Analýza nákladů/zisků při použití vodiče ACCC oproti základnímu vodiči ACSR na 500 kV vedení

Z analýzy vyšel nejlépe vodič ACCC

ACCC vodič s názvem Dublin (520 mm²) vyšel pro celou přenosovou soustavu jako nejlepší, a to především z důvodu výsledků analýzy nákladů a výnosů, která poukazuje na skutečnost, že použitím vodiče ACCC Dublin se zvýší přenosová kapacita o 225 % oproti kapacitě vodiče ACSR Condor. Navíc lze dosáhnout efektivnější přenos energie, který zredukuje ztráty v síti. Výsledkem je 38% návratnost dodatečných investic, která se vrátí za méně než tři roky.

Ekonomické výhody:

• Míra návratnosti (IRR) dodatečných investic v případě vodiče ACCC Dublin: 32 – 38 %
• Návratnost dodatečných investic v rámci finanční sazby ve výši 6 %: 2,9 – 3,6 let

Vedle těchto nesporných ekonomických předností, existují další „měkké“ výhody při použití vodiče ACCC Dublin oproti v současnosti nejpoužívanějšího vodiče ACSR Condor.

• Kapacita N-1, N-2 nebo dokonce N-3 jako součást integrované sítě zajistí dramatické zvýšení spolehlivosti a efektivnosti sítě.
• Každá nová linka bude nastavena tak, aby zvládla případné navýšení zátěže.
• Vodič ACCC Dublin může využít stávající konstrukce stožárů, čili stávající trasy vedení.

Vodič ACCC Dublin tak jednoznačně nabízí významné zlepšení z pohledu ekonomiky, výkonu a spolehlivosti přenosové soustavy v porovnání s vodičem ACSR Condor a měl by být využit pro veškeré budoucí linky 500 kV.

V další části tohoto článku uveřejňujeme technické a komerční výhody při použití vodiče ACCC Dublin místo vodiče ACSR Condor. Dva body využití vodiče ACCC Dublin místo vodiče ACSR Condor jsou věnovány v dodatku (1), kdy se využije financování z externích zdrojů a (2), kdy další projekty na výrobu elektrické energie vyžadují přidání třech či čtyř okruhů v čase.

POROVNÁNÍ TECHNICKÉ VÝKONNOSTI VODIČŮ ACCC OPROTI VODIČŮM ACSR

1) Prvním krokem studie bylo stanovit předpoklady pro základní čtyřsvazkový vodič ACSR Condor, použitý ve dvoupotahovém 500 kV vedení zavěšeným na stožárech.

Tabulka č. 1 obsahuje předpoklady pro povětrností podmínky a zatížení vedení použité v této studii. Povětrností podmínky jsou typické pro město Addis Abeba a representují stávající provozní podmínky pro přenosové vedení.

Vedení 500 kV, použité pro naše porovnání, má délku 50 km, a přenese maximálně 2 900 A na jednu fázi, což znamená maximální zatížení 2 511 MW na fázi pro jedno přenosové vedení. Zátěžový faktor 70% je typický pro většinu existujících přenosových linek v rámci sítě EEP, a předpokládané podmínky pro provoz přenosové soustavy znamenají rostoucí poptávku po elektrické energii.

Cena elektrické energie bude použita pro finanční hodnocení objemů ztrát a úspor v rámci aplikace různých vodičů v dané přenosové soustavě. Předpokládaná hodnota 50 USD za MWh je brána jako konzervativní a reprezentuje hodnotu mezi nejvíce efektivní nákladovou cenou výroby elektrické energie za pomoci vodní elektrárny a cenou, za kterou se obchoduje na trhu. Tento předpoklad byl brán jako základ v rámci této analýzy.

2) Ve druhém kroku je nutné stanovit parametry vodičů, aby bylo možné provést srovnání s vodičem ACSR Condor, který je používán pro existující vedení 500 kV.

V rámci zachování konzervativního přístupu tato studie předpokládá, že nový vodič bude využívat stávající stožáry, které byly specifikovány pro ACSR čtyřsvazkové vodiče. Toto znamená, že cena stožárů bude totožná. Nicméně, hodnoty průhybu/napětí vodičů ACCC mohou zredukovat počet věží zvýšením rozpětí. Vše při zachování požadavků na hodnoty průhybů stanovené pro vodič ACSR Condor při maximální provozní kapacitě.

