Geri Dön

Transformatör üretiminde yaşam döngüsü analizi (LCA): sürdürülebilirlik perspektifiyle çevresel etkilerin değerlendirilmesi

Life cycle assessment (LCA) in transformer production: evaluating environmental impacts from a sustainability perspective

PDF İndir

  1. Tez No: 953482
  2. Yazar: YAĞMUR BİLGİN PİLCİOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN İNCE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Transformatörler, enerji iletim ve dağıtım sistemlerinin kritik bileşenleri olup, üretimleri ve uzun süreli kullanımları boyunca önemli çevresel etkilere neden olmaktadır. Bu nedenle, transformatörlerin çevresel performansının yaşam döngüsü boyunca kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi, sürdürülebilir elektrik altyapısı planlaması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın amacı, transformatör üretim süreçlerinin sürdürülebilirlik perspektifiyle yaşam döngüsü boyunca çevresel etkilerini kapsamlı ve nicel olarak değerlendirmektir. Bu amaçla, yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD) yöntemi, Avrupa Birliği Çevresel Ayak İzi (EF) 3.1 ve ReCiPe 2016 etki değerlendirme metodolojileri kullanılarak uygulanmıştır. Fonksiyonel birim olarak, bir adet 1000 kVA yağlı tip dağıtım transformatörünün ham madde tedariğinden üretimine, yaklaşık 30 yıllık kullanım ömrü boyunca işletimine ve ömrü sonu bertarafına kadarki hizmeti tanımlanmıştır. Bu doğrultuda, beşikten mezara yaklaşımı benimsenmiş ve sistem sınırları hammadde temini, üretim, kullanım ve bertaraf aşamalarını kapsamaktadır. YDD modellemesi için gerekli birincil veriler transformatör üreticisinden sağlanmış; arka plan verileri Ecoinvent veri tabanından alınarak analizler SimaPro yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Değerlendirme sonuçları, incelenen tüm çevresel etki kategorilerinde en büyük payın transformatörün kullanım aşamasındaki enerji kayıplarından kaynaklandığını göstermiştir. Özellikle iklim değişikliği (karbon ayak izi) kategorisinde kullanım aşaması, üretim ve diğer yaşam döngüsü aşamalarına kıyasla baskın bulunmuştur. Nitekim, 30 yıllık yaşam döngüsü boyunca transformatörün yol açtığı yaklaşık 498 ton CO₂-eşdeğeri sera gazı emisyonunun %98'inin kullanım aşamasından kaynaklandığı belirlenmiştir. Çalışmada, temel durum analizi sonrasında iki farklı senaryo değerlendirilmiştir. Senaryo 1, transformatörün 30 yıllık kullanım ömrü boyunca Türkiye'nin mevcut şebeke elektrik karışımı yerine %100 yenilenebilir (fotovoltaik) kaynaklardan elektrik kullanılması durumunu temsil etmektedir. Bu iyileştirme senaryosu, özellikle işletme aşamasından kaynaklanan emisyonları azaltma potansiyelini ortaya koymak amacıyla kurgulanmıştır. Senaryo 1'in sonuçlarına göre, işletme sırasında tamamen temiz elektrik kullanımı, transformatörün yaşam döngüsü boyunca neden olduğu sera gazı emisyonlarında yaklaşık %80–82 oranında bir azaltım sağlamaktadır. Senaryo 2 ise sistem sınırlarının değiştirilerek kullanım aşamasının kapsam dışı bırakıldığı bir durumu temsil etmektedir. Bu“beşikten kapıya”olarak adlandırılan senaryoda, transformatörün sadece üretim safhaları (hammadde çıkarımı ve işlenmesi, fabrika içi imalat ve montaj, ve ürünün fabrika çıkışına kadarki süreçler) değerlendirilmiştir. Kullanım aşaması hariç tutulduğunda, 1000 kVA'lık dağıtım transformatörünün yaşam döngüsü sera gazı emisyonları ~10.000 kg (10 ton) CO₂-eşdeğeri mertebesine düşmektedir. Senaryo 2 analizi, transformatörün toplam çevresel etkilerinde kullanım aşamasının oynadığı baskın rolü izole ederek gözler önüne sermektedir. Bu senaryo aynı zamanda sonuçların, sistem sınırına son derece duyarlı olduğunu da vurgulamaktadır: Elde edilen bulgular ışığında, transformatörlerin yaşam döngüsü çevresel etkilerinin azaltılması için birincil önceliğin enerji kullanım verimliliğinin artırılmasına ve temiz enerji kaynaklarının kullanımına verilmesi gerektiği anlaşılmaktadır. Sıcak nokta analizi açıkça göstermiştir ki transformatörde meydana gelen enerji kayıplarını azaltmaya yönelik iyileştirmeler karbon ayak izini azaltmada en etkili stratejidir. Yenilenebilir enerji senaryosunda elde edilen %81'lük emisyon azaltım potansiyeli, enerji kaynağının transformatör yaşam döngüsü karbon ayak izini düşürmedeki belirleyici rolünü ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda, çalışma Türkiye'de transformatör sektörü için ilk kapsamlı YDD uygulamasını sunmakta, literatüre orijinal veriler kazandırmakta ve endüstride temiz enerji kullanımı ve enerji verimliliği odaklı iyileştirme stratejileri için bilimsel bir temel teşkil etmektedir.

