Основы оценки жизненного цикла окружающей среды

Количественная оценка воздействия технических средств на окружающую среду является сложной задачей, в которой переплетены технические, экологические, опасные для здоровья и др. аспекты. Эта задача может быть решена с помощью стандартизированной методики, основные особенности которой здесь кратко выделены как частный случай электрического оборудования с элегазовой изоляцией.

Процессуальная основа LCA зарегистрирована в международном стандарте ISO 14040 [11]. Выраженная упрощенным способом, LCA осуществляется в виде следующих 5 этапов:

(1) Выбирают типичный (характерный) функциональный элемент аппаратуры с заданными характеристиками, например, ячейку КРУЭ с заданным напряжением и коммутационной способностью, или единичную длину ГИЛ с заданным напряжением и мощностью линии передачи, или даже полную региональную систему питания.

(2) Определяют " диапазон" исследования, например, какая фаза жизненного цикла (изготовление, транспортировка, монтаж, эксплуатация, вывод из эксплуатации или отбраковка) рассматривается; какие предусматриваются материалы, способы выработки электроэнергии, сценарии транспортировки; какие виды воздействия на окружающую среду оцениваются, и какие методологические методы должны применяться.

(3) Составить описание жизненного цикла (LCI), в котором должны быть количественно определенывсе соответствующие данные, потоки энергии в систему, а также все выбросы и потоки отработавших газов из системы, напр.: -

(a) Требуемые материалы и мощности, расходуемые на изготовление оборудования, такие как элегаз, проводник и металлы корпуса, материалы изолятора, материалы для опорных конструкций и строительных работ, материалы для контрольно-измерительной аппаратуры и т.д...

(b) выбросы и отходы, возникающие при процессах производства этих материалов, '

(c) потери мощности оборудования в течение его эксплуатационного срока службы; (для газоизолированного оборудования, главным образом, омические потери в проводнике и корпусе), и

(d) потери и выделения мощности, связанные с выводом из эксплуатации, отбраковкой и рециркуляцией оборудования в конце его срока службы.

(4) Этап Оценка воздействия в течение жизненного цикла (LCIA) проводится на базе LCI данных соответствующих воздействий на окружающую среду, таких как выброс, соответствующий климату. Все данные воздействий количественно сгруппированы в группы по потребляемым первичным топливам и соответственно выделяемому C0₂, чтобы можно было оценить полный потенциал глобального потепления (GWP).

(5) Этап Анализ жизненного цикла сочетает данные LCI и LCIA для получения выводов и рекомендаций в рамках диапазона исследований.

(6) И наконец, стандарт ISO требует проведения независимой организацией обзора (проверки) исследований до обнародования их результатов.

Особой формой оценки жизненного цикла с точки зрения отношения к окружающей среде является сравнительное утверждение в котором воздействие на окружающую среду двух конкурирующих систем с одинаковыми свойствами сравнивается в относительных терминах. Пример подробного сравнительного утверждения полной региональной системы электроснабжения приведен в [12]. В нем оценивается воздействие на окружающую среду системы с и без использования элегаза, и делается вывод, что полномасштабное использование элегаза снижает общее потребление энергии и параметры различных воздействий на атмосферу примерно на 20 - 30 %.

3.3 Выбросы элегаза из оборудования со смесями SF₆-N₂

Сравнительное утверждение, проводимое в соответствии со стандартом ISO 14040, представляет собой сложную задачу, требующую составления рабочего плана, всесторонних численных оценок и подробной базы данных по окружающей среде.

Чтобы проиллюстрировать его основные принципы работы, мы рассмотрим особый случай, выбросы элегаза из систем, работающих с чистым элегазом и смесями SF₆-N₂.

В качестве эталонной системы, мы рассмотрим однофазную коаксиальную газоизолированную систему заполненную чистым SF6 при давлении p_o. Эта система имеет удельный коэффициент, выраженный через номинальные напряжение и ток. Замена чистого элегаза смесью с концентрацией элегаза n ухудшает изоляционные свойства. Для сохранения свойств эталонной системы она должна быть модернизирована. В качестве наипростейшей модернизации, мы повышаем давление газа * p_o до значения p_mix так, чтобы ухудшение изоляционных свойств смеси компенсировалось повышением давления.* Чтобы определить необходимое повышение давления мы воспользуемся тем фактом, что изоляционные свойства газов пропорциональны их критическому полю E_cr, которое, в свою очередь, пропорционально давлению газа p, так что

E_сr ⁼ (E/p) _{сr, mix} P = (E/p) _{cr, o} f(n) p (1).

