Ocena wpływu na środowisko wytwarzania energii cieplnej w wybranych elektrociepłowniach

Transkrypt

1 Ocena wpływu na środowisko wytwarzania energii cieplnej w wybranych elektrociepłowniach Autorzy: Dr inż. Maciej Dzikuć - Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Ekonomii i Zarządzania, Katedra Zarządzania Bezpieczeństwem Prof. dr hab. inż. dr h.c. Stanisław Urban - Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu, Instytut Nauk Ekonomicznych, Katedra Ekonomiki i Organizacji Gospodarki Żywnościowej ("Energetyka" - nr 5/2014) Streszczenie: W artykule przedstawiono metodę oceny cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment) w celu określenia oddziaływania wytwarzana energii na środowisko. Ponadto wykazano przydatność tej metody do oceny sektora energetycznego. W artykule zaprezentowano także wpływ wytwarzania energii na środowisko w elektrociepłowniach zasilanych węglem kamiennym. Dokonano również analizy za pomocą metody LCA w celu porównania wpływu na środowisko wytwarzania energii w Elektrociepłowni Polkowice oraz w Elektrociepłowni Legnica. Wskazano na różnicę w osiągniętych wynikach oraz omówiono przyczyny występowania wykazanych oddziaływań środowiskowych. Określono działania, których podjęcie przyczyni się do zmniejszenia wpływu wytwarzania energii na środowisko. Słowa kluczowe: ocena cyklu życia, energia, ekologia, węgiel kamienny, elektrociepłownie. Ostatnie lata przyniosły szereg zmian w sektorze energetycznym. Dotyczy to szczególnie wytwarzania energii, podczas którego wprowadza się nowoczesne metody oczyszczania spalin w przypadku wytwarzania energii na bazie tradycyjnych surowców energetycznych. Poza zastosowaniem bardziej ekologicznych technologii wytwarzania energii w oparciu o węgiel kamienny, brunatny i gaz ziemny rozwijane są również technologie wykorzystujące odnawialne źródła energii (OZE). Podczas przeobrażeń zachodzących w krajowym sektorze energetycznym polityka energetyczna Unii Europejskiej stała się jedną z priorytetowych kwestii mających wpływ na dalszy rozwój państw członkowskich. Polska, jako kraj pozyskujący energię głównie poprzez spalanie węgla kamiennego i brunatnego jest w szczególnie niekorzystnej sytuacji, która w przypadku nieprzedsięwzięcia rozwiązań ograniczających emisję CO 2, będzie zmuszona do ponoszenia coraz wyższych kosztów związanych z opłatami za szkodliwe emisje. Wytwarzanie energii w elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych negatywnie wpływa na środowisko a wraz ze wzrostem jego zanieczyszczenia coraz intensywniej poszukuje się możliwości ograniczania oddziaływania człowieka na otoczenie. Odpowiedzią na rosnące wymagania społeczeństwa oraz z uwagi na coraz ostrzejsze przepisy prawne wprowadzane są nowoczesne rozwiązania, które mają na celu ograniczenie obciążeń środowiskowych. Metodą pozwalającą ocenić i porównać wpływ na środowisko różnych sposobów wytwarzania energii jest ocena cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment). Analizie z użyciem metody LCA mogą być poddawane zarówno produkty, jak i procesy obejmujące pełny cykl życia produktu oraz

