Norbert CHAMIER-GLISZCZYŃSKI ANALIZA CYKLU ŻYCIA OBIEKTÓW TECHNICZNYCH W TRANSPORCIE Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia analizy cyklu życia obiektów technicznych, koncentrując się na przykładzie analizy oddziaływań środowiskowych silnika spalinowego. Do analizy środowiskowej wykorzystano metodę LCA (Life Cycle Assessment). Przeprowadzono również badania konsekwencji środowiskowych identyfikowanych na etapie wycofania obiektu z eksploatacji na przykładzie samochodu wycofanego z eksploatacji. 1. CYKL ŻYCIA OBIEKTU TECHNICZNEGO W wyniki intensywnego rozwoju nauki oraz wdrażania nowych rozwiązań i obiektów technicznych ludzkość w coraz większym stopniu zaspakaja swoje potrzeby. Wszystkie te obiekty od tych najmniejszych do tych największych w mniejszym lub większym stopniu wpływają na środowisko. Pojawia się więc problem jak ograniczyć wpływ obiektów technicznych na środowisko. W rozwiązaniu tego problemu pomocnym staje się analiza struktury cyklu istnienia obiektów. Podobnie jak organizmy żywe, których egzystencję można ująć jako cykl podzielony na fazy, począwszy od ewolucyjnego rozwoju gatunku, poprzez proces kształtowania konkretnego organizmu i jego życie aż po śmierć i rozkład, który skutkuje włączeniem w globalny obieg materii także obiekty techniczne podlegają regularnym przemianom. Analogicznie zatem istnienie każdego obiektu technicznego ma przebieg cykliczny z podziałem na cztery fazy: projektowanie, wytwarzanie, eksploatacje oraz wycofanie z eksploatacji, któremu towarzyszą procesy ponownego przetwarzania występujące również we wcześniejszych fazach cyklu. W odniesieniu do obiektów technicznych na podstawie wykazanego wyżej podobieństwa używamy również terminu cykl istnienia lub wręcz cykl życia. Cykl życia obiektu technicznego, w którym wyróżniono w/w fazy przedstawiono na rysunku 1. 1.1. Analiza cyklu życia Ocena cyklu życia LCA (ang. Life Cycle Assessment) to technika mająca na celu ocenę zagrożeń środowiskowych związanych z systemem wyrobu (obiektu technicznego) lub działaniem, zarówno poprzez identyfikowanie oraz ocenę ilościową zużytych materiałów i energii oraz odpadów wprowadzonych do środowiska, jak i ocenę wpływu tych materiałów, energii i odpadów na środowisko. Ocena dotyczy całego okresu życia obiektu technicznego (wyrobu). LCA ukierunkowuje badania wpływu na środowisko systemu wyrobu w obszar ekosystemu, zdrowia ludzkiego oraz zużytych zasobów [1]. Wprowadzenie i opisanie techniki LCA w normach ISO 14040-14049 spowodowało, że stała się ona jednym z ważniejszych narzędzi AUTOBUSY 1
stosowanych w systemach zarządzania środowiskowego opracowywanych zgodnie z wytycznymi normy ISO 14001. Zasady techniki LCA opisane zostały w normach międzynarodowych, które zostały wprowadzone przez Polski Komitet Normalizacji do Polskich Norm jako [2]: PN-EN ISO 14040, PN-EN ISO 14041, PN-EN ISO 14042, PN-EN ISO 14043. Ocena cyklu życia powinna obejmować cztery wzajemnie powiązane etapy: określenie celu i zakresu, analiza zbioru wejść i wyjść, oceną wpływu na środowisko oraz interpretację cyklu życia. Rys. 1. Cykl życia środków transportu Wyniki przeprowadzonej oceny cyklu życia obiektu technicznego wyrażamy w punktach środowiskowych [Pt], jednostce przyjętej w metodzie LCA na potrzeby jednoznacznego określenia wielkości oddziaływań środowiskowych. Dodatnie wartości punktów środowiskowych określają negatywny wpływ na środowisko, natomiast wartości ujemne oznaczają korzyści środowiskowe. W celu zobrazowania stopnia oddziaływania na środowisko poddano