变压器的碳足迹和减少二氧化碳排放的潜力

1. 简   介

产品的碳足迹“是由一项活动直接或间接引起的CO₂排放总量的一种衡量方法，或者是在产品的生命周期阶段计算的CO₂排放总量”(定义见ISA研究报告07-01-Weidman T和Minix J)。

根据ISO 1406.7，产品的碳足迹是产品系统中温室气体排放和清除量的总和，以CO₂当量表示，并基于生命周期评估。

世界对电力需求的不断增长是地球CO₂排放增长的一个主要原因。随着电力系统中变压器数量的增加，变压器对CO₂排放的贡献增加。据估计，目前电力系统中近4%的温室气体排放是由变压器产生的，达到每年7.3亿吨

关注增加可再生能源发电和努力提高变压器的效率，预计将减少未来的影响。对变压器碳足迹的估算对于制造商、用户和决策者等利益相关者进行战略规划和设计是一个有用的工具。

本文给出了电力系统中典型1000kVA ONAN变压器的碳足迹计算，并进一步估算了在欧盟2021年规范的效率水平下的潜在减少量。还介绍了采用现有最佳技术和材料的影响以及由此减少的CO₂排放。

2. 碳足迹计算方法

计算碳足迹时考虑产品从“出生到终老”全寿命的总碳排放量。图1示意性地显示了分析所考虑的产品生命周期的边界

图1产品生命周期边界

以上各个阶段都有能源消耗和CO₂排放。当回收材料全部或部分用于生产时，整个系统的碳足迹就会减少。

3. 所研究的变压器技术参数

用于变压器生产的材料的质量取决于参数，包括用户规定的符合国家或国际标准的效率要求。这些因素影响寿命碳足迹，因为变压器在运行中的能量损失和生产中使用的材料是影响碳足迹的主要变量。

由于高性能材料的发展、先进的设计分析技术以及强制性的法规、指南等，变压器的效率水平在过去得到了提高。一些电力公司试图通过指定损耗评估公式来优化变压器的总拥有成本(TOC)。政府还强制制定了诸如最低效率性能规范(MEPS) /高效性能规范(HEPS)等法规。欧盟对变压器性能的环境和经济方面进行了研究，并于2014年5月发布了EU法规548/2014，其中规定了变压器损耗的最高限值。

在欧盟指令发布之前，空载损耗和负载损耗的典型值普遍较高，并且大致符合标准EN 50464-1- 2007规定的空载损耗和负载损耗的不同水平。

欧盟规范规定一级损耗将于2015年7月1日起实施，二级损耗更低，将于2021年7月1日实施

本研究计算了1000kVA 11/0.4kV油浸式(ONAN)变压器生命周期的碳足迹。考虑4种不同的设计性能参数和效率水平，所研究变压器的性能参数如表1所示。

表1  变压器性能参数

本文计算了1000kVA ONAN变压器生命周期各阶段的碳排放量。

A.原材料的生产

这一阶段包括计算生产变压器的原材料和部件的碳足迹。部件和非主要材料的重量归为杂项材料。

钢材包括油箱、散热片、螺栓、螺母、夹紧材料等。变压器铁芯用的电工钢(CRGO)是单独分类。表2给出了符合表1损耗的4种不同设计的材料数量。

表2 1000kVA变压器的材料数量

根据表3计算原材料的碳足迹，考虑材料生产时的CO₂排放量。

表3  材料的碳足迹

计算了4种不同设计下变压器原材料碳足迹的贡献，参数列表如表1所示，结果如表4所示。

表4  原材料的碳足迹

B.原材料的运输

生产变压器的原材料采用卡车、铁路、船舶等多种运输方式。考虑到物料生产中心和消费点分布较广，典型运输方式及每吨物料平均CO₂排放量如表5所示。

表5  材料运输的碳足迹

假设计算的每公里运输的单位排放量如下:

公路运输100gm/km/Ton 

铁路运输50gm/km/Ton

船运20gm/km/Ton

C.部件和部分装配的制造

这一阶段由变压器部件的制造组成，包括套管、分接开关、仪表、指示器、阀门等，这些部件由变压器制造商从专业供应商处购买。在大多数情况下购买的组件包括油箱、散热片/风机、夹件、电缆盒等。

