Transformadores secos Vs. En aceite. Evaluación del impacto ambiental

El incremento de la energía y las materias primas, la preocupación por el calentamiento global y el llamado a la producción de equipos con sostenibilidad y ambientalmente amigables está requiriendo de análisis más detallados en la producción de nuevos equipos eléctricos. La electricidad es una forma de transporte de energía la cual permite una aplicación versátil y tiene una demanda global continuamente en incremento. En la cadena desde la generación eléctrica al consumo eléctrico, la potencia pasa a través de diferentes componentes en una red eléctrica: Interruptores, Capacitores, Medidores y Transformadores. Desafortunadamente, a través de su paso por todos los componentes se producen pérdidas de energía de un total de 9%, durante su trayecto por la Transmisión y Distribución.

Sin embargo, muchos de los equipos utilizados tienen una alta eficiencia individual. Las mejoras en los equipos desde el punto de vista de la eficiencia y también de su impacto ecológico son posibles. En general hay tres puntos de vista en la mejora de los equipos:

1) Manejo de energía o la capacidad de manejo de la potencia de un equipo puede ser incrementada, resultando en reducción de materiales.

2) Reducción de las pérdidas y por ende la cantidad de materiales requeridos se incrementa.

3) Reducción del impacto ambiental de los equipos lo cual requeriría del uso de nuevos materiales en el diseño y probablemente nuevos diseños.

Seguidamente, nos enfocaremos esta vez en el tercer punto: Reducción del Impacto Ambiental. Para ello un análisis de Evaluación del Ciclo de Vida – LCA provee un enfoque holístico del impacto ambiental. Uno de los puntos críticos en la actualidad para la mejora de los diseños de Trasformadores es la reducción del uso del aceite. En la Unión Europea, en el año 2009, entró en vigencia la Regulación No. 2009/125/EC «Ecodesign Guidelines» o también conocida como directiva de ERP – Energy Related Products. Luego, el 11 de Junio de 2014 entra en acción la Regulación No. 548/2014 respecto al Ecodiseño de los Transformadores pequeños, medianos y grandes. Para el año 2021, entrara en vigencia una etapa adicional de la Regulación No. 2009/125/EC mucho más estricta.

El Anexo I de la Regulación 2009/125/EC se describen los parámetros importantes del Ecodiseño. Para cada fase del ciclo de vida de los transformadores, los siguientes aspectos ambientales tienen que ser evaluados:

• Predecir el consumo de materiales, de energía y de otros recursos como el agua limpia en la construcción de transformadores.

• Emisiones al aire, al agua o hacia el suelo.

• Contaminación a través de efectos físicos como ruido, vibración, radiación o campos electromagnéticos.

• Generación de material de desecho.

• Posibilidades de reuso, reciclado y recuperación de materiales y/o energía.

Por lo que para cumplir con la directiva es necesaria la realización de uno o varios LCA (Life Cycle Assessment).

Estudio de Evaluación del Ciclo de Vida - LCA

El equipo de Energética Hoy, encabezado por el Ing. MS. Dhionny Strauss realizó recientemente un estudio para comparar el impacto y costo ambiental de los Transformadores Monofásicos en Aceite vs. Secos.

El Estudio sobre la Evaluación del Ciclo de Vida – LCA para comparar el impacto ambiental asociado al ciclo de vida de un Transformador Trifásico de Banco Monofásico de Distribución aislado en Aceite de 3 x 25KVA 13.80/0.220-0.127kV, 60Hz, en Aluminio, Cambiador de tomas 5 posiciones ±2 x 2,5% comparativamente con un Transformador Trifásico de Banco Monofásico de Distribución Seco de 3 x 25KVA 13.80/0.220-0.127kV, 60Hz, en Aluminio, Cambiador de tomas 5 posiciones ±2 x 2,5%. El material considerado para el núcleo fue Acero al Silicio de Grano Orientado Standard – RGO.