Özet (Çeviri)

Transformers are critical components of electrical transmission and distribution networks, and their production and prolonged use can result in significant environmental impacts over their lifespan. In the pursuit of sustainable power infrastructure, it is essential to thoroughly evaluate the life-cycle environmental performance of transformers. This MSc thesis addresses that need by conducting a comprehensive Life Cycle Assessment (LCA) of transformer production and use from a sustainability perspective. The main objective is to quantify the environmental impacts associated with a distribution transformer throughout its entire life cycle and to identify opportunities for impact reduction. By focusing on a real-world transformer product, this study aims to provide scientific insights that can guide sustainability improvements in the power sector. Importantly, it represents a pioneering effort as the first extensive LCA conducted for the transformer industry in Turkey, thereby filling a gap in the literature with region-specific data and analysis. The study is motivated by global and national calls for reducing the carbon footprint of energy systems and provides a foundation for developing strategies to make electricity distribution more sustainable. The assessment follows the standard LCA framework in accordance with ISO 14040 and ISO 14044 guidelines, ensuring a systematic and internationally accepted approach. For impact assessment, two complementary methods were employed: the Environmental Footprint (EF) 3.1 method and the ReCiPe 2016 method. The functional unit of the study is defined as the full life-cycle service of a single 1000 kVA oil-immersed distribution transformer, encompassing all stages from raw material extraction and manufacturing, through approximately 30 years of use (operation) in the field, to end-of-life disposal or recycling. Accordingly, a cradle-to-grave system boundary was adopted: the LCA covers raw material acquisition, component manufacturing and assembly, transportation, operational use of the transformer over its lifespan, and end-of-life treatment. To ensure high data quality, primary inventory data were collected directly from a transformer manufacturing facility (for processes such as core fabrication, coil winding, assembly, etc.), reflecting actual industrial practices in Turkey. Meanwhile, secondary (background) data for upstream processes (e.g., production of steel, copper, oil, and electricity generation) were obtained from the Ecoinvent database (a well-established LCI database). The LCA model was built, and calculations were carried out using SimaPro software, which facilitated the integration of various datasets and the implementation of the chosen impact assessment methods. All analysis steps were carried out in line with ISO standards: first defining the goal and scope, then compiling the life-cycle inventory, performing impact assessment with EF 3.1 and ReCiPe 2016 characterization factors, and finally interpreting the results. The LCA results demonstrate that the use phase dominates the environmental impacts of the distribution transformer across virtually all assessed categories. In particular, the climate change impact (global warming potential, GWP) is overwhelmingly driven by the transformer's operational phase. Over a 30-year lifetime, the transformer is responsible for an estimated total of ~498 metric tons of CO₂-equivalent greenhouse gas emissions. Remarkably, about 97–98% of this life-cycle GHG footprint is attributable to the electricity losses during the use phase, i.e., the energy dissipated as heat through no-load and load losses while the transformer is in service. By contrast, the production-related stages (including raw material extraction, manufacturing, and transport to the use site) collectively contribute only about 2–3% of the total GHG emissions. This stark contrast clearly identifies the operational energy loss as the“hotspot”of the life cycle, overshadowing all other phases in terms of impact. The dominance of the use phase is explained by the continuous energy consumption of the transformer over decades, coupled with the carbon-intensive nature of electricity generation in the grid mix. In effect, the emissions from fuel combustion for electricity generation (indirectly, to cover transformer losses) vastly exceed the one-time emissions from manufacturing the equipment. Other environmental impact categories show a similar pattern of results. The manufacturing stage shows relatively small contributions in most categories. It was observed, however, that certain materials and processes in production have notable impacts in specific categories. The findings clearly indicate that the operational phase of the transformer's life cycle is by far the most critical in determining its environmental footprint, particularly in a country where the grid electricity mix is carbon-intensive. The disproportionate influence of the use phase underscores that improving in-service energy efficiency can yield the greatest environmental benefits. To explore strategies for mitigating the identified impacts, two scenario analyses were conducted. In Scenario 1, the study examines the effect of powering the transformer entirely with 100% renewable electricity during its use phase, rather than the current Turkish grid mix (which includes a significant share of fossil fuels). This scenario simulates an ideal case where all electricity losses during the 30-year operation are compensated by clean energy sources (modeled here using photovoltaic solar energy from the Ecoinvent database). The fossil resource depletion indicator likewise improved substantially (around 70% less fossil fuel use), which is expected given the replacement of coal/gas power