كان مهندس مشروع من منتج طاقة الرياح في أوروبا يقوم بتحليل المواصفات الفنية للمحولات لمزرعة رياح بسعة 30 ميجاوات. كانت المحولات التي تزود الكهرباء من المولد إلى الشبكة تقع بالقرب من التوربينات، وكان بعضها خاضعًا لمراجعات من قبل مجلس الاستدامة الذي أخذ في الاعتبار الخسائر على مدى فترة 25 عامًا، وبصمة الكربون للزيت وقضايا إعادة التدوير في نهاية العمر. كانت المحولات العادية من الزيت المعدني ستنجح في عملية الموافقة الفنية. ومع ذلك، كانت الاقتراح الفائز هو حزمة المحول الصديق للبيئة التي تضمنت محولًا ذو قلب غير متبلور مملوء بزيت استر طبيعي مع بصمة كربونية أقل مثبتة، مما جعل من المنطقي ماليًا من حيث المساهمات في النفقات العامة للمشروع.
تقدم الورقة الحالية نظرة عامة على الميزات التي تجعل المحول الكهربائي صديقًا للبيئة وآلية عمله مع تكاليفه.
رد مختصر: يجب أن يكون المحول الكهربائي الصديق للبيئة له الحد الأدنى من الضرر على البيئة طوال دورة حياته، بما في ذلك الحد الأدنى من خسائر الحمل الخالي (تقلل النوى من السبائك غير المتبلورة من خسائر الحمل الخالي بنسبة 60 إلى 70%)، واستخدام زيت استر طبيعي قابل للتحلل بدلاً من الزيت المعدني، وتشغيل أكثر هدوءًا، وزيادة القابلية لإعادة التدوير، وبصمة كربونية أصغر بسبب طرق الإنتاج الخضراء. عندما يتعلق الأمر بالكفاءة، تدعم المحولات الخضراء الطاقة الصديقة للبيئة - حيث تتراوح تكاليف التشغيل بين $0.08 إلى $0.10/kWh، مما يعيد تكلفة السعر المتميز في 3 إلى 8 سنوات إذا تم تشغيل الوحدات بتحميل مستمر وتقلل وحدات زيت الاستر من مخاطر الحريق والتكاليف البيئية في مواقع الرياح والطاقة الشمسية والحضرية.
ما هو المحول الكهربائي الصديق للبيئة
يتم إنشاء وإنتاج المحول الصديق للبيئة بطريقة تجعل له أصغر بصمة بيئية خلال دورة حياته بالكامل (خسائر تشغيلية قليلة، وتقليل مخاطر الحريق والتسرب، وأداء أكثر هدوءًا، والتخلص الأسهل، إلخ). هذه ليست تقنية واحدة ولكنها سلسلة من الخيارات التي تم اتخاذها في عمليات مختلفة، والتي يمكن مراقبتها.
| مرحلة دورة الحياة | الخيار التقليدي | الخيار الأخضر |
|---|---|---|
| التصنيع | الكهرباء من الشبكة القياسية، الفولاذ المختلط | المصنع الأخضر، الطاقة المتجددة، المواد المعاد تدويرها |
| التشغيل - القلب | 30 مم GOES التقليدي | 23 مم قلب عالي النفاذية أو غير متبلور |
| التشغيل - العزل | زيت معدني | زيت استر طبيعي (نباتي) |
| التشغيل - الضوضاء | تصميم القلب الأساسي | وصلات خطوة-تداخل، حاويات صوتية (3-8 ديسيبل (A) أقل) |
| نهاية العمر | التخلص من الزيت كنفايات خطرة | زيت قابل للتحلل، فولاذ ونحاس قابل لإعادة التدوير |
نتيجة لذلك، يولد المحول تأثيرات أقل على البيئة وله بصمة كربونية أصغر في كل خطوة من خطوات دورة حياته - ولهذا السبب يمكن الإشارة إلى هذا التكوين باستمرار على أنه المحول الأخضر.
