Integration von Energie- und Materialeffizienz in öffentlichen Verteilertransformatoren

Es setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, dass die Energiewende nur dann nachhaltig sein kann, wenn der Materialeinsatz Teil der Gleichung ist, ein Aspekt, der sich in den jüngsten EU-Regulierungsinitiativen widerspiegelt. In elektrischen Systemen kann es eine Herausforderung sein, Energieeffizienz und Ressourceneffizienz erfolgreich miteinander zu verbinden, aber das Konzept der nachhaltigen Spitzenlast für Leistungstransformatoren in öffentlichen Verteilungsnetzen ist eine elegante Lösung, die beide Ziele erfolgreich miteinander verbindet.

Vermeidung von inhärenten Konflikten

Das Ziel des europäischen Pakets Fit for 55%" vom Juli 2021 verlangt, dass alle technisch und wirtschaftlich machbaren Wege zur Dekarbonisierung konsequent beschritten werden. Die Stromverteilungsnetze können dazu beitragen, indem sie ihre Energieleistung maximieren. In diesem Zusammenhang schreibt die Ökodesign-Verordnung für Transformatoren Höchstwerte für Last- und Leerlaufverluste vor. Die ursprünglichen Anforderungen traten am 1. Juli 2015 in Kraft, und seit dem 1. Juli 2021 gelten strengere Werte.

In der Zwischenzeit wurden im Rahmen des europäischen Green Deal Ambitionen für eine effizientere Materialnutzung in der Wirtschaft formuliert, die im März 2020 in einem neuen Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft gipfelten. Diese Bestrebungen spiegeln sich in Artikel 7 der neuesten Ausgabe der Ökodesign-Verordnung für Transformatoren wider, in dem eine Reihe von Themen aufgeführt sind, die bei der nächsten Überarbeitung der Verordnung behandelt werden sollen. Dazu gehört "die Möglichkeit und Zweckmäßigkeit, in der Nutzungsphase auch andere Umweltauswirkungen als die Energie zu erfassen, wie z. B. (...) die Materialeffizienz".

So vernünftig die Ziele auch klingen mögen, im Bereich der Elektrizität besteht ein inhärenter Konflikt zwischen Energieeffizienz und Materialeffizienz. Eine Schlüsselmaßnahme zur Verbesserung der Energieeffizienz elektrischer Systeme ist die Erhöhung der Menge des Leitermaterials. Nur durch den intelligenten Einsatz elektrischer Systeme kann dieser Zielkonflikt gemildert oder in einigen Fällen vermieden werden. Das Konzept der nachhaltigen Spitzenlast , das in Verteilertransformatoren eingesetzt wird, stellt eine solche intelligente Lösung dar. Es verändert nicht die Transformatoren selbst, sondern maximiert ihre Leistung im Hinblick auf die Materialeffizienz, ohne ihre Energieleistung zu beeinträchtigen.

Spitzenlasten, die weder die Zuverlässigkeit noch die Lebensdauer oder die Energieeffizienz beeinträchtigen

Der Ursprung des Konzepts der nachhaltigen Spitzenlast liegt in der Tatsache, dass viele öffentliche Verteilertransformatoren, so wie sie derzeit ausgelegt sind, nicht ausreichend ausgelastet sind. Dies hat historische Vorläufer. Strenge Vorschriften zur Verlustreduzierung, Kompaktheit und Schadstofffreiheit haben zu verschiedenen technologischen Innovationen geführt, darunter die Verwendung von hochleitfähigem Wicklungsmaterial, Magnetstahl mit geringeren Verlusten, thermisch veredeltem Papier und natürlichen Estern als Flüssigisolierung.

Infolgedessen können viele Transformatoren jetzt höheren Temperaturen in den Wicklungen standhalten - bis zu 95°C statt nur 65°C - und können höhere Spitzenlasten bewältigen, ohne dass die Zuverlässigkeit oder Lebensdauer der Geräte beeinträchtigt wird. Dieses Spitzenlastpotenzial wird in der Regel nicht ausgeschöpft, da die Betreiber weiterhin bestrebt sind, die Leistungsverluste unter den vorgeschriebenen Werten zu halten.

Bei niedriger Last sinkt jedoch die relative Bedeutung der Lastverluste, während die relative Bedeutung der Leerlaufverluste steigt. Folglich hat die Wahl eines kleineren Transformators für dieselbe Aufgabe nur einen geringen Einfluss auf die jährlichen Gesamtenergieverluste der Anlage. Öffentliche Verteilungsnetze haben in der Regel eine so geringe Last. Bis vor kurzem wurde ihre Belastung nur geschätzt und nicht gemessen. Mit der Einführung von intelligenten Zählern wurden im Rahmen umfangreicher Messkampagnen nun ganzjährige kWh-Daten erfasst, die zeigen, dass die Auslastungen tendenziell niedriger sind als ursprünglich angenommen. Die durchschnittlichen Auslastungsfaktoren liegen bei etwa 15 % der Nennkapazität.