Vodiče, které byly vybrány pro porovnání, budou mít následující charakteristiky při zachování rozumných instalačních charakteristik pro dvoufázové 500 kV stožáry, pro vedení a vodiče samotné:

Instalační napětí: < 35 kN
Maximální instalované napětí %RTS: < 22 %
Maximální průhyb při největším napětí: < 17m

Můžeme použít jakýkoliv vodič, který dokáže vyhovět těmto parametrům pro zatížení a výšku průhybu v tomto pořadí (1) jmenovitá pevnost v tahu (2) hmotnost a (3) teplotní profil průhybu.

3) Třetím krokem je výběr možností vodičů a porovnání technických parametrů.

Tabulka č. 2 ukazuje kapacitu, odpor, ztráty a průhyb napětí vodiče ACSR Condor a dvou vodičů ACCC vybraných pro porovnání nízkých nákladů a vysoké efektivity.

Základní vodič: ACSR Condor (402 mm², 22% RTS)
Vodič #1: ACCC Brussels (421 mm², 22% RTS)
Vodič #2: ACCC Dublin (524 mm², 15% RTS)
Vodič #3: ACCC Dublin (524 mm², 18% RTS)

Ve dvou sekcích označených zeleně je vidět, že oba vodiče splňují základní mechanické vlastnosti jako stávající vedení při instalaci s napětím menším než 35 kN v horizontálním směru, zatímco průhyb byl menší než 17 metrů při maximální provozní teplotě, vše při plném zatížení.

Je zde taktéž vidět (viz zvýrazněno modře), že vodič ACCC Dublin instalovaný při 15% Rated tensile strength (RTS – Jmenovitá pevnost v tahu vodiče) nabízí shodné instalační rozpětí jako vodič ACSR instalovaný při 22 % RTS – s přibližně stejným počátečním napětím v horizontálním směru (27, 5 vs. 27,6 kN. Vodič ACCC Dublin dokáže zvýšit instalační rozpětí (snížením počtu jednotlivých stožárů a tím i konstrukcí), pokud se bude instalovat při 18 % RTS a stále bude odpovídat požadovanému napětí a průhybu pro 500 kV stožáry s dvěma potahy

Další charakteristiky vodiče:

• Vodič ACCC Dublin obsahuje o 30 % více hliníku při stejné hmotnosti jako vodič ACSR, ale je o 50 % silnější a má přibližně stejnou hmotnost. To umožňuje, aby bylo instalační napětí o mnoho nižší, než je jmenovitá pevnost v tahu vodiče.
• Vodič ACCC Dublin, který je určený pro instalační napětí 27,5 kN, je při 15 % RTS nevyužitý. Při tomto napěťovém limitu lze vodič ACCC Dublin použít pouze tak, že dosahuje 450 metrů instalačního rozpětí vodiče ACSR Condor. Z tohoto důvodu, nedochází ke snížení počtu stožárů.
• Při použití vyššího napětí vodiče ACCC Dublin instalovaného při 18% RTS, lze zvýšit rozpětí na hodnotu 490 m, což přinese redukci počtu stožárů a všech nákladů o 8 % oproti původnímu návrhu tj. při využití vodiče ACSR Condor.

Elektrické parametry vodičů - srovnání je uvedeno v tabulce č. 3.

Za zmínku určitě stojí zmínit skutečnosti, že vodič ACCC nabízí až 227 % vyšší kapacitu, než vodič ACSR Condor. Při uvažovaném zatížení 2 900 A, nabízí vodič ACCC Brussel nižší odpor a tím nižší ztráty. Vše je dosahováno díky použití žíhaného hliníku v porovnání s vodičem ACSR s nežíhaným hliníkem, a to při stejné nebo nižší hmotnosti. Vodič ACCC Dublin redukuje ztráty I2R o 1 603 MWh při uvažovaném zatížení 2 900 A.To představuje 28 % úsporu ztrát, vznikající ve vedení oproti klasickému ACSR vodiči Condor, u kterého ztráta činí 254 741 MWh.

SROVNÁNÍ EKONOMICKÉ VÝKONOSTI PRO DVOUPOTAHOVÉ VEDENÍ 500 KV

Ekonomická analýza nákladů a výnosů při použití vodičů ACCC je prováděna ve dvou krocích při předpokládaných cenách z trhu, které jsou uvedeny níže pro každý vodič.

• ACSR Condor USD 4,50/metr
• ACCC Brussels USD 12,00/metr
• ACCC Dublin USD 14,00/metr

V první fázi bude provedena kalkulace cenového dopadu na náklady výstavby dvoupotahového vedení 500 kV vedení. Poté bude zahrnut dopad ztráty vedení v lince včetně ročních benefitů, délce splácení, čisté současné hodnoty (a míry výnosnosti) a dílčích nákladů na přenosové linky, které používají ACCC vodiče.

