WYBRANE ASPEKTY ENERGETYCZNO- -EKOLOGICZNEGO MODELU CYKLU ŻYCIA POJAZDU SAMOCHODOWEGO

Transkrypt

1 MAŁGORZATA MROZIK, JACEK ELIASZ * WYBRANE ASPEKTY ENERGETYCZNO- -EKOLOGICZNEGO MODELU CYKLU ŻYCIA POJAZDU SAMOCHODOWEGO SELECTED ASPECTS OF ENERGETIC-ECOLOGICAL MODEL OF VEHICLE LIFE CYCLE Streszczeie Abstract Artykuł odosi się do aktualej problematyki eergetyczo-ekologiczej ocey cyklu życia pojazdów samochodowych. Charakter procesów wytwórczych oraz sposób eksploatacji pojazdów samochodowych powodują, że iezależie od rodzaju systemu apędowego (klasyczy, elektryczy lub hybrydowy) oraz sprawości przetwarzaia eergii chemiczej paliwa lub iego ośika eergii w jedostce apędowej, iezwykle waże okazują się akłady eergetycze i obciążeia środowiskowe występujące we wszystkich fazach cyklu życia daego rodzaju pojazdu samochodowego. Na podstawie wyików uzyskaych w ramach realizowaych prac aukowo-badawczych w artykule przedstawioo wybrae aspekty eergetyczo-ekologiczego modelowaia cyklu życia pojazdów samochodowych a przykładzie fazy budowy dla wybraego przykładu samochodu osobowego. Słowa kluczowe: ocea cyklu życia, osobowy, zarządzaie eergią i środowiskiem The paper below is related to the curret problem of eergy ad ecological assessmet of automotive vehicles, cosidered i terms of their whole life cycle. The character of the maufacturig processes ad the way of usig vehicles cause that apart from the type of a drivig system (classic, electric or hybrid) ad the efficiecy of processig the chemical eergy of fuel or aother eergy carrier i a drivig uit, a very importat thig are eergy ad ecological iputs that appear i all phases of a vehicle life cycle of a particular type. O the basis of the results obtaied withi the research work, the article presets metioed earlier eergy ad material aspects of simulatio of vehicles life cycle based o the costructio phase. Keywords: life cycle assessmet, passeger car, eergy ad evirometal maagemet * Dr iż. Małgorzata Mrozik, dr hab. iż. Jacek Eliasz, prof. ZUT, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, Wydział Iżyierii Mechaiczej i Mechatroiki, Zachodiopomorski Uiwersytet Techologiczy w Szczeciie.

2 98. Wstęp W oceie cyklu życia LCA (ag. Life Cycle Assessmet) aalizuje się zagrożeia środowiskowe związae z wyrobem w całym okresie jego życia, od kołyski po grób. Jest oa techiką mającą a celu oceę zagrożeń środowiskowych związaych z systemem wyrobu lub procesem, zarówo poprzez idetyfikowaie oraz oceę ilościową zużytych materiałów i form eergii, a także odpadów wprowadzoych do środowiska, jak i oceę wpływu tych materiałów, eergii i odpadów a środowisko. Wyrobem w techice LCA może być zarówo kokrety przedmiot, jak i cały proces produkcji lub usługa [3. Jedym z problemów XXI wieku jest coraz większe zagrożeie środowiska aturalego oraz deficyt surowców materiałowych. Rozwój cywilizacji pociąga za sobą wzrost produkcji, w tym rówież w dziedziie trasportu samochodowego. Na ogóly poziom degradacji środowiska aturalego duży wpływ ma motoryzacja, która jest źródłem produktów odpadowych powstałych podczas budowy, eksploatacji oraz likwidacji pojazdów wycofaych z użytkowaia, wpływając tym samym w sposób bezpośredi a środowisko aturale. Na aszych drogach porusza się coraz więcej pojazdów samochodowych, co powoduje wzrost wymagań w zakresie ochroy środowiska dla całego obszaru motoryzacji. Dlatego też bardzo waże jest przeprowadzeie kompleksowej aalizy akładów pooszoych w techice pojazdów w ujęciu całego cyklu życia. Uwzględiając wymagaia całościowej eergetyczo-ekologiczej aalizy porówawczej cyklu życia różych rodzajów pojazdów samochodowych, ależy przyjąć, że zmiay w strukturze materiałowej tych pojazdów będą miały wpływ ie tylko a ich masę własą, osiągi dyamicze, bezpieczeństwo czy też zużycie paliwa, ale także a poziom eergochłoości i emisyjości w fazie ich budowy, co w aspekcie kurczących się zasobów surowców produkcyjych i eergetyczych oraz systematyczego wzrostu produkcji w przemyśle motoryzacyjym ie jest bez zaczeia. Jest to bezpośredi powód podjęcia tej iezwykle iteresującej tematyki przez autorów iiejszego artykułu. W publikacji przedstawioo wybrae aspekty dotyczące metodyki określaia poziomu eergochłoości oraz poziomu emisyjości związaymi z akładami materiałowymi występującymi w fazie budowy pojazdów samochodowych. Artykuł zawiera także aalizę wpływu zmia w strukturze akładów materiałowych a eergochłoość i poziom emisyjości fazy budowy pojazdów samochodowych a wybraym przykładzie samochodu osobowego wytwarzaego a przestrzei lat Opis modelu Przedstawioy w artykule model eergetyczo-ekologiczy cyklu życia pojazdu samochodowego został oparty a aalizie LCA zgodie z wymagaiami orm ISO 4040 i ISO Na rysuku przedstawioo model całego cyklu życia pojazdu samochodowego. Model te składa się z astępujących obszarów: I obszar wytworzeie pojazdu (produkcja części i motaż pojazdu osobowego); II obszar eksploatacja pojazdu; III obszar złomowaie pojazdu. W ramach tych trzech obszarów wyróżić moża akłady eergetycze (NE), akłady materiałowe (NM), obciążeia środowiskowe (OŚ), a także odpady.

