ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΗΝΑ

Μετασχηματιστές άμορφου πυρήνα και η συμμετοχή τους στη βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας της λειτουργίας των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Εισαγωγή

Η βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας της λειτουργίας των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ως τώρα δεν αποτελούσε συχνά προτεραιότητα των διαχειριστών των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ως αποτέλεσμα σημαντικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας καταναλώνονται ως θερμικές και άλλες απώλειες. Στην πραγματικότητα, οι ετήσιες απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας στα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας εκτιμώνται κατά μέσο όρο σε 6% στα κράτη μέλη της ΕΕ. Υποθέτοντας ότι ποσοστό 2% αντιστοιχεί σε απώλειες στα δίκτυα μεταφοράς και ποσοστό 4% αντιστοιχεί σε απώλειες στα δίκτυα διανομής, η συνολική απώλεια σε ετήσια βάση, σε λειτουργικά κόστη, εκτιμάται σε χρηματική αξία 7 δισεκατομμύρια ευρώ σε κατανάλωση ενέργειας. Τα παραπάνω ποσοστά αφορούν απώλειες ισχύος και ενέργειας σε γραμμές μεταφοράς υψηλής και μέσης τάσης και πρωτεύοντες και δευτερεύοντες υποσταθμούς υψηλής και μέσης τάσης αντίστοιχα.

Ως αποτέλεσμα των πρόσφατων δυναμικών εξελίξεων στο χώρο της ενέργειας εντός της ΕΕ, οι διαχειριστές των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (Distribution System Operators - DSOs) θα πρέπει να βελτιώσουν την αποδοτικότητα τους, με μέτρα όπως τον περιορισμό των απωλειών των ηλεκτρικών δικτύων διανομής τους κατά 1.5% κάθε χρόνο.

Σήμερα είναι και δυνατό και επιθυμητό να παρακολουθείται, να μετράται και να βελτιώνεται η αποδοτικότητα των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι βελτιώσεις μπορούν να μειώσουν τα λειτουργικά κόστη με την υιοθέτηση συνδυασμού hardware και software εξοπλισμού ο οποίος θα πρέπει να μπορεί να ενσωματωθεί στις υφιστάμενες υποδομές των ηλεκτρικών δικτύων.

Ρυθμιστικές προκλήσεις

Η ευρωπαϊκή οδηγία 2012/27/EU ενεργειακής αποδοτικότητας, όπως ισχύει για τους διαχειριστές των συστημάτων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί να συνοψιστεί στα παρακάτω:

 τα κράτη μέλη θα επιβάλλουν την υιοθέτηση στόχων υποχρέωσης ενεργειακής αποδοτικότητας 1.5% κάθε χρόνο για το χρονικό διάστημα που εκτείνεται από την 1η Ιανουαρίου 2014 μέχρι και την 31η Δεκεμβρίου 2020 (άρθρο 7).

 οι τιμολογιακές πολιτικές των διαχειριστών των δικτύων διανομής πρέπει να απεικονίζουν τις εξοικονομήσεις στα λειτουργικά κόστη των δικτύων διανομής. Αυτές οι εξοικονομήσεις ενέργειας θα επιτευχθούν και μέσω των μέτρων DR καθώς και μέσω της διεσπαρμένης ηλεκτροπαραγωγής. Επίσης θα περιλαμβάνουν εξοικονόμηση πόρων από τη μείωση του κόστους μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας είτε μέσω νέων επενδύσεων στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είτε μέσω αριστοποίησης του κόστους των λειτουργικών διαδικασιών.

 προτάσεις για μέτρα εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας και επενδύσεις στις υποδομές των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι τις 30 Ιουνίου 2015 (άρθρο15).

 οι τιμολογιακές πολιτικές θα καθοριστούν σε τέτοια επίπεδα που θα ενθαρρύνουν τους προμηθευτές να βελτιώσουν την συμμετοχή και των καταναλωτών ενέργειας στην υλοποίηση υψηλής αποδοτικότητας των δικτύων (άρθρο 15).

