Seit Jahrzehnten spielen elektrische Transformatoren eine wichtige Rolle im Energiesektor, insbesondere bei der Übertragung und Verteilung von Strom.
von Shaista Naz, Research-Analystin – bei PTR Inc.
Seit Jahrzehnten Transformatoren spielen im Energiesektor eine bedeutende Rolle, insbesondere bei der Übertragung und Verteilung von Strom. Doch der überwiegende Teil der weltweit installierten Transformatoren, einschließlich Verteilungs- und Leistungstransformatoren, wurde von den OEMs unter geringer oder gar keiner Berücksichtigung der Nachhaltigkeit gebaut. Diese Transformatoren und das damit verbundene lineare Geschäftsmodell führen zu einer hohen Energieverschwendung, Materialverschwendung und Treibhausgasemissionen, was nicht wünschenswert ist.
In den letzten zehn Jahren, insbesondere nach dem Pariser Abkommen, hat die Energiebranche jedoch einen drastischen Wandel hin zu nachhaltigen Praktiken vollzogen, die sich auf Ökodesign, Dekarbonisierung, höhere Effizienz und eine nachhaltige Lieferkette konzentrieren.
Der Trend zur Nachhaltigkeit bei Transformatoren
Der weltweite Transformatorenmarkt, insbesondere in den Industrieländern wie beispielsweise der EU und den USA, verlagert sich von konventionellen Transformatoren hin zu nachhaltigen Transformatoren. Dies ist vor allem auf Marktkräfte, Regulierungsbehörden und die steigende Nachfrage der Kunden nach umweltfreundlichen technologischen Lösungen zurückzuführen, wobei es sich bei den Kunden im Falle von Transformatoren größtenteils um Energieversorger handelt.
Verbraucher, Investoren und andere Akteure auf dem Transformatorenmarkt sind im Laufe der Jahre sensibler für die Umweltauswirkungen der Transformatorenindustrie geworden und treiben damit die Nachfrage nach nachhaltigen Transformatoren voran. Bei der Konstruktion und Herstellung dieser Transformatoren kommen Rohstoffe und Komponenten zum Einsatz, die von Natur aus umweltfreundlich sind. Andererseits haben die Regulierungsbehörden der Transformatorenindustrie den dringend benötigten Anstoß gegeben, nachhaltige industrielle Praktiken einzuführen und sich von linearen Geschäftsmodellen zu lösen.
Der aktuelle Markt für Verteilungstransformatoren
Laut PTR Inc. wird der weltweite Transformatorenmarkt im Zeitraum 2022–2027 um eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 6 % wachsen, gemessen am Umsatz. Der Markt wird hauptsächlich durch den Anstieg der Stromnachfrage, die Verbesserung der Elektrifizierungsraten sowie die zunehmende Durchdringung erneuerbarer Energien im Stromerzeugungsmix der Länder angetrieben.
Nach Schätzungen von PTR Inc. sind die wichtigsten Akteure auf dem globalen Stromtransformatoren Hitachi Energy, Siemens, GE, Hyosung und China XD. Zu den führenden Akteuren auf dem globalen Verteiltransformatoren gehören Hitachi Energy, Siemens Energy, Schneider Electric, Toshiba und Eaton. Im Jahr 2022 hat die APAC-Region mit 40 % des Gesamtanteils den höchsten Anteil am globalen Transformatorenmarkt, gefolgt von Nordamerika (mit rund 30 % Anteil), Europa, dem Nahen Osten und Afrika sowie Südamerika.
Abbildung 1: Führende Akteure auf dem globalen Markt für Leistungstransformatoren.
Quelle: PTR Inc.
Abbildung 2: Führende Akteure auf dem globalen Markt für Verteilungstransformatoren.
Quelle: PTR Inc.