1) Celkové instalační náklady, neobsahující náklady na získání povolení k novým pozemkům a přípravné práce, v případě dvoupotahového 500 kV vedení činí 600 000,- USD/km. Náklady na vodiče ACSR Condor pro základní přenosové linky představují 108 000,- USD/km (Pozn. Založeno na dvou okruzích „třech fází“ a čtyř vodičů na
jednu fázi = 24 vodičů na jeden km vedení). 

Bereme-li v potaz naše teoretické 50 kilometrové vedení, vychází celkové instalační náklady při použití vodiče ACSR Condor na 30 000 000 USD. Tyto náklady se skládají z 1 200 km ACSR vodiče při ceně 5 400 000 USD a 111 stožárů při průměrné ceně instalace 221 500 USD za jednu, což dělá sumární hodnotu 24 600 000 USD za všechny instalované věže.

Použijeme-li toto jako startovní bod, můžeme následně kalkulovat náklady na přenosové vedení za jeden km a za celý projekt, za pomoci nahrazení zvýšených nákladů za vodiče ACCC a úpravy za snížení počtu stožárů pro ACCC vodiče tam, kde to bude možné – viz obrázek č. 1.

Na základě této kalkulace, umožní použití vodiče ACCC Brussels odstranit téměř 10 podpůrných stožárů, což bez ohledu na 2,6 krát větší cenu v porovnání s vodičem ACSR Condor, znamená pouze 22 % navýšení oproti vybudování 500 kV přenosové linky s vodiči ACSR Condor.

Vodič ACCC Dublin je o dva americké dolary dražší - přepočteno na metr délky oproti vodiči ACCC Brussels, což vede k celkovému navýšení ceny projektu o 38 % - pokud bude instalován při 15 % RTS a stejném instalačním rozpětí jako vodič ACSR Condor. Pokud bude instalace probíhat při 18% RTS, zaznamenáme pokles ceny při využití vodiče ACCC Dubliln na 31 %.

2) Výhoda využití vodičů ACCC je zřejmá. Pokud chceme určit, zda se dodatečné náklady na km vedení vyplatí, musí studie též ohodnotit technické a obchodní výhody, které nám tyto vícenáklady přinesou.

3) Z tabulky č. 4 je patrné, že případné navýšení nákladů o 22 % na projekt při použití vodiče ACCC Brussels a navýšení nákladů o 31-38 % za vylepšení na projekt při využití vodiče ACCC Dublin, jsou investice jak do kapacity, tak i do efektivnosti oproti levnějšímu vodiči ACSR Condor. Úspory díky nižším ztrátám ve vedení vedou buď ke snížení nákladů na samotnou výrobu elektrické energie, nebo naopak zvýšení tržeb a zisků, které umoří náklady na lepší vodič.

3a) Vodič ACCC Brussels přináší navýšení kapacity o 196 % při relativně nízkém zvýšení nákladů o 22 %. To znamená, že dvouokruhové 500 kV vedení je postaveno při kapacitě N-1 v porovnání s vodičem ACSR Condor. A navíc, úspory či dodatečné příjmy umožněné předpokládaným zatížením, generuje provozní příjmy ve výši více než 1 000 000 USD ročně, které mohou být použity pro splácení navýšení projektu o 6,5 mil. USD za cca 7,6 let (za předpokladu úroků na financování projektu ve výši 6 %).

Toto zredukuje náklady na přenosovou kapacitu linky pouze na 128 USD za Amper na km, oproti 206 USD za vodič ACSR Condor. To přinese snížení nákladů o 38 % z pohledu instalované kapacity na celou přenosovou soustavu. 

Zaplacením o 22 % více za kabel ACCC Brussels, může provozovatel etiopské přenosové soustavy navýšit přenosové kapacity o 96 % více, než je tomu v případě základního vedení s vodičem ACSR Condor a vylepšit tak očekávanou výkonnost celé přenosové soustavy.

3b) Vodič ACCC Dublin více jak dvojnásobně zvyšuje kapacitu přenosové soustavy (227 %) a snižuje ztráty ve vedení o více jak 71 603 MWh za rok v porovnání se základní koncepcí využívající vodič ACSR Condor. Toto je dosaženo díky navýšení nákladů za projekt o 31 % a instalaci při 18 % RTS.

Náklady instalovaného výkonu pro vodič ACCC Dublin jsou na stejné úrovni jako u vodiče ACCC Brussels (119 USD za Amper a km v porovnání s 128 USD) a pohybují se přibližně na 40 % snížení nákladů instalovaného výkonu v porovnání s vodičem ACSR Condor). Projektově navýšené náklady při použití vodiče ACCC Dublin jsou vyšší než v případě ACCC Brussels.

