Integratie van energie- en materiaalefficiëntie in openbare distributietransformatoren

Steeds meer wordt ingezien dat de energietransitie alleen duurzaam kan zijn als ook het materiaalgebruik een rol speelt, een aspect dat tot uiting komt in recente regelgevingsinitiatieven van de EU. In elektrische systemen kan een succesvolle koppeling van energie-efficiëntie en hulpbronnenefficiëntie een uitdaging zijn, maar het concept van duurzame piekbelasting voor vermogenstransformatoren in openbare distributienetwerken is een elegante oplossing die erin slaagt beide doelstellingen te combineren.

Vermijden van inherente conflicten

De ambitie van het Europese "Fit for 55%"-pakket vanaf juli 2021 vereist dat alle technisch en economisch haalbare pistes voor het koolstofarm maken van de economie rigoureus worden toegepast. Elektrische distributienetwerken kunnen een bijdrage leveren door hun energieprestaties te maximaliseren. In dit verband zijn in de ecodesignverordening inzake transformatoren maximumwaarden vastgesteld voor zowel belastingsverliezen als nullastverliezen. De oorspronkelijke eisen zijn op 1 juli 2015 in werking getreden en sinds 1 juli 2021 gelden strengere waarden.

Ondertussen werden in de Europese Green Deal ambities geschetst om de economie materiaalefficiënter te maken, culminerend in een nieuw actieplan voor de circulaire economie in maart 2020. Deze ambitie kwam tot uiting in artikel 7 van de laatste editie van de verordening inzake ecologisch ontwerp voor transformatoren, waarin een aantal punten worden opgesomd die bij de volgende herziening van de verordening aan bod moeten komen. Het gaat onder meer om "de mogelijkheid en wenselijkheid om in de gebruiksfase ook andere milieueffecten dan energie te bestrijken, zoals (...) materiaalefficiëntie".

Hoe zinnig de ambities ook mogen klinken, wat elektriciteit betreft is er een inherent conflict tussen energie-efficiëntie en materiaalefficiëntie. Een belangrijke maatregel om de energie-efficiëntie van elektrische systemen te verbeteren is het verhogen van de hoeveelheid geleidermateriaal. Alleen door slim gebruik te maken van elektrische systemen kan deze wisselwerking worden afgezwakt of in sommige gevallen worden vermeden. Het concept van duurzame piekbelasting dat in distributietransformatoren wordt toegepast, is zo'n slimme oplossing. Het verandert de transformatoren zelf niet, maar maximaliseert hun output voor materiaalefficiëntie zonder afbreuk te doen aan hun energieprestaties.

Piekbelastingen die niet ten koste gaan van betrouwbaarheid, levensduur of energie-efficiëntie

Aan de basis van het concept van duurzame piekbelasting ligt het feit dat veel openbare distributietransformatoren, zoals ze momenteel worden beoordeeld, onderbenut zijn. Dit heeft historische antecedenten. Strenge regels inzake verliesreductie, compactheid en afwezigheid van toxische stoffen hebben geleid tot diverse technologische innovaties, waaronder het gebruik van sterk geleidend wikkelmateriaal, magnetisch staal met verminderde verliezen, thermisch opgewaardeerd papier, en natuurlijke esters als vloeibare isolatie.

Als gevolg daarvan zijn veel transformatoren nu bestand tegen hogere temperaturen in de wikkelingen - tot 95°C in plaats van slechts 65°C - en kunnen zij een hogere piekbelasting aan zonder dat dit ten koste gaat van de betrouwbaarheid of levensduur van de eenheid. Dit potentieel voor piekbelasting wordt gewoonlijk niet benut, omdat de exploitanten ernaar blijven streven de vermogensverliezen onder de voorgeschreven waarden te houden.

Bij lage belastingsniveaus neemt het relatieve belang van belastingsverliezen echter af, en het relatieve belang van nullastverliezen toe. Bijgevolg heeft de keuze van een kleinere transformator voor dezelfde taak weinig invloed op de totale jaarlijkse energieverliezen van de eenheid. Openbare distributienetten hebben gewoonlijk zulke lage belastingsniveaus. Tot voor kort werden hun belastingen alleen geschat, niet gemeten. Met de invoering van slimme meters zijn nu dankzij uitgebreide meetcampagnes volledige kWh-gegevens voor een heel jaar geregistreerd, waaruit blijkt dat de belasting doorgaans lager is dan aanvankelijk werd gedacht. De gemiddelde belastingsfactoren bedragen ongeveer 15% van het nominale vermogen.