Technologische Entwicklungen in der Transformatorenindustrie fördern die Nachhaltigkeit
PTR Inc. hat weltweit mehrere Entwicklungen in der Transformatorenbranche beobachtet, die der Nachhaltigkeit dienen, darunter amorphe Metalllegierungen, Hochtemperatur-Supraleiter-Transformatoren und intelligente Transformatoren.
Amorphe Metalllegierungen
Siliciumstahl wird bei der Herstellung herkömmlicher Transformatorkerne verwendet, was aufgrund von magnetischer Hysterese und Wirbelströmen zu hohen Energieverlusten führt. Aus diesem Grund stellt die Transformatorenindustrie derzeit von der Herstellung von Transformatorenkernen aus Siliciumstahl auf amorphe Metalllegierungen um, die bis zu 80 % effizienter sind als herkömmliche Transformatorkerne, weniger Energie verbrauchen und die Kohlendioxidemissionen senken.
Hochtemperatur-Supraleiter-Transformatoren
Derzeit wird an HTS-Transformatoren (Hochtemperatur-Supraleiter) geforscht, die mithilfe supraleitender Materialien Strom ohne Widerstand umwandeln können. Dies führt wiederum zu einer Verringerung der Energieverluste und zu einer Steigerung des Wirkungsgrads. HTS-Transformatoren haben das Potenzial, deutlich kleiner und effizienter zu sein als herkömmliche Transformatoren. Diese Transformatoren sind weit verbreitet, doch aufgrund der höheren Kosten für HTS-Materialien und des begrenzten Angebots wird die Technologie derzeit noch nicht als rentabel angesehen.
Intelligente Transformatoren
Intelligente Transformatoren nutzen Sensoren und digitale Kommunikationstechnologien, um die Spannungspegel in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Hingegen sind herkömmliche Transformatoren passiver Natur, ermöglichen nur einen unidirektionalen Stromfluss und sind nicht dafür ausgelegt, sich an schnell wechselnde Lasten anzupassen. Es wird erwartet, dass diese Transformatoren überflüssig werden, da dezentrale Energiequellen wie Windkraftanlagen, Solaranlagen und Elektrofahrzeuge zunehmend in das Stromnetz integriert werden. Von intelligenten Transformatoren wird hingegen erwartet, dass sie das Stromnetz sauberer und flexibler machen und damit die Nachhaltigkeitsbilanz verbessern.
Energiepolitische Maßnahmen und Vorschriften zur Förderung nachhaltiger Transformatoren
Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche Richtlinien und Vorschriften für Transformatoren, darunter Leistungs- und Verteilungstransformatoren, eingeführt und überarbeitet. Zu diesen Richtlinien und Vorschriften zählen die Ökodesign-Richtlinie der EU, die DOE-Normen für Verteilungstransformatoren und die WEEE-Richtlinie.
Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Verlusten und Wirkungsgrad.
Quelle: Vereinte Nationen
Ökodesign-Richtlinie der EU
Nach Schätzungen der Europäischen Kommission gehen rund 2,9 % der gesamten in den EU-Mitgliedstaaten und im Vereinigten Königreich erzeugten Energie in Form von Transformatorverlusten verloren. Diese Verluste belaufen sich auf 93 TWh – eine Energiemenge, die ausreichen würde, um den Strombedarf Dänemarks über einen Zeitraum von drei Jahren zu decken. Die Ökodesign-Verordnung der EU der Stufe 2 zielt darauf ab, die Energieverschwendung im Vergleich zu den Werten der Stufe 1 um 10 % zu reduzieren.
Die Ökodesign-Verordnung der EU gilt für alle Transformatoren, die entweder auf dem Markt sind oder im Vereinigten Königreich und in der EU in Betrieb sind. Es ist anzumerken, dass die EU-Ökodesign-Verordnung der Stufe 2 für Transformatorverluste am1.Juli 2021 in Kraft getreten ist und die Verordnung der Stufe 1 ersetzt hat.
