Внедрение принципов круговой экономики в производстве компонентов электрических сетей
Введение
Электросеть является основой современной цивилизации, поставляя электроэнергию в дома, предприятия и отрасли. Тем не менее компоненты, которые составляют эту критическую инфраструктуру - трансформаторы, распределительные устройства, изоляторы, проводники и выключатели - традиционно производятся с использованием линейной модели утилизации. Этот подход потребляет огромное количество сырья, производит значительные отходы и способствует деградации окружающей среды. Поскольку мир продвигается к чистым нулевым выбросам, производство компонентов электросети должно претерпевать фундаментальную трансформацию.
Ввод в круговую экономику - регенеративную систему, предназначенную для поддержания продуктов, компонентов и материалов на самом высоком уровне полезности и стоимости в любое время. Интегрируя принципы круговой экономики в производство компонентов сети, производители могут уменьшить зависимость от девственных ресурсов, продлить срок службы продукта и создать потоки материалов замкнутого цикла. В этой статье исследуется, что означает круговая экономика для производства электросетей, почему это важно и как компании могут практически реализовать эти принципы для создания более устойчивой и устойчивой энергетической инфраструктуры.
Что такое круговая экономика?
Циркулярная экономика — это экономическая структура, которая отделяет рост от потребления конечных ресурсов. Вместо традиционной линейной модели — извлечения сырья, производства, использования и выброса — циркулярная модель сохраняет материалы в использовании как можно дольше путем повторного использования, ремонта, реконструкции, восстановления и переработки. Она построена на трех основных принципах: устранение отходов и загрязнения, циркуляция продуктов и материалов и регенерация природных систем.
Для производства это означает разработку продуктов с самого начала, учитывая весь их жизненный цикл. Компоненты должны быть легко разбирать, обновлять и перерабатывать. Материалы должны быть безопасными как для здоровья человека, так и для окружающей среды, а бизнес-модели должны переходить от продажи продуктов к предоставлению услуг или контрактов на выполнение. Фонд Эллен Макартур отстаивал эту концепцию во всем мире, обеспечивая четкую основу, которую могут принять отрасли всех типов. Узнайте больше о принципах круговой экономики.
Почему производство компонентов электросетей требует круговорота
Компоненты энергосистемы ресурсоемки. Один большой силовой трансформатор может содержать десятки тонн меди, стали и изоляционного масла. Изоляторы обычно изготавливаются из фарфоровых, стеклянных или полимерных композитов, а проводники обычно представляют собой алюминиевые или медные нити. Совокупный спрос на эти материалы для расширения и модернизации электрических сетей во всем мире ошеломляет. По данным Международного энергетического агентства (МЭА) , глобальная сеть должна добавить или отремонтировать более 80 миллионов километров линий к 2040 году для достижения климатических целей - для удовлетворения огромных количеств металлов и минералов.
Более того, компоненты сети имеют длительный срок службы — часто от 30 до 50 лет — но когда они достигают конца срока службы, многие попадают на свалки или неэффективно перерабатываются. Global E-waste Monitor сообщает, что только около 20% электронных отходов официально собираются и перерабатываются, а компоненты сети часто упускаются из виду в схемах утилизации. Этот линейный подход отбрасывает ценные материалы и создает экологические опасности, такие как утечка изоляционных жидкостей или тяжелых металлов. Переход к круговой модели может решить эти проблемы, а также обеспечить экономию затрат, устойчивость цепочки поставок и сокращение выбросов углерода.
Основные принципы, применяемые к компонентам сети
Внедрение цикличности в производстве компонентов сети требует перевода принципов высокого уровня в конкретные инженерные и бизнес-практики. В следующих подразделах подробно рассматриваются наиболее эффективные области деятельности.
Дизайн для долголетия
Продление срока эксплуатации компонентов сетки является одной из наиболее эффективных круговых стратегий. Вместо проектирования на фиксированный срок службы производители могут создавать продукты, которые легче обслуживать, обновлять и ремонтировать. Это предполагает использование высококачественных, прочных материалов; включение модульных конструкций, позволяющих заменять отдельные детали; и предоставление комплексной сервисной документации. Например, трансформатор, спроектированный с доступными втулками и системами уплотнения, можно отремонтировать на месте, а не полностью заменить, экономя ресурсы и сокращая время простоя.
Дизайн для разборки и переработки
Когда компонент в конечном итоге достигает конца срока полезного использования, его материалы должны быть извлекаемы с минимальной энергией и стоимостью. Это означает, что следует избегать склеенных соединений, композиционных материалов, которые трудно отделить, и опасных веществ, которые усложняют переработку. Использование стандартизированных крепежных элементов, маркировка всех материалов и предоставление инструкций по разборке могут значительно улучшить скорость восстановления. Сегодня многие изоляторы изготавливаются из смешанных полимерных композитов, которые почти невозможно переработать; переход на одноматериальные конструкции или легко отделяемые слои могут изменить это.