Τεχνικές απώλειες στις γραμμές διανομής χαμηλής τάσης

Οι τεχνικές απώλειες στα δίκτυα διανομής μέσης τάσης (ΜΤ) αντιπροσωπεύουν περίπου 2% των συνολικών απωλειών της διεσπαρμένης ηλεκτροπαραγωγής. Οι θερμικές απώλειες λόγω φαινομένου Joule αντιπροσωπεύουν 70% αυτών των απωλειών  σε συνάρτηση με την εκτίμηση φορτίων του δικτύου.

Περισσότερες απώλειες εμφανίζονται στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης (ΧΤ), 4%. Οι απομακρυσμένοι καταναλωτές χαμηλής τάσης λόγω χαμηλής φόρτισης και μεγάλων μηκών καλωδίων φορτίζουν ανισομερώς τους μετασχηματιστές διανομής του ίδιου δικτύου διανομής ΧΤ. Αυτές οι δυσαναλογίες στο ποσοστό φόρτισης προκαλούν τις θερμικές απώλειες στα καλώδια και τους μετασχηματιστές λόγω του υψηλότερου ρεύματος στους αγωγούς των φάσεων και του ουδετέρου. Αυτές οι απώλειες εκτιμώντας σε λειτουργικό κόστος από 200€ ως 1.000€ ευρώ ανά υποσταθμό διανομής ΜΤ/ΧΤ το χρόνο.

Μη αποδοτικοί ενεργειακά μετασχηματιστές

Οι απώλειες μετασχηματιστών στο ηλεκτρικό δίκτυο της ΕΕ υπολογίζονται σε 70 έως 100 TWh με τους τρέχοντες συντελεστές φόρτισης9. Οι μετασχηματιστές διανομής και μετασχηματιστές ισχύος αντιπροσωπεύουν περίπου 5 εκατομμύρια μονάδες. Μετά από τα ηλεκτροφόρα καλώδια, οι μετασχηματιστές διανομής έχουν τη δεύτερη υψηλότερη δυνατότητα για βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας.

Περικοπή δαπανών, απώλειες με τις βελτιώσεις τεχνολογίας μετασχηματιστών

Εάν συγκρίνουμε τους μετασχηματιστές και τις εναέριες γραμμές μεταφοράς - διανομής και τα ηλεκτροφόρα καλώδια, οι μετασχηματιστές είναι δυνητικά πιο εύκολο να αντικατασταθούν. Επιπλέον, η σύγχρονη τεχνολογία μετασχηματιστών είναι σε θέση να περιορίσει αρκετά τις απώλειες των μετασχηματιστών.

Στην τεχνολογία των μετασχηματιστών υπάρχουν δύο τύποι απωλειών: α) οι απώλειες σιδήρου και β) οι απώλειες χαλκού.

Οι απώλειες σιδήρου είναι ανεξάρτητες από το φορτίο και καλούνται και (no-load losses). Οι απώλειες χαλκού είναι εξαρτώμενες του φορτίου και καλούνται (load losses).

Οι απώλειες σιδήρου (no-load losees) δηλ. οι «σταθερές» απώλειες εμφανίζονται μόλις ενεργοποιείται ένας μετασχηματιστής. Οι απώλειες χαλκού (load losses) δηλ. οι «μεταβλητές απώλειες» ποικίλλουν σύμφωνα με το φορτίο του μετασχηματιστή.

Οι μετασχηματιστές διανομής και οι μετασχηματιστές ισχύος λειτουργούν 24 ώρες το 24-ωρο κάθε ημέρα της εβδομάδας, όλο το χρόνο, επομένως η ενεργειακή αποδοτικότητα τους μπορεί να επηρεαστεί αν υπάρχουν μειώσεις τόσο στις απώλειες σιδήρου όσο και στις απώλειες χαλκού.

Για τους διαχειριστές των δικτύων διανομής, μπορεί να είναι πιo συμφέρον να μειωθούν οι απώλειες σιδήρου απ’ ότι οι απώλειες χαλκού, δεδομένου ότι οι μετασχηματιστές ενεργοποιούνται 8760 ώρες ετησίως. Αυτοί οι μετασχηματιστές δεν τροφοδοτούν κάποιο φορτίο καθόλη τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου και όταν υποστηρίζουν ένα φορτίο, δεν είναι ποτέ στη μέγιστη χωρητικότητα του φορτίου. Αφ' ετέρου μπορεί να είναι συμφέρον για τις βιομηχανικές εφαρμογές να μειωθούν οι απώλειες χαλκού, μια και αυτοί οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται εξυπηρετούν κυρίως υψηλό συντελεστή ισχύος και ταυτοχρονισμού των φορτίων.