Neue Effizienzstandards für Verteilungstransformatoren in den USA
Das US-Energieministerium (DOE) hat neue Energieeffizienzstandards für verschiedene Kategorien von Verteilungstransformatoren vorgeschlagen, um die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes zu verbessern, die Stromkosten zu senken und die Kohlendioxidemissionen drastisch zu reduzieren. Es wird erwartet, dass unter den neuen Effizienzstandards für Verteilungstransformatoren fast alle hergestellten Transformatoren aus amorphen Stahlkernen bestehen werden, die im Vergleich zu Transformatoren aus kornorientiertem Elektrostahl energieeffizienter sind. Sollten diese Standards innerhalb der vom US-Energieministerium vorgeschlagenen Frist verabschiedet werden, tritt die neue Regelung ab 2027 in Kraft.
Verordnung über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE)
Die WEEE-Richtlinie wurde in der EU mit dem Schwerpunkt auf dem Recycling von Elektro- und Elektronikaltgeräten eingeführt. Elektro- und Elektronikaltgeräte bestehen aus einer komplexen Vielfalt von Stoffen, darunter auch solche, die für die Umwelt gefährlich sind. Wenn ausrangierte Elektro- und Elektronikgeräte nicht ordnungsgemäß entsorgt werden, kann dies daher negative Auswirkungen auf die Umwelt und den Menschen haben. Andererseits enthalten moderne Elektro- und Elektronikgeräte Seltenerdmetalle und andere wertvolle Ressourcen. Diese Seltenerdmetalle und anderen wertvollen Ressourcen können durch ein ordnungsgemäßes Abfallmanagementsystem zurückgewonnen und wiederverwertet werden.
Es ist bemerkenswert, dass Elektro- und Elektronikgeräte am Ende ihrer Nutzungsdauer so gesammelt, behandelt und recycelt werden können, dass sie zur Kreislaufwirtschaft beitragen.
Abbildung 4: In den Jahren 2012–2020 in Verkehr gebrachte, gesammelte, behandelte, verwertete, wiederverwendete und recycelte Elektro- und Elektronikaltgeräte.
Quelle: Eurostat
Die Rolle der Erstausrüster bei der Förderung nachhaltiger Produkte
Transformator-Erstausrüster weltweit, insbesondere in den Industrieländern, stellen zunehmend auf nachhaltige Branchenpraktiken um. So setzen sie zunehmend umweltfreundliche Rohstoffe ein und haben die Transformatortechnologie entsprechend angepasst, um die Energieeffizienz zu steigern und Energieverluste zu reduzieren. PTR Inc. hat festgestellt, dass diese Erstausrüster sich Ziele zur Reduzierung ihrer CO₂-Emissionen gesetzt haben. Zudem arbeiten sie an Konzepten für das Recycling von Abfallstoffen, die im Produktionsprozess bis hin zum Ende der Lebensdauer von Transformatorlösungen und -produkten anfallen. Hitachi Energy, Siemens Energy und Schneider Electric sind bedeutende Transformator-OEMs, die nachhaltige Transformatorlösungen und -produkte auf den Markt bringen.
Hitachi Energy
Hitachi Energy hat die Leistungs- und Verteilungstransformatoren der Serie EconiQ auf den Markt gebracht, die durch eine Lebenszyklusanalyse Transparenz hinsichtlich der Umweltauswirkungen von Transformatoren schaffen und damit eine verbesserte Nachhaltigkeitsbilanz ermöglichen. Diese Transformatoren tragen zur Dekarbonisierung und zur Sicherheit der Menschen bei, schützen das Ökosystem und fördern einen verantwortungsvollen Umgang mit natürlichen Ressourcen.
Nach Angaben von Hitachi Energy kann der Einsatz von EconiQ-Transformatoren zu einer Reduzierung der CO₂-Äquivalent-Emissionen um 23 % über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg führen. Es wird zudem erwartet, dass sich die Auswirkungen auf die umliegenden Ökosysteme über den gesamten Lebenszyklus hinweg durch den Einsatz von EconiQ-Transformatoren um 15 % verringern, während die Auswirkungen auf die umliegenden Ökosysteme im Falle eines größeren Lecks vollständig vermieden werden.
