OCENA EFEKTÓW EKOLOGICZNYCH SUBSTYTUCJI PALIW NIEODNAWIALNYCH PRZEZ ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

Transkrypt

1 OCENA EFEKTÓW EKOLOGCZNYCH SUBSTYTUCJ PALW NEODNAWALNYCH PZEZ ODNAWALNE ŹÓDŁA ENEG Autorzy: Barbara Medeca, Joachm Kozoł ("ye Eerg" - 12/2014) Słowa luczowe: odawale źródła eerg, oszt społeczy, oszt termoeologczy, substytucja palwa Streszczee. W artyule przeprowadzoo aalzę sutów eologczych substytucj palwa eodawalego (palwa odesea) przez rozpatrywae odawale źródła eerg (OZE), wyorzystując pojęce społeczego wsaźa efetywośc oraz osztu termoeologczego, przy wytwarzau rozpatrywaego produtu użyteczego w zastosowau omualo-bytowym. Przez społeczy wsaź efetu oreśloego rodzaju, rozume sę różcę tego efetu w przypadu wytwarzaa tej samej lośc produtu użyteczego przy stosowau palwa odesea eerg substytucyjej. lość produtu użyteczego powa odpowadać zastosowau jedej jedost eerg substytucyjej. Aalza bezpośredego zużyca eerg e obejmuje całowtej eerg ezbędej do wytworzea daego użyteczego ośa eerg. Jao mer wyczerpywaa eodawalych bogactw aturalych moża przyjąć ta zway wsaź osztu termoeologczego, tóry powe być wyrażay za pomocą sumulowaych wsaźów zużyca eerg. W opracowau przedstawoo metodologę oblczeń oraz przyład aplacyjy zwązay z wyorzystaem wybraych źródeł eerg odawalej (eerg słoeczej w oletorach słoeczych, otłów zaslaych bopalwam, oraz pomp cepła wyorzystujących eergę geotermalą) do przygotowaa cepłej wody użytowej u odborcy dywdualego, a taże porówao uzysae wy z stejącą metodologą dotyczącą oblczaa charaterysty eergetyczej budyów. 1. WSTĘP Efety substytucj palw eodawalych przez odawale źródła eerg (OZE) zależą od: charateru społeczych aładów tj. zysów lub osztów z tym zwązaych, celu wyorzystaa źródeł eerg podlegających substytucj tj. rodzaju wytwarzaego produtu użyteczego lub usług, palwa eodawalego podlegającego substytucj, aalzowaego źródła eerg odawalej. Nałady społecze mogą meć charater eergetyczy, eoomczy, eologczy, socjaly, poltyczy y. Komplesowe rozwązae problemu omawaej substytucj palw eodawalych przez OZE powo polegać a weloryteralej aalze problemu, uwzględającej wszyste rodzaje aładów. stoty wpływ a efety substytucj ma oczywśce produt ońcowy procesu, tóremu ma służyć wyorzystae palwa /lub eerg. a jest efetywość p. eologcza wyorzystaa eerg słoeczej do wytwarzaa eerg eletryczej w ogwach fotowoltaczych, a a przy wytwarzau cepła w oletorach słoeczych.

