Miedź i dwutlenek węgla

Udział miedzi w redukcji emisji gazów cieplarnianych

 

Zwiększenie średnicy kabli i przewodów, przewodów trakcyjnych linii kolejowych oraz uzwojeń silników i transformatorów może w znacznym stopniu poprawić efektywność energetyczną urządzeń elektrycznych. Użycie dodatkowego kilograma miedzi w systemie energetycznym może ograniczyć emisję gazów cieplarnianych o 100–7500 kg (CO2e). Jednocześnie uzyskana oszczędność energii doprowadzi w większości przypadków do redukcji kosztów w całym cyklu eksploatacji systemu.

Każdy przewodnik w systemie energetycznym ma charakterystyczną rezystywność. Oznacza to, że część przewodzonej energii elektrycznej zmienia się w ciepło i staje się bezużyteczna. Podczas wytwarzania tej niewykorzystywanej energii emitowany jest dwutlenek węgla, który przyczynia się do globalnego ocieplenia.

Jeśli chcemy ograniczyć te straty, ważne jest, aby już na początkowym etapie inwestycji zdecydować się na wybór miedzi jako przewodnika.

Różnica w rezystywności sprawia, że w przypadku przewodnika miedzianego straty są o 61% mniejsze w porównaniu z aluminiowym odpowiednikiem o tej samej średnicy. Gdy już zdecydujemy się na wybór miedzi, możemy dalej redukować straty energii, zwiększając średnicę przewodu. Choć nie można zwiększać tego parametru w nieskończoność, optymalna dla środowiska średnica uzwojeń transformatorów i silników, przewodów elektrycznych i napowietrznych linii trakcyjnych jest znacznie większa, niż przewidują to obecne normy. Dodatkowo zwiększenie średnicy w większości przypadków przyczyni się do redukcji kosztów w całym cyklu eksploatacji systemu.

 

Rysunek 1: Najbardziej ekonomiczna średnica przewodu jest w wielu przypadkach o trzy rozmiary większa niż przewidziana przez normy

Oznacza to, że inwestycja w dodatkowy materiał przewodzący wykonany z miedzi jest sensownym rozwiązaniem zarówno z ekologicznego, jak i ekonomicznego punktu widzenia.

W jaki sposób zwiększenie średnicy przewodnika miedzianego może zmniejszyć emisję dwutlenku węgla? Oto przykłady:

 

W przypadku silnika indukcyjnego o mocy 15 kW możliwa jest redukcja emisji dwutlenku węgla o 15 320 kg w całym cyklu eksploatacji.

Silnik indukcyjny niskiego napięcia o mocy 15 kW jest wykorzystywany do pomp wodnych, sprężarek powietrza i systemów wentylacyjnych. Zamiana silnika o standardowej wydajności 89,4% na model o wydajności 91,8% wymaga zwiększenia zawartości przewodnika miedzianego z 8,3 kg do 10,3 kg. Przyjmijmy, że cykl eksploatacji silnika wynosi 20 lat i pracuje on ze średnim obciążeniem na poziomie 50% przez ponad 6000 godzin rocznie. Według obliczeń wykonanych przez narzędzie do ekoprojektowania na bazie koszyka energii elektrycznej UE stosowanie bardziej wydajnego modelu pozwala zredukować emisję CO2e o 15 320 kg w całym cyklu eksploatacji urządzenia. Oznacza to, że każdy dodatkowy kilogram miedzi przekłada się na redukcję emisji CO2e o 7660 kg.

Koszyk energii elektrycznej w poszczególnych państwach ma znaczny wpływ na tę wartość. We Francji, gdzie dominuje energia jądrowa, redukcja emisji CO2e wynosi 1550 kg/kg miedzi. W Polsce, gdzie elektryczność wytwarzana jest głównie w elektrowniach węglowych, redukcja emisji CO2e w całym cyklu eksploatacji silnika jest równa 15 980 kg/kg miedzi.

Transformator o mocy pozornej 1,6 MVA pozwala ograniczyć emisję dwutlenku węgla o 1023 kg na kilogram miedzi.

Transformator o mocy pozornej 1,6 MVA chłodzony olejem jest używany do łączenia zakładów przemysłowych z siecią publiczną wysokiego lub średniego napięcia. Zamiana transformatora klasy AA na model klasy CC lub na amorficzny transformator z rdzeniem żelaznym wiąże się ze wzrostem zawartości miedzi odpowiednio do 220 lub 720 kg. Przyjmijmy, że cykl eksploatacji transformatora wynosi 30 lat i pracuje on ze średnim obciążeniem na poziomie 50% przez ponad 8760 godzin rocznie. Według obliczeń wykonanych przez narzędzie do ekoprojektowania na bazie koszyka energii elektrycznej UE stosowanie transformatora klasy CC pozwala zredukować emisję CO2e o 1023 kg/kg miedzi, a stosowanie transformatora z rdzeniem amorficznym przyczynia się do zmniejszenia emisji CO2e o 550 kg/kg miedzi w całym cyklu eksploatacji urządzenia.

Przewody elektryczne używane w małych biurowcach mogą zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 6000 kg.

Przewody elektryczne, których wymiary wyznacza się przy użyciu oprogramowania do projektowania kabli o wspólnych parametrach, stosowane do wybranych obwodów w małych biurowcach (ok. 1000 m2), zawierają 32,5 kg miedzi. Powiększenie ich o jeden standardowy rozmiar zwiększyłoby zawartość miedzi do 52,2 kg i zredukowało emisję dwutlenku węgla według koszyka energii elektrycznej UE o 6000 kg w całym okresie wykorzystywania przewodów. Oznacza to, że każdy dodatkowy kilogram miedzi przekłada się na redukcję emisji CO2 o 400 kg. Przewody projektowane z myślą o jak najniższych kosztach systemu w całym cyklu eksploatacji musiałyby mieć jeszcze większą średnicę, a co za tym idzie — zawartość miedzi wzrosłaby do 114 kg. W porównaniu ze scenariuszem podstawowym emisja dwutlenku węgla zostałaby zredukowana o 11 100 kg w całym okresie wykorzystywania przewodów, co odpowiada zmniejszeniu emisji CO2 o 137 kg na każdy dodatkowy kilogram miedzi.