Deze lage belastingsfactor in combinatie met de technische overbelastbaarheid leidt direct tot het concept van de duurzame pieklasttransformator. Het "nominaal nominaal vermogen" zal de waarde zijn waarmee de transformator voldoet aan de eisen van de energieprestatieregelgeving. Het "duurzame piekvermogen" van de transformator zal op een hogere waarde worden vastgesteld. Zolang de transformator werkt in een net met lage gemiddelde belasting, zoals het geval is in openbare distributienetten, zal het toestaan van een dergelijk hoger piekvermogen het totale jaarlijkse energieverlies van de eenheid niet doen toenemen.

Een modelleringsexercitie ter beoordeling van de potentiële voordelen

Een groep deskundigen heeft onder leiding van het Europees Koperinstituut een modelleringsexercitie uitgevoerd om het effect te beoordelen van de keuze van duurzame piekbelastingseenheden voor alle transformatorvervangingen in openbare distributienetwerken in de EU.

Het model nam de alomtegenwoordige 400 kVA - 24 kV/0,4 kV transformator als uitgangspunt en berekende het verschil tussen het vervangen van alle afgedankte 400 kVA eenheden in de EU door conventionele 540 kVA eenheden, of door duurzame pieklast 400 kVA/540 kVA eenheden.

Wat de energieprestaties betreft, moet een onderscheid worden gemaakt tussen de nominale vermogensverliezen van de transformator, uitgedrukt in watt, en de jaarlijkse energieverliezen, uitgedrukt in kWh. Het eerste verlies is onderworpen aan de regelgeving, terwijl het tweede in aanmerking moet worden genomen bij de beoordeling van de milieuprestaties van de eenheid.

De 400 kVA / 540 kVA transformator met duurzame piekbelasting is ontworpen volgens de geldende minimum energieprestatienormen voor een 400 kVA eenheid, wat betekent dat zijn belastingsverliezen de nominale waarde zullen overschrijden tijdens de korte perioden van piekbelasting tot 540 kVA. De nullastverliezen zijn echter vastgesteld op een lagere waarde dan die van een conventionele 540 kVA-eenheid. Voor belastingsprofielen met korte pieken en een lage gemiddelde belasting - zoals het geval is in distributienetten - zal de toename van de jaarlijkse belastingsverliezen worden gecompenseerd door de afname van de jaarlijkse nullastverliezen. Dit werd bevestigd door de resultaten van de modelleringsexercitie: de totale jaarlijkse energieverliezen van de duurzame piekbelastingseenheden werden berekend als zijnde zeer vergelijkbaar met die van een conventionele eenheid.

Figuur 1 - Het concept van de duurzame pieklasttransformator (transformator van een onderstation door ing.mixa van het Noun Project)

Hoewel er geen compromis werd gesloten over de jaarlijkse energieverliezen, nam het materiaalrendement van de duurzame pieklasttransformator aanzienlijk toe, met reducties in het totale gewicht van 11 tot 15%.

Deze efficiëntiewinst in materiaalgebruik werd bereikt zonder de aanschafkosten per eenheid te verhogen. De modelleringsexercitie toonde aan dat de kosten van het duurzame piekbelastingsmodel vergelijkbaar zijn met die van een conventionele transformator als alle andere parameters gelijk worden gehouden.

Versnelde netwerkupgrades mogelijk maken

De evaluatie door deskundigen heeft geleid tot de conclusie dat een grootschalige toepassing van het concept van duurzame piekbelasting in de openbare distributienetwerken van de EU een welkome oefening zou zijn. Het zou economisch zinvol zijn en een belangrijke bijdrage leveren tot de tweeledige beleidsdoelstelling van energie-efficiëntie en materiaalefficiëntie.

Figuur 2 - De duurzame piekbelastingstransformator biedt de mogelijkheid het piekvermogen op te voeren met behoud van dezelfde afmetingen van de eenheid (bron: Copper Alliance)

Een belangrijk economisch voordeel van de duurzame pieklasttransformator is zijn compactheid. Met de overgang weg van fossiele brandstoffen wordt een aanzienlijke groei van het elektriciteitsverbruik verwacht in sommige sectoren die door distributienetwerken worden bevoorraad. De duurzame piekbelastingstransformator biedt de mogelijkheid om het piekvermogen van de transformator op te voeren met behoud van dezelfde eenheidsafmetingen. Dit is een kritiek aspect in stedelijke omgevingen waar de ruimte beperkt kan zijn, waardoor goedkopere installatie en snellere upgrades mogelijk zijn, waardoor het distributienet robuuster en veiliger wordt.

Bron: Maximaliseren van de hulpbronnenefficiëntie van distributietransformatoren - Potentiële bijdrage aan de doelstellingen van de EU Green Deal, Leonardo Energy , oktober 2021.