Artykuł naukowy

Ocena zrównoważoności systemów słonecznych w oparciu
o analizę cyklu życia
mgr inż. Agnieszka Żelazna
Instytut Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Lubelska
[email protected]
1. Wprowadzenie
Od czasu raportu z Brundtland coraz większa uwaga przykładana jest do kwestii
konieczności zapewnienia zrównoważonego, trwałego rozwoju społeczeństw. Powinno się to
odbywać poprzez takie kreowanie elementów składowych rozwoju cywilizacyjnego, aby
przyszłe pokolenia mogły korzystać z tych samych zasobów środowiskowych, do których
maja dostęp pokolenia obecne. Realizacja tej koncepcji zakłada więc takie sposoby
racjonalnego korzystania z walorów środowiska, które nie zaburzą równowagi w relacjach
środowisko – człowiek – gospodarka (Pawłowski, 2008, 2011; Ikerd, 2005).
Koncepcja rozwoju zrównoważonego wskazuje na trzy filary rozwoju społeczeństw:
ekologiczny, ekonomiczny i społeczny, pomiędzy którymi powinna panować względna
równowaga.W dobie rozwoju społeczeństwa konsumpcyjnego osiągnięcie i utrzymanie takiej
równowagi nie jest kwestią jednoznacznie prostą. Dlatego niezbędne jest stosowanie środków
i narzędzi prawnych, stymulujących pożądane kierunki rozwoju społeczeństwa oraz
gospodarki. Już teraz koncepcja rozwoju zrównoważonego uznawana jest za naczelny
priorytet w większości aktów prawnych przyjmowanych tak na poziomie ONZ, UE jak
i poszczególnych krajów (Żelazna, Pawłowski, 2011).
W działalności gospodarczej, w tym również w odniesieniu do przedsiębiorstw
wytwarzających energię cieplna i elektryczną, zrównoważony rozwój oznacza
„uwzględnienie uwarunkowań ekologicznych w wyznaczaniu kierunków rozwoju,
przestrzeganie dopuszczalnych norm ekologicznych oraz dostosowanie potrzeb rozwojowych
do warunków lokalnych” (Adamczyk, 2001). Branża energetyczna ma w tym przypadku
kluczowe znaczenie z uwagi na fakt, iż od roku 1960 do roku 2000 zapotrzebowanie na
energię pierwotną wzrosło o ponad 320% w perspektywie światowejprzy dwukrotnym
wzroście liczby ludności (dane Światowej Rady Energetycznej). W perspektywie ostatnich
100 lat zużycie paliw wzrastało średnio o 3% rocznie (Salay, 1999). Według kolejnych
prognoz, zapotrzebowanie to będzie nadal rosło (www.ieo.pl), co przy wykorzystywaniu
wyłącznie źródeł kopalnianych skutkować będzie szeregiem negatywnych efektów, jak
wyczerpywanie ich zasobów, dalszy wzrost stężenia ditlenku węgla w atmosferze czy
zanieczyszczenie środowiska naturalnego przez przemysł wydobywczy.
Obecnie proponowane rozwiązania problemu przyszłości energetyki skłaniają ku
inwestycji w nowe, proekologiczne technologie, w tym odnawialne źródła energii. Polska,
jako kraj członkowski Unii Europejskiej, zobowiązała się do promocji OZE poprzez
uczestnictwo z OECD, podpisanie Konwencji Klimatycznej, Protokołu z Kioto oraz
przegłosowanie Dyrektyw UE w sprawie zmian klimatycznych.Obecnie w Polsce około 75%
wytwarzanego dla potrzeb komunalnych ciepła pochodzi ze spalania węgla kamiennego
(www.stat.gov.pl; Popczyk, 2009).
Inicjatywa wprowadzania na rynek czystych technologii energetycznych wymaga
przedsięwzięcia wielu badań i analiz, pozwalających na podejmowanie uzasadnionych
decyzji o wyborze rodzaju odnawialnych źródeł energii i efektywnych sposobów ich
wykorzystania tak, aby nie powodować niekorzystnych skutków gospodarczych - np.
nadmiernego wzrostu kosztów przygotowania energii. Starając się postępować zgodnie
z zasadą zrównoważonego rozwoju, musimy przygotować narzędzia pozwalające na ocenę
celowości i zakresu wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. Celem pracy jest zatem
opracowanie aplikacji do oceny skutków środowiskowych wykorzystania energii słonecznej
w budownictwie mieszkaniowym, modelowania kosztów ekonomicznych i efektów
środowiskowych stosowania instalacji słonecznych jako alternatywy dla tradycyjnych źródeł
energii w regionie Lubelszczyzny.
