Methodology for sustainability-oriented platform design for circuit breaking technologies

Manufacturers of power generation, transmission, and distribution equipment such as switchgears and circuit breakers are required to meet high standards in terms of both products functionalities and how the products perform their functions. Historically, the optimization of quality requirements has been addressed by developing product platforms and finding their optimal extent. In the last years, the high demands of energy sector have called for an early integration of sustainability into the design process, in order to include it in the optimization of costs and performance. However, simultaneously optimizing multiple parameters requires that the requirements are precisely scaled and characterized since the early design stages, and this is critical for sustainability, because it lacks a stan dard measurement framework. For this reason, the present thesis proposes a methodology to integrate a comprehensive approach to sustainability since the early platform design development stages. The proposed methodology will address sustainability and quantify it early, by combining Lifecycle Assessment (LCA) analyses and the circularity strategies of 10Rs framework. This comprehensive approach to sustainability will allow the generation of sustainable solutions, that will be evaluated based on how they impact the other qual ity requirements. In this way, the methodology will serve as a decision-making support for designers, evaluating when it is convenient to implement a sustainable solution. The methods mainly used in the analysis are the Enhanced Functions-Means (EF-M) model and the Design Structure Matrix (DSM). The methodology has been applied to redesign an industrial Air Circuit Breaker (ACB) during a work-shadowing semester. The vali dation of the methodology has been performed through semi-structured interviews and weekly reviews with representatives of the manufacturing company.

Alle aziende manifatturiere che si occupano di dispositivi per la produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica come quadri elettrici e interruttori, viene richiesto di soddisfare alti standard per quanto riguarda sia le funzionalità di prodotto, che come queste vengono svolte. Storicamente, l’ottimizzazione dei requisiti di qualitatà veniva soddisfatta dallo sviluppo di piattaforme di prodotto e dall’ottimizzazione del numero delle loro varianti. Negli ultimi anni, le esigenze del settore energetico richiedono che la sostenibilità venga integrata sin dalle prime fasi della progettazione, e ottimizzata insieme a costi e performance. Tuttavia, ottimizzare contemporaneamente più discipline richiede che i requisiti siano precisamente caratterizzati e ne sia definito l’ordine di grandezza fin dalle prime fasi dello sviluppo di prodotto, e questo risulta complicato per il bisogno sostenibilità, che non è universalmente quantificabile. Per questo motivo, la presente tesi propone una metodologia per integrare i requisiti di sostenibilità e implementarli fin dalle prime fasi di sviluppo della piattaforma. La metodologia proposta affronterà e quantificherà la sostenibilità di prodotto servendosi di valutazioni dell’impatto ambientale (LCA) e delle strategie circolari delle 10R. Questo approccio comprensivo alla sostenibilità permetterà di generare soluzioni sostenibili, che verranno valutate rispetto ai benefici e svantaggi che portano agli altri requisiti di qualità. In questo modo, la metodologia servirà da supporto nel processo decisionale dei progettisti, valutando la convenienza nell’implementazione delle soluzioni sostenibili. I metodi maggiormente usati nell’analisi sono il modello Enhanced Functions-Means (EF-M) e la Design Structure Matrix (DSM). La metodologia è stata applicata per riprogettare un interruttore aperto (ACB) durante un semestre di affiancamento lavorativo. La validazione della metodologia è stata ottenuta conducendo interviste semi-strutturate e revisioni settimanali con i dipendenti dell’azienda produttrice.