上述活动的能量强度为中等。

组件和部件的平均重量估算为1200kg，生产所需的电力计算为400kWh。该活动的CO₂排放量估计为240kg。

D.部件和零件的运输

大多数组件是在变压器制造商附近的配套供应商中制造的，平均运输距离为500km。

部件是从专门来源的制造商采购的，涉及空运、海运和/或卡车运输。对于1000kVA的变压器，这些部件的重量估计为100kg，平均运输距离计算为2000km。

E.产品制造

生产活动主要是装配工艺和能源强度较低的行业。生产的平均能源消耗有很大的差异，这取决于生产地点、采用的自动化水平和实体遵循的节能实践。

分析了变压器厂家的平均能耗，据此估算出一台1000kVA变压器的生产能耗为750kWh，这将产生450kg的二氧化碳排放量/变压器。

F.产品运输

全球对变压器的需求是通过进口和出口的结合来满足的，有些地区有出口，有些地区以进口为主。当产品在其生产的地区使用时，运输距离很低，而当它出口时，它可以是数千公里的量级。在分析中考虑了1500km的全球加权平均运输距离，其中船舶和卡车运输的比例估计为60:40。4种变压器设计的排放量见表6

表6产品出厂运输CO2排放量

G.产品安装

安装过程能耗不高，估计1000kVA变压器的CO₂排放为60kg。

H.产品运行

这一阶段产生最大的CO₂排放，因为变压器的空载损耗和负载损耗在25年的预期寿命内都将被考虑在内。

下面的计算假设变压器在整个使用寿命期间以50%的负载率运行，空载损耗在此期间保持不变。

该计算假设在整个生命周期内CO₂排放量/kWh保持不变。然而，由于未来增加的新发电能力将主要来自可再生能源，这种情况在未来将会减少

表7 1000kVA变压器使用寿命碳排放量

I.产品的报废和回收

生命周期的这一阶段包括材料的回收和废物的处理。回收利用的潜力是根据今天的技术来计算的。

表8显示回收和处置的物料数量。这个阶段的回收和使用具有负的排放值，因为回收是一种环境收益，如表8所示。处理其他材料(非回收)和回收后的剩余材料需要能源，估计排放量为200kg/t

表8 物料寿命结束时的回收和处置情况

J. 1000kVA变压器的全寿命周期碳足迹

表9 总结了4种1000kVA变压器设计的净碳足迹。

表9 1000kVA变压器的使用寿命碳足迹

 K.节约电能潜力

由于电能发电的节约，CO₂排放量减少。所考虑的4种1000kVA变压器设计的寿命节能潜力评估见表10。

表10 电能节约潜力

 L.全球变压器二氧化碳排放的节约潜力

从表9的计算结果可以看出，采用改进的设计可以减少变压器的CO₂排放。例如，与设计1相比，设计2、设计3和设计4的生命周期CO₂排放量分别为91%、70%和56%。低损耗变压器节省电能如表10所示。

据联合国《U4E-2017》报告估计，2020年世界用电量为24222TWh，变压器产生的能量损失为1181TWh /年。

到2020年，电力系统每年增加变压器的数量估计为1,225,000MVA，到2045年预计将增加一倍。

这里计算了使用这四种设计来减少全球变压器CO₂排放的潜力。

据假设，全球电力系统变压器的新增数量从2020年的122.5万MVA的水平以每年4%的复合速度增长。系统中现有变压器的基础排放被认为是不变的。即使每年有5%的现有高损耗/变压器被低损耗设计取代，其节省的潜力也会高得多。

从2020年到2045年电力系统变压器的估计年增加量和累计增加量见表11。

表11 预计变压器年增加量及累计增加量

假设使用上述4种不同的设计方案，并如图2所示，计算2020年至2045年新变压器排放的增加量。

图2  排放水平情景(2020 - 2045年)

4. 结   论

根据四种不同的损耗水平，计算了1000kVA变压器从出生到终老的碳足迹。可以看出，在欧盟指令引入之前，符合典型设计的变压器的寿命碳排放量为496.9吨。如果采用设计4中的高效变压器，寿命排放降低到276.7吨，降低了44%。

本文进一步评估了采用这四种设计方案的变压器的全球碳减排潜力。

如果继续使用设计1方案，到2045年的CO₂排放量为2.2544亿吨，如果系统中所有新增变压器都符合设计4，则2045年的CO₂排放量将降至1.2013亿吨