Οι μετασχηματιστές άμορφου πυρήνα βελτιώνουν την απόδοση των δικτύων διανομής, καθώς έχουν μειωμένες απώλειες από 65 έως 90% σε σχέση με τους συμβατικούς μετασχηματιστές με πυριτιούχο σίδηρο. Η εξοικονόμηση ενέργειας οφείλεται στο γεγονός ότι οι μετασχηματιστές αυτοί έχουν απώλειες κενού φορτίου που είναι περίπου το 1/5 με 1/4 των αντίστοιχων απωλειών των παραδοσιακών μετασχηματιστών. Το ρεύμα μαγνητίσεως είναι αισθητά μειωμένο, ενώ η στάθμη θορύβου παραμένει σχεδόν η ίδια με τους παραπάνω μετασχηματιστές. Η τεχνολογία άμορφου πυρήνα ενδείκνυται για μετασχηματιστές με χαμηλή φόρτιση, όπως για παράδειγμα μετασχηματιστές διανομής αγροτικών περιοχών, διότι η επίδραση των αρμονικών στις απώλειες κενού φορτίου μειώνεται.

Στο σχήμα 1 συγκρίνονται οι αποδόσεις ενός συμβατικού μετασχηματιστή και ενός μετασχηματιστή με πυρήνα από άμορφο μέταλλο. Η ονομαστική ισχύς και των δύο είναι 2000 kVA και, όπως φαίνεται στο σχήμα, υπάρχει σαφής βελτίωση της απόδοσης στον μετασχηματιστή άμορφου πυρήνα.

Ο παρακάτω Πίνακας -1- συγκρίνει τους παραδοσιακούς/συμβατικούς μετασχηματιστές με τους μετασχηματιστές σύγχρονης τεχνολογίας (άμορφου πυρήνα). Τα δοθείσα στοιχεία συντελούν στο συμπέρασμα ότι η μείωση των απωλειών μπορεί να πραγματοποιηθούν με την υιοθέτηση μετασχηματιστών νέας τεχνολογίας, όπως άμοφου πυρήνα.

Οι απώλειες χαλκού και απώλειες σιδήρου ενός μετασχηματιστή κωδικοποιούνται στο πρότυπο EN 50464-1:2007 και καθορίζονται σύμφωνα με το πρότυπο IEC 60076. Έτσι για τις απώλειες σιδήρου (no-load losses) υπάρχει η διαβάθμιση από A0, B0 C0, D0, E0 με Α0 να είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική και Ε0 η κατηγορία με τις μεγαλύτερες απώλειες. Αντίστοιχα για τις απώλειες χαλκού (load losses) υπάρχει η διαβάθμιση από Ak, Bk Ck, Dk με Αk να είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική και Dk η κατηγορία με τις μεγαλύτερες απώλειες11. Οι απώλειες συνολικά ενός μετασχηματιστή καθορίζονται από το συνδυασμό των κατηγορίων των απωλειών που προσφέρει ο εργοστασιακός κατασκευαστής των μετασχηματιστών.

Στην ελληνική αγορά είναι διαθέσιμοι μετασχηματιστές «κανονικών απωλειών δηλ. CoCk, «χαμηλών απωλειών δηλ. BoBk και κατά επιλογή η προσφορά μετασχηματιστών ελαίου ή ξηρού τύπου με απώλειες κατά παραγγελία σύμφωνα με τις απαιτήσεις κάποιου ενεργειακού έργου, όπως αιολικά πάρκα, Φ/Β σταθμοί, κ.α.