2 Oddzelym problemem jest możlwość wyorzystaa tego samego źródła eerg w lczych zastosowaach p. bopalwo może być wyorzystae w cepłowctwe do ogrzewaa pomeszczeń oraz przygotowaa cepłej wody użytowej. W oreśloych waruach geografczo-geologczych steją eodawale źródła eerg o ajbardzej uwersalym powszechym zastosowau ze względu a efetywość eoomczą bezpeczeństwo eergetycze raju lub regou. W Polsce taą rolę speła węgel amey, węgel bruaty, gaz zemy /lub olej opałowy. Źródła te przyjęto uważać w ejszym opracowau za eodawale źródła bazowe podlegające substytucj. W dostępej lteraturze moża zaleźć róże sposoby wyrażaa eologczych aładów wyorzystaa palw eerg. W przypadu odawalych źródeł eerg, sposoby te są zwązae z powodam wyorzystaa tych źródeł. Do bezdysusyjych powodów stosowaa źródeł eerg odawalej moża zalczyć: oszczędość ograczoych zasobów eerg odawalej, zwęszee możlwośc producj, a zwłaszcza sprzedaży ych produtów p. eerg eletryczej w eletrowach eletrocepłowach dzę wyorzystau preferecj zwązaych z olorowym certyfatam, spełee wymagań ujego paetu lmatyczo-eeregtyczego. Za dysusyje powody uważa sę atomast: ograczee emsj substacj szodlwych, zwłaszcza CO 2, do otoczea, tym samym ograczee wpływu a tzw. efet ceplaray, zwęszee efetywośc eoomczej procesów. Do często stosowaych merów eologczych aładów społeczych zwyło sę zalczać: jedostową bezpośredą sumulowaą emsje CO 2 odesoą do jedost eerg chemczej palwa lub źródła eerg [7,15], wsaź emsj ewwaletej CO2 [12], wsaź aalz środowsowych cylu życa produtu LCA(Lfe Cycle Assesmet) [2, 5, 7, 15], oszt termoeologczy [3,12, 15,16,17,18,19]. Autorzy ejszego opracowaa do ocey weloryteralej efetów substytucj palw eodawalych przez źródła eerg odawalej zapropoowal wsaź społeczej efetywośc substytucj [9]. Wspomaa metoda może być róweż zastosowaa do ocey efetów eologczych z wyorzystaem osztów termoeologczych.

3 2. WSKAŹNK EFEKTYWNOŚC EKOLOGCZNEJ SUBSTYTUCJ PALW ENEG Wsaź efetywośc eologczej substytucj N-tego palwa lub eerg eodawalej przez eergę -tego źródła odawalego dotyczący wytworzea -tego produtu użyteczego lub usług moża oreślać z astępującego wzoru defcyjego: N, (1) gdze: lczba -tych produtów użyteczych możlwych do uzysaa przy wyorzystau jedost eerg odawalej,, oszt termo eologczy w pełym cylu ste- N a zwązay z wyproduowaem jedost -tego produtu użyteczego przy stosowau N tego bazowego palwa eodawalego oraz -tej eerg odawalej. Jedostowa lczba produtów ma zaczee aalogcze do sprawośc. Jeżel marą produtu użyteczego są jedost eergetycze p. dla cepła lub eerg eletryczej, to ma charater bezwymarowy. Moża wtedy apsać (2) gdze: sprawość eergetycza wyorzystaa eerg ze źródeł odawalych. W pratyce gospodarczej występują przypad, w tórych wytwarzae daych produtów użyteczych e jest możlwe przy wyłączym stosowau eerg ze źródła odawalego. Koecze jest wtedy stosowae palwa dodatowego. Problem tego typu występuje przy wytwarzau cepła cepłej wody użytowej z wyorzystaem oletorów słoeczych. W ocy oraz przy dużym zachmurzeu eerga słoecza e jest wystarczająca dla uzysaa wymagaych lośc jaośc wody. Koecze jest wtedy stosowae palw dodatowych, p. gazu zemego lub eerg dodatowej p. eerg eletryczej. Powo by to być uwzględoe przy oreślau jedostowej lczby eergetyczy uzysuje sę zależość:. Jeżel produt użyteczy procesu ma charater AD ε (3) gdze: AD sprawość eergetycza łączego wyorzystaa eerg odawalej eerg dodatowej, ε udzał aalzowaej eerg odawalej w ogólym zużycu eerg.

4 Wsaź efetywośc eologczej substytucj z wyorzystaem osztu termoeologczego opsay jest wzorem 1, 1 AD N AD ε AD ε. (4) Po wprowadzeu wyróża osztu termoeologczego Ρ (5) AD N wzór (4) przyjme ostateczą postać opsaą zależoścą 1 1 AD Ρ ε 1 AD ε Ρ Ρ AD N (6) 3. KOSZT TEMOEKOLOGCZNY Podstawowa aalza eologcza systemów eergety omualej sprowadza sę do wyzaczea emsj substacj szodlwych wprowadzoych do atmosfery wsute spalaa palw. Najczęścej wyzaczae welośc to: tlee dwutlee węgla, dwutlee sar, tle azotu oraz pyły [1,4,11,20]. Wsaź eologcze często są podstawą do wycey osztów emsj substacj szodlwych. Wpływa to a oszty referecyje wytworzea produtów użyteczych w poszczególych techologach eergetyczych. Wg [14] metoda wycey powa zostać ulepszoa poprzez wyorzystae wsaźów osztów termoeologczych. Według J. Szarguta [17] oszt termoeologczy jest zdefoway jao sumulowae zużyce egzerg bogactw eodawalych, obcążające wszyste etapy procesów wytwórczych, prowadzące od pozysaa surowców do produtu falego. Koszt termoeologczy wytwarzaa cepła w otle wodym opsuje rówae [15, 17, 19]: 1 N χ f N ( 1 χ η źc f ) N p ζ, (7) gdze: - oszt termoeologczy palwa rajowego, N - oszt termoeologczy pal- N