Rysunek 2: Porównanie śladu węglowego przewodów o różnych rozmiarach w różnych typach budynków. Wariant podstawowy odpowiada normie międzynarodowej. Warianty S+1 i S+2 oznaczają kable powiększone odpowiednio o jeden lub dwa standardowe rozmiary. Wariant ekonomiczny oznacza najniższe koszty eksploatacji. Wariant niskoemisyjny oznacza najmniejszy ślad węglowy.

Wybór najbardziej ekonomicznego wariantu wymaga znacznego zwiększenia średnicy przewodów i skutkuje śladem węglowym bliskim optymalnej wartości.

Zmiana średnicy napowietrznych linii trakcyjnych duńskich kolei pozwoliłaby zredukować emisję dwutlenku węgla o 93 kg na każdy kilogram miedzi.

Napięcie trakcji w systemie duńskich kolei jest równe 1,5 kV DC. Zwiększenie średnicy przewodów napowietrznych z 500 do 800 mm2 wiązałoby się z wykorzystaniem dodatkowych 2670 kg miedzi na kilometr trakcji. W całym okresie eksploatacji systemu umożliwiłoby to redukcję strat w przewodach trakcyjnych o 488 MWh, biorąc pod uwagę przeciętny rozkład jazdy duńskich kolei. Według obliczeń wykonanych przez narzędzie do ekoprojektowania na bazie koszyka energii elektrycznej UE w całym cyklu eksploatacji systemu emisja CO2 zostałaby zredukowana o 93 kg na każdy dodatkowy kilogram miedzi.

Wieloaspektowość zysku dla środowiska

Jak pokazują powyższe przykłady, największą oszczędność emisji dwutlenku węgla uzyskuje się w przypadku urządzeń o wysokim współczynniku wykorzystania mocy oraz w krajach, w których paliwa kopalne mają duży udział w koszyku wytwarzania energii elektrycznej. Jednak nawet w systemach o mniejszych wymaganiach eksploatacyjnych można uzyskać znaczne oszczędności.

Jeśli chodzi o produkcję, w procesie wydobywania i wytwarzania każdego kilograma miedzi emitowanych jest około 3 kg CO2 [1]. Oznacza to, że aby oszacować zysk dla środowiska związany ze zmniejszeniem emisji dwutlenku węgla na każdy dodatkowy kilogram miedzi, należy obliczoną wartość redukcji podzielić przez trzy.
Podsumowując, ograniczenie emisji dwutlenku węgla w całym okresie eksploatacji systemów i odpowiadająca mu korzyść dla środowiska na każdy dodatkowy kilogram miedzi prezentują się następująco:

Zastosowanie Redukcja emisji CO2 Zysk dla środowiska
Napowietrzne linie trakcyjne od 75 do 100 kg od 25 do 33
Przewody w biurowcach od 100 do 400 kg od 33 do 133
Transformatory 500 kg 166
Silniki elektryczne od 3000 do 7500 kg od 1000 do 2500

Inną bardzo ważną korzyścią dla środowiska jest to, że po zużyciu urządzeń miedź można poddać recyklingowi w 100%, bez straty jej właściwości. Chociaż aluminium również nadaje się do ponownego przetworzenia, ograniczenia związane z wydajnością tego metalu uniemożliwiają jego powtórne wykorzystanie w nowych przewodach. Dlatego stosowanie aluminium pierwotnego jest standardową praktyką.

Inną bardzo ważną korzyścią dla środowiska jest to, że po zużyciu urządzeń miedź można poddać recyklingowi w 100%, bez straty jej właściwości. Chociaż aluminium również nadaje się do ponownego przetworzenia, ograniczenia związane z wydajnością tego metalu uniemożliwiają jego powtórne wykorzystanie w nowych przewodach. Dlatego stosowanie aluminium pierwotnego jest standardową praktyką.

Podsumowanie

Zwiększenie średnicy przewodników miedzianych ogranicza szkodliwą emisję CO2. Korzyści związane z tą praktyką obejmują duży zysk dla środowiska, redukcję kosztów eksploatacji systemu i możliwość poddania miedzi recyklingowi w 100% po zużyciu urządzenia.

Wykaz źródeł

 

  1. ECI, 2006, www.copper-life-cycle.org, providing up to date life cycle data on key products
  2. EPD, May 2000, Product Specific Requirements for Rotating Electrical Machines, available from www.environdec.com
  3. European Commission – DG TREN, 1999, Save: Technical, economical and cost-benefit analyses of energy efficiency improvements in industrial three-phase induction motors
  4. THERMIE, December 1999, THERMIE STR-1678-98-UK: the Scope for Energy Saving in the EU through the Use of Energy-Efficient Distribution Transformers, available from www.leonardo-energy.org
  5. Leonardo ENERGY, R. Targosz (ed) et al, February 2005, Global energy savings potential from high efficiency distribution transformers, available from www.leonardo-energy.org
  6. Frederik Groeman, July 2000, Optimal reduction of energy losses in catenary wires for DC railway systems, ref 98430138-TDP 00-12709, available from www.leonardo-energy.org
  7. Frederik Groeman, November 2001, Benefits of upgrading the overhead line of a DC railway line in the Netherlands – a simulation case study, available from www.leonardo-energy.org