3 99 Materiały, Eergia Surowce materiałowe Obróbka materiałów Produkcja części Motaż pojazdu osobowego Eksploatacja pojazdu osobowego Recyklig, Odzysk Składowaie odpadów uieszkodliwiaie Części zamiee Części zamiee Materiały Części regeeracja Odpady, Emisje Rys.. Model całego cyklu życia pojazdu osobowego Fig.. Life cycle model of a passeger vehicle Podstawowym założeiem modelu jest przedstawioe a rysuku 2 modelowaie aalitycze fazy produkcji pojazdu osobowego, obejmujące w pierwszym etapie jego podział a podzespoły (P), które dzieli się w astępej kolejości a elemety (E) składające się z poszczególych materiałów (m). Określeie struktury materiałowej pojazdu samochodowego staowi podstawę do określaia wielkości skumulowaych akładów dla poszczególych rodzajów materiałów. P E m m 2 m POJAZD OSOBOWY P 2 E 2 m m 2 m P j E i m m 2 m Rys. 2. Aalityczy model dekompozycji pojazdu osobowego Fig. 2. Aalytical model of the decompositio of the passeger vehicle

4 200 Po przeprowadzeiu dekompozycji materiałowej pojazdu samochodowego możliwe jest stworzeie rówań bilasu masy zgodie z podaym poiżej zapisem matematyczym. Masę samochodu moża obliczyć jako sumę mas wszystkich wykorzystaych do budowy pojazdu materiałów: m = m + m m () m= i = Natomiast wielkość skumulowaych akładów materiałowych obliczyć moża z wykorzystaiem podaych poiżej ogólych zależości odzwierciedlających sumowaie ilości daego rodzaju materiału w poszczególych elemetach i podzespołach pojazdu: m (2) SNm = i j = i= k j= m (3) Poiżej a rysuku 3, a podstawie daych zawartych w [, podao porówaie procetowego udziału poszczególych rodzajów materiałów w strukturze samochodu osobowego z roku 990 oraz roku Na jego podstawie, po uwzględieiu średiej masy pojazdu osobowego a poziomie 200 kg, uzyskao podae a rys. 4 wielkości zużycia materiałów w fazie budowy dla wyżej wymieioego przykładowego samochodu osobowego. 80 Udział daego materiał u[% stal, staliwo, żeliwo alumiium ijego stopy ie metale ieżelaze tworzywa sztucze i guma ie materiały Rok 990 Rok 2000 Rys. 3. Struktura materiałowa (udział masowy) w procetach dla przykładu pojazdu osobowego z 990 i 2000 roku Fig. 3. Material Compositio i percet, for example, passeger vehicle i 990 ad 2000

