产品的碳足迹“是由一项活动直接或间接引起的CO2排放总量的一种衡量方法，或者是在产品的生命周期阶段计算的CO2排放总量”(定义见ISA研究报告07-01-Weidman T和Minix J)。

根据ISO1406.7，产品的碳足迹是产品系统中温室气体排放和清除量的总和，以CO2当量表示，并基于生命周期评估。

世界对电力需求的不断增长是地球CO2排放增长的一个主要原因。随着电力系统中变压器数量的增加，变压器对CO2排放的贡献增加。据估计，目前电力系统中近4%的温室气体排放是由变压器产生的，达到每年7.3亿吨

关注增(zeng)加可再生能(neng)源发电和努力提高变压器(qi)的效率，预计将减(jian)少未来的影响。对(dui)变压器(qi)碳足(zu)迹(ji)的估算对(dui)于制造(zao)商、用(yong)户和决策者等(deng)利益相关者进行战略(lve)规划和设计是(shi)一个(ge)有用(yong)的工具。

本文给出了电力系统中典型1000kVA ONAN变压器的碳足迹计算，并进一步估算了在欧盟2021年规范的效率水平下的潜在减少量。还介绍了采用现有最佳技术和材料的影响以及由此减少的CO2排放。

计算碳足迹时考(kao)虑产品(pin)从“出生到终老”全寿命的总碳排放量。图(tu)1示(shi)意性地显示(shi)了分析所考(kao)虑的产品(pin)生命周期的边(bian)界

图(tu)1产(chan)品生命(ming)周期边界(jie)

以上各个阶段都有能源消耗和CO2排放。当回收材料全部或部分用于生产时，整个系统的碳足迹就会减少。

用于变压器生(sheng)产的材(cai)料的质(zhi)量(liang)(liang)取决于参数，包括用户规定(ding)的符合国家或国际标准的效率要(yao)求(qiu)。这些(xie)因素影响(xiang)寿命(ming)碳足迹，因为(wei)变压器在(zai)运(yun)行中的能量(liang)(liang)损失和生(sheng)产中使用的材(cai)料是影响(xiang)碳足迹的主要(yao)变量(liang)(liang)。

由于(yu)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)材料的(de)发(fa)展、先进的(de)设计分(fen)析技术以及强制(zhi)(zhi)性(xing)(xing)的(de)法(fa)规(gui)(gui)、指南(nan)等，变压器的(de)效率水平在过去得到了(le)(le)(le)提高(gao)。一些电(dian)力公(gong)司(si)试(shi)图通过指定损耗评估公(gong)式(shi)来优化变压器的(de)总(zong)拥有(you)成本(TOC)。政府还强制(zhi)(zhi)制(zhi)(zhi)定了(le)(le)(le)诸(zhu)如最低效率性(xing)(xing)能(neng)规(gui)(gui)范(MEPS) /高(gao)效性(xing)(xing)能(neng)规(gui)(gui)范(HEPS)等法(fa)规(gui)(gui)。欧(ou)盟对变压器性(xing)(xing)能(neng)的(de)环(huan)境(jing)和(he)经(jing)济方(fang)面(mian)进行(xing)了(le)(le)(le)研究(jiu)，并于(yu)2014年5月(yue)发(fa)布了(le)(le)(le)EU法(fa)规(gui)(gui)548/2014，其中(zhong)规(gui)(gui)定了(le)(le)(le)变压器损耗的(de)最高(gao)限值。

在欧盟指令发(fa)布(bu)之前(qian)，空(kong)载(zai)损耗和负载(zai)损耗的典型值普遍较高，并且大致符合标准(zhun)EN 50464-1- 2007规定的空(kong)载(zai)损耗和负载(zai)损耗的不同(tong)水(shui)平。

欧盟规范规定一级损耗将于2015年(nian)7月(yue)1日(ri)起实施，二级损耗更低，将于2021年(nian)7月(yue)1日(ri)实施

本研究计算了(le)1000kVA 11/0.4kV油(you)浸式(ONAN)变压(ya)器生命周期的碳足迹。考虑4种不同(tong)的设计性能参数和效率水平，所研究变压(ya)器的性能参数如(ru)表1所示。

表1   变(bian)压(ya)器性能参(can)数(shu)