2. Systemy solarne w polskim budownictwie mieszkaniowym
Pierwotnym źródłem energii dla Ziemi jest Słońce. Energia słoneczna wykorzystywana
w procesie fotosyntezy stoi u podstawy każdego łańcucha pokarmowego, jest także siłą
napędową ruchów wód i wiatru wykorzystywanych do produkcji energii użytecznej, a przed
milionami lat została uwięziona w zasobach węgla i ropy naftowej (Piemental, 2008).
Energia słoneczna znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach. Należy tu wskazać choćby
na powszechnie stosowane formy biernego ogrzewania pomieszczeń wykorzystujące zyski
słoneczne poprzez szyby okienne oraz na oszczędność energii elektrycznej podczas godzin
dziennych związaną z oświetleniem. Powszechną formą wykorzystania energii słonecznej są
również tunele i szklarnie stosowane w rolnictwie i ogrodnictwie (Żelazna, Pawłowski, 2011).
Systemy solarne, takie jak panele słoneczne, pojawiły się w powszechnym zastosowaniu
stosunkowo niedawno. W opracowaniach Głównego Urzędu Statystycznego brak jest danych
dotyczących wykorzystania fotowoltaiki na szeroką skalę, natomiast fototermika pojawia się
w nich dopiero w 2002r. Na rysunku 1. przedstawiono uzysk energetyczny
z zastosowania systemów słonecznych w Polsce od 2002 do 2009r.
83,4
Pozyskanie energii słonecznej, TJ
54
0,6
2002
0,9
2003
3,6
6,3
10,6
2004
2005
2006
15
2007
2008
2009
Rys. 1. Pozyskanie energii słonecznej w Polsce w latach 2002 – 2009 wg danych GUS.
2
Przewiduje się dalszy wzrost udziału odnawialnych źródeł energii na polskim rynku
energetycznym, zgodnie z Dyrektywą 2009/28/WE oraz wymaganiami stawianymi Polsce na
mocy pakietu klimatycznego „3x20”, przyjętego przez parlament Europejski w 2008 r.
Planowane udziały źródeł odnawialnych do 2020 r. wynoszą odpowiednio 20% dla Europy
(kraje „starej” Unii Europejskiej) oraz 15% dla Polski (Pawłowski, 2011; Popczyk, 2009).
Krajowy Plan Działań w zakresie odnawialnych źródeł energii przewiduje zwiększenie ich
udziału do 15% w 2020 r.
Stosowane w Polsce systemy solarne obejmują podgrzew ciepłej wody użytkowej oraz
wspomaganie centralnego ogrzewania w miesiącach przejściowych, jesiennych i wiosennych
(Kalotek, 2006).W przypadku fotowoltaiki, najpowszechniej stosowane są systemy
podłączone do siecienergetycznej i zintegrowane z budynkami (Klugmann – Radziemska,
2011). Niestety udział Polski w rynku systemów fotowoltaicznych jest nieznaczny. Całkowita
moc zainstalowana w Polsce na koniec 2009 r. wynosiła ok. 1 MW,a systemy fotowoltaiczne
pochodziły jedynie z importu. Główną barierą rozwoju produkcji w obszarze PV w Polsce jest
niewielki popyt wewnątrz krajuwynikający z braku systemu wsparcia dla tej technologii
(www.ieo.pl).
3. Metodologia badań
Ocena cyklu życia (Life CycleAssessment) jest stosunkowo nową techniką zarządzania
środowiskowego umożliwiającą oszacowanie wpływu danego produktu bądź usługi na
środowisko. Jest traktowana jako analiza „od kołyski do grobu” (from cradle to grave), a więc
uwzględnia pełny cykl życia produktu, materiały i energię włożoną w proces jego
powstawania, wpływ użytkowania oraz utylizacji na stan środowiska (Zbiciński i in., 2006).