Para la Evaluación del Ciclo de Vida – LCA de los Transformadores Monofásicos en Aceite vs. Seco utilizando el Standard ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006, se siguieron inicialmente cuatro fases:

Fase 1: se definieron los objetivos y alcances

Fase 2: se realizó un análisis del inventario del ciclo de vida

Fase 3: se evaluó el impacto utilizando un software de análisis openLCIA (versión 1.6.3) y el método de impacto utilizado fue el CML2001

Fase 4: se interpretaron los resultados.

En la Figura No.1 se puede observar la metodología y el marco para un LCA según ISO 14040

Fig. No.1. Fases de una Evaluaciones del Ciclo de Vida o Life Cycle Assessment – LCA

Debido a que los Transformadores son equipos de alto consumo, además de que están presentes en todas las áreas geográficas, así como también se han utilizado en su construcción en el pasado materiales altamente contaminantes, es de alto interés el avance de la tecnología para hacer de los Transformadores eléctricos equipos menos contaminantes, más eficientes y con el menor peso posible. Los transformadores eléctricos son dispositivos de transformación de voltaje y corriente que se utilizan en los sistemas de potencia eléctrica en casi todos los niveles de voltaje. Su eficiencia nominal se encuentra en el orden de 95-99.80%. Son frecuentemente los equipos más grandes, difíciles, costosos y fundamentales de las redes eléctricas. El LCA incluye la fabricación de materias primas, operación para unos 30 años y el manejo hasta el final de la vida útil de los transformadores y el transporte. En la Figura No. 2 se puede observar un modelo de producción básico para el Transformador en Aceite y Seco para el análisis LCA.

Fig No. 2. Modelo de producción básico para el Transformador en Aceite y Seco para el análisis LCA.

En líneas generales se obtuvieron resultados relativos para los indicadores:

• Climate Change GWP 100a – Global Warming Potential in 100 years in kg CO2 equivalent, el transformador en seco ofrece un total de 88.69% CO2 mientras que el transformador en aceite un total de 100% CO2.

• Para el Eutrophication Potential average European, el transformador seco ofrece un total de 58.30% NOx mientras que para el transformador en aceite un total de 100% NOx.

• Para el indicador Malodours air in m3, el transformador seco ofrece un total de 35.00% m3 de aire, mientras que para el transformador en aceite un total de 100% m3 de aire.

• Y finalmente para el indicador Terrestrial ecotoxicity - TAETP 100a in 100 years in kg 1,4-DCB-Eq – Dichlorobenzene, el transformador seco ofrece un total de 94.32% mientras que para el transformador en aceite un total de 100%.

En la Figura No.3 se observan los gráficos porcentuales de los resultados obtenidos. Se concluye efectivamente que el transformador seco produce un impacto ambiental mucho menor que el transformador en aceite.

Figura No.3. Impacto Ambiental Relativo de Transformador en Aceite Vs. Transformador Seco 75kVA.

Glosario:

Terrestrial Ecotoxicity: La toxicidad ambiental se mide como tres categorías de impacto separadas que examinan agua dulce, marina y tierra. La emisión de algunas sustancias, como los metales pesados, puede tener impactos en el ecosistema. La evaluación de la toxicidad se ha basado en el máximo tolerable concentraciones en el agua para los ecosistemas. Los potenciales de ecotoxicidad se calculan con USESLCA, que se basa en EUSES, el modelo de toxicidad de la UE. Esto proporciona un método para describiendo el destino, la exposición y los efectos de las sustancias tóxicas en el medio ambiente.

Los factores de caracterización se expresan utilizando la unidad de referencia, kg 1,4-diclorobenceno equivalente (1,4-DB), y se miden por separado para impactos de sustancias tóxicas en:

■ Ecosistemas acuáticos de agua dulce

■ Ecosistemas marinos

■ Ecosistemas terrestres.

Malodours Air: También llamado Aire Maloliente se refiere a las emisiones al aire desagradables y peligrosas. Estas son una preocupación clave para las industrias ganaderas intensivas, las industrias del petróleo y aceites, el tratamiento de aguas residuales y otras industrias debido al crecimiento y al aumento de la superposición con las áreas urbanas. Se ha invertido relativamente poco esfuerzo en el desarrollo de métodos de olor dentro del campo del ciclo de vida (LCA). Tradicionalmente, se considera la masa de gas emitida y su límite de detección por los humanos. Entonces hay un modelo de efectos simple. En nuestro caso para el LCA realizado el Mal Odorous Air se pudo estimar en m3 de aire.