Производители, такие как Hitachi Energy, продемонстрировали, что большие трансформаторы могут быть разработаны для почти полного восстановления материала. Их концепция «кругового трансформатора» использует перерабатываемые изоляционные материалы и позволяет восстанавливать медь, сталь и изоляционное масло в конце срока службы. Читайте о подходе Hitachi Energy к круговой экономике .
Материальные инновации и замещение
Уменьшение воздействия на окружающую среду компонентов сетки также требует инноваций самих материалов. Переработанные металлы, особенно медь и алюминий, могут использоваться без ущерба для производительности, при условии наличия надлежащих механизмов контроля качества. Постпотребительская переработанная медь сохраняет свою проводимость и может быть получена из списанных кабелей или электроники, снижая углеродный след до 80% по сравнению с добытой медью.
Для изоляторов биоразлагаемые полимеры, полученные из растительных источников, становятся альтернативами пластмассам на основе нефти. Хотя эти материалы еще находятся на ранней стадии разработки, они предлагают многообещающий путь к сокращению отходов и токсичности. Аналогичным образом, изоляционные жидкости на основе натуральных эфиров (растительные масла) заменяют минеральное масло в трансформаторах, предлагая лучшую биоразлагаемость и пожарную безопасность. Сотрудничество с институтами и поставщиками материаловедения имеет решающее значение для масштабирования этих инноваций.
Восстановление и восстановление
Вместо того, чтобы доставлять компоненты с истекшим сроком службы на свалки, производители могут создавать программы возврата, которые восстанавливают ценные детали для восстановления. Хорошо функционирующая система восстановления может восстанавливать трансформаторы, распределительные устройства и другие устройства, перестраивать их в новое состояние и размещать их обратно на рынок. Этот подход с замкнутым контуром снижает потребность в добыче сырья и значительном потреблении энергии. Например, утилита может вернуть отставной трансформатор производителю в обмен на кредит в сторону отремонтированного устройства - классическая круговая бизнес-модель.
Стратегии осуществления
Переход от теории к практике требует систематического подхода. Следующие стратегии обеспечивают дорожную карту для производителей, стремящихся внедрить цикличность в свои операции.
Оценка жизненного цикла продукта
Перед внесением изменений производители должны понимать экологические и экономические последствия своей продукции на каждом этапе — добыча, производство, распределение, использование и конец срока службы. Проведение оценки жизненного цикла (LCA) помогает определить точки, где круговые вмешательства имеют наибольший эффект. Например, LCA может показать, что фаза использования доминирует над потреблением энергии для трансформатора, но фаза производства составляет большую часть отходов материала. Вооружившись этими данными, инженеры могут расставить приоритеты в изменениях дизайна, которые имеют наибольшее значение.
Взять обратно и обратить логистику
Реализация программы возврата требует создания обратных логистических сетей для сбора использованных компонентов от коммунальных предприятий и операторов сетей. Это может быть сделано через партнерские отношения с поставщиками логистики или путем создания региональных центров сбора. Производители также должны инвестировать в сортировку, тестирование и реконструкцию объектов. Примером является инициатива по возврату трансформатора ABB (теперь Hitachi Energy) , которая восстановила тысячи тонн меди и стали для повторного использования. Потребители коммунальных услуг получают выгоду от снижения затрат на удаление и упрощенного соблюдения правил электронных отходов.
Модульный дизайн для модернизации
Компоненты сетки, разработанные в модульных блоках, позволяют проводить постепенные обновления без замены всего блока. Например, панель распределительного устройства со сменными модулями управления может обновлять свою электронику до современных стандартов, в то время как корпус, шины и механические детали остаются в эксплуатации. Это продлевает срок службы, уменьшает электронные отходы и снижает общую стоимость владения для коммунальных служб. Производители могут предлагать комплекты обновлений и контракты на обслуживание, которые стимулируют долгосрочные отношения с клиентами, а не одноразовые продажи.
Сотрудничество с поставщиками и круговые закупки
Производители должны тесно сотрудничать с поставщиками сырья для получения переработанных или устойчиво производимых материалов. Это может включать контракты, определяющие минимальный процент переработанного содержания металлов, или закупки сертифицированных минералов с ответственным источником. Для гармонизации практики по всей цепочке поставок появляются совместные инициативы, такие как Circular Electronics Partnership (CEP) и отраслевые стандарты Международной электротехнической комиссии (IEC) .
Кроме того, производители должны оценивать углеродный след и эффективность материалов в своей собственной цепочке поставок. Выбор поставщиков, которые также применяют круговую практику, умножает положительное влияние. В некоторых юрисдикциях преференциальная политика закупок уже требует демонстрации круговой структуры, поэтому раннее принятие позиционирует производителей благоприятно для будущих правил.
Проблемы и возможности
Несмотря на очевидные преимущества, переход к круговой экономике в производстве компонентов сети не лишен препятствий.
