Seit Jahrzehnten spielen elektrische Transformatoren eine wichtige Rolle im Energiesektor, insbesondere bei der Übertragung und Verteilung von Strom.
von Shaista Naz, Forschungsanalystin – bei PTR Inc.
Seit Jahrzehnten Transformatoren eine wichtige Rolle im Energiesektor, insbesondere bei der Übertragung und Verteilung von Strom. Die überwiegende Mehrheit der weltweit installierten Transformatoren, einschließlich Verteilungs- und Leistungstransformatoren, wurde jedoch von den OEMs gebaut, ohne dass dabei auf Nachhaltigkeit geachtet wurde. 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 Industriepraktiken vollzogen, die sich auf Ökodesign, Dekarbonisierung, höhere Effizienz und nachhaltige Lieferketten konzentrieren.
Wandel hin zu Nachhaltigkeit bei Transformatoren
Der globale Transformatorenmarkt, insbesondere in den fortgeschrittenen Volkswirtschaften wie beispielsweise dem Transformatorenmarkt der EU und der USA, verlagert sich von herkömmlichen Transformatoren hin zu nachhaltigen Transformatoren, was hauptsächlich auf Marktkräfte, Aufsichtsbehörden und die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen technologischen Lösungen seitens der Kunden zurückzuführen ist, bei denen es sich im Falle von Transformatoren größtenteils um Versorgungsunternehmen handelt.
Verbraucher, Investoren und andere Interessengruppen auf dem Transformatorenmarkt sind im Laufe der Jahre sensibel für die Umweltauswirkungen der Transformatorenindustrie geworden und treiben damit die Nachfrage nach nachhaltigen Transformatoren voran. Diese Transformatoren verwenden Rohstoffe und Komponenten, die von Natur aus umweltfreundlich sind, für die Konstruktion und Herstellung des nachhaltigen Transformators. Auf der anderen Seite haben die Regulierungsbehörden der Transformatorenindustrie den dringend benötigten Anstoß gegeben, nachhaltige industrielle Praktiken einzuführen und sich von linearen Geschäftsmodellen zu verabschieden.
Aktueller Markt für Verteilungstransformatoren
Laut PTR Inc. wird der weltweite Transformatorenmarkt zwischen 2022 und 2027 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6 % wachsen. Der Markt wird hauptsächlich durch den Anstieg der Stromnachfrage, Verbesserungen bei den Elektrifizierungsraten und die zunehmende Verbreitung erneuerbarer Energien im Strommix der Länder angetrieben werden.
Nach Schätzungen von PTR Inc. sind die wichtigsten Akteure auf dem globalen Markt für Leistungstransformatoren gehören Hitachi Energy, Siemens, GE, Hyosung und China XD. Die führenden Akteure auf dem globalen Markt für Verteilungstransformatoren gehören Hitachi Energy, Siemens Energy, Schneider Electric, Toshiba und Eaton. Im Jahr 2022 hat die APAC-Region mit 40 % den höchsten Anteil am globalen Transformatorenmarkt, gefolgt von Nordamerika (mit einem Anteil von rund 30 %), 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 zur Förderung der Nachhaltigkeit
PTR Inc. hat weltweit mehrere Entwicklungen in der Transformatorenindustrie beobachtet, die die Nachhaltigkeit fördern, darunter amorphe Metalllegierungen, Hochtemperatur-Supraleitungstransformatoren und intelligente Transformatoren.
Amorphe Metalllegierungen
Siliziumstahl 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 Transformatorkernen aus Siliziumstahl auf amorphe Metalllegierungen um, die bis zu 80 % effizienter als herkömmliche Transformatorkerne sind, weniger Energie verbrauchen und die Kohlendioxidemissionen reduzieren.