2 wreszcie całe gałęzie przemysłu [5]. LCA jest skuteczną metodą, która umożliwia ocenę i porównanie wpływu na środowisko wytwarzania energii w różnych elektrociepłowniach bazujących na tym samym paliwie. Analizie za pomocą metody LCA mogą być poddawane zarówno produkty, procesy obejmujące pełny cykl życia produktu jak również całe gałęzie przemysłu [1]. Celem artykułu jest określenie i porównanie wpływu na środowisko wytwarzania energii cieplnej w dwóch elektrociepłowniach opalanych węglem kamiennym. W publikacji zostanie przeprowadzona analiza metodą LCA na podstawie danych uzyskanych z Elektrociepłowni Legnica oraz Elektrociepłowni Polkowice. Przedmiot i zakres badań Ocena cyklu życia LCA jest uznaną metodą badawczą, której celem jest identyfikacja zagrożeń środowiskowych. LCA oparta jest na identyfikacji i określeniu ilości zużywanych surowców, energii oraz odpadów i odprowadzanych zanieczyszczeń a następnie na ocenie wpływu tych elementów na środowisko [3]. Metoda ta pozawala na określenie zagrożeń oraz ustalenie sposobów poprawy jakości środowiska poprzez zbadanie możliwych wpływów procesu wytwórczego na środowisko [2]. Ważną cechą oceny cyklu życia jest możliwość badania wpływu na środowisko w całym okresie funkcjonowania produktu. Dzięki LCA możliwe jest ustalenie wpływu danego produktu na środowisko nie tylko podczas jego wytwarzania oraz pozyskiwania niezbędnych surowców, ale również podczas jego użytkowania aż do utylizacji. Metoda LCA pozwala wspomóc zarządzanie ograniczonymi zasobami, bowiem opiera się na faktycznych danych wejściowych i wyjściowych badanego procesu. Zastosowanie metod optymalizujących gospodarowanie ograniczonymi surowcami energetycznymi może się przyczynić do poprawy bezpieczeństwa energetycznego [4]. Analiza LCA jest określana przez International Standard Organization (Międzynarodowa Organizacja ds. Standaryzacji, ISO) jako technika oceny czynników środowiskowych i możliwych oddziaływań związanych z produktem obejmującą (rys. 1.) cztery fazy: 1. określenie celu i zakresu badań, 2. inwentaryzację zbioru istotnych wejść i wyjść w systemie wyrobu, 3. ocenę potencjalnych oddziaływań na środowisko związanych z wejściami i wyjściami systemu, 4. interpretację rezultatów analizy zbioru oraz faz oceny wpływu w odniesieniu do celów badań [6].

3 Rysunek 1. Procedura realizacji LCA Początek Określenie celu i zakresu 1. Cel działania 2. Określenie wyrobu 3. Wybór ograniczeń systemu 4. Wybór parametrów środowiskowych 5. Wybór metod gromadzenia i oceny danych 6. Strategia zbierania danych 7. Wstępne uruchomcie metody LCA 8. Weryfikacja kroku określenie celu i zakresu Analiza zbioru 1. Pomiary, wyliczenia teoretyczne 2. Charakterystyka stosowanych procesów 3. Określenie produktu wejściowego i wyjściowego procesu 4. Wyznaczenie tabel danych z inwentaryzacji 5. Kategoryzacja wpływów na środowisko Ocena wpływu 1. Przyporządkowanie danych wpływom 2. Określenie katalogu odpadów 3. Klasyfikacja danych tabel inwentarzowych z punktu widzenie rodzaju wpływu 4. Charakterystyka poszczególnych klas 5. Normalizacja wyników 6. Hierarchizacja klas (ocena istotności wpływu) Interpretacja 1. Określenie elementów o dużym zagrożeniu 2. Analiza wrażliwości w/w elementów 3. Ustalenie sposobu minimalizacji zagrożeń 4. Ocena priorytetów możliwych poprawek i ich wykonalności Koniec Źródło: Wach A. K., Metoda oceny cyklu życia (LCA) jako podstawa komputerowo wspomaganej oceny wyrobu, Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa2002, s. 92.