Nicméně, hodnota snížení ztrát z vedení elektrické energie pro vodič ACCC Dublin je výrazně vyšší, než v případě vodiče ACCC Brussels. V případě předpokládaných 2 900 Amper na jeden okruh, vodič ACCC Dublin sníží roční ztráty o 71 603 amp za rok, tedy 3 580 000 USD za rok při ceně 50 USD za MWh. To odpovídá hodnotě 2,98 USD za metr vodiče a rok. To znamená, v závislosti na konfiguraci a designu vedení, hodnotu 143 000 USD za km a rok.

Následující tabulka č. 5 ukazuje ekonomickou návratnost navýšených investic ve výši 22 % do vodiče ACCC Brussels (dodatečných 6,5 mil. USD v porovnání s původními náklady projektu, které jsou ve výši 30 mil. USD) a 31 % navýšení pro vodič ACCC Dublin (dodatečných 9,4 mil. USD v porovnání s původními odhadovanými náklady na projekt).

Vodič ACCC Dublin je nejlepší volbou pro přenosovou soustavu, u které se předpokládá, že bude mít tendenci růst. Krátká doba návratnosti 2,9 let a 38% kalkulovaná míra návratnosti ukazují na atraktivní alternativu oproti základnímu vedení s vodičem ACSR Condor. Vlastní benefity pro každý jednotlivý projekt musí být analyzovány projektovým týmem, ale tento model teoretické přenosové soustavy poukazuje dostatečně velký potenciál, aby mohl být vodič ACCC doporučen pro navýšení kapacity a ekonomiky přenosové soustavy.

ZÁVĚRY A DOPORUČENÍ

Z uvedených analýz je zřejmé, že vodiče ACCC mohou nabídnout benefity pro EEP pro její novou přenosovou soustavu o kapacitě 500kv.

• Vodič ACCC Brussels nabízí 196 % kapacity vodiče ACSR Condor při pouze 22% navýšení nákladů s dobou návratnosti pouze 7,6 let.
• Vodič ACCC Dublin nabízí 227 % kapacity vodiče ACSR Condor při 31% navýšení nákladů:
  • Doba návratnosti při navýšení projetu může být menší než 3 roky,
  • Míra návratnosti při navýšení nákladů na projekt je 38%,
  • Nárůst kapacity představuje pro celou přenosovou kapacitu spolehlivost a připravenost pro další růst.

S vodiči ACCC se počítá při budování nových přenosových soustav.

DODATEK: Plusy vodičů ACCC

Pokud se provede řádný návrh a optimalizace sloupů vedení včetně návrhu linek, mohou být vodiče ACCC použity místo vodičů ACSR a tak přinést významné navýšení kapacity při téměř shodných celkových projektových nákladech na ACSR vodiče. Pokud má být projekt financován z omezených zdrojů, příplatek za ACCC Dublin může omezit počet linek, které by jinak musely být instalovány. Avšak, v mnoha případech, ten nejlepší návrh přinese maximální výhody dodatečné pevnosti, nízkého průhybu během zahřátí vodiče a nízkou hmotnost kompozitního jádra při použití ACCC vodiče s více hliníkem pro poskytnutí ještě větší kapacity a větší efektivity získané při 20 až 30 % projektové výhodnosti.

Pro vedení o kapacitě 500kV, bude očekávané zvýhodnění o 31 % pro projekt při využití vodiče ACCC Dublin téměř vždy výhodné v těchto čtyřech oblastech:

• Kapacita a požadavky na N-1 pro souběžné věže a tři až čtyři okruhy
• Externí financování projektu přenosové soustavy
• Mezinárodní projekty s prodejem elektrické energie jiným národům
• Dlouhé přeshraniční vedení do centrálních oblastí s vysokou hustotou obyvatel

V těchto případech, by vždy měla být brána v potaz hodnota optimalizace přenosové soustavy z pohledu kapacity a efektivity při využití vodiče ACCC Dublin oproti ACSR.

Kapacita a požadavky na N-1 pro souběžné stožáry a tři až čtyři okruhy

Uvažujeme-li ty samé odhadované náklady pro vodiče ACSR Condor a ACCC Dublin z hlavní studie, je zřejmé použít méně nákladné dva okruhy s ACCC vodičem než ACSR vedení – viz obrázek č. 2.