Στην προσπάθεια βελτίωσης της ενεργειακής αποδοτικότητας πλέον και στην Ελλάδα, υπάρχει η δυνατότητα κατασκευής και προσφοράς από τους εργοστασιακούς κατασκευαστές μετασχηματιστών, για δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, και τάξης απωλειών A0Ak κατά ΕΝ50541-1 σύμφωνα με τις απαιτήσεις του νέου ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΥ (ΕΕ) με αριθ. 548/2014 ΤΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ της 21ης Μαΐου 2014. Ο εν λόγω κανονισμός αποτελεί την εφαρμογή της οδηγίας 2009/125/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου όσον αφορά τους μετασχηματιστές μικρής, μεσαίας και μεγάλης ισχύος, όπου όλοι οι μετασχηματιστές που τίθενται σε λειτουργία (εγκαθίστανται στο δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας) μετά την 1η Ιουλίου 2015 πρέπει να είναι σε συμφωνία με τον παραπάνω Κανονισμό-απαίτηση οικολογικού σχεδιασμού (EcoDesign). Στον παραπάνω Κανονισμό αναφέρεται ότι όλοι οι μετασχηματιστές που τίθενται σε λειτουργία (εγκαθίστανται στο δίκτυο διανομής) μετά την 1η Ιουλίου 2015 πρέπει να είναι σε συμφωνία με την απαίτηση οικολογικού σχεδιασμού.

Μερικοί κατασκευαστές έχουν εξετάσει επιτυχώς μια πλήρη σειρά των άμορφων μετασχηματιστών ελαίου από 100kVA μέχρι 1600kVA. Διάφοροι μετασχηματιστές έχουν εγκατασταθεί στη Γαλλία, τη Γερμανία, και το Βέλγιο για περισσότερα από ένα έτη με θετικά αποτελέσματα. Προκειμένου να αξιολογηθεί η ενεργειακή αποδοτικότητα των μετασχηματιστών είναι σημαντικό να κεφαλαιοποιηθούν οι απώλειες. Η οικονομική αξία των απωλειών που παράγονται κατά τη διάρκεια της διάρκειας ζωής μετασχηματιστών αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό μερίδιο της επένδυσης.

Οι διαχειριστές των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση προσθέτουν την αξία των απωλειών που παράγονται κατά τη διάρκεια της διάρκειας ζωής του εξοπλισμού στο κόστος αγοράς. Η οικονομική αξία των απωλειών υπολογίζεται με τον πολλαπλασιασμό του ποσού απωλειών (W), όπως δηλώνεται από τον εργοστασιακό κατασκευαστή του, με την αξία που υποδεικνύεται από τον αγοραστή (που εκφράζεται σε €/W). Ο υπολογισμός στον παρακάτω Πίνακα -2- δείχνει ότι το συνολικό κόστος επένδυσης (Τotal Cost of Ownersip – TCO) ενός μετασχηματιστή άμορφου πυρήνα είναι χαμηλότερο από ένα συμβατικό μετασχηματιστή με τυπικές στάθμες απωλειών, παρά το γεγονός ότι το κόστος αγοράς (Capital Cost) για τον μετασχηματιστή άμορφου πυρήνα είναι υψηλότερο.

Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα κράματα, τα άμορφα κράματα δεν έχουν κρυσταλλική δομή και διαφέρουν από τα συμβατικά κρυσταλλικά κράματα ως προς τις μαγνητικές και μηχανικές τους ιδιότητες (όπως σκληρότητα και αντοχή).

Ο άμορφος σίδηρος παρασκευάζεται με ταχεία ψύξη τηγμένου μετάλλου πάνω σε μια πολύ λεπτή ταινία με μη κρυσταλλική δομή. Για να επιτευχθεί η άμορφη δομή, πρέπει η στερεοποίηση του μετάλλου να γίνει πολύ γρήγορα, έτσι ώστε να αποφευχθεί η κρυσταλλοποίηση. Ο απαιτούμενος ρυθμός ψύξης του τηγμένου μετάλλου είναι περίπου ένα εκατομμύριο βαθμοί Κελσίου το δευτερόλεπτο.

Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται μια μέθοδος κατασκευής άμορφου μετάλλου. Όπως φαίνεται στο σχήμα, το ρευστό μέταλλο χύνεται διαμέσου μίας σχισμής σ’ ένα γρήγορα κινούμενο ψυγμένο υπόστρωμα, το οποίο δεν έχει κρυσταλλική δομή. Η προκύπτουσα άμορφη δομή εξασφαλίζει ικανοποιητική μείωση των απωλειών σιδήρου των μετασχηματιστών άμορφου σιδήρου εν συγκρίσει με τους μετασχηματιστές με πυρήνα από πυριτιούχο χάλυβα προσανατολισμένων κόκκων. Ωστόσο το υλικό είναι περισσότερο εύθραυστο απ’ ότι τα υλικά των συμβατικών πυρήνων πυριτίου και έχει υψηλότερο κόστος κατασκευής.