Siemens Energy
Ebenso entwickelt Siemens Energy, ein führender Transformatorenhersteller, nachhaltige Transformatorlösungen und -produkte. Siemens Energy hat sich zum Ziel gesetzt, dass alle Werke für Leistungstransformatoren bis 2023 zu 100 % mit Ökostrom betrieben werden. Bemerkenswert ist, dass zum Zeitpunkt der Bekanntgabe dieses Ziels bereits fast 80 % des Stroms aus erneuerbaren Energien stammten.
Darüber hinaus führt Siemens Energy in seinem Werksnetz eine Reihe von Nachhaltigkeitsinitiativen durch, die darauf abzielen, die Kohlendioxidemissionen zu senken, die Umwelt zu schützen sowie den Materialverbrauch und das Abfallaufkommen zu verringern.
Schneider Electric
Ein weiterer Transformatorenhersteller, Schneider Electric, ist ebenfalls dabei, nachhaltige Praktiken in der Industrie einzuführen. Im Rahmen seines „Sustainability Impact“-Programms hat Schneider Electric 11 globale Ziele festgelegt, die bis 2025 erreicht werden sollen, sowie Hunderte lokaler Ziele, die von den regionalen und nationalen Teams des Unternehmens verfolgt werden. Schneider Electric hat die EcoStruxure-Plattform eingeführt, die das Herzstück der IoT-Architektur des Unternehmens bildet. Diese Plattform ermöglicht Kernfunktionen für Konnektivität und Intelligenz, Interoperabilität für intelligente Betriebsabläufe sowie eine Infrastruktur für cloudbasierte digitale Dienste. Bemerkenswert ist, dass die EcoStruxure-Plattform zu einer absoluten Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks um 25 % über die gesamte Wertschöpfungskette geführt hat.
Ausblick
Laut PTR Inc. wird der weltweite Transformatorenmarkt im Zeitraum 2022–2027 um 6 % jährlich (CAGR) wachsen. Angesichts der Wachstumsprognosen für den Gesamtmarkt und des aktuellen regulatorischen Umfelds ist davon auszugehen, dass auch der Markt für nachhaltige Transformatoren in den kommenden Jahren wachsen wird. Um die Nachfrage nach nachhaltigen Transformatoren zu befriedigen, integrieren Originalhersteller von Transformatoren energieeffiziente Technologien, verwenden umweltfreundliche Materialien und bieten Energiemanagementlösungen für die Transformatoren an.
PTR Inc. geht davon aus, dass sich der Markt für nachhaltige Transformatoren in Zukunft weiterentwickeln wird, da die Nachhaltigkeitsbewegung in allen Regionen an Dynamik gewinnt. Es wird erwartet, dass der Marktanteil von Transformator-OEMs, die auf nachhaltige Branchenpraktiken umstellen und nachhaltige Transformatorlösungen und -produkte einführen, in Zukunft im Vergleich zu OEMs, die konventionelle Lösungen anbieten, steigen wird.
Darüber hinaus wird erwartet, dass die Vorschriften in den Industrieländern in Zukunft strenger werden, während in den Entwicklungsländern politische Maßnahmen zu erwarten sind, die der Ökodesign-Richtlinie der EU, den neuen Effizienzstandards des US-Energieministeriums und der WEEE-Richtlinie ähneln.
Über den Autor
Shaista Naz ist Analystin für Stromnetze bei PTR Inc. Derzeit befasst sie sich mit dem Markt für Leistungs- und Verteilungstransformatoren, wo sie für die Analyse der neuesten Markttrends und Innovationen in verschiedenen Regionen zuständig ist. Sie hat einen Master-Abschluss in Ingenieurmanagement von der Universität Debrecen.
Kontakt:
Hassan Zaheer – Chief Commercial Officer
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