4 Tabela 1. Kategorie szkód oraz oddziaływań w metodzie Eco-Indikator 99 Kategorie szkód Zdrowie ludzkie Jakość ekosystemu Surowce Kategorie oddziaływań Związki kancerogenne Związki organiczne Związki nieorganiczne Zmiany klimatu Radiacja Dziura ozonowa Ekotoksyczność Zakwaszenie/eutrofizacja Użytkowanie ziemi Minerały Paliwa kopalne Źródło: opracowanie własne na podstawie oraz oprogramowania SimaPro. Analiza LCA wspomagana jest przez profesjonalne oprogramowanie komputerowe takie jak SimaPro opracowany przez PRe Consultans B. V. w Holandii. W artykule posłużono się programem SimaPro w wersji 7.1. Istotną zaletą programu SimaPro jest wykorzystywanie do oceny środowiskowej wskaźnika Eco-Indykator 99 (Ekowskaźnik 99) [9]. Wskaźnik ten pozwala na wzięcie pod uwagę problemu wyczerpywania się zasobów surowcowych, co jest szczególnie ważne w przypadku badania wpływu na środowisko, który ma miejsce podczas wytwarzania energii cieplnej w elektrociepłowniach opalanych węglem kamiennym. Analiza LCA umożliwia obliczenie wpływu na środowisko w odniesieniu do jedenastu kategorii oddziaływań, które odnoszą się do trzech kategorii szkód [7]. Zależności między kategoriami szkód i oddziaływań przedstawione zostały w tabeli 1. Wyniki oceny LCA wyrażone są w Pt (punkach ekowskaźnika), gdzie 1 Pt ekowskaźnika to wartość, która reprezentuje jedną tysięczną rocznego obciążenia środowiska przypadającą na mieszkańca Europy. Analiza LCA wytwarzania energii cieplnej w Elektrociepłowni Polkowice oraz w Elektrociepłowni Legnica Elektrociepłownia Polkowice oraz Elektrociepłownia Legnica wchodzą w skład przedsiębiorstwa "Energetyka" Sp. z o.o., które zajmuje się wytwarzaniem ciepła oraz energii elektrycznej. Właścicielem 100% udziałów "Energetyka" Sp. z o.o. jest KGHM Polska Miedź S.A. Elektrociepłownia Polkowice wytworzyła w 2011 roku GJ i MWh. Natomiast Elektrociepłownia Legnica wytworzyła w 2011 roku GJ 1. 1 Dane uzyskane z "Energetyka" Sp. z o.o.

5 Tabela 2. Wyniki LCA trzy kategorie szkód Kategorie szkód Elektrociepłownia Polkowice Elektrociepłownia Legnica Zdrowie ludzkie 0,55 Pt 0,91 Pt Jakość ekosystemu -0,14 Pt 0,06 Pt Surowce 2,51 Pt 3,54 Pt Suma 2,92 Pt 4,51 Pt Źródło: badania własne. Celem badań jest określenie i porównanie za pomocą analizy LCA wpływu na środowisko wytwarzania energii cieplnej na bazie węgla kamiennego. Podczas prowadzenia badań użyto program komputerowy SimaPro 7.1. Jako jednostkę funkcjonalną, czyli jednostkę przyjętą do badań, która stanowi ilościowy efekt systemu produkcji przyjęto 1 GJ wytworzonej energii. Jednostka funkcjonalna powinna być jasno zdefiniowana i mierzalna, ponieważ dostarcza ona płaszczyznę odniesienia dla normalizowania danych wejściowych i wyjściowych systemu odniesienia. Dane, które wykorzystano podczas badań pochodzą z 2011 roku i zawierają elementy wchodzące do systemu, które są wykorzystywane w czasie produkcji energii i są to węgiel kamienny, biomasa, energia elektryczna, woda oraz elementy wychodzące z systemu produkcyjnego, czyli ilość wytworzonej energii cieplnej i elektrycznej oraz wszelkie powstające w czasie produkcji zanieczyszczenia. Analiza wyników LCA w odniesieniu do trzech kategorii szkód (tab. 2 i rys. 2) wskazuje, że największym wpływem na środowisko w badanych elektrociepłowniach cechuje się kategoria surowce, przy czym znacznie większy wpływ ma wytwarzanie energii cieplnej w Elektrociepłowni Legnica. Kolejną kategorią, która cechuje się istotnym wpływem na środowisko jest kategoria zdrowie ludzkie. W przypadku tej kategorii szkód większy negatywny wpływ na zdrowie ludzkie ma wytwarzanie energii w Elektrociepłowni Legnica. Różnica ta jest znacząca i jej powodem jest fakt różnicy technologicznej, która musiała być odnotowana z uwagi na to, że Elektrociepłownia Legnica wytwarza tylko energię cieplną. Natomiast Elektrociepłownia Polkowice wytwarza energię cieplną i elektryczną w skojarzeniu. Wytwarzanie energii w kogeneracji pozwala na zaoszczędzenie znacznych ilości surowców energetycznych, co ma znaczenie również w odniesieniu do kategorii surowce. Ponadto zastosowanie kogeneracji sprawia, że Elektrociepłownia Polkowice cechuje się niższymi emisjami do atmosfery szkodliwych gazów przypadającymi na jednostkę wytworzonej energii. Również w przypadku kategorii jakość ekosystemu Elektrociepłownia Polkowice osiąga lepsze wyniki aniżeli Elektrociepłownia Legnica. Ujemny wynik osiągnięty przez Elektrociepłownię Polkowice w kategorii szkód jakość ekosystemu należy interpretować

