Str. 100 yne Energ Nr 6(115) - 2014 OCENA EFEKTÓW EKOLOGCZNYCH SUBSTYTUCJ PALW NEODNAWALNYCH PZEZ ODNAWALNE ŹÓDŁA ENEG Barbara Mendeca, Joachm Kozoł Słowa luczowe: odnawalne źródła energ, oszt społeczny, oszt termoeologczny, substytucja palwa Streszczene. W artyule przeprowadzono analzę sutów eologcznych substytucj palwa neodnawalnego (palwa odnesena) przez rozpatrywane odnawalne źródła energ (OZE), wyorzystując pojęce społecznego wsaźna eetywnośc oraz osztu termoeologcznego, przy wytwarzanu rozpatrywanego produtu użytecznego w zastosowanu omunalnobytowym. Przez społeczny wsaźn eetu oreślonego rodzaju, rozume sę różncę tego eetu w przypadu wytwarzana tej samej lośc produtu użytecznego przy stosowanu palwa odnesena energ substytucyjnej. lość produtu użytecznego pownna odpowadać zastosowanu jednej jednost energ substytucyjnej. Analza bezpośrednego zużyca energ ne obejmuje całowtej energ nezbędnej do wytworzena danego użytecznego nośna energ. Jao mern wyczerpywana neodnawalnych bogactw naturalnych można przyjąć ta zwany wsaźn osztu termoeologcznego, tóry pownen być wyrażany za pomocą sumulowanych wsaźnów zużyca energ. W opracowanu przedstawono metodologę oblczeń oraz przyład aplacyjny zwązany z wyorzystanem wybranych źródeł energ odnawalnej (energ słonecznej w oletorach słonecznych, otłów zaslanych bopalwam, oraz pomp cepła wyorzystujących energę geotermalną) do przygotowana cepłej wody użytowej u odborcy ndywdualnego, a taże porównano uzysane wyn z stnejącą metodologą dotyczącą oblczana charaterysty energetycznej budynów. 1. WSTĘP Eety substytucj palw neodnawalnych przez odnawalne źródła energ (OZE) zależą od: charateru społecznych naładów tj. zysów lub osztów z tym zwązanych, celu wyorzystana źródeł energ podlegających substytucj tj. rodzaju wytwarzanego produtu użytecznego lub usług, palwa neodnawalnego podlegającego substytucj, analzowanego źródła energ odnawalnej. Nałady społeczne mogą meć charater energetyczny, eonomczny, eologczny, socjalny, poltyczny nny. Komplesowe rozwązane problemu omawanej substytucj palw neodnawalnych przez OZE pownno polegać na weloryteralnej analze problemu, uwzględnającej wszyste rodzaje naładów. stotny wpływ na eety substytucj ma oczywśce produt ońcowy procesu, tóremu ma służyć wyorzystane palwa /lub energ. nna jest eetywność np. eologczna wyorzystana energ słonecznej do wytwarzana energ eletrycznej w ognwach otowoltacznych, a nna przy wytwarzanu cepła w oletorach słonecznych. Oddzelnym problemem jest możlwość wyorzystana tego samego źródła energ w lcznych zastosowanach np. bopalwo może być wyorzystane w cepłownctwe do ogrzewana pomeszczeń oraz przygotowana cepłej wody użytowej. W oreślonych warunach geogracznogeologcznych stneją neodnawalne źródła energ o najbardzej unwersalnym powszechnym zastosowanu ze względu na eetywność eonomczną bezpeczeństwo energetyczne raju lub regonu. W Polsce taą rolę spełna węgel amenny, węgel brunatny, gaz zemny /lub olej opałowy. Źródła te przyjęto uważać w nnejszym opracowanu za neodnawalne źródła bazowe podlegające substytucj. W dostępnej lteraturze można znaleźć różne sposoby wyrażana eologcznych naładów wyorzystana palw energ. W przypadu odnawalnych źródeł energ, sposoby te są zwązane z powodam wyorzystana tych źródeł. Do bezdysusyjnych powodów stosowana źródeł energ odnawalnej można zalczyć: oszczędność ogranczonych zasobów energ odnawalnej, zwęszene możlwośc producj, a zwłaszcza sprzedaży nnych produtów np. energ eletrycznej w eletrownach eletrocepłownach dzę wyorzystanu preerencj zwązanych z olorowym certyatam, spełnene wymagań unjnego paetu lmatyczno-eneregtycznego. Za dysusyjne powody uważa sę natomast: ogranczene emsj substancj szodlwych, zwłaszcza CO 2, do otoczena, tym samym ogranczene wpływu na tzw. eet ceplarnany, zwęszene eetywnośc eonomcznej procesów.
