لحساب الرقم الكربوني: التحليل القائم على العملية من الأسفل إلى الأعلى (PA) أو التحليل البيئي الممتد من الأعلى إلى الأسفل (EIO). التحليل القائم على العملية (PA) هو نهج من الأسفل إلى الأعلى يأخذ بعين الاعتبار التأثير البيئي للمنتج الفردي من الإنتاج وحتى التخلص. التحليل البيئي الممتد (EIO) يقوم بتقدير الرقم الكربوني بناءً على نهج من الأعلى إلى الأسفل.

يوفر خوارزمية السمات المنتج إلى التأثير (PAIA) طريقة عالمية لحساب الرقم الكربوني لأنواع مختلفة من المنتجات الكهربائية مثل الأجهزة الإضاءة والأجهزة الكهربائية الدوارة وما إلى ذلك. هذه الطريقة تقوم بحساب الرقم الكربوني للمحركات أثناء تصنيعها وتشغيلها وإعادة تدويرها. ومع ذلك، لم يتم تطبيق طريقة PAIA بعد لتقييم الرقم الكربوني لمحولات الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، عادة ما يتم مقارنة تصاميم الأثر الاقتصادي لتصميمات موجودة تم اختيارها بشكل تعسفي (الشكل 2)، بدلاً من مقارنة محولين تم تصميمهما بشكل مثالي. بسبب العمر الطويل لمحولات الطاقة، تتطلب تكاليف الصيانة المرتبطة بالاستبدال الروتيني أجزاء إضافية وقت توقف مخطط له. جميع هذه التكاليف لا تشمل في مرحلة المناقصة. بعد تنفيذ مبادئ الثورة الصناعية الرابعة - الصيانة التنبؤية - يمكن حساب هذه التكاليف منذ بداية تصميم المعدات.

3.1 عوامل رأس المال

لهذا الغرض، تكون عوامل رأس المال كما يلي:

جہاں r سرمایہ کاری کے لیے رعایتی شرح کی نمائندگی کرتا ہے۔ یہ عام طور پر 5-10 فیصد کے درمیان مختلف ہوتا ہے، اور ہمارے حسابات کے لیے ہم نے 6.75 فیصد منتخب کیا۔ اس معاملے میں، ٹرانسفارمر (t) کی متوقع عمر 25 سال ہے۔ مساوات (4) میں، p زیادہ سے زیادہ تقاضے کے فی کلوواٹ بجلی کی سالانہ رقم کی نمائندگی کرتا ہے۔ تقاضے کا عنصر زیادہ سے زیادہ تقاضے کا ٹرانسفارمر کی درجہ بندی شدہ گنجائش (0.65) کے تناسب کی نمائندگی کرتا ہے۔ سرمایہ بازیابی کا عدد (f) حالیہ کرنسی میں سالانہ ادائیگیوں کی کل مستقبل کی لاگت کو ظاہر کرتا ہے۔ وسطی یورپ میں موجودہ بجلی کی قیمت 0.05 یورو (€/kWh) ہے۔ لوڈ نقصان کا عنصر (LLF) کسی دورانیے میں اوسط طاقت کے نقصان کا عروج تقاضے کے وقت نقصان کے تناسب کے طور پر تعریف کیا گیا ہے۔ لوڈ فیکٹر (LF) ٹرانسفارمر کے اس کے تمام زندگی کے دورانیے کے دوران اوسط لوڈ ہے، جو اوسط سے زیادہ سے زیادہ لوڈ کے معادل فیصد کے طور پر ظاہر کیا گیا ہے۔ ہمارے معاملے میں، فوٹو وولٹائک بجلی گھروں کے لیے، LF=25 فیصد، اس لیے LLF کی قدر 0.15625 ہے (تصویر 1)۔

مساوات (4,5) سے، سرمایہ کاری کے عوامل (A, B) کا حساب لگایا جا سکتا ہے۔ مساوات (4,5) میں، عدد 8760 ٹرانسفارمر کے سالانہ آپریٹنگ گھنٹوں کی نمائندگی کرتا ہے۔ مساوات (B) میں، لوڈ نقصان کی لاگت کا حساب لگایا جاتا ہے۔ تمام ٹرانسفارمرز میں، سب سے کم قیمت والا اور توانائی کے لحاظ سے موثر ترین ٹرانسفارمر وہ ہے جو TCO کو کم سے کم کرتا ہے (تصویر 2)۔

