1. 簡(jiǎn)   介

產(chǎn)品的碳足跡“是由一項(xiàng)活動(dòng)直接或間接引起的CO₂排放總量的一種衡量方法，或者是在產(chǎn)品的生命周期階段計(jì)算的CO₂排放總量”(定義見(jiàn)ISA研究報(bào)告07-01-Weidman T和Minix J)。

根據(jù)ISO 1406.7，產(chǎn)品的碳足跡是產(chǎn)品系統(tǒng)中溫室氣體排放和清除量的總和，以CO₂當(dāng)量表示，并基于生命周期評(píng)估。

世界對(duì)電力需求的不斷增長(zhǎng)是地球CO₂排放增長(zhǎng)的一個(gè)主要原因。隨著電力系統(tǒng)中變壓器數(shù)量的增加，變壓器對(duì)CO₂排放的貢獻(xiàn)增加。據(jù)估計(jì)，目前電力系統(tǒng)中近4%的溫室氣體排放是由變壓器產(chǎn)生的，達(dá)到每年7.3億噸

關(guān)注增加可再生能源發(fā)電和努力提高變壓器的效率，預(yù)計(jì)將減少未來(lái)的影響。對(duì)變壓器碳足跡的估算對(duì)于制造商、用戶(hù)和決策者等利益相關(guān)者進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃和設(shè)計(jì)是一個(gè)有用的工具。

本文給出了電力系統(tǒng)中典型1000kVA ONAN變壓器的碳足跡計(jì)算，并進(jìn)一步估算了在歐盟2021年規(guī)范的效率水平下的潛在減少量。還介紹了采用現(xiàn)有最佳技術(shù)和材料的影響以及由此減少的CO₂排放。

2. 碳足跡計(jì)算方法

計(jì)算碳足跡時(shí)考慮產(chǎn)品從“出生到終老”全壽命的總碳排放量。圖1示意性地顯示了分析所考慮的產(chǎn)品生命周期的邊界

圖1產(chǎn)品生命周期邊界

以上各個(gè)階段都有能源消耗和CO₂排放。當(dāng)回收材料全部或部分用于生產(chǎn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的碳足跡就會(huì)減少。

3. 所研究的變壓器技術(shù)參數(shù)

用于變壓器生產(chǎn)的材料的質(zhì)量取決于參數(shù)，包括用戶(hù)規(guī)定的符合國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的效率要求。這些因素影響壽命碳足跡，因?yàn)樽儔浩髟谶\(yùn)行中的能量損失和生產(chǎn)中使用的材料是影響碳足跡的主要變量。

由于高性能材料的發(fā)展、先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析技術(shù)以及強(qiáng)制性的法規(guī)、指南等，變壓器的效率水平在過(guò)去得到了提高。一些電力公司試圖通過(guò)指定損耗評(píng)估公式來(lái)優(yōu)化變壓器的總擁有成本(TOC)。政府還強(qiáng)制制定了諸如最低效率性能規(guī)范(MEPS) /高效性能規(guī)范(HEPS)等法規(guī)。歐盟對(duì)變壓器性能的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行了研究，并于2014年5月發(fā)布了EU法規(guī)548/2014，其中規(guī)定了變壓器損耗的最高限值。

在歐盟指令發(fā)布之前，空載損耗和負(fù)載損耗的典型值普遍較高，并且大致符合標(biāo)準(zhǔn)EN 50464-1- 2007規(guī)定的空載損耗和負(fù)載損耗的不同水平。

歐盟規(guī)范規(guī)定一級(jí)損耗將于2015年7月1日起實(shí)施，二級(jí)損耗更低，將于2021年7月1日實(shí)施

本研究計(jì)算了1000kVA 11/0.4kV油浸式(ONAN)變壓器生命周期的碳足跡。考慮4種不同的設(shè)計(jì)性能參數(shù)和效率水平，所研究變壓器的性能參數(shù)如表1所示。

表1  變壓器性能參數(shù)

本文計(jì)算了1000kVA ONAN變壓器生命周期各階段的碳排放量。

A.原材料的生產(chǎn)