with renewables. These improvements directly result from avoiding the emissions that would have been produced by fossil-based power plants in the baseline scenario. However, the renewable electricity scenario also revealed some trade-offs. These counterintuitive results are attributed to the“hidden”environmental burdens of renewable infrastructure. Manufacturing and deploying solar panels and associated equipment entail upstream impacts: mining and processing of metals (like silicon, silver, etc.), industrial processes for panel production, and so on. When the LCA model accounts for these upstream processes, the renewable scenario carries a higher load in mineral extraction and certain emissions (e.g., substances that deplete the ozone layer or contribute to toxicity) relative to the baseline. Despite these increases, it is important to note that the magnitudes of impacts like mineral depletion are relatively small in absolute terms compared to the enormous benefits gained in climate change and air pollution categories under Scenario 1. In summary, Scenario 1 underscores the decisive influence of electricity source on the transformer's life-cycle impacts: transitioning to a fully renewable power supply for transformer operation can dramatically cut its carbon footprint and acidification impact, among others, reinforcing the push for cleaner grids. In Scenario 2, the study investigates a different perspective by altering the system boundary to cradle-to-gate, meaning the use phase of the transformer is excluded from the analysis. This scenario effectively isolates the impacts from materials extraction and production processes up until the point the finished transformer leaves the factory (“gate”), with no impacts from operation or end-of-life considered. The purpose of Scenario 2 is to gauge the environmental profile of the transformer if one only considers its production footprint and to highlight how much the use phase drives the impacts by comparing against the full cradle-to-grave results. Under this cradle-to-gate scenario, the total GHG emissions associated with producing the 1000 kVA transformer are on the order of 9,073 kg CO₂-eq, which is only about 2% of the full cradle-to-grave emissions. In other words, 98% of the life-cycle carbon footprint is due to the use phase, consistent with the earlier finding. This scenario confirms that when operational impacts are omitted, the raw material production stage becomes the dominant contributor to most impact categories. Scenario 2 thus starkly illustrates the outsized role of the operational phase by showing that a transformer appears relatively benign if only cradle-to-gate impacts are considered, but the inclusion of the use phase changes the picture dramatically. This underscores a critical point: partial life-cycle assessments (ending at the factory gate) can severely underestimate the true environmental impact of products that consume energy during use. Therefore, a full cradle-to-grave perspective is essential for technologies like transformers to avoid misleading conclusions about where improvements are most needed. The overarching conclusion is that for distribution transformers, especially in contexts with carbon-intensive electricity, improving operational energy efficiency and clean energy integration are the most impactful strategies for environmental improvement. The hotspot analysis pinpointed the transformer's electrical losses as the chief contributor to emissions, which means that design and engineering measures to reduce losses are critical. Enhancing the energy efficiency of transformers can be achieved by using higher-grade core materials with lower hysteresis losses, optimizing the core and coil design to reduce load losses, and ensuring rigorous quality control in manufacturing to minimize performance deviations. Such measures would directly cut down the lifetime emissions. In parallel, increasing the share of renewable energy used during the transformer's operation (and in the electricity grid at large) has been shown to massively reduce impacts in categories like climate change and acidification. Therefore, energy policy and utility practices that deliver cleaner electricity will significantly improve the life-cycle sustainability of not only transformers but electrical equipment in general. Concretely, the study suggests focusing on energy efficiency improvements in transformer design, such as reducing core losses (which could be incentivized through efficiency standards or labeling), and promoting the use of renewable power during the use phase, possibly via on-site solar generation for substations or through grid decarbonization policies. Additionally, the scenario results imply that a holistic view is needed when adopting new technologies: policymakers should support balanced strategies that not only curb operational emissions but also manage upstream impacts (e.g., recycling programs for renewable energy infrastructure to address mineral resource use). In conclusion, by evaluating the environmental impacts of a 1000 kVA distribution transformer from cradle to grave, this research provides actionable knowledge to reduce the carbon footprint and other environmental burdens of electrical distribution equipment. The outcomes serve as a guide for the transformer sector in Turkey—and by extension similar developing energy markets—to move towards more sustainable practices, ensuring that as the electrical grid expands and modernizes, it does so with minimal environmental impact. The recommendations put forth can help inform sustainable transformer manufacturing and usage policies, aligning the power distribution industry with broader climate and sustainability goals.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    961852