A. کاربن فٹ پرنٹ تجزیہ ہدف فنکشن

TCO فارمولے کے مشابہ، ایک ہدف فنکشن متعارف کرایا جا سکتا ہے جو طاقت ٹرانسفارمرز کے کاربن فٹ پرنٹ (CF) کا اندازہ لگانے کے لیے استعمال ہو:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

جہاں TCO2 حساب شدہ کاربن فٹ پرنٹ (g) کی نمائندگی کرتا ہے، BCP مشین کی تیاری کے عمل کے دوران حساب لگایا گیا کاربن فٹ پرنٹ ہے۔ A* اور B* وہ سرمایہ کاری کے عوامل ہیں جو ٹرانسفارمر کی منصوبہ بند خدمت کی زندگی کے دوران کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج (kg/kW) کے حساب کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔

ان مشابہ سرمایہ کاری کے عوامل کے حساب کے لیے، بجلی گرڈ میں استعمال ہونے والے ہر ایندھن کی قسم کے لیے تین گرین ہاؤس گیسیں (GHG) پر غور کیا جاتا ہے: کاربن ڈائی آکسائیڈ (CO2)، میتھین (CH4)، اور نائیٹرس آکسائیڈ (N2O)۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ اگر ہم سورجی بجلی گھروں سے صفر اخراج کے ساتھ حساب لگائیں تو، نتیجہ دہ ٹرانسفارمر کا نظریہ کے مطابق کم سے کم ماس اور زیادہ سے زیادہ نقصان ہوگا۔ میتھین اور نائیٹرس آکسائیڈ کے اخراج کو ان کی عالمی گرمی پیدا کرنے والی صلاحیت کے عوامل (I) سے ضرب دے کر CO2 کے معادل اخراج میں تبدیل کیا جاتا ہے:

جہاں ei اخراج کا عنصر یونٹس (tCO2/MWh) میں ہے، جبکہ eCO2,i، eCH4,i اور eN2O,i مطالعہ شدہ ایندھن کی قسم (i) کے لیے بالترتیب کاربن ڈائی آکسائیڈ، میتھین، اور نائیٹرس آکسائیڈ کے لیے اخراج کے عوامل ہیں، تمام یونٹس (t/GJ) میں۔ عدد 0.0036 GJ کو MWh میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ ایندھن i کے لیے، ni ٹرانسمیشن سسٹم میں ایندھن i کی تبدیلی کی کارکردگی کی نمائندگی کرتا ہے (فیصد % میں)، اور λi ٹرانسمیشن سسٹم میں ایندھن i کے لیے بجلی کے نقصان کا فیصد کی نمائندگی کرتا ہے۔ اس مقالے میں ہر ایندھن کی قسم کے حسابات کے لیے λi = 8% استعمال کیا گیا ہے۔

مجارستان بجلی گرڈ کے توانائی ڈھانچے کے ڈیٹا کو استعمال کرتے ہوئے، A*=425 kgCO2/kW اور B*=66.5 kgCO2/kW کی قیمتیں حساب لگائی گئیں۔

4 ٹرانسفارمر ماڈل

طاقت ٹرانسفارمر ماڈلنگ ایک سادہ دو وائنڈنگ ایکٹو حصہ ($core اور وائنڈنگز) کو اپناتی ہے۔ یہ نقطہ نظر ابتدائی ڈیزائن کی بہتری کے مراحل میں وسیع پیمانے پر استعمال ہوتا ہے کیونکہ ایکٹو حصے کے ابعاد کل ٹرانسفارمر کے سائز کا تعین کرتے ہیں۔ ٹرانسفارمر کی جیومیٹرک اور برقی خصوصیات کو اہم ڈیزائن پیرامیٹرز کا استعمال کرتے ہوئے ماڈل کیا جاتا ہے۔ یہ فرضیات صنعت میں وسیع پیمانے پر قبول کی جاتی ہیں، جو تانبے اور core نقصانات کا تخمینہ لگانے میں کافی درستگی فراہم کرتی ہیں جبکہ مختلف ممکنہ core اور وائنڈنگ تشکیلات کو نمایاں حد تک سادہ بناتی ہیں۔