這一階段包括計(jì)算生產(chǎn)變壓器的原材料和部件的碳足跡。部件和非主要材料的重量歸為雜項(xiàng)材料。

鋼材包括油箱、散熱片、螺栓、螺母、夾緊材料等。變壓器鐵芯用的電工鋼(CRGO)是單獨(dú)分類(lèi)。表2給出了符合表1損耗的4種不同設(shè)計(jì)的材料數(shù)量。

表2 1000kVA變壓器的材料數(shù)量

根據(jù)表3計(jì)算原材料的碳足跡，考慮材料生產(chǎn)時(shí)的CO₂排放量。

表3  材料的碳足跡

計(jì)算了4種不同設(shè)計(jì)下變壓器原材料碳足跡的貢獻(xiàn)，參數(shù)列表如表1所示，結(jié)果如表4所示。

表4  原材料的碳足跡

B.原材料的運(yùn)輸

生產(chǎn)變壓器的原材料采用卡車(chē)、鐵路、船舶等多種運(yùn)輸方式。考慮到物料生產(chǎn)中心和消費(fèi)點(diǎn)分布較廣，典型運(yùn)輸方式及每噸物料平均CO₂排放量如表5所示。

表5  材料運(yùn)輸?shù)奶甲阚E

假設(shè)計(jì)算的每公里運(yùn)輸?shù)膯挝慌欧帕咳缦?

公路運(yùn)輸100gm/km/Ton 

鐵路運(yùn)輸50gm/km/Ton

船運(yùn)20gm/km/Ton

C.部件和部分裝配的制造

這一階段由變壓器部件的制造組成，包括套管、分接開(kāi)關(guān)、儀表、指示器、閥門(mén)等，這些部件由變壓器制造商從專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)。在大多數(shù)情況下購(gòu)買(mǎi)的組件包括油箱、散熱片/風(fēng)機(jī)、夾件、電纜盒等。

上述活動(dòng)的能量強(qiáng)度為中等。

組件和部件的平均重量估算為1200kg，生產(chǎn)所需的電力計(jì)算為400kWh。該活動(dòng)的CO₂排放量估計(jì)為240kg。

D.部件和零件的運(yùn)輸

大多數(shù)組件是在變壓器制造商附近的配套供應(yīng)商中制造的，平均運(yùn)輸距離為500km。

部件是從專(zhuān)門(mén)來(lái)源的制造商采購(gòu)的，涉及空運(yùn)、海運(yùn)和/或卡車(chē)運(yùn)輸。對(duì)于1000kVA的變壓器，這些部件的重量估計(jì)為100kg，平均運(yùn)輸距離計(jì)算為2000km。

E.產(chǎn)品制造

生產(chǎn)活動(dòng)主要是裝配工藝和能源強(qiáng)度較低的行業(yè)。生產(chǎn)的平均能源消耗有很大的差異，這取決于生產(chǎn)地點(diǎn)、采用的自動(dòng)化水平和實(shí)體遵循的節(jié)能實(shí)踐。

分析了變壓器廠(chǎng)家的平均能耗，據(jù)此估算出一臺(tái)1000kVA變壓器的生產(chǎn)能耗為750kWh，這將產(chǎn)生450kg的二氧化碳排放量/變壓器。

F.產(chǎn)品運(yùn)輸

全球?qū)ψ儔浩鞯男枨笫峭ㄟ^(guò)進(jìn)口和出口的結(jié)合來(lái)滿(mǎn)足的，有些地區(qū)有出口，有些地區(qū)以進(jìn)口為主。當(dāng)產(chǎn)品在其生產(chǎn)的地區(qū)使用時(shí)，運(yùn)輸距離很低，而當(dāng)它出口時(shí)，它可以是數(shù)千公里的量級(jí)。在分析中考慮了1500km的全球加權(quán)平均運(yùn)輸距離，其中船舶和卡車(chē)運(yùn)輸?shù)谋壤烙?jì)為60:40。4種變壓器設(shè)計(jì)的排放量見(jiàn)表6