لماذا تحتاج الطاقة الخضراء إلى محولات خضراء
قطاع توليد الطاقة الخضراء، الذي يتضمن توليد الطاقة من الرياح، وتوليد الطاقة الشمسية، وتوليد تخزين الطاقة، لديه ملف غير عادي من حيث المحولات المستخدمة في مشاريع توليد الطاقة. تنتج المولدات الطاقة بمستويات مختلفة من الإنتاج وفي أماكن نائية. لقد كانت المحولات المستخدمة لهذه المنتجات تعمل منذ عقود عديدة وتتطلب إشرافًا قليلًا جدًا. إليك اثنان من الآثار المترتبة على هذه الحقيقة:
- الخسائر كإنبعاثات: أي كمية من الطاقة المفقودة في المحول كانت قد تم إنتاجها بالفعل مرتين - مرة من قبل منشأة التوليد المتجددة ومرة من قبل محطة الطاقة الاحتياطية. إذا تم تقليل الخسائر في المحول، ستنخفض كمية الانبعاثات الناتجة عن النظام أيضًا.
- المواقع النائية والدقيقة: تقع توربينات الرياح في الحقول وفي البحر، وتقع منشآت الطاقة الشمسية في الصحاري والمناطق المأهولة. وهذا يعني أن تسرب الزيت المعدني في مثل هذه المواقع هو حادث بيئي كبير، بينما تسرب زيت الإستر القابل للتحلل له تأثير ضئيل أو معدوم على البيئة.
نتيجة لذلك، تولي بنوك المشاريع وأقسام الاستدامة اهتمامًا خاصًا لمواصفات المحولات. على الرغم من أن المحولات تمثل حصة صغيرة في تكلفة بناء محطة الرياح أو الطاقة الشمسية (حوالي 30-50 ميغاوات)، إلا أنها تمثل حصة كبيرة في المخاطر البيئية والانبعاثات على مدار دورة حياتها بالكامل.
نوى منخفضة الخسارة: الصلب غير المتبلور وذو النفاذية العالية
يمثل النواة أكبر مؤثر بيئي حيث تستمر خسائر الحمل الخالي في الحدوث طوال الوقت. الفرق بين مثالين لمحول 1,000 كVA مذهل.
| تقنية القلب | فقدان بدون تحميل | الطاقة المهدرة سنويًا | مكافئ CO2 السنوي* |
|---|---|---|---|
| GOES التقليدي (تصميم قديم) | 1,500–2,100 واط | ١٣,١٠٠–١٨,٤٠٠ كيلوات ساعة | 5–9.2 t |
| GOES عالي النفاذية 0.23 مم | 700–1,100 واط | ٦,١٠٠–٩,٦٠٠ كيلوات ساعة | 1–4.8 t |
| المعدن غير المتبلور | 350–500 واط | ٣,١٠٠–٤,٤٠٠ كيلوات ساعة | 5–2.2 t |
*الانبعاثات الأساسية بمعدل 0.5 كجم CO2/kWh. يتم تقديم هذا فقط لأغراض المعلومات. تعتمد الانبعاثات على توليد الطاقة من الشبكة المحلية.
لقد أحدثت تقنية النواة غير المتبلورة ثورة في الصناعة بسبب التحسينات التي تم رؤيتها فيما يتعلق بخسائر الحمل الخالي، وهو تقدم بيئي كبير.
زيت الإستر الطبيعي: عزل قابل للتحلل
يعتبر زيت الإستر الطبيعي الجزء الثاني المهم من المحول الأخضر. نظرًا لأنه يتم تحضيره باستخدام مواد مشتقة من النباتات، فإنه يختلف بيئيًا عن الزيت المعدني في الجوانب التالية:
- القابلية للتحلل: يُعرف زيت الإستر الطبيعي بأنه يتحلل بشكل طبيعي في التربة والماء، مما يعني أن التسربات لا تؤدي إلى حوادث نفايات خطرة.
- السلامة من الحرائق: نظرًا لنقطة الوميض التي تبلغ 300 درجة مئوية (مقارنة بـ 135-150 درجة مئوية من الزيت المعدني)، يقلل زيت الإستر الطبيعي من خطر الحرائق، مما يجعل من الممكن استخدام هذا الزيت الصديق للبيئة في المنشآت العامة التي تقع في المناطق الحضرية.
- الأداء الحراري: يجعل زيت الإستر الطبيعي من الممكن العمل عند درجات حرارة أعلى، مما يؤدي إلى عمر أطول لورق العزل أو إلى الحصول على أحمال أكبر مع توفير سعة متساوية.
العيب في استخدام زيت الإستر الطبيعي هو أنه مكلف وله لزوجة مختلفة، حيث أن تكلفة زيت الإستر الطبيعي أعلى بمقدار 2-3 مرات من تكلفة زيت المعدن، بينما لزوجة هذين المادتين مختلفة أيضًا، مما يدفع المصممين لتعديل المضخات والمبردات في الأنظمة التي يستخدم فيها هذا الزيت.