5 20 Masa materiału [kg stal, staliwo, żeliwo alumiium i jego stopy ie metale ieżelaze tworzywa sztucze i guma ie materiały Rok 990 Rok 2000 Rodzaj materia łu Rys. 4. Zestawieie masy materiałów dla przykładu pojazdu osobowego z 990 i 2000 roku Fig. 4. Summary of mass of materials, for example, passeger vehicle i 990 ad Aaliza eergochłoości i wybraych przykładów poziomu emisyjości Podstawą do przeprowadzeia aalizy eergochłoości i emisyjości dla fazy budowy samochodów osobowych odiesioej w rozpatrywaym przypadku jedyie do akładów materiałowych jest określeie masy całkowitej materiałów, z których składa się day pojazd bezpośredio po jego wyprodukowaiu w motowi produceta oraz wartości jedostkowych akładów eergetyczych (e), a także jedostkowych emisji (em) dla daego rodzaju materiału. Wielkość skumulowaych akładów eergetyczych (SNE) obliczyć moża zgodie z podaą poiżej zależością: gdzie: FB faza budowy, m i/fb masa daego materiału w kg, e i FB ifb / i i= SNE = m e jedostkowe akłady eergetycze dla daego materiału w [MJ/kg (wg daych zawartych w [2). Natomiast poziomy skumulowaych emisji (SEM) dla poszczególych rodzajów obciążeń emisyjych obliczyć moża zgodie z podaymi poiżej zależościami: (4) SEM = m em FB/CO 2 ifb / i/co2 i= (5) SEMFB/SO = mifb / em 2 i/so (6) 2 i=

6 202 SEMFB = mifb em x i /NO / /NO x i= (7) gdzie: em i/co2, em i/so2, em i/nox odpowiedio jedostkowe emisje CO 2, SO 2 i NO x dla daego materiału w kg emisji /kg materiału (wg daych zawartych w [2). W tabeli zestawioo dae dotyczące skumulowaych akładów eergetyczych, atomiast w tabelach 2, 3 i 4 zestawioo dae dotyczące skumulowaych emisji CO 2, SO 2 i NO x. Tabela Zestawieie skumulowaych akładów eergetyczych (SNE) występujących w fazie budowy dla przykładu samochodu osobowego z 990 i 2000 roku (wg daych zawartych w [4) SNE FB [GJ z 990 r. SNE FB [GJ z 2000 r. Zmiaa [GJ stal, staliwo, żeliwo 468,49 49,54 48,95 alumiium i jego stopy 2,24 7,4 +4,90 ie metale ieżelaze (cyk, miedź, magez),59,59 0 tworzywa sztucze i guma 9,46 4,8 +4,72 i. materiały (w tym eksploatacyje i pomocicze) 8,46 8,46 0 Razem 500,24 460,9 39,33 Tabela 2 Zestawieie skumulowaych emisji CO 2 (SEM CO2 ) występujących w fazie budowy dla przykładu samochodu osobowego z 990 i 2000 roku (wg daych zawartych w [4) SEM FB/ CO 2 [kg CO2 z 990 r. SEM FB/ CO 2 [kg CO2 z 2000 r. Zmiaa [kg CO2 stal, staliwo, żeliwo [kg 2886, ,80 30,56 alumiium i jego stopy [kg 70,40 98, ,56 ie metale ieżelaze (cyk, miedź, magez) [kg 99,00 99,00 0 tworzywa sztucze i guma [kg 384,00 576,00 +92,00 i. materiały (w tym eksploatacyje i pomocicze) [% 66,60 66,60 0 Razem 437, ,36 +7,00