表6產(chǎn)品出廠(chǎng)運(yùn)輸CO2排放量

G.產(chǎn)品安裝

安裝過(guò)程能耗不高，估計(jì)1000kVA變壓器的CO₂排放為60kg。

H.產(chǎn)品運(yùn)行

這一階段產(chǎn)生最大的CO₂排放，因?yàn)樽儔浩鞯目蛰d損耗和負(fù)載損耗在25年的預(yù)期壽命內(nèi)都將被考慮在內(nèi)。

下面的計(jì)算假設(shè)變壓器在整個(gè)使用壽命期間以50%的負(fù)載率運(yùn)行，空載損耗在此期間保持不變。

該計(jì)算假設(shè)在整個(gè)生命周期內(nèi)CO₂排放量/kWh保持不變。然而，由于未來(lái)增加的新發(fā)電能力將主要來(lái)自可再生能源，這種情況在未來(lái)將會(huì)減少

表7 1000kVA變壓器使用壽命碳排放量

I.產(chǎn)品的報(bào)廢和回收

生命周期的這一階段包括材料的回收和廢物的處理。回收利用的潛力是根據(jù)今天的技術(shù)來(lái)計(jì)算的。

表8顯示回收和處置的物料數(shù)量。這個(gè)階段的回收和使用具有負(fù)的排放值，因?yàn)榛厥帐且环N環(huán)境收益，如表8所示。處理其他材料(非回收)和回收后的剩余材料需要能源，估計(jì)排放量為200kg/t

表8 物料壽命結(jié)束時(shí)的回收和處置情況

J. 1000kVA變壓器的全壽命周期碳足跡

表9 總結(jié)了4種1000kVA變壓器設(shè)計(jì)的凈碳足跡。

表9 1000kVA變壓器的使用壽命碳足跡

 K.節(jié)約電能潛力

由于電能發(fā)電的節(jié)約，CO₂排放量減少。所考慮的4種1000kVA變壓器設(shè)計(jì)的壽命節(jié)能潛力評(píng)估見(jiàn)表10。

表10 電能節(jié)約潛力

 L.全球變壓器二氧化碳排放的節(jié)約潛力

從表9的計(jì)算結(jié)果可以看出，采用改進(jìn)的設(shè)計(jì)可以減少變壓器的CO₂排放。例如，與設(shè)計(jì)1相比，設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)3和設(shè)計(jì)4的生命周期CO₂排放量分別為91%、70%和56%。低損耗變壓器節(jié)省電能如表10所示。

據(jù)聯(lián)合國(guó)《U4E-2017》報(bào)告估計(jì)，2020年世界用電量為24222TWh，變壓器產(chǎn)生的能量損失為1181TWh /年。

到2020年，電力系統(tǒng)每年增加變壓器的數(shù)量估計(jì)為1,225,000MVA，到2045年預(yù)計(jì)將增加一倍。

這里計(jì)算了使用這四種設(shè)計(jì)來(lái)減少全球變壓器CO₂排放的潛力。

據(jù)假設(shè)，全球電力系統(tǒng)變壓器的新增數(shù)量從2020年的122.5萬(wàn)MVA的水平以每年4%的復(fù)合速度增長(zhǎng)。系統(tǒng)中現(xiàn)有變壓器的基礎(chǔ)排放被認(rèn)為是不變的。即使每年有5%的現(xiàn)有高損耗/變壓器被低損耗設(shè)計(jì)取代，其節(jié)省的潛力也會(huì)高得多。

從2020年到2045年電力系統(tǒng)變壓器的估計(jì)年增加量和累計(jì)增加量見(jiàn)表11。

表11 預(yù)計(jì)變壓器年增加量及累計(jì)增加量

假設(shè)使用上述4種不同的設(shè)計(jì)方案，并如圖2所示，計(jì)算2020年至2045年新變壓器排放的增加量。

圖2  排放水平情景(2020 - 2045年)

4. 結(jié)   論

根據(jù)四種不同的損耗水平，計(jì)算了1000kVA變壓器從出生到終老的碳足跡。可以看出，在歐盟指令引入之前，符合典型設(shè)計(jì)的變壓器的壽命碳排放量為496.9噸。如果采用設(shè)計(jì)4中的高效變壓器，壽命排放降低到276.7噸，降低了44%。

本文進(jìn)一步評(píng)估了采用這四種設(shè)計(jì)方案的變壓器的全球碳減排潛力。

如果繼續(xù)使用設(shè)計(jì)1方案，到2045年的CO₂排放量為2.2544億噸，如果系統(tǒng)中所有新增變壓器都符合設(shè)計(jì)4，則2045年的CO₂排放量將降至1.2013億噸