تقليل الضوضاء وتأثيرها البيئي
الضوضاء هي عنصر بيئي، ويضع البحث والتطوير في المحولات هذا العنصر في مقدمة المراقبة. تنتج ضوضاء القلب بشكل أساسي عن المغناطيسية، مما يعني أن المادة تتمدد جسديًا أثناء عملية المغنطة، بالإضافة إلى المفاصل التصميمية بين الطبقات. التدابير المستخدمة في التصميم الأخضر هي:
- استخدام مفاصل القلب ذات الخطوات والمفاصل المائلة مما يسمح بتقليل تشويه التدفق عند المفاصل،,
- العمل عند كثافة تدفق قلب منخفضة وبالتالي التضحية بقليل من المادة والحصول على الديسيبل المطلوب،,
- استخدام حاويات عازلة للصوت وتركيبات للوحدات الأكثر ضوضاء.
تظهر النتائج أن المحولات التوزيعية المصنوعة بشكل جيد تعمل عند 48-58 ديسيبل (A) على بعد متر واحد، بينما التصميمات القديمة أو السيئة الانضمام ستصدر ضوضاء عند 55-65 ديسيبل (A). الفرق البالغ 3-8 ديسيبل (A) يعادل تقريبًا نصف الصوت للجيران.
الأداء البيئي لدورة الحياة
من أجل تقييم الأداء البيئي لمحول بشكل صحيح، من الضروري إجراء تقييم من منظور دورة الحياة. يتم توضيح الحصص لمحول توزيع نموذجي على مدى عمر 25 عامًا في الرسم البياني أدناه:
| مرحلة دورة الحياة | حصة انبعاثات دورة الحياة (إرشادية) | المحرك الرئيسي |
|---|---|---|
| التصنيع (المحتوى) | 5–15% | الصلب، النحاس، وطاقة المصنع |
| التشغيل — خسائر بدون تحميل | 30–50% | خسائر القلب تعمل 8,760 ساعة/سنة |
| التشغيل — خسائر تحميل | 20–40% | خسائر لفائف تعتمد على التيار |
| نهاية العمر | 0–5% | التخلص من الزيت وإعادة تدوير المواد |
في مثل هذه الحالات، تكون الخسارة هي المفهوم السائد، مما يجعل المحول البيئي السليم يعادل تقريبًا المحول الفعال. هذا يفسر لماذا تتزامن الكفاءة والمطالبات البيئية في تسويق المحولات الخضراء ولماذا يجب على العملاء التحقق من معلومات الخسارة في تقرير الاختبار بدلاً من الملصق.
التطبيقات في الرياح، الطاقة الشمسية، والتخزين
التطبيقات الرئيسية للطاقة الخضراء، وتكوينات المحولات التي تناسبها:
| التطبيق | دور المحول | التكوين الأخضر المفضل |
|---|---|---|
| مزارع الرياح على اليابسة | رفع التوربينات، 0.69/33kV؛ محطة 33/110kV | قلب غير متبلور، زيت استر، التحكم في الضوضاء |
| الرياح البحرية | محطة فرعية بحرية لرفع الطاقة | وحدات طاقة عالية الكفاءة، مدمجة وقوية |
| الطاقة الشمسية على نطاق المرافق | رفع العاكس 0.4/33kV أو 0.6/33kV | الدرجة 1-2، منخفضة الخسارة، مصنفة للاستخدام الخارجي |
| تخزين البطارية | محول PCS، 0.4/10kV أو 0.69/33kV | تصميمات منخفضة الخسارة للتحميل العالي |
| الهيدروجين الأخضر والوقود الإلكتروني | محولات رفع كبيرة ومحولات تقويم | محولات الطاقة عالية الكفاءة |
في كل حالة، تظل العملية كما هي: يتطلب التصميم الأخضر المزيد من النفقات الأولية، ولكن المدخرات في مقدار الضرر والاعتمادات البيئية تدعم التمويل، والتصاريح، ووعود الاستدامة للمطور.