7 203 Tabela 3 Zestawieie skumulowaych emisji SO 2 (SEM SO2 ) występujących w fazie budowy dla przykładu samochodu osobowego z 990 i 2000 roku (wg daych zawartych w [4) SEM FB/SO2 [kg SO2 z 990 r. SEM FB/SO2 [kg SO2 z 2000 r. Zmiaa [kg SO2 stal, staliwo, żeliwo [kg 4,47 2,96,5 alumiium i jego stopy [kg 9,00 2,60 +3,6 ie metale ieżelaze (cyk, miedź, magez) [kg,69,69 0 tworzywa sztucze i guma [kg,68 2,52 +0,84 i. materiały (w tym eksploatacyje i pomocicze) [% 0,8 0,8 0 Razem 27,02 29,95 +2,93 Tabela 4 Zestawieie skumulowaych emisji NO x (SEM NOx ) występujących w fazie budowy dla przykładu samochodu osobowego z 990 i 2000 roku (wg daych zawartych w [4) SEM FB/NOx [kg NOx z 990 r. SEM FB/NOx [kg NOx z 2000 r. Zmiaa [kg NOx stal, staliwo, żeliwo [kg 4,82 4,32 0,50 alumiium i jego stopy [kg 5,00 2,00 +6,00 ie metale ieżelaze (cyk, miedź, magez) [kg 0,32 0,32 0 tworzywa sztucze i guma [kg,56 2,34 +0,78 i. materiały (w tym eksploatacyje i pomocicze) [% 0,36 0,36 0 Razem 22,06 28,34 +6,28 Przeprowadzoa aaliza odiesioa została do takich grup materiałów jak: stal, staliwo, żeliwo, alumiium, metale ieżelaze, tworzywa sztucze itp. Biorąc pod uwagę, że w okresie od 990 do 2000 r. ie było zaczących zmia w zakresie techologii ich wytwarzaia, przyjęto założeie, że wielkości jedostkowych akładów eergetyczych i związaych z imi jedostkowych emisji rówież ie podlegały zaczącym zmiaom. 4. Wioski Przedstawioe w powyższym artykule podstawowe założeia modelowe staowią owe podejście do zagadień dotyczących określaia skumulowaych akładów eergetyczych oraz skumulowaych poziomów emisji występujących w fazie budowy pojazdów osobowych. Na podstawie przeprowadzoych badań i ich aalizy moża stwierdzić, że:

8 204 zmiay udziałów masowych materiałów stosowaych w budowie samochodów osobowych obejmujących okres od 990 do 2000 roku widocze są szczególie w przypadku daych zawartych a rysukach 3 i 4. Mamy tutaj do czyieia ze zmiejszeiem udziału masowego takich materiałów jak stal, staliwo i żeliwo (redukcja o poad 0%), a rzecz takich materiałów jak alumiium i jego stopy (wzrost o 25%), czy też tworzywa sztucze i guma (wzrost o 40%); związae z tym zmiay w zakresie skumulowaych akładów eergetyczych zajdują odzwierciedleie w daych zawartych w tabeli. Widocze jest tutaj zaczące zmiejszeie skumulowaych akładów eergetyczych w obszarze takich materiałów jak stal, staliwo i żeliwo (redukcja o poad 0%), a rzecz wzrostu skumulowaych akładów eergetyczych w obszarze takich materiałów jak alumiium i jego stopy (wzrost o 40%), czy też tworzywa sztucze i guma (wzrost o 50%); z zupełie odwrotą tedecją mamy do czyieia w przypadku występujących poziomów emisyjości (patrz tabela 2, 3 i 4). Poziom emisji CO 2 wzrósł odpowiedio o 4,3%, poziom emisji SO 2 wzrósł o 0,84% (główie poprzez zwiększoy udział tworzyw sztuczych), a poziom emisji NO x wzrósł aż o 28,46%, co jest rówież związae z poad 50% zwiększeiem udziału tworzyw sztuczych w ogólym bilasie akładów eergetyczych dla fazy budowy samochodów osobowych w przeciągu dziesięcioletiego okresu pomiędzy 990 a 2000 rokiem; ależy tutaj zwrócić uwagę a fakt, że wartości emisji CO 2 związae są ze zaczącymi wartościami jedostkowych emisji CO 2 dla takich materiałów, jak stal i alumiium, odpowiedio: 3,59 kg CO2 /kg mat oraz,69 3,59 kg CO2 /kg mat. Artykuł został opracoway w ramach projektu badawczego r N N fiasowaego przez Narodowe Cetrum Nauki. Literatura [ E b e r l e R., Dissertatio zum Thema Methodik zur gazheitliche Bilazierug im Automobilbau, Techische Uiversität Berli, Fakultät 0, Berli [2 Corradii R., Hutter C., Köhler D., Gazheitliche Bilazierug vo Grudstoffe ud Halbzeuge, Forschugstelle für Eergiewirtschaft e.v, Moachium 999. [3 Góralczyk M., Kulczycka J., Ekologicza ocea cyklu życia (LCA) ową ormą z rodziy ISO 4000, Problemy Ekologii, r 4/200. [4 Eliasz J., Mrozik M., Wybrae aspekty dotyczące akładów materiałowych i eergetyczych w fazie budowy samochodów osobowych, Autobusy, r 5/20: Techika, Eksploatacja, Systemy Trasportowe, Słupsk 20.