analizie obiekt techniczny (silnik spalinowy) w ostatniej fazie cyklu życia jaką jest wycofanie z eksploatacji obiektu. Powstały na tym etapie odpad można składować na składowisku odpadów lub przeprowadzić odzysk elementów i materiałów z tego obiektu. Analizując uzyskane wyniki można stwierdzić, że składowanie negatywnie wpływa na środowisko (0,898Pt) natomiast proces odzysku pozytywnie wpływa na środowisko (-27,948Pt). Poszczególne wartości punktów środowiskowych z podziałem na grupy materiałowe przedstawiono na rys. 2. Dalszej części artykułu zostanie omówiona problematyka optymalizacji procesu odzysku. 2 AUTOBUSY
Rys. 2. Oddziaływanie na środowisko fazy wycofanie z eksploatacji 2. ODZYSK ELEMENTÓW I MATERIAŁÓW Ostatnia faza cyklu życia kończąca życie obiektu technicznego poprzez wycofanie tego obiektu z eksploatacji jest poprzedzona procesem oceny stanu technicznego tego obiektu. W badaniach stanu technicznego obiektów można rozróżnić następujące formy działania: diagnozowanie, generowanie i prognozowanie. W prezentowanej pracy za obiekt techniczny przyjęto pojazd samochodowy, który został poddany ocenie stanu technicznego w ostatniej fazie swojego życia. Dla potrzeb oceny zbudowano algorytm podejmowania decyzji o wycofaniu samochodu z eksploatacji. Algorytm ten zbudowano w oparciu o poszczególne modułu, do których zaliczamy: moduł eksploatacja, moduł zużycie pojazdu oraz moduł ocena stanu technicznego pojazdu (rys. 3). Pojazd samochodowy co do którego została podjęta decyzja o wycofaniu z eksploatacji należy przekazać do punktu zbierania pojazdów lub bezpośrednio do stacji demontażu. Stacja demontażu zgodnie z obowiązującą ustawą o recyklingu pojazdów wycofanych z eksploatacji [3] jest upoważniona do przeprowadzenia procesu zagospodarowania samochodów wycofanych z eksploatacji. Proces ten polega na przeprowadzeniu odzysku elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji, w który wyróżniono następujące procesy i moduły: proces demontażu, moduł odzyskane elementy, proces regeneracji odzyskanych elementów, moduł odzyskane materiały w procesie demontażu, proces strzępienia, moduł odzyskane materiały w procesie strzępienia (rys. 4). W odzysku elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji, uwzględniając czynnik ekonomiczny, czasowy i organizacyjny najkorzystniejszą formą odzysku jest recykling produktowy. W celu przeprowadzenia recyklingu produktowego konieczna jest realizacja procesu demontażu samochodu wycofanego z eksploatacji. Ważnym elementem tego działania jest weryfikacja i ocena stanu technicznego elementów do ponownego użycia w eksploatacji i regeneracji. Do wyznaczenia tych dwóch zbiorów elementów wykorzystany zostanie trójpoziomowy model oceny stanu technicznego elementów (rys. 5), który również posłuży do wyznaczenia zbioru płynów i elementów do obowiązkowego osuszenia i zdemontowania z samochodu wycofanego z eksploatacji. AUTOBUSY 3
Rys. 3. Algorytm podejmowania decyzji o wycofaniu samochodu z eksploatacji: ε - stan pojazdu, ε s stan sprawności, ε ns stan niesprawności, ε z stan zdatności, ε nz stan niezdatności, Q F potencjał niszczący, SWE samochód wycofany z eksploatacji. Rys. 4. Schemat modułu odzysk elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji 4 AUTOBUSY