خيارات وأسعار المحولات الخضراء
أسعار FOB الإرشادية لمحول توزيع صديق للبيئة بقدرة 1,000 kVA 10/0.4 kV حسب العلامة التجارية:
| العلامة التجارية | الأصل | الدرجة 2 (GOES، زيت معدني) | قلب غير متبلور + زيت استر |
|---|---|---|---|
| هيتاشي للطاقة | اليابان/عالمي | $9,000–$12,500 | $14,000–$21,000 |
| ABB | سويسرا/عالمي | $8,500–$12,000 | $13,500–$20,000 |
| سيمنز للطاقة | ألمانيا/عالمي | $8,000–$11,500 | $13,000–$19,500 |
| شنايدر إلكتريك | فرنسا/عالمي | $7,500–$11,000 | $12,500–$19,000 |
| شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية | الصين | $4,000–$7,000 | $5,500–$11,000 |
تعتمد الأسعار على التصنيف، وفئة الخسارة، ونوع الزيت الذي لديهم، وما إذا كان لديهم محول موصل من بين معايير أخرى، ويجب اعتبارها كمدى لأغراض التخطيط وليس كعروض.
يتمتع المصنعون في جميع أنحاء العالم بخبرة طويلة وبرامج اختبار نوع جيدة لتطوير تصميمات الزيوت الاسترية والأمورية. اليوم، يقدم المصنعون الصينيون نفس التكنولوجيا وحلول الزيوت ولكن بأسعار أقل بنسبة 40-50 في المئة مقارنة بمنافسيهم، مما يساعد على الوصول إلى المحولات الصديقة للبيئة حتى في الأسواق التي تهم فيها التكاليف. شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية هي مصنع صيني للمحولات الخضراء والمحولات الموفرة للطاقة التي تنتج محولات ذات نواة أمورية وزيوت استرية طبيعية، تتراوح من 10 كيلوفولت إلى 63 ميغا فولت، تم اختبارها وفقًا لمعيار IEC 60076 وشحنها مع جميع تقارير الاختبار ذات الصلة. لقد زودت سوبين وحدات خضراء لمشاريع الرياح والطاقة الشمسية والتخزين عبر آسيا وأفريقيا والشرق الأوسط وأمريكا الجنوبية - تم توثيق نطاقها على subian-electric.com.
كيفية اختيار محول أخضر
- تحديد الأهداف البيئية: فئة الخسارة، نوع الزيت، حد الضوضاء وأي منتجات تقارير الكربون المتجسد المطلوبة للمشروع.
- حساب رسملة الخسارة باستخدام معدلاتك وملف الحمل - يجب استلام القسط اليوم.
- تخصيص التكنولوجيا وفقًا للموقع: نوى أمورية للأحمال المستمرة، زيت استري لمواقع مقاومة للحريق في حالة التشغيل الداخلي والتعرض للبيئة، وGOES عالية الجودة عند عوامل تحميل منخفضة.
- الطلب على أدلة الاختبار: اختبارات الخسائر الروتينية لكل وحدة، اختبارات نوعية لكل تصميم، جهد انهيار الزيت (مطلوب > 60 كيلوفولت/2.5 مم للزيت المعدني الجديد؛ انظر مواصفات الزيت الاستري بشكل منفصل)، واختبار الضوضاء حيثما كان ذلك مطلوبًا.
- تحقق من الاعتمادات الخضراء للمصنع: تؤثر شهادة المصنع الأخضر ومعدل الطاقة المتجددة وإعادة التدوير على أرقام الكربون المتجسد.
لقد كانت مواصفات التخصص المعين هي نفسها بالنسبة للمحولات: الفرق اليوم هو أن الخصائص البيئية للمنتج محددة ويمكن تدقيقها.
الأسئلة المتكررة
ما الذي يجعل المحول صديقًا للبيئة؟
هناك أربع خصائص مقاسة وهي انخفاض فقدان الحمل الخالي (نوى غير متبلورة أو ذات نفاذية عالية)، واستخدام زيت استر طبيعي قابل للتحلل بدلاً من زيت معدني، ومستوى ضوضاء منخفض، وأثر كربوني أقل من خلال عملية تصنيع صديقة للبيئة.
كم يكلف المحول الأخضر؟
تكلفة وحدة بقدرة 1,000 kVA مع نواة غير متبلورة وزيت استر طبيعي تتراوح تقريبًا بين $5,500 و $11,000 FOB لدى الشركات المصنعة الصينية. العلامات التجارية المميزة لها نطاق أسعار أعلى بمقدار 50% إلى 80% مقارنة بهذه التكلفة. هناك زيادة سعر إضافية تبلغ تقريبًا 20% إلى 55% للتكوين الصديق للبيئة، والتي تعتمد على نوع النواة والزيت المختار.