ابتدائی ڈیزائن ٹرانسفارمر ماڈل مرکزی ایکٹو اجزاء کی بیرونی حدود کو واضح طور پر تعریف کرتا ہے، جو ابتدائی مرحلے کی قیمت کے حسابات کے لیے کافی ہے۔ ان اہم ڈیزائن پیرامیٹرز کو سمجھنا انجینئرز کے کام کو تیز کرتا ہے، اور تفصیلی ڈیزائن پیرامیٹرز کو معیاری طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے آسانی سے طے کیا جا سکتا ہے (تصویر 2)۔ یورپ اور امریکہ میں ٹرانسفارمر ساز IEE-Business میٹاہیورسٹک مبنی بہتری کے طریقوں کو عملی طور پر استعمال کرتے ہیں۔

5 میٹاہیورسٹک تلاش

ٹرانسفارمر ماڈل جیومیٹرک پروگرامنگ کو اپناتا ہے جسے میٹاہیورسٹک الگورتھمز کے ذریعے حل کیا جاتا ہے تاکہ ابتدائی ڈیزائن کی بہتری کی مسئلے کے ریاضیاتی ماڈل کا مقابلہ کیا جا سکے۔ دو عوامل جیومیٹرک پروگرامنگ حل کنندگان کی برتری کا تعین کرتے ہیں۔ پہلے، جدید انٹیریئر-پوائنٹ مبنی GP حل کنندگان تیز اور مضبوط ہوتے ہیں۔ دوسرے، جیومیٹرک پروگرامنگ کے ریاضیاتی ماڈلنگ کے قواعد یہ یقینی بناتے ہیں کہ حاصل کردہ حل عالمی طور پر بہترین ہے۔ مساوات اور نامساوات کی حدود کے لیے اظہارات خاص ریاضیاتی فارمولوں کا استعمال کرتے ہوئے ظاہر کیے جانے چاہئیں جنہیں monomials (10) اور posynomials (11) کہا جاتا ہے۔

جہاں ck>0، α پیرامیٹرز حقیقی اعداد ہیں، اور x متغیرات کی قیمتیں مثبت ہونی چاہئیں۔ شیل قسم کے طاقت ٹرانسفارمرز کے لیے قیمت بہتری کا مسئلہ ایک خاص جیومیٹرک ساخت کی شکل میں وضع کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، یہ ریاضیاتی بہتری کا طریقہ کور قسم کے طاقت ٹرانسفارمرز پر لاگو نہیں کیا جا سکتا کیونکہ کور قسم کے طاقت ٹرانسفارمرز کے لیے شارٹ سرکٹ مزاحمت کے سخت تقاضے ہوتے ہیں۔ اس لیے، GP طریقہ کار کو برانچ اینڈ باونڈ طریقہ کار کے ساتھ جوڑ کر، ایک تیز اور درست حل کا طریقہ حاصل کیا گیا۔

6 نتائج اور بحث

A. ٹیسٹ ٹرانسفارمر کی تکنیکی تفصیلات

ایک 16 میگا وولٹ امپیئر کے پاور ترانسفارمر پر برقی شدت کی نسبت 120kV/20kV کے ساتھ بهینہ کشی کی جانچ پڑتال کی گئی۔ پہلے مسئلے میں کل ملکیت کی قیمت (TCO) اور دوسرے مسئلے میں کم سب سے کم کاربن فوٹ پرنٹ (CF) کو بهینہ کرنے کا لکشیا تھا۔ گرڈ کی فریکوئنسی 50Hz تھی، جس کے لیے درکار کرتی کی روداد کی مزاحمت 8.5% تھی۔ پیرامیٹرز کو معیارات کے مطابق منتخب کیا گیا تھا۔ ترانسفارمر کے خنک کرنے کا طریقہ ONAN کے طور پر منتخب کیا گیا تھا، اور آس پاس کی درجہ حرارت 40°C کے طور پر مقرر کی گئی تھی۔ اس لیے، اصلی ونڈنگ کے لیے قابل قبول ونڈنگ کرنٹ کثافت کی حد 3A/mm² اور ٹپ چینجر ونڈنگ کے لیے 3.5A/mm² مقرر کی گئی تھی۔

