Měď a uhlík

Měď přispívá ke snižování emisí skleníkových plynů

Zvýšení průřezu drátů a kabelů, trolejových vedení železnice a vinutí transformátorů i motorů může výrazně zvýšit účinnost elektrické energie. Použití jednoho kilogramu mědi navíc může ušetřit 100 až 7 500 kg emisí skleníkových plynů (ekvivalentu CO2). Současně se tak dosáhne úspory energie, což v převážné většině případů vede ke snížení celkových nákladů za dobu životnosti systému.

Každý vodič v elektrickém systému má vlastní odpor. To znamená, že část přenášené elektrické energie se rozptýlí ve formě tepla a je tak ztracena, nebude užitečná. Výroba této promarněné elektrické energie produkuje emise oxidu uhličitého a přispívá tím ke globálnímu oteplování.

Důležitým počátečním rozhodnutím ve snaze snížit tyto ztráty je použití mědi jako vodiče

Rozdíly v odporu znamenají, že měděný vodič má pouze 61% ztrát oproti stejnému průměru v hliníku. Po rozhodnutí o použití mědi lze ztrátu energie dále snížit zvýšením průměru vodiče. I když ho není možné zvyšovat donekonečna, je pro vinutí transformátorů a motorů, elektrické kabely a trakční nadzemní vedení z ekologického pohledu optimální hodnota výrazně vyšší, než předepsané rozměry vodiče podle současných norem. Kromě toho se zvýšením průměru v převážné většině případů sníží náklady na systém za dobu jeho životnosti.

Figure 1: The most economic cable diameter is, in many cases, 3 sizes up from current standards

Obrázek 1: nejekonomičtější průměr kabelu je ve většině případů 3 velikosti nad platnou normou

To znamená, že investice do dalšího materiálu měděného vodiče má smysl jak z environmentálního, tak ekonomického hlediska.

Následující příklady popisují, jak zvětšení průměru měděného vodiče může snížit emise oxidu uhličitého:


15 kW indukční motor může během své životnosti ušetřit 15 320 kg emisí uhlíku
15 kW nízkonapěťový asynchronní motor čerpá vodu, pohání kompresor nebo ventilační systém. Modernizace motoru ze standardní účinnosti 89,4% na vyšší 91,8% vyžaduje zvýšení hmoty měděného vodiče z 8,3 na 10,3 kilogram. Za předpokladu, že motor má životnost dvacet roků a průměrné zatížení je asi 50% po více než 6000 hodin ročně, spočítá nástroj eko-designu snížení emisí za dobu životnosti o 15 320 kg CO2e (ekvivalentu CO2) s využitím průměrného mixu elektřiny v EU. To je snížení CO2e o 7 660 kg na kg přidané mědi.

Výrazný vliv na toto číslo má mix zdrojů elektřiny v daném státě. Ve Francii, kde převládá jaderná energie, je snížení emisí o 1 550 kg CO2e na kg mědi, zatímco v Polsku, kde se elektrická energie vyrábí převážně v uhelných elektrárnách, je snížení emisí 15 980 kg CO2e na kg mědi za celou dobu životnosti motoru.

1,6 MVA transformátor může ušetřit 1 023 kg emisí oxidu uhličitého na kg mědi
1,6 MVA, olejem chlazený transformátor se používá pro připojení průmyslových továren k veřejné síti velmi vysokého nebo vysokého napětí. Modernizace transformátoru z třídy AA na CC nebo na amorfní železné jádro vede ke zvýšení obsahu mědi o 220, respektive 720 kg. Za předpokladu, že životnost je třicet roků a průměrné zatížení 50% po dobu 8 760 hodin za rok, spočítá nástroj eko-designu na mixu elektřiny v EU snížení emisí za dobu životnosti o 1 023 kg CO2e/kg mědi pro CC transformátor a o 550 kg CO2e/kg mědi pro amorfní jádro transformátoru.