هل تستحق المحولات الصديقة للبيئة التكلفة الإضافية؟
في حالة المواقف التي يكون فيها الحمل ثابتًا أو حيث يتم استخدام تطبيقات حساسة، فإن الإجابة هي نعم. توفر المدخرات من الفقد عائدًا على التكلفة الإضافية في 3 إلى 8 سنوات، ويقضي زيت الاستر على خطر الحريق/التسرب بالإضافة إلى الانبعاثات المنخفضة. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات ذات الحمل المنخفض والمخاطر المنخفضة، يجب أن تكون الوحدة ذات الكفاءة العالية القياسية هي الأفضل من حيث القيمة.
هل تعمل محولات زيت الاستر بنفس كفاءة وحدات زيت المعادن؟
من حيث الأداء الكهربائي، تم تطوير كلاهما وفقًا لمعايير البناء والاختبار IEC 60076 نفسها ويتشاركان في نظام فئات الكفاءة المماثل. ومع ذلك، من حيث سلامة الحريق والصداقة البيئية، يُوصى بزيت الاستر ولكنه يتطلب تكلفة إضافية تتراوح بين 10-25% في تكاليف الزيت وتعديلات في نظام التبريد بسبب لزوجته الأعلى.
كم من CO2 يوفره المحول في التطبيقات الخضراء؟
باستخدام عامل شبكة يبلغ 0.5 كجم CO2/kWh، يمكن أن يؤدي استبدال محول بقدرة 1,000 kVA من التسعينيات بمحول غير متبلور إلى توفير 5,000-7,000 kWh و2.5–3.5 طن من CO2 سنويًا، مما يعني حوالي 60–90 طنًا إجمالاً خلال فترة 25 عامًا. يمكن أن تكون المدخرات الإجمالية أكبر بكثير في وحدات توليد الطاقة الكهربائية الناتجة عن الرياح أو الشمس التي تحتوي على العشرات من المحولات.
المراجع
- IEC 60076-1: محولات الطاقة - عام — معيار التصنيف والاختبار الدولي للتحقق من المحول الأخضر.
- IEC 62770: الاسترات الطبيعية للمحولات — مواصفة للسوائل العازلة من الاستر الطبيعي.
- GB 20052: درجات كفاءة الطاقة للمحولات الكهربائية — درجات الكفاءة التي تدعم التصاميم ذات الفقد المنخفض.
- برنامج كفاءة الطاقة من وكالة الطاقة الدولية — بيانات حول حصة فقدان المحول ودمج الطاقة الخضراء.
- نظام التصنيع الأخضر MIIT — شهادة المصنع الأخضر ذات الصلة بالكربون المتجسد.
- برنامج كفاءة المحولات من وزارة الطاقة الأمريكية — فئات الكفاءة ومرجع اقتصاديات الفقد.
- الموقع الرسمي لشركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية — مجموعة المحولات ذات النواة غير المتبلورة وزيت الاستر الطبيعي.
الخاتمة
تعتبر المحولات الكهربائية الخضراء العنصر الرئيسي في الطاقة الخضراء التي نادراً ما يتم ذكرها في إعلانات المشاريع. ومع ذلك، فإنها تمثل نسبة كبيرة من الانبعاثات والمخاطر البيئية على مدار دورة حياتها بالكامل. هذه التكنولوجيا تم اختبارها وتوحيدها وأصبحت أقل تكلفة بشكل متزايد: يتم توحيد النوى غير المتبلورة، وزيت الإستر الطبيعي، والضوضاء المنخفضة، والإنتاج الصديق للبيئة لتنتج محولات تتوافق صداقة البيئة مع الكهرباء التي تنقلها.
العناوين:
- يقلل القلب غير المتبلور من خسارة عدم التحميل بمقدار 60%-70%، مما يقلل الانبعاثات في منشآت الطاقة المتجددة.
- يمكن اكتشاف زيت الإستر في الطبيعة ولا يشتعل، مما يعني أن خطر تلوث السفر والمدن يتم تقليله.
- يساهم استخدام المعدات الصديقة للبيئة بمبلغ إضافي قدره 20%-55% في سعر الشراء دفعة واحدة ولكنه يسترد خلال 3 إلى 8 سنوات من خلال تقليل الخسائر والمخاطر.