کم ولٹیج (پرائمری) ونڈنگ کو CTC (Continuously Transposed Cable) کے ساتھ حلزی ونڈنگ کے طور پر مدل کیا گیا تھا، جبکہ زیادہ ولٹیج (سیکنڈری) ونڈنگ کو دوہرا کنڈکٹر کے ساتھ ڈسک ونڈنگ کے طور پر مدل کیا گیا تھا۔ کور میٹریل کی بھرپوری اور گرڈ کی زیادہ ولٹیج کو مد نظر رکھتے ہوئے، زیادہ سے زیادہ فلکس کثافت کو 1.7T تک محدود کر دیا گیا تھا۔ کم سے کم عایتانی فاصلے کو تجربی حکموں کے بنیاد پر منتخب کیا گیا تھا۔ برقی سٹیل کی قیمت 3.5€/kg اور ونڈنگ میٹریل کی قیمت 8€/kg منتخب کی گئی تھی۔ برقی سٹیل کی تیاری کے لیے کاربن فوٹ پرنٹ کی قیمت 1.8kgCO2/kg اور کپر کے لیے 6.5kgCO2/kg تھی۔

تکثیر کرنے کے نتائج جدول 2 میں خلاصہ کئے گئے ہیں۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ CF تکمیل کے تحت آپٹیمال ٹرانسفارمر کی کارکردگی TCO تجزیہ کے بعد کی کارکردگی سے کم ہے۔ ٹرانسفارمر کا وولٹ پر ٹرن مسافر کے تناسب سے متعلق ہے، اور دونوں صورتحالوں میں قدریں تقریباً ایک جیسی ہیں۔ دونوں صورتحالوں میں کور کی نقصانات نسبتاً کم ہیں، اور کوئی بڑا فرق نہیں ہے۔ سورجی طاقة کے پلانٹوں کے LLF کے چھوٹے ہونے کی وجہ سے، کور کے نقصانات کی لاگت لوڈ کے نقصانات کی لاگت کے مقابلے میں نسبتاً زیادہ ہوتی ہے۔ بنیادی فرق کپر کے نقصانات میں پایا جاتا ہے، جو TCO کی صورتحال سے کم ہیں۔ کیونکہ غیرفلزی اور فلزی دھات کی پیداوار کی قیمت کا تناسب کور اور کپر کے مواد کی قیمت کے تناسب سے زیادہ ہوتا ہے، اور استعمال شدہ مواد کا CF بجلی کے کھوئے ہوئے CF سے نسبتاً زیادہ ہوتا ہے، تکمیل کے الگورتھم کو کم کپر والا ڈیزائن اختیار کرنے کی رجحان ہوتی ہے تاکہ ٹرانسفارمر کا CF کم کیا جا سکے۔ بجلی کی قیمت کے CF اور کپر/مس کی پیداوار کے درمیان موجود بڑا فرق کی وجہ سے، الگورتھم TCO-بنیاد پر کیے گئے حساب سے کم کارکردگی والے ڈیزائن کی طرف راغب ہوتا ہے۔

7 نتیجہ

حالیہ وقت میں، بجلی کے ٹرانسفارمر کے کاربن فوٹ پرنٹ کو تعین کرنے کا کوئی تیار، وسیع طور پر قابل قبول طریقہ موجود نہیں ہے۔ معاشی دور کے بعد کے عرصے میں، ادب میں کاربن فوٹ پرنٹ کی تجزیات کسی بھی دلچسپی کے ٹرانسفارمر کے جوڑوں پر کی گئی ہیں۔ لیکن بڑے بجلی کے ٹرانسفارمر مختلف معاشی حالات کے لیے مخصوص بنائے جاتے ہیں۔ تکمیل شدہ ڈیزائن کا موازنہ کرنے کے لیے، عملی مثال میں دو تکمیلی ڈیزائن کیے گئے تھے۔ پہلے صورتحال میں TCO تکمیل کی گئی تھی؛ دوسرے صورتحال میں ٹرانسفارمر کا کاربن فوٹ پرنٹ کم کیا گیا تھا۔ نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ کاربن فوٹ پرنٹ کی تجزیات روایتی TCO طریقوں کے مقابلے میں کم کارکردگی والے ٹرانسفارمر کو فراہم کر سکتی ہیں۔ یہ ممکن ہے کہ یہ اس وجہ سے ہو کہ بڑے موتروں کی تیاری کے دوران ماحولیہ لاگت بجلی کے نقصانات کی لاگت سے زیادہ ہوتی ہے۔ مزید تحقیق میں تیاری کے وقت، صيانہ، نئے تحلیلی تیل کا استعمال، یا ٹرانسفارمر کی دوبارہ پیداوار کے ماحولی اثر کا جائزہ لیا جا سکتا ہے۔