Elektrické dráty, použité v malé kancelářské budově, mohou snížit uhlíkové emise o 6 000 kg
Při dimenzování s použitím běžného software pro návrh kabeláže obsahují elektrické vodiče vybraných obvodů v malé kancelářské budově (~ 1 000 m2) 32,5 kg mědi. Předimenzování těchto vodičů o jeden standardní průměr zvýší použití mědi na 52,2 kg a na mixu elektřiny v EU sníží za celou dobu životnosti kabelu emise uhlíku o 6 000 kg. Tato hodnota odpovídá snížení o 400 kg CO2e/kg přidané mědi. Při dimenzování na nejnižší náklady na systém po dobu jeho životnosti by průměry měly být ještě větší a použití mědi by se zvýšilo na 114 kg. Ve srovnání s referenčním návrhem by snížení emisí oxidu uhličitého za dobu životnosti kabelů bylo 11 100 kg, tj. 137 kg CO2e na další kg mědi.

Figure 2: Comparing the carbon footprints of different cable sizes in various types of buildings. The base case is the international standard. S+1 and S+2 are cables upsized by one and two standard calibres. ‘Economic’ means designed to the lowest life cycle cost. ‘Carbon’ means designed to the lowest carbon footprint.

Obrázek 2: porovnání uhlíkových stop různých rozměrů kabelů v různých typech budov. Referenční případ je mezinárodní standard (norma). S+1 a S+2 jsou kabely, zvětšené o jeden a dva standardní průměry. “Ekonomický” znamená návrh na nejnižší náklady za dobu životnosti. “Uhlíkový” znamená návrh na nejnižší uhlíkovou stopu.

Nejekonomičtější případ vyžaduje značný nárůst průměru a znamená uhlíkovou stopu, která se přibližuje optimální.

Trolejová vedení holandských železnic by mohla ušetřit 93 kg emisí uhlíku na kg mědi
Nizozemský železniční systém používá pro trakci 1,5 kV ss. Modernizace průřezu jeho nadzemního vedení z 500 na 800 mm2 by vedlo k použití dalších 2 670 kg mědi na kilometr kolejí. Tato modernizace by snížila ztráty v trolejovém vedení, vypočtené na celou dobu životnosti systému podle průměrného denního jízdního řádu nizozemských drah, o 488 MWh. Nástroj eko-designu spočítá pro mix elektřiny v EU snížení emisí oxidu uhličitého za dobu životnosti o 93 kg CO2e na další kg mědi.

Skladba environmentální návratnosti
Jak tyto příklady ukazují, úspory emisí oxidu uhličitého jsou nejvyšší pro zařízení s vysokou mírou využití a v zemích s vysokým podílem fosilních paliv v mixu výroby elektřiny. Nicméně, dokonce v i systémech, kde jsou požadavky na životnost nižší, jsou úspory stále velmi výrazné.

Na straně výroby jsou při těžbě a výrobě každého kg mědi emitovány cca 3 kg CO2e [1]. To znamená, že uspořené emise uhlíku díky dodatečně použité mědi je třeba pro výpočet environmentální návratnosti vydělit třemi.

Stručně řečeno, úspory emisí uhlíku za dobu životnosti a příslušné faktory environmentální návratnosti pro další kg mědi jsou následující:

Aplikace Snížení emisí CO2e Faktor environmentální návratnosti
Trakční trolejové vedení 75 až 100 kg 25 až 33
odiče v kancelářské budově 100 až 400 kg 33 až 133
Transformátory 500 kg 166
Elektromotory 3000 až 7500 kg 1000 až 2500

Dalším velmi důležitým environmentálním přínosem použití mědi je její 100% recyklovatelnost na konci životnosti zařízení, a to bez jakékoli ztráty vlastností kovu. I když je hliník také recyklovatelný, zhoršení vlastností brání jeho recyklaci do nových vodičů – běžnou praxí je používat primární hliník.

Shrnutí
Zvětšení průměru měděného vodiče snižuje škodlivé emise CO2e. K výhodám patří vysoké faktory environmentální návratnosti, snížení nákladů po dobu životnosti systému a 100% recyklovatelnost po ukončení životnosti.

Odkazy
  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