本文计算了(le)1000kVA ONAN变压器生命周期各阶(jie)段的碳排放量。

A.原材料的生产

这(zhei)一阶段包(bao)括计算生产变压器的原材料和部件的碳足迹(ji)。部件和非(fei)主(zhu)要材料的重量归为杂项材料。

钢材(cai)(cai)包括油箱(xiang)、散热片(pian)、螺栓(shuan)、螺母、夹(jia)紧材(cai)(cai)料等。变压器铁芯(xin)用(yong)的电(dian)工钢(CRGO)是单独分类。表2给出(chu)了符合表1损耗的4种不同设计(ji)的材(cai)(cai)料数量。

表2 1000kVA变压器的材料数(shu)量(liang)

根据表3计算原材料的碳足迹，考虑材料生产时的CO2排放量。

表3   材料的碳(tan)足迹

计算了4种不同设计下变压器原材料碳足迹的贡献，参数列表如表1所示，结果如表4所示。

表(biao)4   原(yuan)材料的碳足(zu)迹(ji)

B.原材料的运输

生产变压器的原材料采用卡车、铁路、船舶等多种运输方式。考虑到物料生产中心和消费点分布较广，典型运输方式及每吨物料平均CO2排放量如表5所示。

表5   材料运输的碳(tan)足迹

假设计算的每公里运输的单位排放量如下:

公路运输100gm/km/Ton

铁(tie)路(lu)运输50gm/km/Ton

船运20gm/km/Ton

C.部件和部分装配的制造

这一(yi)阶(jie)段由变压(ya)器部件(jian)的制造(zao)(zao)组成，包括套管、分接(jie)开关、仪表(biao)、指(zhi)示器、阀门等(deng)，这些部件(jian)由变压(ya)器制造(zao)(zao)商(shang)从专(zhuan)业供应(ying)商(shang)处购买。在大多数(shu)情况下购买的组件(jian)包括油箱、散(san)热片/风机、夹件(jian)、电缆盒等(deng)。

上述活动的能量强(qiang)度为中等。

组件和部件的平均重量估算为1200kg，生产所需的电力计算为400kWh。该活动的CO2排放量估计为240kg。

D.部件和零件的运输

大(da)多数组件是在变(bian)压器制造商附近的(de)配(pei)套供应(ying)商中制造的(de)，平均运输距离(li)为500km。

部件是从专门来(lai)源的(de)制造商采购的(de)，涉及空运(yun)、海运(yun)和/或卡车运(yun)输(shu)。对于1000kVA的(de)变压(ya)器，这些(xie)部件的(de)重量估计为100kg，平均运(yun)输(shu)距离计算为2000km。

E.产品制造

生(sheng)产活(huo)动主要(yao)是装配工艺和能源强度较(jiao)低的(de)(de)行业。生(sheng)产的(de)(de)平均能源消耗有(you)很大(da)的(de)(de)差异，这取决于生(sheng)产地(di)点、采用(yong)的(de)(de)自(zi)动化水平和实体遵(zun)循的(de)(de)节能实践。

分析了变(bian)压(ya)(ya)器(qi)厂家的(de)平均能耗(hao)，据此(ci)估算出一台1000kVA变(bian)压(ya)(ya)器(qi)的(de)生(sheng)产能耗(hao)为750kWh，这将产生(sheng)450kg的(de)二氧化碳排放(fang)量(liang)/变(bian)压(ya)(ya)器(qi)。

F.产品运输

全(quan)(quan)球(qiu)对变压器(qi)的(de)(de)需(xu)求是通过进(jin)口和(he)出口的(de)(de)结(jie)合来满足(zu)的(de)(de)，有(you)些(xie)地(di)区有(you)出口，有(you)些(xie)地(di)区以(yi)(yi)进(jin)口为主(zhu)。当(dang)产品在其生产的(de)(de)地(di)区使用(yong)时，运输(shu)距(ju)离很低，而当(dang)它(ta)出口时，它(ta)可以(yi)(yi)是数千公里的(de)(de)量级(ji)。在分析中考虑(lv)了(le)1500km的(de)(de)全(quan)(quan)球(qiu)加权(quan)平均运输(shu)距(ju)离，其中船舶和(he)卡车运输(shu)的(de)(de)比例估计为60:40。4种变压器(qi)设(she)计的(de)(de)排放(fang)量见表6

表6产(chan)品出厂运(yun)输CO2排放量

G.产品安装

安装过程能耗(hao)不高，估计1000kVA变压器的(de)CO2排放为60kg。

H.产品运行

这一阶段产生最大的CO2排放，因为变压器的空载损耗和负载损耗在25年的预期寿命内都将被考虑在内。

下面(mian)的计算(suan)假设变(bian)压(ya)器在整个使用(yong)寿(shou)命期间以50%的负(fu)载率运行，空载损耗在此(ci)期间保持不变(bian)。