Konieczność porównywania wyników analiz skutkowała powstaniem jednostek
normalizujących, tzw. ekowskaźników, które umożliwiają wybór opcji bardziej przyjaznej
środowisku spośród różnych materiałowo produktów.
W rozumieniu Międzynarodowej Agencji Normalizacyjnej ISO, LCA jest definiowana
jako metoda analizy i wyznaczania wpływu środowiskowego. Według normy ISO 14041,
LCA jest techniką oceny aspektów i potencjalnych wpływów środowiskowych poprzez
opracowanie zbioru istotnych danych wejściowych i wyjściowych dla systemu danego
produktu, ocenę potencjalnych wpływów na środowisko związanych z tymi danymi
oraz interpretację wyników w odniesieniu do celu badań (Zbiciński i in., 2006).
Według Europejskiej Agencji Środowiskowej EEA, „LCA jest procesem oceny efektów,
jaki dany wyrób wywiera na środowisko podczas całego życia, poprzez wzrost efektywnego
zużycia zasobów i zmniejszenie obciążeń środowiska. Ocena wpływu na środowisko może
być prowadzona zarówno dla wyrobu jak i dla jego funkcji. LCA jest traktowana jako analiza
od kołyski do grobu. Podstawowymi elementami LCA są:
zidentyfikowanie i ocena ilościowa obciążeń wprowadzanych do środowiska, tj.
zużytych materiałów i energii, oraz emisji i odpadów wprowadzanych do środowiska,
ocena potencjalnych wpływów tych obciążeń, oraz
oszacowanie dostępnych opcji dla zmniejszenia tych obciążeń wprowadzanych do
środowiska” (Kowalski i in., 2007; glossary.eea.europa.eu; 2010).
3
Schemat techniczny metodologii LCA ustanowiony został poprzez ISO jako:
1. Goal and Scope Definition (DefinicjaCeluiZakresu)
2. Inventory Analysis (Analiza Zbioru Danych)
3. Impact Assessment (Ocena Wpływu)
4. Interpretation (Interpretacja)
Celem stosowania techniki LCA jest ocena potencjalnych zagrożeń środowiskowych
poprzez identyfikację i określenie ilości zużytych materiałów i energii oraz wprowadzonych
do środowiska odpadów. W związku z powyższym, technika LCA może być stosowana jako
element umożliwiający planowanie długoterminowe i związane z nim podejmowanie decyzji
w różnych dziedzinach gospodarki. Co więcej, z uwagi na fakt, iż technika ta służy do oceny
pełnego cyklu życia produktu, LCA może być przydatna w opiniowaniu możliwości
minimalizacji negatywnego wpływu wyrobów na środowisko. Jako technika zarządzania
środowiskowego, ocena cyklu życia znajduje zastosowanie w marketingu dotyczącym
przykładowo deklaracji środowiskowych wyrobów oraz w wyborze istotnych wskaźników
oceny wpływu produktu na środowisko (Zbiciński i in., 2006).
W y d o b y c ie
R e c y k lin g
s u ro w c ó w
m a te ria łó w
T ra n s p o rt
W y tw a rz a n ie p ó łp ro d u k tó w
T ra n s p o rt
U ż y tk o w a n ie s y s te m u
N a p ra w y e k s p lo a ta c y jn e
W y c o fa n ie z u ż y tk o w a n ia
ro z b ió rk a
M o n ta ż p ro d u k tó w
T ra n s p o rt
T ra n s p o rt
Z a g o s p o d a ro w a n ie k o ń c o w e
M o n ta ż s y s te m u
Rys. 2. Schemat bazowy cylu życia systemu energetycznego (opracowanie własne).
W technice LCA, produkty traktowane są jako całościowy system, co ma na celu ocenę
przepływu materiałów i energii. Jakkolwiek, ponieważ tradycyjnym podłożem metodologii
LCA jest przemysł, większość dostępnych narzędzi do prowadzenia oceny LCA jest
przydatnych w przypadku produktów związanych z przemysłem, a mniej wskazanych dla
budownictwa i związanego z nim zaopatrzenia w energię. Wynika to z faktu, iż budynki, a co
za tym idzie ich składowe w postaci systemów energetycznych, nie są produktem seryjnym,
lecz indywidualnym, co znacznie utrudnia możliwości porównywania wyników analizy LCA
(Koskelo, 2005; Verbeeck i in., 2010).