    Carbon capture storage and utilization in the cement industry: Systematic literature review on methanol and urea production from carbon based emissions

    Çimento endüstrisinde karbon yakalama ve kullanımı:Karbon kaynaklı emisyonlardan metanol ve üre üretimi hakkında sistematik literatür incelemesi

    GÖKÇE YALIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT UYAK

  2. Tez No

    935266

    Türkiye'de karbon emisyonlarının azaltılmasına yönelik lamine masif ahşap mimarisi ve yöntemleri

    Laminated mass timber architecture and methods for reducing carbon emissions in Türkiye

    ÜLKEM ARTUÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNAN MERT ŞENER

  3. Tez No

    895698

    Meyve suyu endüstrisi atıklarından alternatif protein üretimi

    Alternative protein production using fruit juice industry waste

    İPEK CEREN YEŞİLDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gıda MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. REMZİYE YILMAZ

  4. Tez No

    770976

    Geri dönüştürülmüş agrega kullanımının çevresel etkilerinin yaşam döngüsü değerlendirme (YDD) yöntemi ile değerlendirmesi

    Evaluation of the environmental impacts of the use of recycled aggregate by life cycle assessment (LCA) method

    ÖZGE BABALIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLEN İSKENDER

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLGE BAŞ

  5. Tez No

    870967

    Industrial symbiosis model as a tool of circular economy supported by lca: A case study of Adana Organized Industrial Zone

    Yda destekli bir döngüsel ekonomi aracı olarak endüstriyel simbiyoz modeli: Adana Organize Sanayi Bölgesi örneği

    BERAT BATUHAN KAPLANGI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALİ KÜÇÜKER

Geri Dön