Nr 6(115) - 2014 yne Energ Str. 101 Do często stosowanych mernów eologcznych naładów społecznych zwyło sę zalczać: jednostową bezpośredną sumulowaną emsje CO 2 odnesoną do jednost energ chemcznej palwa lub źródła energ [7,15], wsaźn emsj ewwalentnej CO2 [12], wsaźn analz środowsowych cylu życa produtu LCA(Le Cycle Assesment) [2, 5, 7, 15], oszt termoeologczny [3,12, 15,16,17,18,19]. Autorzy nnejszego opracowana do oceny weloryteralnej eetów substytucj palw neodnawalnych przez źródła energ odnawalnej zaproponowal wsaźn społecznej eetywnośc substytucj [9]. Wspomnana metoda może być równeż zastosowana do oceny eetów eologcznych z wyorzystanem osztów termoeologcznych. 2. WSKAŹNK EFEKTYWNOŚC EKOLOGCZNEJ SUBSTYTUCJ PALW ENEG Wsaźn eetywnośc eologcznej substytucj Ntego palwa lub energ neodnawalnej przez energę -tego źródła odnawalnego dotyczący wytworzena -tego produtu użytecznego lub usług można oreślać z następującego wzoru dencyjnego: N n, (1) gdze: n lczba -tych produtów użytecznych możlwych do uzysana przy wyorzystanu jednost energ odnawalnej, N, oszt termo eologczny w pełnym cylu stnena zwązany z wyproduowanem jednost -tego produtu użytecznego przy stosowanu N tego bazowego palwa neodnawalnego oraz -tej energ odnawalnej. Jednostowa lczba n produtów ma znaczene analogczne do sprawnośc. Jeżel marą produtu użytecznego są jednost energetyczne np. dla cepła lub energ eletrycznej, to n ma charater bezwymarowy. Można wtedy napsać n (2) gdze: sprawność energetyczna wyorzystana energ ze źródeł odnawalnych. W pratyce gospodarczej występują przypad, w tórych wytwarzane danych produtów użytecznych ne jest możlwe przy wyłącznym stosowanu energ ze źródła odnawalnego. Koneczne jest wtedy stosowane palwa dodatowego. Problem tego typu występuje przy wytwarzanu cepła cepłej wody użytowej z wyorzystanem oletorów słonecznych. W nocy oraz przy dużym zachmurzenu energa słoneczna ne jest wystarczająca dla uzysana wymaganych lośc jaośc wody. Koneczne jest wtedy stosowane palw dodatowych, np. gazu zemnego lub energ dodatowej np. energ eletrycznej. Pownno by to być uwzględnone przy oreślanu jednostowej lczby n. Jeżel produt użyteczny procesu ma charater energetyczny uzysuje sę zależność: n n ε (3) gdze: n sprawność energetyczna łącznego wyorzystana energ odnawalnej energ dodatowej, ε udzał analzowanej energ odnawalnej w ogólnym zużycu energ. Wsaźn eetywnośc eologcznej substytucj z wyorzystanem osztu termoeologcznego opsany jest wzorem 1, n 1 n N ε ε. (4) Po wprowadzenu wyróżna osztu termoeologcznego (5) N wzór (4) przyjme ostateczną postać opsaną zależnoścą 1 n 1 n ε N ε 1 (6) 3. KOSZT TEMOEKOLOGCZNY Podstawowa analza eologczna systemów energety omunalnej sprowadza sę do wyznaczena emsj substancj szodlwych wprowadzonych do atmosery wsute spalana palw. Najczęścej wyznaczane welośc to: tlene dwutlene węgla, dwutlene sar, tlen azotu oraz pyły [1,4,11,20]. Wsaźn eologczne często są podstawą do wyceny osztów emsj substancj szodlwych. Wpływa to na oszty reerencyjne wytworzena produtów użytecznych w poszczególnych technologach energetycznych. Wg [14] metoda wyceny pownna zostać ulepszona poprzez wyorzystane wsaźnów osztów termoeologcznych. Według J. Szarguta [17] oszt termoeologczny jest zdenowany jao sumulowane zużyce egzerg bogactw neodnawalnych, obcążające wszyste