Hochtemperatur-supraleitende Transformatoren
Es werden Forschungen zu HTS-Transformatoren (Hochtemperatur-Supraleiter) durchgeführt, die mithilfe supraleitender Materialien Strom ohne Widerstand umwandeln können. Dies führt wiederum zu einer Verringerung der Energieverluste und zu Effizienzsteigerungen. HTS-Transformatoren haben das Potenzial, deutlich kleiner und effizienter als herkömmliche Transformatoren zu sein. Diese Transformatoren sind weit verbreitet, doch aufgrund der höheren Kosten für HTS-Materialien und der begrenzten Verfügbarkeit wird die Technologie derzeit noch nicht als rentabel angesehen.
Intelligente Transformatoren
Intelligente Transformatoren nutzen Sensoren und digitale Kommunikationstechnologien, um Spannungspegel in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Herkömmliche Transformatoren hingegen sind passiv, ermöglichen nur einen unidirektionalen Stromfluss und sind nicht dafür ausgelegt, sich an schnell wechselnde Lasten anzupassen. Es wird erwartet, dass diese Transformatoren überflüssig werden, wenn dezentrale Energiequellen wie Windkraftanlagen, Solaranlagen und Elektrofahrzeuge in das Stromnetz integriert werden. Intelligente Transformatoren sollen jedoch das Stromnetz sauberer und flexibler machen und damit die Nachhaltigkeit verbessern.
Energiepolitik und Vorschriften zur Förderung nachhaltiger Transformatoren
Im Laufe der Jahre wurden mehrere Richtlinien und Vorschriften für Transformatoren, einschließlich Leistungs- und Verteilungstransformatoren, eingeführt und überarbeitet. Zu diesen Richtlinien und Vorschriften gehören die Ökodesign-Richtlinie der EU, die DOE-Normen für Verteilungstransformatoren und die WEEE-Vorschriften.
Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Verlusten und Effizienz.
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, was ausreicht, um den Strombedarf Dänemarks für 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 Ökodesign-Verordnung der EU der Stufe 2 für Transformatorverluste am1.Juli 2021 in Kraft getreten ist, nachdem sie die Verordnung der Stufe 1 ersetzt hat.
Neue Effizienzstandards für Verteilungstransformatoren in den USA
Das US-Energieministerium (DOE) hat neue Energieeffizienzstandards für mehrere 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 produzierten Transformatoren aus amorphen Stahlkernen hergestellt werden, die im Vergleich zu Transformatoren aus kornorientiertem Elektrostahl energieeffizient sind. Wenn 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-Verordnung wurde in der EU mit Schwerpunkt auf dem Recycling von Elektronik- und Elektroschrott eingeführt. Elektronik- und Elektroschrott besteht 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 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 Abfallentsorgungssystem zurückgewonnen und wiederverwendet werden.
Es ist bemerkenswert, dass Elektro- und Elektronikgeräte am Ende ihrer Nutzungsdauer auf eine Weise gesammelt, behandelt und recycelt werden können, die zur Kreislaufwirtschaft beiträgt.
Abbildung 4: Von 2012 bis 2020 in Verkehr gebrachte, gesammelte, behandelte, verwertete, wiederverwendete und recycelte Elektro- und Elektronikaltgeräte.
Quelle: Eurostat
Die Rolle der OEMs bei der Förderung nachhaltiger Produkte
Transformatorenhersteller weltweit, insbesondere in den Industrieländern, gehen zunehmend zu nachhaltigen Branchenpraktiken über. So setzen sie beispielsweise zunehmend umweltfreundliche Rohstoffe ein und haben die notwendigen Änderungen an der Transformatorentechnologie vorgenommen, um die Energieeffizienz zu steigern und Energieverluste zu reduzieren. PTR Inc. hat beobachtet, dass diese Hersteller sich Ziele zur Reduzierung ihrer CO2-Emissionen gesetzt haben. Sie arbeiten auch an Konzepten für das Recycling von Abfallstoffen im Produktionsprozess bis zum Ende der Lebensdauer von Transformatorlösungen und -produkten. Hitachi Energy, Siemens Energy und Schneider Electric sind große Transformatorenhersteller, die nachhaltige Transformatorlösungen und -produkte einführen.
