Wpływ oszczędności w stratach energii na dobór transformatorów rozdzielczych SN/nn

Wybór transformatorów energooszczędnych 

Dla zbadania współzależności między oszczędnościami w stratach energii a wzrostem nakładów inwestycyjnych transformatorów energooszczędnych różnych klas wybrano transformatory o mocy znamionowej SN = 400 kVA. Wartości znamionowych strat mocy czynnej przyjęto zgodnie z wartościami podanymi w normie PN-EN 50464-1:2007 [8].

Analizę przeprowadzono przy następujących danych:

• względne szczytowe obciążenie transformatora równe wariantowo βs = 0,4 lub 0,7, czyli mniejsze lub większe wykorzystanie mocy znamionowej;
• dwie wartości czasu użytkowania mocy szczytowej w wersji „a” – Ts = 2500 h/a i w wersji „b” – Ts = 3500 h/a, czyli różne stopnie wykorzystania zdolności transformacji energii.

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowe oszczędności w stratach energii transformatorów różnych klas w stosunku do transformatora o najniższym nakładzie inwestycyjnym i najwyższych znamionowych stratach mocy. Wykresy sporządzono:

• dla stopnia obciążenia βs = 0,4 i czasu Ts = 2500 h/a (rys. 1),
• dla stopnia obciążenia βs = 0,7 i czasu Ts = 3500 h/a (rys. 2).

Analizując przebiegi na rysunkach 1 i 2 widać wyraźnie, że:

• względne przyrosty oszczędności energii są mniejsze od przyrostów nakładów inwestycyjnych – jest to niezależne od stopnia wykorzystania zdolności znamionowych transformatora βs i czasu Ts,
• najwyższe oszczędności energii gwarantują transformatory A_k – A₀, ale uzyskanie ich wymusza wydatkowanie ok. dwukrotnie wyższych kosztów na zakup transformatora,
• transformatory o najwyższych stratach jałowych (E₀), a zmniejszonych stratach obciążeniowych przynoszą minimalne oszczędności w stratach energii, szczególnie przy niższym wykorzystaniu zdolności znamionowych transformatora,
• transformatory o najwyższych znamionowych stratach obciążeniowych (D_k) i zmniejszonych stratach jałowych mogą zapewnić najwyższe oszczędności, nawet przy niższym wykorzystaniu zdolności znamionowej jednostki.

Rys. 1. Procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowych oszczędności w stratach energii dla βs = 0,4 i Ts = 2500 h/a

Rys. 2. Procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowych oszczędności w stratach energii dla βs = 0,7 i Ts = 3500 h/a

W kolejnych etapach badań:

• wyznaczono zmiany zdyskontowanych oszczędności w stratach energii,
• przeanalizowano różnice między przyrostem łącznych kosztów transformacji przy zastosowaniu transformatorów różnych klas, czyli różnice między zdyskontowanymi kosztami transformacji,
• odniesiono tę różnicę do strumienia całkowitych oszczędności w stratach energii.

Obliczenia przeprowadzono dla stopnia obciążenia transformatora βs = 0,4 i czasu Ts = 2500 h/a wprowadzając dodatkowe dane:

• bazowy okres analizy N = 30 lat,
• stopa dyskontowa wariantowo: p = 0,04 – 0,06 – 0,08,
• koszt energii elektrycznej, jednoznaczny z kosztem zakupu energii na pokrycie strat transformacji, stały w całym okresie N lat wynosi kA = 0,20 PLN/kWh.

Na rysunku 3 przedstawiono wzrost strumienia oszczędności w stratach energii dla wszystkich możliwych klas transformatorów. Z widocznego przebiegu można zaobserwować zbliżone wartości oszczędności dla transformatorów o tych samych stratach jałowych. Ponadto zauważa się wielokrotnie wyższe oszczędności przy pracy transformatorów o stratach jałowych na poziomie A₀ w porównaniu z oszczędnościami odpowiednich transformatorów z wyższymi stratami jałowymi.