Str. 102 yne Energ Nr 6(115) - 2014 etapy procesów wytwórczych, prowadzące od pozysana surowców do produtu nalnego. Koszt termoeologczny wytwarzana cepła w otle wodnym opsuje równane [15, 17, 19]: 1 N χ N ( 1 χ η źc gdze: N - oszt termoeologczny palwa rajo- - oszt termoeologczny palwa mpor- wego, ) N p ζ, (7) N towanego, - udzał palwa rajowego w całowtym zużycu rozpatrywanego palwa, p - emsja jednostowa -tej substancj szodlwej na jednostę palwa. Dla otłów węglowych gazowych wytwarzających cepłą wodę użytową przy założenu wyorzystana palwa rajowego zależność (7) można uproścć do postac: N ems (8) gdze: - oszt termoeologczny przypadający na jednostę produtu użytecznego, wynający ze zużyca palwa, lczony z zależnośc e, (9) gdze: e -zużyce rozpatrywanego palwa lub energ odnawalnej przypadające na jednostę produtu użytecznego, -oszt termoeologczny palwa ne- N odnawalnego, ems -oszt termoeologczny przypadający na jednostę -tego produtu użytecznego, 1 ems pζ. η (10) wytwarzana źc W przypadu odnawalnych źródeł energ w zastosowanu omunalno-bytowym oszt termoeologczny wyznacza sę z blansu. Metoda wyznaczana blansu została opsana w [17,18,19]. ta w przypadu pompy grzejnej z napędem eletrycznym wsaźn osztu termoeolgcznego wytwarzanego nośna cepła wyna z zależnośc el COP (11) gdze: COP- wsaźn eetywnośc pompy grzejnej, el - oszt termoeologczny wytwarzana energ eletrycznej (loco odborca). Dla otłów opalanych bomasą czy bogazem, zależność można sprowadzć do wzoru (8). Optymalzacja oraz zależnośc wyznaczna osztu termoeologcznego wytwarzana cepła w oletorach słonecznych w pełnym cylu stnena została przedstawona w [16]. Koszt termoeologczny w pełnym cylu stnena dla otłów wodnych pomp cepła zdenowany został w następujący sposób [13] LCA, /N nw (12) gdze: nw - nwestycyjny oszt termoeologczny uwzględnający zużyce surowców materałów. 4. WYNK ANALZ Analzy dotyczące osztu termoeologcznego wytwarzana cepłej wody użytowej w nnejszej pracy sprowadzają sę do analzy substytucj energ wytwarzanej na potrzeby cepłej wody użytowej w loalnych otłownach na palwo stałe cełe gazowe. Porównywane waranty umeszczone są w tablcy 1. Tablca 1 ozpatrywane waranty systemów wytwarzana cepłej wody użytowej dla palw bazowych substytucyjnych Źródło cepła szczytowe Nośn energetyczny Udzał produowanej energ Źródło cepła dodatowe Nośn energetyczny Udzał produowanej energ reerencyjny 1 Kocoł retortowy Węgel amenny, t 100 % - - - Kocoł ondensacyjny reerencyjny 2 Olej opałowy, t 100 % - - - reerencyjny 3 Kocoł ondensacyjny Gaz zemny, m3 100 % - - - 2 Kocoł na bomasę Pelety drzewne t 100 % - - - 3 Kocoł ondensacyjny Gaz zemny, m 3 40 % oletor słoneczny - 60 % 4 Kocoł ondensacyjny Gaz zemny, m 3 40 % 5 Gruntowa pompa cepła Energa eletryczna- G11, Wh Koletor słoneczny z dotacją - 60 % 100 % - - -