Dieser niedrige Lastfaktor in Verbindung mit der technischen Überlastbarkeit führt direkt zum Konzept des nachhaltigen Spitzenlasttransformators. Die "Nennleistung" ist der Wert, mit dem der Transformator die Anforderungen der Energieeinsparverordnung erfüllt. Die "nachhaltige Spitzenlastkapazität" des Transformators wird auf einen höheren Wert festgelegt. Solange der Transformator in einem Netz mit geringer durchschnittlicher Belastung betrieben wird, wie es in öffentlichen Verteilungsnetzen der Fall ist, wird die Zulassung einer solchen höheren Spitzenkapazität die jährlichen Gesamtenergieverluste der Einheit nicht erhöhen.

Eine Modellierung zur Bewertung der potenziellen Vorteile

Unter der Leitung des Europäischen Kupferinstituts führte eine Expertengruppe eine Modellierung durch, um die Auswirkungen der Auswahl nachhaltiger Spitzenlasteinheiten für alle Transformatorentausche in den öffentlichen Verteilungsnetzen in der EU zu bewerten.

Das Modell nahm den allgegenwärtigen 400-kVA-24-kV/0,4-kV-Transformator als Ausgangspunkt und berechnete den Unterschied zwischen dem Ersatz aller ausgedienten 400-kVA-Einheiten in der EU durch herkömmliche 540-kVA-Einheiten oder durch nachhaltige 400-kVA/540-kVA-Spitzenlast-Einheiten.

Bei der Energieleistung ist zwischen den Leistungsverlusten des Transformators auf dem Typenschild, ausgedrückt in Watt, und den jährlichen Energieverlusten, ausgedrückt in kWh, zu unterscheiden. Erstere unterliegen der Regulierung, während letztere bei der Bewertung der Umweltfreundlichkeit des Geräts berücksichtigt werden müssen.

Der 400 kVA/540 kVA-Transformator für nachhaltige Spitzenlast ist nach den geltenden Mindestanforderungen an die Energieleistung eines 400 kVA-Geräts ausgelegt, was bedeutet, dass seine Lastverluste während der kurzen Spitzenlastzeiten bis 540 kVA über dem Nennwert liegen. Die Leerlaufverluste sind jedoch auf einen niedrigeren Wert als bei einer herkömmlichen 540-kVA-Anlage festgelegt. Bei Lastprofilen mit kurzen Spitzen und niedriger Durchschnittsbelastung - wie sie in Verteilungsnetzen vorkommen - wird der Anstieg der jährlichen Lastverluste durch den Rückgang der jährlichen Leerlaufverluste ausgeglichen. Dies wurde durch die Ergebnisse der Modellierung bestätigt: Die jährlichen Gesamtenergieverluste der nachhaltigen Spitzenlastanlagen wurden so berechnet, dass sie denen einer konventionellen Anlage sehr ähnlich sind.

Abbildung 1 - Das Konzept des nachhaltigen Spitzenlasttransformators (Umspannwerkstransformator von ing.mixa aus dem Noun-Projekt)

Während bei den jährlichen Energieverlusten keine Kompromisse eingegangen wurden, konnte die Materialeffizienz des nachhaltigen Spitzenlasttransformators mit einer Reduzierung des Gesamtgewichts zwischen 11 und 15 % erheblich gesteigert werden.

Dieser Effizienzgewinn bei der Materialverwendung wurde ohne Erhöhung der Anschaffungskosten pro Einheit erzielt. Die Modellierung hat gezeigt, dass die Kosten des nachhaltigen Spitzenlastmodells mit denen eines herkömmlichen Transformators vergleichbar sind, wenn alle anderen Parameter gleich bleiben.

Erleichterung eines beschleunigten Netzausbaus

Die Expertenbewertung hat zu dem Schluss geführt, dass eine breite Anwendung des Konzepts der nachhaltigen Spitzenlast in den öffentlichen Verteilungsnetzen der EU zu begrüßen wäre. Sie wäre wirtschaftlich sinnvoll und würde einen wesentlichen Beitrag zu den beiden politischen Zielen der Energieeffizienz und der Materialeffizienz leisten.

Abbildung 2 - Der nachhaltige Spitzenlasttransformator bietet die Möglichkeit, die Spitzenleistung zu erhöhen, während die Abmessungen der Einheit gleich bleiben (Quelle: Copper Alliance)

Ein großer wirtschaftlicher Vorteil des nachhaltigen Spitzenlasttransformators ist seine Kompaktheit. Im Zuge der Abkehr von fossilen Brennstoffen wird in einigen Sektoren, die über Verteilernetze versorgt werden, ein erheblicher Anstieg des Stromverbrauchs erwartet. Der nachhaltige Spitzenlasttransformator bietet die Möglichkeit, die Spitzenleistung des Transformators zu erhöhen, während die Abmessungen der Einheit gleich bleiben. Dies ist ein entscheidender Aspekt in städtischen Umgebungen, in denen der Platz begrenzt sein kann, und ermöglicht eine kostengünstigere Installation und frühere Aufrüstung, wodurch das Verteilungsnetz robuster und sicherer wird.

Quelle: Maximierung der Ressourceneffizienz von Verteiltransformatoren - Potenzieller Beitrag zu den Zielen des EU Green Deal, Leonardo Energy , Oktober 2021.