Hitachi Energie
Hitachi Energy hat EconiQ-Leistungs- und Verteilungstransformatoren eingeführt, die durch eine Lebenszyklusbewertung Transparenz hinsichtlich der Umweltauswirkungen von Transformatoren bieten und anschließend eine verbesserte Nachhaltigkeitsleistung erzielen. Diese Transformatoren tragen zur Dekarbonisierung, zur Sicherheit der Menschen und zum Schutz des Ökosystems bei und führen zu einer verantwortungsvollen Nutzung der natürlichen Ressourcen.
Laut Angaben von Hitachi Energy kann der Einsatz von EconiQ-Transformatoren zu einer Reduzierung der CO2-Äquivalentemissionen um 23 % über den gesamten Produktlebenszyklus führen. Es wird außerdem erwartet, dass die Auswirkungen auf die umliegenden Ökosysteme über den gesamten Lebenszyklus durch den Einsatz von EconiQ-Transformatoren um 15 % reduziert werden, während die Auswirkungen auf die umliegenden Ökosysteme im Falle einer erheblichen Leckage vollständig eliminiert werden.
Siemens Energie
Ebenso produziert Siemens Energy, ein führender Transformatorenhersteller, nachhaltige Transformatorlösungen und -produkte. Siemens Energy hat sich zum Ziel gesetzt, dass alle Stromtransformatorenwerke 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 erzeugt wurden.
Darüber hinaus setzt Siemens Energy in seinem Fabriknetzwerk eine Reihe von Nachhaltigkeitsinitiativen um, die darauf abzielen, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren, die Umwelt zu schützen und den Materialverbrauch sowie das Abfallaufkommen zu senken.
Schneider Electric
Ein weiterer Transformatorenhersteller, Schneider Electric, strebt ebenfalls die Einführung nachhaltiger Industriepraktiken an. Im Rahmen seines „Sustainability Impact”-Programms hat Schneider Electric elf globale Ziele festgelegt, die bis 2025 erreicht werden sollen, sowie Hunderte von lokalen Zielen, 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 Abläufe und Infrastruktur für Cloud-vernetzte digitale Dienste. Es ist bemerkenswert, dass die EcoStruxure-Plattform zu einer absoluten Reduzierung des CO2-Fußabdrucks um 25 % über die gesamte Wertschöpfungskette geführt hat.
Mit Blick auf die Zukunft
Laut PTR Inc. wird der weltweite Transformatorenmarkt zwischen 2022 und 2027 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6 % wachsen. Angesichts der Wachstumsprognosen für den Gesamtmarkt und des derzeitigen regulatorischen Umfelds kann davon ausgegangen werden, dass auch der Markt für nachhaltige Transformatoren in den kommenden Jahren wachsen wird. Um der Nachfrage nach nachhaltigen Transformatoren gerecht zu werden, integrieren die Hersteller von Transformatoren-Erstausrüstung energieeffiziente Technologien, verwenden umweltfreundliche Materialien und bieten Energiemanagementlösungen für 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 Transformatoren-OEMs, die auf nachhaltige Industriepraktiken 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 ähnlich der Ökodesign-Richtlinie der EU, den neuen Effizienzstandards des US-Energieministeriums und der WEEE-Verordnung eingeführt werden könnten.
Über den Autor
Shaista Naz ist Netzanalystin bei PTR Inc. Derzeit arbeitet sie im Bereich Strom- und Verteilungstransformatoren, wo sie für die Analyse der neuesten Markttrends und Innovationen in verschiedenen Regionen verantwortlich ist. Sie hat einen Master-Abschluss in Ingenieurmanagement von der Universität Debrecen.
Kontakt:
Hassan Zaheer – Chief Commercial Officer
+49-89-12250950