Nr 6(115) - 2014 yne Energ Str. 103 Wartośc osztu termoeologcznego substytucj palw neodnawalnych przez OZE w pełnym cylu stnena zostały zestawone w tablcach 2, 3 4. Tablca 5 przedstawa wyn analzy eetywnośc substytucj z wyorzystanem wsaźnów naładu energ perwotnej[5]. Dwe wartośc wsaźnów w poszczególnych werszach olumny dotyczą olejnych nośnów energetycznych, podstawowego dodatowego. Tablca 2 Wyn analzy eetywnośc eologcznej substytucj palw neodnawalnych przez OZE węgel amenny wytwarzana N/ e. 1 1,000 1,006 0,000 2 0,775 0,780 0,101 3 0,032/1,382 0,05/1,390 0,361 4 0,032/1,382 0,05/1,390 0,361 5 0,964 0,970 0,087 Źródło: Opracowane własne [11,12,15,16] Tablca 3 Wyn analzy eetywnośc eologcznej substytucj palw neodnawalnych przez OZE- olej opałowy wytwarzana N/ e. 2 1,000 1,560 0,000 2 0,775 0,780 0,349 3 0,032/1,382 0,05/1,390 0,838 4 0,032/1,382 0,05/1,390 0,838 5 0,964 0,970 1,421 Źródło: Opracowane własne [11,12,15,16] Tablca 5 Wyn analzy eetywnośc eologcznej substytucj palw neodnawalnych przez OZE- gaz zemny wytwarzana N/ e. 3 1,000 1,390 0,000 2 0,775 0,780 0,273 3 0,032/1,382 0,05/1,390 0,461 4 0,032/1,382 0,05/1,390 0,461 5 0,964 0,970 1,011 Źródło: Opracowane własne [11,12,15,16] Tablca 4 Wyn analzy eetywnośc eologcznej substytucj palw neodnawalnych przez OZE- współczynn naładu wytwarzana W energ perwotnej w [5]. w N/ N/ GJ / GJ es GJ / GJ es e. 1,2,3 1,000 1,100 0,000 2 0,150 0,136 0,425 3 0/1,100 0/1,000 0,378 4 0//1,100 0/1,000 0,378 5 0,882 0,802 0,524 5. PODSUMOWANE Eet eologczny substytucj energ neodnawalnej przez odnawalne źródła energ zależy od udzału energ odnawalnej w całowtym zużycu. Korzystne eety substytucj dla sprężarowych pomp cepła wynają główne z wysoego wsaźna COP (coecent o perormance) pompy cepła, tóry warunuje zmnejszene naładów energ perwotnej oraz osztu termoeologcznego (wzór 12) względem onwencjonalnego systemu zaslanego energą eletryczną. Pod względem eologcznym odnawalne źródła energ wyazują dodatne eety społeczne. Co oznacza, że powodują one per saldo mnejsze zaneczyszczene środowsa zużyce egzerg w porównanu ze źródłam neodnawalnym. Porównane wsaźnów eetywnośc eologcznej z wyorzystanem osztu termoeologcznego [15] oraz wsaźnów naładu energ perwotnej [4] prowadz do podobnych wynów [5]. Wyjąte stanow wyorzystane bomasy do celów przygotowana cwu. W przypadu osztów termoeologcznych uwzględnane są nałady energetyczne zwązane z transportem [3]. Prowadz to do ogólnego wnosu. Z puntu wdzena oreślonego wsaźna eetywnośc eologcznej stosowane osztu termoeologcznego prowadz do bardzej warygodnych wynów nż stosowane wsaźnów naładów energ perwotnej. LTEATUA [1] Battst,. Corrado, A.: Envronmental assessment o solar thermal collectors wth ntegrated water storage. Journal o Cleaner Producton, November-December, 2005, p. 1295 1300. [2] Benec M. nn: Metodya oceny eoeetywnośc budynów meszalnych w zarese zastosowana odnawalnych źródeł energ. ozdz.10 monogra: Przegląd uwarunowań metod oceny eetywnośc wyorzystana odnawalnych zrodel energ w budownctwe. Wyd. Pol.Śl. Glwce 2012 [3] Czarnowsa L., Pearczy W., Stane W., Ptasńs K., Kalna J.: Thermo-ecologcal cost o electrcty rom bomass converson n Polsh condtons. Proceedngs o 3rd nternatonal Conerence on Contemporary Problems o Thermal Engneerng. CPOTE 2012. Glwce [4] Dz.: Zntegrowana ocena eetywnośc pozysana energ eletrycznej ze źródeł odnawalnych. yne Energ 2005, nr 2.