5 wa mportowaego, f - udzał palwa rajowego w całowtym zużycu rozpatrywaego palwa, p - emsja jedostowa -tej substacj szodlwej a jedostę palwa. Dla otłów węglowych gazowych wytwarzających cepłą wodę użytową przy założeu wyorzystaa palwa rajowego zależość (7) moża uproścć do postac: N ems (8) gdze: - oszt termoeologczy przypadający a jedostę produtu użyteczego, wyający ze zużyca palwa, lczoy z zależośc e, (9) gdze: e -zużyce rozpatrywaego palwa lub eerg odawalej przypadające a jedostę produtu użyteczego, N -oszt termoeologczy palwa eodawalego, ems termoeologczy przypadający a jedostę -tego produtu użyteczego, -oszt ems 1 η źc p ζ. (10) W przypadu odawalych źródeł eerg w zastosowau omualo-bytowym oszt termoeologczy wyzacza sę z blasu. Metoda wyzaczaa blasu została opsaa w [17,18,19]. ta w przypadu pompy grzejej z apędem eletryczym wsaź osztu termoeolgczego wytwarzaego ośa cepła wya z zależośc el COP (11) gdze: COP- wsaź efetywośc pompy grzejej, el - oszt termoeologczy wytwarzaa eerg eletryczej (loco odborca). Dla otłów opalaych bomasą czy bogazem, zależość moża sprowadzć do wzoru (8). Optymalzacja oraz zależośc wyzacza osztu termoeologczego wytwarzaa cepła w oletorach słoeczych w pełym cylu stea została przedstawoa w [16].

6 Koszt termoeologczy w pełym cylu stea dla otłów wodych pomp cepła zdefoway został w astępujący sposób [13] LCA, /N w (12) gdze: w- westycyjy oszt termoeologczy uwzględający zużyce surowców materałów. 4. WYNK ANALZ Aalzy dotyczące osztu termoeologczego wytwarzaa cepłej wody użytowej w ejszej pracy sprowadzają sę do aalzy substytucj eerg wytwarzaej a potrzeby cepłej wody użytowej w loalych otłowach a palwo stałe cełe gazowe. Porówywae waraty umeszczoe są w tablcy 1. referecyjy 1 referecyjy 2 referecyjy 3 Kocoł retortowy Kocoł odesacyjy Kocoł odesacyjy Noś eergetyczy Węgel amey, t Olej opałowy, t Udzał produowaej eerg Źródło cepła dodatowe Noś eergetyczy 100 % % Gaz zemy, m % Udzał produowaej eerg 2 Kocoł bomasę a Pelety drzewe t 100 % Kocoł odesacyjy Gaz zemy, m 3 40 % oletor słoeczy - 60 % 4 5 Kocoł odesacyjy Grutowa pompa cepła Gaz zemy, m 3 40 % Koletor słoeczy z dotacją - 60 % Tablca 1 ozpatrywae waraty systemów wytwarzaa cepłej wody użytowej dla palw bazowych substytucyjych wytwarzaa Źródło cepła szczytowe Eerga eletrycza-g11, Wh 100 % - - -