Rys. 5. Schemat blokowy trójpoziomowego modelu oceny stanu technicznego elementów 2.2. Pierwszy etap (poziom I) Na podstawie przeprowadzonych badań odzysku elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji w funkcjonującej stacji demontażu i analizy literatury, sformułowano następujące parametry: dyskretny wskaźnik zapełnienia powierzchni magazynowej, dyskretny wskaźnik zapotrzebowania na odzyskane elementy, dyskretny wskaźnik dodatkowej klasyfikacji odzyskanych elementów, dyskretny wskaźnik regeneracji odzyskanych elementów. Parametry te posłużą do wyznaczenia zbioru elementów do oceny stanu technicznego: EST d = { est1,est2,..., esth} gdzie: EST zbiór elementów do oceny stanu technicznego, d numer ewidencyjny samochodu wycofanego z eksploatacji, est element zbioru, h liczba elementów zbioru. (1) Ze względu na zachowanie ciągłości procesów demontażu samochodów wycofanych z eksploatacji wprowadzono dyskretny wskaźnik zapełnienia powierzchni magazynowej dm, który informuje o możliwości przyjęcia demontowanego elementu na magazyn. Wskaźnik przyjmuje wartość prawdy lub fałszu. Bardzo trudno jest określić, jaki będzie popyt na odzyskane elementy z samochodów wycofanych z eksploatacji, można więc przypuszczać, że atrakcyjna cena połączona z dokładną oceną stanu technicznego, będzie zachęcała klientów do kupna tych elementów. W celu określenia popytu wprowadzono parametr ujmujący sprzedaż i zainteresowanie danym demontowanym elementem wprowadzono dyskretny wskaźnik zapotrzebowania na odzyskane elementy dz. Wskaźnik przyjmuje wartość prawdy lub fałszu. W przypadku elementu w stosunku, do którego na podstawie informacji ze zbioru danych samochodu wycofanego z eksploatacji można wykazać, że charakteryzuje się on krótkim okresem eksploatacji lub stosunkowo niewielką liczbą przejechanych kilometrów, wartość dyskretnego wskaźnika zapotrzebowania na odzyskane elementy informuje o możliwości jego AUTOBUSY 5
sprzedaży, to mimo braku wolnej powierzchni magazynowej w danej grupie elementów, zostanie on zakwalifikowany do zbioru elementów do oceny stanu technicznego. Parametrem decydującym w tym przypadku będzie dyskretny wskaźnik dodatkowej klasyfikacji odzyskanych elementów dk przyjmuje on wartość prawdy lub fałszu. Ściśle określoną liczbę odzyskanych elementów można z powodzeniem przekazać do procesu regeneracji. Oczywiście dla stacji demontażu oznacza do dodatkowy dochód ze sprzedaży tych elementów zakładom, które wyspecjalizowały się w regeneracji odzyskanych elementów z samochodów wycofanych z eksploatacji. Parametrem ujmującym czy dany element należy do grupy elementów regenerowanych jest dyskretny wskaźnik regeneracji odzyskiwanych elementów dr. Wskaźnik przyjmuje wartość prawdy lub fałszu. 2.2. Drugi etap (poziom II) Drugi etap to proces oceny stanu technicznego elementów ze zbioru elementów do oceny stanu technicznego EST (1). Ocena przeprowadzana jest na stanowisku diagnostycznym przez uprawnionego pracownika. 2.3. Trzeci etap (poziom III) Etap trzeci do analiza wyników przeprowadzonej oceny stanu technicznego elementów ze zbioru EST i wyznaczenie płynów eksploatacyjnych i paliw do osuszenia oraz elementów niebezpiecznych do zdemontowania z samochodu wycofanego z eksploatacji. Wyznaczony na tym etapie zbiór określamy jako: EST' d = EP ER EOB (2) gdzie: EST' zbiór elementów obowiązkowych i zalecanych do odzyskania z samochodu wycofanego z eksploatacji, d numer ewidencyjny samochodu wycofanego z eksploatacji, EP zbiór elementów do ponownego użycia w eksploatacji, ER zbiór elementów do regeneracji, EOB zbiór płynów i elementów do obowiązkowego osuszenia i zdemontowania z samochodu wycofanego z eksploatacji. 