Высокие первоначальные затраты
Переоборудование производственных линий, перепроектирование продуктов и создание логистики возврата требуют значительных капитальных вложений. Малым и средним производителям может быть трудно поглотить эти затраты без финансовой поддержки. Однако долгосрочная экономия за счет сокращения закупок материалов, снижения сборов за удаление отходов и новых потоков доходов от ремонта часто перевешивает первоначальные расходы. Анализ стоимости жизненного цикла последовательно показывает, что круглые продукты имеют более низкую общую стоимость владения для клиентов, создавая конкурентное преимущество на рынках, которые ценят устойчивость.
Технологические и материальные ограничения
Не все материалы имеют зрелые потоки рециркуляции. Например, армированные волокнами композиты, используемые в некоторых современных изоляторах, сложно отделить и обработать. Кроме того, высоковольтные изоляционные системы требуют точных электрических и тепловых свойств, которые могут еще не соответствовать переработанным материалам. Текущие исследования в круглых материалах закрывает эти пробелы, и ранние пользователи могут помочь сформировать стандарты и технологии будущего. Инвестиции в партнерства в области исследований и разработок с университетами и национальными лабораториями необходимы.
Нормативно-правовые рамки и стандарты
Действующие правила часто отстают от целей кругового регулирования. Законы об управлении отходами, например, могут классифицировать используемые компоненты сети как опасные отходы, даже когда они содержат извлекаемые материалы, добавляя административную нагрузку. С другой стороны, План действий по круговой экономике Европейского союза приводит к более строгим требованиям к долговечности, ремонтопригодности и вторичной переработке продукции, особенно через Экодизайн для регулирования устойчивых продуктов (ESPR). Производители, которые активно соответствуют этим новым стандартам, будут лучше позиционироваться для соблюдения и захвата доли рынка. Исследуйте План действий по круговой экономике ЕС .
Примеры из реального мира и тематические исследования
Несколько ведущих компаний уже доказали, что круговое производство компонентов сети является жизнеспособным.
Siemens Energy — трансформаторная циркуляция
Siemens Energy разработала круговую конструкцию своих трансформаторов HVDC, сосредоточившись на модульной конструкции и использовании переработанных медных обмоток. Их процесс включает в себя систему охлаждения с замкнутым контуром, которая устраняет утечки нефти и упрощает восстановление жидкости в конце срока службы. Компания также сотрудничает с коммунальными службами, чтобы предлагать контракты на трансформатор как услугу, где собственность остается с Siemens и обновления производительности включены - классическая круговая бизнес-модель.
Итон — Circular Switchgear
Линейка продуктов Eaton Green Premium включает распределительные устройства и выключатели, разработанные с использованием перерабатываемых материалов и крепежных элементов, удобных для разборки. Они работают по программе возврата для устаревшего оборудования, восстанавливая до 95% материала по весу. Утилизированная сталь, медь и пластмассы подаются обратно в новые продукты. Eaton сообщает, что эти усилия сэкономили более 20 000 тонн девственного материала ежегодно.
Ормазабаль — Циркулярные трансформаторы MV/LV
Испанский производитель Ormazabal производит трансформаторы среднего и низкого напряжения с использованием 100% переработанных алюминиевых обмоток и биоразлагаемого эфирного масла. Их конструкция позволяет полностью разделить компоненты, а для обеспечения восстановления они предлагают гарантию обратного выкупа. Такой подход снижает углеродный след каждого трансформатора почти на 60% по сравнению с обычными моделями.
Путь вперед
Циркулярная экономика — это не нишевая тенденция, а императив для электросетевой промышленности. По мере роста спроса на электроэнергию и модернизации сетей для размещения возобновляемых источников энергии экологическое и экономическое давление на внедрение циркулярной практики будет только усиливаться. Производители, которые начинают сейчас — путем перепроектирования продуктов, сотрудничества с поставщиками и инновационных бизнес-моделей — возглавят переход.
Политики могут ускорить этот сдвиг, предоставляя стимулы для кругового проектирования, финансирования НИОКР и гармонизации правил обращения с отходами. Коммунальные услуги, как основные клиенты, могут стимулировать спрос, включив критерии круговорота в тендерные заявки на закупки. Вместе вся цепочка создания стоимости может превратить линейную модель «бери-делай-утилизи» в регенеративную систему, которая обеспечивает надежную, устойчивую энергию для поколений.
Для дальнейшего чтения о материальных требованиях перехода на энергию см. отчет МЭА о критических минералах . Доступ к докладу МЭА . Кроме того, Глобальный мониторинг электронных отходов Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде предоставляет важные данные об электронике с истекшим сроком службы, включая компоненты сети. Посмотреть Глобальный мониторинг электронных отходов .
Внедряя эти принципы, отрасль компонентов электросетевого комплекса может сыграть ключевую роль в построении устойчивой экономики замкнутого цикла.