7 Wartośc osztu termoeologczego substytucj palw eodawalych przez OZE w pełym cylu stea zostały zestawoe w tablcach 2, 3 4. Tablca 5 przedstawa wy aalzy efetywośc substytucj z wyorzystaem wsaźów aładu eerg perwotej[5]. Dwe wartośc wsaźów w poszczególych werszach olumy dotyczą olejych ośów eergetyczych, podstawowego dodatowego. Tablca 2 Wy aalzy efetywośc eologczej substytucj palw eodawalych przez OZE węgel amey wytwarzaa Ρ N/ ef. 1 1,000 1,006 0, ,775 0,780 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,964 0,970 0,087 Źródło: Opracowae włase [11,12,15,16] Tablca 3 Wy aalzy efetywośc eologczej substytucj palw eodawalych przez OZE- olej opałowy wytwarzaa Ρ N/ ef. 2 1,000 1,560 0, ,775 0,780 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,964 0,970 1,421 Źródło: Opracowae włase [11,12,15,16] Tablca 5 Wy aalzy efetywośc eologczej substytucj palw eodawalych przez OZE- gaz zemy wytwarzaa Ρ N/ ef. 3 1,000 1,390 0, ,775 0,780 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,032/1,382 0,05/1,390 0, ,964 0,970 1,011 Źródło: Opracowae włase [11,12,15,16]

8 Tablca 4 Wy aalzy efetywośc eologczej substytucj palw eodawalych przez OZE- współczy aładu eerg perwotej w N/ [5]. wytwarzaa W w N/ ef. 1,2,3 1,000 1,100 0, ,150 0,136 0, /1,100 0/1,000 0, //1,100 0/1,000 0, ,882 0,802 0, PODSUMOWANE Efet eologczy substytucj eerg eodawalej przez odawale źródła eerg zależy od udzału eerg odawalej w całowtym zużycu. Korzyste efety substytucj dla sprężarowych pomp cepła wyają główe z wysoego wsaźa COP (coeffcet of performace) pompy cepła, tóry waruuje zmejszee aładów eerg perwotej oraz osztu termoeologczego (wzór 12) względem owecjoalego systemu zaslaego eergą eletryczą. Pod względem eologczym odawale źródła eerg wyazują dodate efety społecze. Co ozacza, że powodują oe per saldo mejsze zaeczyszczee środowsa zużyce egzerg w porówau ze źródłam eodawalym. Porówae wsaźów efetywośc eologczej z wyorzystaem osztu termoeologczego [15] oraz wsaźów aładu eerg perwotej [4] prowadz do podobych wyów [5]. Wyjąte staow wyorzystae bomasy do celów przygotowaa cwu. W przypadu osztów termoeologczych uwzględae są ałady eergetycze zwązae z trasportem [3]. Prowadz to do ogólego wosu. Z putu wdzea oreśloego wsaźa efetywośc eologczej stosowae osztu termoeologczego prowadz do bardzej warygodych wyów ż stosowae wsaźów aładów eerg perwotej. LTEATUA [1] Battst,. Corrado, A.: Evrometal assessmet of solar thermal collectors wth tegrated water storage. Joural of Cleaer Producto, November-December, 2005, p [2] Beec M. : Metodya ocey eoefetywośc budyów meszalych w zarese zastosowaa odawalych źródeł eerg. ozdz.10 moograf: Przegląd uwaruowań metod ocey efetywośc wyorzystaa odawalych zrodel eerg w budowctwe. Wyd. Pol.Śl. Glwce 2012