Rys. 3. Strumień oszczędności w stratach energii dla transformatorów różnych klas, MWh

Na rysunku 4 zilustrowano koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii w procesie transformacji odniesione do 1 kWh przez zastosowanie różnych klas transformatorów energooszczędnych przy stopie dyskonta p = 0,06. Z przedstawionego na rysunku przebiegu widać wyraźnie, jak duże różnice występują między kosztami uzyskania oszczędności w transformatorach o najwyższych stratach jałowych (E₀) w stosunku do transformatorów pozostałych klas. Spowodowane to jest znacznie wyższymi kosztami zmniejszania strat obciążeniowych niż jałowych w transformatorach. Dla każdej z grup transformatorów o jednakowym poziomie strat jałowych różnice w kosztach 1 kWh są niewielkie, ale zawsze największe przy zastosowaniu transformatorów z najniższymi stratami obciążeniowymi (A_k).

Rys. 4. Koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii poprzez wybór transformatora energooszczędnego zamiast jednostki o najwyższych stratach D_k – E₀ dla stopy dyskontowej p = 0,06, PLN/KWh

Wyznaczane koszty oszczędności w założonym okresie zależą od stopy dyskonta. Aby pokazać, jak wpływa zmiana wartości tej stopy na poziom niezbędnych kosztów do uzyskania odpowiednich oszczędności na rysunku 5 przedstawiono zmiany tych kosztów (analogicznie jak na rysunku 4.) dla trzech wartości stóp dyskontowych. W celu zwiększenia przejrzystości wykresów pominięto transformatory z najwyższymi stratami jałowymi (E₀). Wniosek jest oczywisty – im wyższa wartość stopy tym droższe rozwiązania i tym większe koszty uzyskania oszczędności.

Rys. 5. Koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii poprzez wybór transformatora energooszczędnego zamiast jednostki o najwyższych stratach D_k – E₀ dla różnych wartości stóp dyskontowych p = 0,04 – 0,06 – 0,08, PLN/KWh

Podsumowanie

Przedstawiony przykład pokazuje sposób postępowania przy wykazywaniu oszczędności energii w procesie transformacji i kosztów ich pozyskania. Jest ilustracją prostego audytu, który ma uzasadnić potrzebę wsparcia finansowego przy wyborze transformatora energooszczędnego. Konsekwencją takiego wyboru będzie zwiększenie efektywności energetycznej w sieciowych układach elektroenergetycznych.

Artykuł został przygotowany na podstawie referatu prezentowanego podczas X Konferencji naukowo-technicznej z cyklu „Instalacje elektryczne niskiego, średniego i wysokiego napięcia”, zatytułowanej „Wybrane zagadnienia stacji elektroenergetycznych”. Poznań, 9 maja 2012 r.

LITERATURA

[1] Niewiedział E., Niewiedział R., Transformatory rozdzielcze SN/nn – Problematyka oszczędności w stratach energii [ w:] Materiały XI Sympozjum OP SEP, Poznań 2008, s. 52-55

[2] Niewiedział E., Niewiedział R., Skapitalizowane koszty strat energii elektrycznej w transformatorach rozdzielczych SN/nn. „elektro.info” 2009, nr 3, s. 68-72

[3] Kochanowski K., Białe megawaty energii. „Fakty” 2007, nr 6

[4] Żmijewski K., Kassenberg A., Kob D., Onichimowski G., Węglarz A., Wieczorek T., Białe certyfikaty. Propedeutyka. Seminarium Ecofyss w MG, wrzesień 2007

[5] Ministerstwo Gospodarki, Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, Dokument przyjęty przez Radę Ministrów RP, Warszawa, 10 listopada 2009

[6] Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych (Praca zbiorowa pod redakcją J. Kulczyckiego), Wyd. PTPiREE, Poznań 2009

[7] Agencja Rynku Energii S.A., Statystyka elektroenergetyki polskiej 2010, Warszawa 2011

[8] Norma PN-EN 50464-1:2007 Trójfazowe olejowe transformatory rozdzielcze 50 Hz od 50 kVA do 2500 kVA o najwyższym napięciu urządzenia nie przekraczającym 36 kV – Część 1: Wymagania ogólne.