где (E/p)_{cr, o} – давление, привеленное к критическому полю чистого элегаза, а f(n) – безразмерная поправочная функция, характеризующая изоляционную синергию газовой смеси (см. рис. 4.1).

Для сохранения тех же самых изоляционных свойств, нам необходимо E _{cr.mix (pmix)} = E _{cr, SF6}(po). Из этого следует

Pmix/Po ⁼ l/f(v) (2)

Количество требуемого элегаза таким образом сокращается за счет коэффициента

M _SF6mix/M _{SF6, 0} = n P_mix/Po = n/f(n) - (3)

Последствия этой модернизации при выбросе элегаза в атмосферу носят двойственный характер.

Во-первых, запас SF6, содержащегося в оборудовании, сокращается за счет коэффициента v/f(v). Этот запас представляет собой количество, соответствующее потерям при проведении газотехнологических операций и при случайных выбросах. Во-вторых, величина утечки SF6 через уплотнения и другие небольшие пористости определяется парциальным давлением элегаза. Таким образом, она пропорциональна np _mix, таким образом, что сокращается по отношению к изоляции чистым элегазом на коэффициент

l _mix /lo = n P _mix/P_o = n/f(n) (4)

* Примечание: Даже при использовании этого простого метода требуется соблюдение некоторой осторожности, т. к. возрастающее давление может сделать оборудование более восприимчивым к пробою.

т.е. на тот же коэффициент, что и в уравнении 3.

Таким образом, при условии, что КПД элегазовых смесей при проведении газотехнологических операций тот же, что и у чистого элегаза, потери при проведении газотехнологических операций и в результате утечки элегаза из системы сокращаются на коэффициент v/f (v). Так как этот коэффициент возрастает несколько быстрее, чем n, то можно прийти к следующему выводу:

(1) Меньшая концентрация элегаза в смеси может сократить выбросы элегаза, например, 10 % концентрация элегаза может сократить выбросы элегаза примерно на 85 %.

(2) Использование азота для уменьшения концентрации элегаза снижает воздействие на окружающую среду, связанное с выбросами газа, в то время как использование CF₄ не имеет никакого преимущества с точки зрения экологии, потому что CF4 - также сильный тепличный газ.

Вышеупомянутые утверждения справедливы только в том случае, если газотехнологические операции со смесью осуществляются с той же самой эффективностью, что и с чистым элегазом.

Резюме

Оценка климатических свойств смесей элегаза проводится на основе оценки использования и проведения газотехнологических операций с чистым элегазом. Элегаз не должен умышленно выбрасываться и должен систематически многократно использоваться в соответствии с существующими методиками. Системный подход для определения воздействия элегазового оборудования на окружающую среду - Оценка жизненного цикла Окружающей среды (LCA).

Структура методики LCA зарегистрирована в международном стандарте ISO 14040. Особой формой оценки жизненного цикла с точки зрения отношения к окружающей среде является сравнительное утверждение в котором воздействие на окружающую среду двух конкурирующих систем с одинаковыми свойствами сравнивается в относительных терминах. Такое сравнение систем с и без использования элегаза позволяет прийти к выводу, что полномасштабное использование элегаза снижает общее потребление энергии и воздействие на атмосферу примерно на 20 - 30 %.

(3) Несмотря на то, что полный LCA или даже сравнительное утверждение системы, содержащей смесь элегаза с другим газом, выходят за рамки этого документа, здесь рассматриваются основные принципы на базе сравнения выбросов из системы, работающей на чистом элегазе с выбросами из системы со смесью SF₆-N₂. Сравнение позволяет сделать вывод, что смеси SF6-N2 сокращают выброс элегаза и снижают связанное с этим воздействие на окружающую среду. Например, 10% концентрация элегаза снижает выбросы элегаза на 85%. Этот вывод справедлив только в том случае, если газотехнологические операции со смесью осуществляются с той же самой эффективностью, что и с чистым элегазом. Обратите внимание, что смеси SF6 - CF₄ не дают никакого преимущества с точки зрения экологии перед чистым SF6, потому что CF4 - также сильный тепличный газ.