6 jako premię za wykorzystywanie wysokosprawnych instalacji, które pracują w skojarzeniu jednocześnie wytwarzając energię cieplną i elektryczną, zużywając znacznie mniej paliwa. Rysunek 2 Wyniki LCA trzy kategorie szkód (wyniki w Pt) Źródło: badania własne. Tabela 3. Wyniki LCA jedenaście kategorii oddziaływań Kategorie oddziaływania Elektrociepłownia Polkowice Elektrociepłownia Legnica Związki kancerogenne -0,17 Pt 0,03 Pt Związki organiczne 0,00 Pt 0,00 Pt Związki nieorganiczne 0,36 Pt 0,41 Pt

7 Zmiany klimatu 0,36 Pt 0,47 Pt Radiacja 0,00 Pt 0,00 Pt Dziura ozonowa 0,00 Pt 0,00 Pt Ekotoksyczność -0,12 Pt 0,02 Pt Zakwaszenie/ Eutrofizacja -0,02 Pt 0,04 Pt Użytkowanie ziemi 0,00 Pt 0,00 Pt Minerały 0,00 Pt 0,00 Pt Paliwa kopalne 2,51 Pt 3,54 Pt Suma 2,92 Pt 4,51 Pt Źródło: badania własne. Analizując wyniki w odniesieniu do jedenastu kategorii oddziaływań (tab. 3 i rys. 3) należy podkreślić, że zdecydowanie największym wpływem na środowisko cechuje się kategoria paliwa kopalne i w największym stopniu wypływa na ostateczny wynik. Ponadto znaczący wpływ na środowisko mają kategorie: związki nieorganiczne oraz zmiany klimatu. W obydwu przypadkach wyższym negatywnym wpływem na środowisko cechuje się Elektrociepłownia Legnica. Kategoria związki kancerogenne wskazuje na minimalny wpływ w przypadku Elektrociepłowni Legnica (0,03 Pt) oraz ujemnym wynikiem w przypadku Elektrociepłowni Polkowice (-0,17 Pt). Ujemny wynik należy traktować jako wyróżnienie, oznaczające zastosowanie wydajniejszej technologii wytwarzania energii niż ma to miejsce w większości elektrociepłowni. Podobna sytuacja występuje również w przypadku kategorii oddziaływań: ekotoksyczność oraz zakwaszenie/eutrofizacja. Pozostałe kategorie oddziaływań (związki organiczne, radiacja, dziura ozonowa, użytkowanie ziemi, minerały) cechują się minimalnym wpływem na środowisko. Wytwarzanie energii poprzez spalanie węgla kamiennego cechuje się istotnym wpływem na środowisko, który jest spowodowany nie tylko przez zubożenie nieodnawialnych surowców, ale także emisje do atmosfery, które pogarszają stan środowiska. Jednak ważnym czynnikiem hamującym w Polsce rozwój wytwarzania energii w inny sposób niż poprzez spalanie węgla jest wysoki koszt wytworzenia energii przy zastosowaniu innych surowców (np. gazu ziemnego) lub pozyskiwania energii w oparciu o źródła odnawialne. Analizując rentowność wytwarzania energii na bazie węgla kamiennego należy podkreślić, że z uwagi na konieczność uiszczania opłat związanych z emisją CO 2 będzie ona coraz mniej opłacalna lub zajdzie konieczność podwyższenia cen energii. Jednak pomimo istotnego wpływu na środowisko wytwarzania energii w elektrociepłowniach opalanych węglem kamiennym proces częściowego odchodzenia od wykorzystywania węgla kamiennego podczas produkcji energii zostanie rozłożony na wiele lat z uwagi na fakt posiadania przez Polskę własnych zasobów tego surowca.