Jak ukazuje grafika výše, vodič ACSR Condor se třemi okruhy, položenými paralelně, stojí 1 146 000 USD za km a poskytuje max. 8 739 (3 x 2 913) Amper s N-1 kapacitou pouze 5 826. Vodič ACCC Dublin se dvěma okruhy stojí méně o 70 %, než je tomu u okruhu s vodičem ACSR (788 000 USD) a poskytuje 151 % kapacity – 13 212 amp (2 x 6 606) s N-1 kapacitou 6 606 amp.

• Vodič ACCC Dublin poskytuje více kapacity, vyšší N-1 kapacitu při nižších nákladech o 31 %.
• Toto je příklad využití vodiče ACCC Dublin, kdy je potřeba vyrovnat rozpočet v případě, kdy N-1 podmínky nemohou být splněny využitím dvouokruhové instalace vodiče ACSR Condor a/nebo pokud výrobní kapacita postupně narůstá.

Externí financování projektu přenosové soustavy

Pokud použijeme financování z externích zdrojů, použití vodiče ACCC Dublin je tou správnou volbou. Jak je uvedeno v tomto článku, tak navýšené náklady za použití vodiče ACCC mají míru návratnosti investice v rozmezí 17 až 38 %. Typický projekt je financován za 5 až 8 %, což znamená, že tyto extra náklady většinou vytvoří positivní cash-flow v porovnání s financováním.

Mezinárodní projekty s prodejem elektrické energie do jiného státu

Mezinárodní přenosové soustavy jsou povětšinou dlouhá vedení pro prodej energie v nějakém definovaném hraničním bodě, který může být 500 km daleko od místa, kde se energie generuje. V těchto případech, výnosy, a tím i profit, z prodeje energie jsou přímo ovlivněny ztrátami ve vedení a kvantifikovány za pomocí podmínek uvedených ve smlouvě o dodávkách.

Při využití modelu v této studii, víme, že vodič ACCC Dublin instalovaný při 18 % RTS poskytne návratnost investice při navýšení nákladů o 38 % při použití vodiče ACCC – v porovnání se základní koncepcí přenosové linky s klasickým vodičem ACSR a se ztrátami ve vedení 39 %, které se transformují do úspor každý rok ve výši 2,98 USD na každý metr vodiče.

Pokud upravíme délku vedení na 500 km (označeno červeně níže v tabulce č. 6), je vidět že dosáhneme dodatečné úspory 35,8 mil USD za rok na výnosech a profitabilní marže z té samé výroby elektrické energie.

Protože je tato elektřina „přeprodávána“ externímu subjektu, je jasné že se jedná o další profit společnosti EEP. I když se to může zdát málo v porovnání s celkovými náklady na projekt, znamená to dodatečných 35,8 mil USD exportu a zisku.

Dlouhé přeshraniční vedení do centrálních oblastí s vysokou hustotou obyvatel

V rámci dlouhých vedeních v Etiopii, je zde další výhoda kromě efektivnosti a tím snižování ztrát ve vedení o 39 % a generování dodatečné elektrické energie a výnosů. Pokud použijeme ta samá čísla pro vedení 500 kV v Etiopii, je vidět že snížení ztrát o 39 % znamená 716 030 MWh – viz tabulka č. 7.

Toto je ekvivalent výroby elektrické energie o více než 80 MW. S náklady na kapitál na generování elektrické energie ve výší alespoň 1 mil. USD za MW, je to rovno 80 mil. USD, které jsou nutné na výrobu této elektrické energie pro zákazníky.

ZÁVĚR A DOPORUČENÍ

Vodič ACCC Dublin vždy poskytuje výhody na lince 500 kV v porovnání s vodičem ACSR jako je dvojnásobná kapacita, snížení ztrát ve vedení o více jak 40 %, a shoda s N-1 při vysokém  zatížení. Společnost EEP může navrhnout vodič ACCC na projekty a určit, za dodatečné  náklady ve výši 20 až 38 % jsou přijatelné pro projekt, a měla by vždy uvažovat o nasazení vodiče ACCC v případě, že bude projekt financován z externích zdrojů, nebo pokud se jedná o dlouhé vedení, či vedení na propojení sítí s dodatečnou ziskovostí.

Analysis of costs/profits when the conductor ACCC is used compared to basic ACSR conductor on 500 kV line
This article offers an analysis of the comprehensive evaluation and recommends the best variant for the most advanced technology of conductors for implementation in the company Ethiopian Electric Power (EEP) on a 500 kV transmission line. The study covers the attained technical improvements and the costs, or the economics and system advantages in the case of the use of ACCC conductor. It constitutes the basis for the most reliable, effective and economical transmission grid in the world, specifically for the Ethiopian transmission grid.

Autor

• Ing. Tatara Juraj