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται το εσωτερικό ενός μετασχηματιστή με πυρήνα από άμορφο σίδηρο, ονομαστικής ισχύος 1,6MVA, ο οποίος κατασκευάστηκε το 1998, για να χρησιμοποιηθεί σε ένα εργοστάσιο στην Ιρλανδία. Οι απώλειες φορτίου του μετασχηματιστή αυτού είναι 18,2 kW και οι απώλειες κενού φορτίου 384W, κατά 80% χαμηλότερες από τις τυπικές απώλειες ενός συμβατικού μετασχηματιστή αυτού του μεγέθους.

Η εκτεταμένη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος στους προσωπικούς υπολογιστές, τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, τα κλιματιστικά και άλλους τομείς, καθώς και τα μη γραμμικά φορτία, όπως οι κινητήρες, έχουν οδηγήσει σε αυξανόμενη παραμόρφωση της ημιτονοειδούς κυματομορφής της τάσης στο δίκτυο. Οι γραμμές του δικτύου περιέχουν ένα σημαντικό αριθμό ανώτερων αρμονικών της συχνότητας του δικτύου. Οι αρμονικές αυτές αυξάνουν τις απώλειες πυρήνα, καθώς αυξάνονται και οι απώλειες υστέρησης και οι απώλειες δινορρευμάτων, ιδιαίτερα στους συμβατικούς μετασχηματιστές με πυρήνα από πυριτιούχο σίδηρο. Οι μετασχηματιστές διανομής με πυρήνα από άμορφο μέταλλο έχουν χαμηλές απώλειες σε υψηλότερες συχνότητες, γεγονός που οφείλεται στις βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής τους, οι οποίες επιτρέπουν την κατασκευή πολύ λεπτών λωρίδων του άμορφου μετάλλου και στην άμορφη φύση του υλικού, η οποία του προσδίδει μεγαλύτερη ηλεκτρική αντίσταση και χαμηλή ενεργειακά αντιστροφή της μαγνητικής ροής.

Η σύγκριση της επίδρασης των αρμονικών στις απώλειες μεταξύ ενός μετασχηματιστή με πυρήνα από άμορφο μέταλλο κι ενός μετασχηματιστή με πυρήνα από πυριτιούχο σίδηρο παρουσιάζεται στο σχήμα 4.

Από πλευράς κόστους κατασκευής οι μετασχηματιστές άμορφου πυρήνα έχουν ελαφρώς υψηλότερες ή σχεδόν τις ίδιες τιμές με τους συμβατικούς μετασχηματιστές υψηλής απόδοσης. Αν λάβει κανείς υπ’ όψιν το κόστος κύκλου ζωής (Total Owing Cost – TOC) ενός μετασχηματιστή άμορφου πυρήνα, τότε θα διαπιστώσει ότι, παρά την αρχικά υψηλή τιμή αγοράς του, στη συνολική διάρκεια της ζωής του αποφέρει εξοικονόμηση χρημάτων. Το κόστος κύκλου ζωής ενσωματώνει εκτός από το αρχικό κόστος αγοράς και το κόστος από τις απώλειες ενέργειας σε όλη τη διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή, το οποίο είναι εξίσου σημαντικό με την αρχική τιμή.

Στο σχήμα 5 παρουσιάζονται διαγραμματικά τα κόστη κύκλου ζωής ενός συμβατικού μετασχηματιστή από πυριτιούχο σίδηρο και ενός μετασχηματιστή άμορφου σιδήρου. Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο μετασχηματιστής άμορφου πυρήνα έχει υψηλότερη τιμή αγοράς από τον συμβατικό, αλλά συνολικά οδηγεί σε εξοικονόμηση χρημάτων σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του έναντι του συμβατικού (TOC Benefit), λόγω του αρκετά μικρότερου κόστους απωλειών κενού φορτίου.

δείτε εδώ ένα μετασχηματιστή διανομής άμορφου πυρήνα.

πηγές: Τσικόγιας Αθανάσιος  Διπλωματούχος Ενεργειακός Ηλεκτρολόγος Μηχ/κός & Μηχ/κός Η/Υ

           Παναγιώτου Γιώργος: Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχ/κός & Μηχ/κός Η/Υ ΕΜΠ