8 Rysunek 3. Wyniki LCA jedenaście kategorii oddziaływań Źródło: badania własne. Podsumowanie Wytwarzanie energii w elektrociepłowniach zasilanych węglem kamiennym negatywnie wpływa na środowisko. Należy poszukiwać bardziej ekologicznych rozwiązań, pomagających ograniczyć negatywne oddziaływanie na środowisko związane z wytwarzaniem energii. Należy podkreślić, iż możliwa jest redukcja negatywnego wpływu na środowisko poprzez zastosowanie technologii, która pozwala zmniejszyć ilość zużywanego surowca energetycznego oraz obniżyć ilość zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery przypadających na jednostkę wyprodukowanej energii. Stosowanie kogeneracji może

9 usprawnić proces zmniejszania zużycia węgla kamiennego w całkowitej produkcji energii w Polsce. Ponadto wyniki badań wskazują, że należy poszukiwać technologii, które pozwolą zmniejszyć szkodliwe emisje do atmosfery. Takie rozwiązanie może przyczynić się do znacznych oszczędności wynikających ze zmniejszenia opłat za emisje CO 2, które Polska zobowiązana jest płacić. Literatura: 1. Dąbrowski R., Dzikuć M., Ocena cyklu życia (LCA) w sektorze energetycznym, Pomiary, Automatyka, Kontrola 2012, Vol. 58, nr 9, s Dylewski R., Adamczyk J., Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments, Energy and Buildings 2012, s Dylewski R., Adamczyk J., Economic and environmental benefits of thermal insulation of building external walls, Building and Environment 2011, Vol. 46, no 12, s Dzikuć M., Bezpieczeństwo energetyczne miast i wsi województwa lubuskiego, Rynek Energii 2013, Nr 1(104), ss Dzikuć M., Zastosowanie analizy cyklu życia (LCA) do oceny wpływu wytwarzania energii elektrycznej na środowisko, Przegląd Elektrotechniczny 2013, Nr 4, ss PN-EN ISO 14040, Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Zasady i struktura, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2009, s PN-EN ISO 14044, Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Wymagania i wytyczne, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2009, s Wach A. K., Metoda oceny cyklu życia (LCA) jako podstawa komputerowo wspomaganej oceny wyrobu, Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa2002, s Zarębska J., Ekologiczne i ekonomiczne aspekty gospodarki odpadami opakowaniowymi w województwie lubuskim, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2013, ss Dr inż. Maciej Dzikuć, Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Ekonomii i Zarządzania, Katedra Zarządzania Bezpieczeństwem, ul. Podgórna 50, Zielona Góra, stypendysta w ramach Poddziałania Regionalne Strategie Innowacji, Działania 8.2 Transfer wiedzy, Priorytetu VIII Regionalne Kadry Gospodarki Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego z Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa, tel , m.dzikuc@wez.uz.zgora.pl Prof. dr hab. inż. dr h.c. Stanisław Urban, Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu, Instytut Nauk Ekonomicznych, Katedra Ekonomiki i Organizacji Gospodarki Żywnościowej, ul. Komandorska 118/120, Wrocław, tel , stanislaw.urban@ue.wroc.pl