Life cycle assessment of high-voltage switchgears: evaluating environmental sustainability in power distribution networks

Power distribution networks are integral to the efficient and reliable delivery of electricity, incorporating various high voltage systems essential for minimizing transmission energy losses and ensuring long-distance reliability. This thesis investigates the sustainability of two switchgears, “Switchgear I” (in four types) and “Switchgear II” as components which are used in high voltage power distribution networks, using Life Cycle Assessment (LCA) to evaluate their environmental impacts comprehensively within a Reference Service Life of 20 years. The selected Declared Unit is a unit of each product under study and the impact assessment method is EN 15804:A2 which includes 19 impact categories. Given the significant Global Warming Potential of SF6, a widely used insulating medium, this study emphasizes the necessity of thorough evaluation methods to mitigate environmental impacts. The methodology follows international standards ISO 14040:2006 and ISO 14044:2006+A1:2018, utilizing SimaPro 9.5.0.2 software and the Ecoinvent 3.9.1 database for a detailed Cradle to Grave life cycle assessment. Primary data from manufacturers, supplemented by secondary sources, ensure accuracy and representativeness. Results indicate that the most significant environmental impacts for the switchgears under study arise in the upstream stage, primarily due to the production and processing of raw materials, and the usage stage due to SF6 leakage and electricity consumption. For “Switchgear I” steel and aluminum components, along with SF6 used for insulation, are major contributors to GWP. For “Switchgear II” aluminum casting for enclosures and other parts significantly impacts multiple categories, including GWP, Ozone Depletion Potential, and Acidification Potential. Sensitivity analysis highlights the significant impact of SF6 leakage on GWP, with variations in annual emissions resulting in substantial changes in the overall environmental impact. This research identifies critical lifecycle hotspots and suggests prioritizing the reduction of high-impact materials like aluminum and steel, exploring alternative insulating gases, and improving maintenance practices to detect and repair SF6 leaks. Additionally, the study advocates for more detailed and site-specific data in future LCA studies to improve accuracy and reliability.

Le reti di distribuzione dell'energia sono fondamentali per la consegna efficiente e affidabile dell'elettricità, incorporando vari sistemi ad alta tensione essenziali per minimizzare le perdite di energia nella trasmissione e garantire l'affidabilità su lunghe distanze. Questa tesi indaga la sostenibilità di due apparecchiature di commutazione, "Apparecchiatura di commutazione I" (in quattro tipologie) e "Apparecchiatura di commutazione II" come componenti utilizzati nelle reti di distribuzione dell'energia ad alta tensione, utilizzando la Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) per valutare in modo completo i loro impatti ambientali all'interno di un ciclo di vita di riferimento di 20 anni. L'unità dichiarata selezionata è un'unità di ciascun prodotto in studio e il metodo di valutazione dell'impatto è EN 15804:A2 che include 19 categorie di impatto. Dato il significativo Potenziale di Riscaldamento Globale dell'SF6, un mezzo isolante ampiamente utilizzato, questo studio sottolinea la necessità di metodi di valutazione approfonditi per mitigare gli impatti ambientali. La metodologia segue gli standard internazionali ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006+A1:2018, utilizzando il software SimaPro 9.5.0.2 e il database Ecoinvent 3.9.1 per una valutazione dettagliata del ciclo di vita dalla culla alla tomba. I dati primari provenienti dai produttori, integrati da fonti secondarie, garantiscono accuratezza e rappresentatività. I risultati indicano che gli impatti ambientali più significativi per le apparecchiature di commutazione in studio si verificano nella fase a monte, principalmente a causa della produzione e lavorazione delle materie prime, e nella fase di utilizzo a causa delle perdite di SF6 e del consumo di elettricità. Per le "Apparecchiature di commutazione I" i componenti in acciaio e alluminio, insieme all'SF6 utilizzato per l'isolamento, sono i maggiori contributori al GWP. Per le "Apparecchiature di commutazione II" la fusione di alluminio per gli involucri e altre parti influisce significativamente su più categorie, tra cui GWP, Potenziale di Deplezione dell'Ozono e Potenziale di Acidificazione. L'analisi di sensibilità evidenzia l'impatto significativo delle perdite di SF6 sul GWP, con variazioni nelle emissioni annuali che determinano cambiamenti sostanziali nell'impatto ambientale complessivo. Questa ricerca identifica i punti critici del ciclo di vita e suggerisce di dare priorità alla riduzione di materiali ad alto impatto come alluminio e acciaio, esplorando gas isolanti alternativi e migliorando le pratiche di manutenzione per rilevare e riparare le perdite di SF6. Inoltre, lo studio sostiene la necessità di dati più dettagliati e specifici per sito in futuri studi LCA per migliorare accuratezza e affidabilità.