该计算假设在整个生命周期内CO2排放量/kWh保持不变。然而，由于未来增加的新发电能力将主要来自可再生能源，这种情况在未来将会减少

表7 1000kVA变(bian)压器使用(yong)寿命碳排放量

I.产品的报废和回收

生命周期的(de)这一(yi)阶(jie)段(duan)包括材(cai)料(liao)的(de)回收(shou)和废物的(de)处理。回收(shou)利用的(de)潜(qian)力是(shi)根(gen)据今天的(de)技(ji)术来计(ji)算的(de)。

表8显示回收(shou)和处置的(de)物料(liao)(liao)(liao)数量。这(zhei)个阶(jie)段(duan)的(de)回收(shou)和使用(yong)具有(you)负(fu)的(de)排放(fang)值，因(yin)为回收(shou)是一种环境收(shou)益(yi)，如表8所示。处理其他材料(liao)(liao)(liao)(非回收(shou))和回收(shou)后的(de)剩余材料(liao)(liao)(liao)需(xu)要能源(yuan)，估计排放(fang)量为200kg/t

表(biao)8 物料寿命结束时的回(hui)收和处置情(qing)况

J. 1000kVA变压器的全寿命周期碳足迹

表9 总结了(le)4种1000kVA变压器设(she)计的净(jing)碳足迹(ji)。

表9 1000kVA变压器的使用寿命碳足迹(ji)

K.节约电能潜力

由于电能发电的节约，CO2排放量减少。所考虑的4种1000kVA变压器设计的寿命节能潜力评估见表10。

表10 电能节约潜力

L.全球变压器二氧化碳排放的节约潜力

从表9的计算结果可以看出，采用改进的设计可以减少变压器的CO2排放。例如，与设计1相比，设计2、设计3和设计4的生命周期CO2排放量分别为91%、70%和56%。低损耗变压器节省电能如表10所示。

据联(lian)合国《U4E-2017》报告(gao)估计(ji)，2020年世界用电量(liang)(liang)为(wei)24222TWh，变压器产(chan)生(sheng)的能量(liang)(liang)损失(shi)为(wei)1181TWh /年。

到2020年，电力(li)系统(tong)每年增加(jia)变(bian)压器的数量估计(ji)为(wei)1,225,000MVA，到2045年预计(ji)将增加(jia)一倍(bei)。

这里计算了使用这四种设计来减少全球变压器CO2排放的潜力。

据(ju)假设(she)，全球电(dian)力(li)系统(tong)(tong)变压(ya)器的(de)(de)(de)新增数(shu)量从2020年的(de)(de)(de)122.5万MVA的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)以(yi)每年4%的(de)(de)(de)复合速度增长。系统(tong)(tong)中现有(you)变压(ya)器的(de)(de)(de)基础排放被认为是(shi)不变的(de)(de)(de)。即使每年有(you)5%的(de)(de)(de)现有(you)高损耗(hao)/变压(ya)器被低损耗(hao)设(she)计(ji)取代，其节省的(de)(de)(de)潜力(li)也会高得多。

从2020年(nian)到(dao)2045年(nian)电力系统变压器的估计(ji)年(nian)增(zeng)(zeng)加量(liang)和(he)累计(ji)增(zeng)(zeng)加量(liang)见(jian)表11。

表11 预计(ji)变(bian)压器年增加量(liang)及累计(ji)增加量(liang)

假设使用上(shang)述4种(zhong)不同的设计方案，并如图2所示，计算2020年至2045年新变压器排(pai)放的增加量。

图(tu)2   排放水平情景(jing)(2020 - 2045年)

根据四种不(bu)同的(de)损耗(hao)水平，计算了(le)1000kVA变(bian)压(ya)器从出生到(dao)终老(lao)的(de)碳足(zu)迹。可以看(kan)出，在欧(ou)盟指令引入(ru)之前，符合(he)典型设计的(de)变(bian)压(ya)器的(de)寿命碳排放量为496.9吨。如果采用设计4中的(de)高效变(bian)压(ya)器，寿命排放降低(di)到(dao)276.7吨，降低(di)了(le)44%。

本文(wen)进一步评估了采用这四(si)种设计方案的(de)变压器的(de)全球(qiu)碳减排潜力。

如果继续使用设计1方案，到2045年的CO2排放量为2.2544亿吨，如果系统中所有新增变压器都符合设计4，则2045年的CO2排放量将降至1.2013亿吨