9 [3] Czarowsa L., Pearczy W., Stae W., Ptasńs K., Kala J.: Thermo-ecologcal cost of electrcty from bomass coverso Polsh codtos. Proceedgs of 3rd teratoal Coferece o Cotemporary Problems of Thermal Egeerg. CPOTE Glwce [4] Dz.: Ztegrowaa ocea efetywośc pozysaa eerg eletryczej ze źródeł odawalych. ye Eerg 2005, r 2. [5] Dz.U r 201 poz ozporządzee Mstra frastrutury z da 6 lstopada 2008 r. w sprawe metodolog oblczaa charaterysty eergetyczej budyu staowącej samodzelą całość techczo-użytowa oraz sposobu sporządzaa wzorów śwadectw ch charaterysty eergetyczej. [6] Fulvo, A., Beccal, G., Cellura, M. Lo Brao, V.: Lfe cycle assessmet of a solar thermal collector. eewable Eergy, Jue, 2005, p [7] Greeg B., Azapagc A.: Domestc heat pumps: Lfe cycle evrometal mpacts ad potetal. Eergy, March, 2013, p [8] Kozoł J., Kozoł M.: Charaterystya ocea efetów eologczych wyorzystaa OZE. ozdz.9 moograf: Przegląd uwaruowań metod ocey efetywośc wyorzystaa odawalych zrodel eerg w budowctwe. Wyd. Pol.Sl. Glwce [9] Kozoł J., Medeca B.: Evaluato of ecoomc, eergy-evrometal ad socetal effects of o-reewable eergy substtuto wth reewable eergy sources. SDEWES [10] Magdzarz A., Wl M.: Aspet eologczy spalaa bomasy w otłach rusztowych. ye eerg 2012, r 9. [11] Ntewcz, A.: Praca dotorsa: Eergetyczo-eologcza aalza systemów ogrzewaa chłodzea budyów wyorzystujących sotemperaturowe geotermale źródło eerg. Poltecha Częstochowsa [12] Norwsz J., Boryczo B., Hołda A., Koleda Z.: Thermo ecologcal cost aalyss of shaft ad flash smeltg processes of copper producto geeral approach. Archves of Metallurgy ad Materals / Polsh Academy of Sceces. Commttee of Metallurgy. sttute of Metallurgy ad Materals Scece, 2009 vol. 54 ss. 1 s [13] Paserb S.: Ja zarządzać eergą środowsem w budyach użyteczośc publczej. Fudacja a rzecz Efetywego Wyorzystaa Eerg. Katowce 2004 [14] Popczy J.: owacyja eergetya. Kotest eologczo-eergetyczy eoomczocywlzacyjy. Acta Eergetca r 1/2009 [15] Stae, W.: Metodya ocey sutów eologczych w procesach ceplych za pomocą aalzy ezgergetyczej. Praca habltacyja, Glwce Poltecha Śląsa. [16] Szargut J., Stae W.: Thermo-ecologcal optmzato of a solar collector. Eergy, Aprl, 2007, p

10 [17] Szargut J.: Egzerga. Porad oblczaa stosowaa. Wyd. Pol. Śl. Glwce 2007 [18] Szargut J.: Eerga czy egzerga. ye Eerg 2010, r 5. [19] Szargut J.: Exergy Method Techcal ad Ecologcal Aplcatos. WT Press, Southampto, Bosto (2005) [20] Zajemsa M., adoma H.: Aalza eoomczo eologcza eergetyczego wyorzystaa wybraych palw. ye Eerg 2009, r 2. Praca fasowaa jest ze środów BK-226/E6/2012 EVALUATON OF ENEGY-ENVONMENTAL EFFECTS OF NON- ENEWABLE ENEGY SUBSTTUTON WTH ENEWABLE ENEGY SOUCES Key words: reewable eergy sources (ES), socal cost, thermoecologcal cost (TEC), eergy substtuto Summary. The artcle presets the aalyss of o-reewable eergy substtuto wth reewable eergy sources (ES), usg the cocept of socal dcator for thermoecologcal cost arsg from producto of a gve utlty product commual ad lvg power dustry. ths paper, the socal dcator of a gve effect presets dfferece of a effect for the same amout of utlty product whe applyg referece fuel ad reewable substtuto eergy source. The amout of utlty product should equal the use of oe substtuto eergy ut. Aalyss of drect eergy use does ot clude the total eergy requred to produce a usable eergy source. As a measure of the depleto of o-reewable atural resources ca be adopted so-called thermoecologcal cost rato, whch should be expressed by meas of cumulatve eergy cosumpto. The paper presets calculato methodology ad examples of applcatos assocated wth the use of partcular reewable eergy sources (solar eergy solar collectors, bolers powered by bofuels ad heat pumps usg geothermal eergy) to prepare hot tap water. Furthermore, ths paper presets comparso of results of calculatos wth dcators of prmary eergy cosumptos proposed exstg methodology of calculatg the eergy performace of buldgs. Joachm Kozoł, prof. dr ż.., erow Załadu Termodyam, Gospodar Eergetyczej Chłodctwa Pol. Śl. Specjalość: eergetya cepla, chłodctwo, żyera środowsa. E-mal: joachm.ozol@polsl.pl Barbara Medeca, mgr ż., dotorata Wydzału żyer Środowsa Eergety Pol. Śl. Specjalość: eergetya omuala, żyera środowsa. E-mal: barbara.medeca@polsl.pl