3. ZADANIE ODZYSKU Zadanie polega na przeprowadzeniu odzysku elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji, w którym uwzględniono recykling produktowy i materiałowy. Odzyskowi zostanie poddany samochód o symbolu SWE(PC) 1. Ocena stanu technicznego elementów do ponownego użycia w eksploatacji została przeprowadzona w oparciu o trójpoziomowy model oceny stanu technicznego elementów, który posłużył do wyznaczenia zbioru elementów obowiązkowych i zalecanych do odzyskania EST z samochodu SWE(PC) 1 określanego na podstawie równania 3 jako: EST'(SWE(PC) 1) = EP ER EOB (3) Do zbioru elementów do ponownego użycia w eksploatacji zakwalifikowano siedemnaście elementów, których łączna masa wynosi 154,64 kg. W celu odzyskania tych elementów należy przeprowadzić operacje demontażu nieniszczącego, których łączny czas demontażu wynosi 48,47 min. EP = { ep1,ep2,..., ep17} (4) 6 AUTOBUSY
Natomiast zbiór elementów do regeneracji składa się z dwóch elementów, których łączna masa wynosi 13,80 kg. W celu odzyskania tych elementów należy przeprowadzić operacje demontażu nieniszczącego, których łączny czas demontażu wynosi 12,30 min. ER = { er, } 1 er 2 (5) WNIOSKI Szczegółowe badania poszczególnych faz cyklu życia stanowią współcześnie punkt wyjścia do prac nad projektowaniem i doskonaleniem obiektów technicznych w odniesieniu do konsekwencji środowiskowych wywoływanych przez te obiekty. W badaniach tych istotna również jest diagnostyka, która poprzez trzy różne dziedziny wiedzy (wiedza o obiekcie technicznym, wiedza o sygnałach i symptomach, wiedza z teorii decyzji) umożliwia przeprowadzenie prawidłowej oceny stanu obiektu technicznego na poszczególnych etapach cyklu życia. Zaprezentowana w pracy badania nad odzyskiem elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji pokazały celowość zastosowania trójpoziomowy model oceny stanu technicznego elementów w prowadzonym odzysku. Zastosowanie zaprezentowanego modelu w badaniach optymalizacyjnych doprowadziło do wzrostu poziomu odzysku i recyklingu (rys. 6) oraz zysku z realizacji odzysku elementów i materiałów z samochodu wycofanego z eksploatacji SWE(PC) 1. Rys. 6. Wartości poziomu odzysku i recyklingu samochodu o symbolu SWE(PC) 1 : poziom odzysku POSWE(PC) 1, poziom recyklingu PRSWE(PC) 1, poziom odzysku PO i poziom recyklingu PR określone w ustawie [3]. BIBLIOGRAFIA 1. Kulczycka J.: Ekologiczna ocena cyklu życia (LCA) nową techniką zarządzania środowiskowego. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 2001. 2. PN-EN ISO 14040, wrzesień 2000, Zarządzanie środowiskiem, Ocena cyklu życia, Zasady i struktura. PN-EN ISO 14041, maj 2002, Zarządzanie środowiskiem, Ocena cyklu życia, Określenie celu i zakresu oraz analiza zbioru. PN-EN ISO 14042, sierpień 2002, Zarządzanie środowiskiem, Ocena cyklu życia, Ocena wpływu cyklu życia. PN-EN ISO 14043, sierpień 2002, Zarządzanie środowiskiem, Ocena cyklu życia, Interpretacja cyklu życia. Polski Komitet Normalizacji. 3. Ustawa o recyklingu pojazdów wycofanych z eksploatacji z dnia 20.01.2005 (DzU, nr 25, poz. 202). AUTOBUSY 7
LIFE CYCLE ANALYSIS OF THE TECHNICAL OBJECTS IN THE TRANSPORT Abstract In the paper selected topics of life cycle analysis of technical objects are presented concentrating on the ex ample of environment al analysis of combustion engine. The LCA method was used for the purpose of the environmental analysis. Examinations of environmental consequences identified at the stage end-of life technical objects on example end-of life vehicles. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Niewczas Autor: dr inż. Norbert CHAMIER-GLISZCZYŃSKI - Politechnika Koszalińska 8 AUTOBUSY