Photochemical Oxidation: El ozono es protector en la estratosfera, pero en el nivel del suelo es tóxico para los humanos en alta concentración. El ozono fotoquímico, también llamado "ozono a nivel del suelo", se forma por la reacción de compuestos orgánicos volátiles y óxidos de nitrógeno en presencia de calor y luz solar. La categoría de impacto depende en gran medida de las cantidades de monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), óxido de nitrógeno (NO), amonio y COVNM (compuestos orgánicos volátiles distintos del metano). El potencial fotoquímico de creación de ozono (también conocido como smog de verano) para la emisión de sustancias al aire se calcula con el modelo de trayectoria de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UNECE) y se expresa utilizando la unidad de referencia, equivalente de kg de etileno (C2H4). Reactividad incremental de igual beneficio (EBIR).

Eutrophication Potencial: La eutrofización es la acumulación de una concentración de nutrientes químicos en un ecosistema que conduce a una productividad anormal. Esto provoca un crecimiento excesivo de las plantas, como las algas en los ríos, lo que provoca una reducción severa en la calidad del agua y las poblaciones de animales. Las emisiones de amoníaco, nitratos, óxidos de nitrógeno y fósforo al aire o al agua tienen un impacto en la eutrofización. Esta categoría se basa en el trabajo de Heijungs, y se expresa utilizando la unidad de referencia, kg PO43- equivalentes.

Los impactos directos e indirectos de los fertilizantes están incluidos en el método. Los directos provienen de la producción de los fertilizantes y los indirectos se calculan utilizando el método del IPCC para estimar las emisiones al agua que causan la eutrofización. En nuestro caso para el LCA realizado la eutrofización se pudo estimar en equivalente NOx.

Climate Change: El cambio climático se puede definir como el cambio en la temperatura global causado por el efecto invernadero que genera la liberación de "gases de efecto invernadero" por parte de la actividad humana. Actualmente existe un consenso científico de que el aumento de estas emisiones está teniendo un efecto notable en el clima. Se espera que este aumento de la temperatura global cause perturbaciones climáticas, desertificación, aumento del nivel del mar y propagación de enfermedades.

El cambio climático es uno de los principales efectos ambientales de la actividad económica, y uno de los más difíciles de manejar debido a su gran escala.

El modelo de caracterización de Perfiles Ambientales se basa en factores desarrollados por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) de la ONU. Los factores se expresan como potencial de calentamiento global a lo largo del horizonte temporal de diferentes años, siendo los 100 años más comunes (GWP100), medidos en la unidad de referencia, kg CO2 equivalente.

Human Toxicity: El Potencial de Toxicidad Humana es un índice calculado que refleja el daño potencial de una unidad de químico liberado en el medio ambiente, y se basa tanto en la toxicidad inherente de un compuesto como en su dosis potencial. Estos subproductos, principalmente arsénico, dicromato de sodio y fluoruro de hidrógeno, son causados, en su mayor parte, por la producción de electricidad a partir de fuentes fósiles. Estos son productos químicos potencialmente peligrosos para los humanos por inhalación, ingestión e incluso contacto. La potencia del cáncer, por ejemplo, es un problema aquí. Esta categoría de impacto se mide en equivalentes de 1,4-diclorobenceno.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Acero, Rodríguez y Ciroth (2016) LCIA methods.Impact assessment methods in Life Cycle Assessment and their impact categories. GreenDelta GmbH. Berlin.

Carlen, Swanström & Överstam (2011) Life Cycle Assessment of dry-type and oil-immersed distribution transformers

with amorphous metal core. 21st International Conference in Electricity Distribution. Cired. Frankfurt

Carlen & Tepper (2015) Ecodesign of dry transformers. 23rd International Conference in Electricity Distribution. Cired. Lyon

Más información:

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