Str. 104 yne Energ Nr 6(115) - 2014 [5] Dz.U. 2008 nr 201 poz. 1240. ozporządzene Mnstra nrastrutury z dna 6 lstopada 2008 r. w sprawe metodolog oblczana charaterysty energetycznej budynu stanowącej samodzelną całość technczno-użytowa oraz sposobu sporządzana wzorów śwadectw ch charaterysty energetycznej. [6] Fulvo, A., Beccal, G., Cellura, M. Lo Brano, V.: Le cycle assessment o a solar thermal collector. enewable Energy, June, 2005, p. 1031 1054. [7] Greenng B., Azapagc A.: Domestc heat pumps: Le cycle envronmental mpacts and potental. Energy, March, 2013, p.205-217. [8] Kozoł J., Kozoł M.: Charaterystya ocena eetów eologcznych wyorzystana OZE. ozdz.9 monogra: Przegląd uwarunowań metod oceny eetywnośc wyorzystana odnawalnych zrodel energ w budownctwe. Wyd. Pol.Sl. Glwce 2012. [9] Kozoł J., Mendeca B.: Evaluaton o economc, energy-envronmental and socetal eects o non-renewable energy substtuton wth renewable energy sources. SDEWES 2013. [10] Magdzarz A., Wl M.: Aspet eologczny spalana bomasy w otłach rusztowych. yne energ 2012, nr 9. [11] Ntewcz, A.: Praca dotorsa: Energetyczno-eologczna analza systemów ogrzewana chłodzena budynów wyorzystujących nsotemperaturowe geotermalne źródło energ. Poltechna Częstochowsa 2012. [12] Norwsz J., Boryczo B., Hołda A., Kolenda Z.: Thermo ecologcal cost analyss o shat and lash smeltng processes o copper producton general approach. Archves o Metallurgy and Materals / Polsh Academy o Scences. Commttee o Metallurgy. nsttute o Metallurgy and Materals Scence, 2009 vol. 54 ss. 1 s. 153 159. [13] Paserb S.: Ja zarządzać energą środowsem w budynach użytecznośc publcznej. Fundacja na rzecz Eetywnego Wyorzystana Energ. Katowce 2004 [14] Popczy J.: nnowacyjna energetya. Kontest eologczno-energetyczny eonomczno-cywlzacyjny. Acta Energetca nr 1/2009 [15] Stane, W.: Metodya oceny sutów eologcznych w procesach ceplnych za pomocą analzy ezgergetycznej. Praca habltacyjna, Glwce 2008. Poltechna Śląsa. [16] Szargut J., Stane W.: Thermo-ecologcal optmzaton o a solar collector. Energy, Aprl, 2007, p. 584 590. [17] Szargut J.: Egzerga. Poradn oblczana stosowana. Wyd. Pol. Śl. Glwce 2007 [18] Szargut J.: Energa czy egzerga. yne Energ 2010, nr 5. [19] Szargut J.: Exergy Method Techncal and Ecologcal Aplcatons. WT Press, Southampton, Boston (2005) [20] Zajemsa M., adoma H.: Analza eonomczno eologczna energetycznego wyorzystana wybranych palw. yne Energ 2009, nr 2. Praca nansowana jest ze środów BK-226/E6/2012 EVALUATON OF ENEGY-ENVONMENTAL EFFECTS OF NON-ENEWABLE ENEGY SUBSTTUTON WTH ENEWABLE ENEGY SOUCES Key words: renewable energy sources (ES), socal cost, thermoecologcal cost (TEC), energy substtuton Summary. The artcle presents the analyss o non-renewable energy substtuton wth renewable energy sources (ES), usng the concept o socal ndcator or thermoecologcal cost arsng rom producton o a gven utlty product n communal and lvng power ndustry. n ths paper, the socal ndcator o a gven eect presents derence o an eect or the same amount o utlty product when applyng reerence uel and renewable substtuton energy source. The amount o utlty product should equal the use o one substtuton energy unt. Analyss o drect energy use does not nclude the total energy requred to produce a usable energy source. As a measure o the depleton o nonrenewable natural resources can be adopted so-called thermoecologcal cost rato, whch should be expressed by means o cumulatve energy consumpton. The paper presents calculaton methodology and examples o applcatons assocated wth the use o partcular renewable energy sources (solar energy n solar collectors, bolers powered by bouels and heat pumps usng geothermal energy) to prepare hot tap water. Furthermore, ths paper presents comparson o results o calculatons wth ndcators o prmary energy consumptons proposed n exstng methodology o calculatng the energy perormance o buldngs. Joachm Kozoł, pro. dr nż.., erown Załadu Termodynam, Gospodar Energetycznej Chłodnctwa Pol. Śl. Specjalność: energetya ceplna, chłodnctwo, nżynera środowsa. E-mal: joachm.ozol@polsl.pl Barbara Mendeca, mgr nż., dotoranta Wydzału nżyner Środowsa Energety Pol. Śl. Specjalność: energetya omunalna, nżynera środowsa. E-mal: barbara.mendeca@polsl.pl