Autorka niniejszej pracy planuje przeniesienie metodologii Oceny Cyklu Życia na
płaszczyznę zastosowań w ocenie środowiskowej systemów energetycznych, w szczegolnosci
poprzez uwzględnienie specyfiki lokalnego rynku energii. Realizacja pracy, w szczególności
zapewnienie odpowiedniej jakości danych do analizy, będzie wymagała współpracy
z przemysłem oraz stworzenia modelu analitycznego działania systemów w lokalnych
warunkach klimatycznych uwzględniającego dane eksploatacyjne istniejących systemów. Do
ocen końcowych wykorzystane zostanie oprogramowanie SimaPro 7.2 z bazą danych
Ecoinvent.
4
Jako metody oceny zbioru danych zasosowane będą technika EcoIndicator’99 oraz
Global Warming Potential.
Metodyka oceny efektów środowiskowych wywieranych w perspektywie cyklu istnienia
produktu EcoIndicator’99 wyróżnia się spośród dostępnych technik wysoką zgodnością
z zaleceniami SETAC, upraszczając kategorie szkód do 3ch podstawowych: Zdrowie ludzkie,
Jakość ekosystemu, Surowce mineralne. Jednocześnie w metodzie tej wyróżniamy 11
kategorii oddziaływań: Surowce mineralne, Paliwa kopalne, Eksploatacja ziemi,
Zakwaszenie/Eutrofizacja, Ekotoksyczność, Dziura ozonowa, Radiacja, Zmiany klimatu,
Związki nieorganiczne, Związki organiczne, Związki rakotwórcze. W metodzie tej dokonano
parametryzacji poszczególnych substancji wprowadzanych do środowiska oraz zużywanych
jego zasobów w odniesieniu do pewnych wzorców. Oceniana funkcja szkody przedstawia
relację pomiędzy wpływem produktu lub/i procesu, czy też obiektu na środowisko, a szkodą
wyrządzoną w stosunku do ludzkiego zdrowia, jakości ekosystemu i zubożenia surowców
naturalnych (www.pre.nl, 2011).
W kategorii szkody zdrowie ludzkie (Human Health), mieszczą się ilość i czas trwania
chorób oraz stracone lata życia spowodowane przedwczesną śmiercią z powodu
zanieczyszczenia środowiska. Pod uwagę brane są takie kategorie, jak: zmiany klimatyczne,
niszczenie warstwy ozonowej, nasilenie efektów o charakterze kancerogennym,
promieniowanie jonizujące i magnetyczne oraz czynniki mające wpływ na układ oddechowy.
W kategorii szkody jakość ekosystemu (EcosystemQuality) ujmowane są te kategorie
oddziaływania, które mają wpływ na zróżnicowanie gatunków, w szczególności wpływ na
tkankę naczyniową roślin i na niższe organizmy. Pod uwagę brane są takie wskaźniki jak:
ekotoksyczność, wyrażona jako procent wszystkich gatunków żyjących w środowisku w
warunkach toksycznych oddziaływań; zakwaszenie i eutrofizacja jako szkody wśród roślin
naczyniowych; eksploatacja i przekształcanie powierzchni ziemi.
W kategorii surowce naturalne (Resources) ujmowana jest dodatkowa energia, która
będzie potrzebna w przyszłości, by wydobyć niższej jakości minerały i surowce kopalne
eksploatowane w gorszych warunkach geologicznych. Ocena wagi zużycia surowców jest
przeprowadzana z uwzględnieniem zarówno energii potrzebnej do wydobyciaminerałów, jak i
ich koncentracji. Szkodę stanowi oczekiwany wzrost zużycia energii odniesiony do 1 kg
surowca (www.pre.nl).
Inną wykorzystaną metodą będzie technika ilościowej oceny wpływu poszczególnych
substancji na efekt cieplarniany, odniesiony do ditlenku węgla (GWP=1) w przyjętym
horyzoncie czasowym, czyli Global Warming Potential. Pozwala ona na obliczenie
ekwiwalentów ditlenku węgla wyrażających tzw. ślad węglowy, charakteryzujący wpływ
cyklu życia produktu na globalne zmiany klimatyczne (Żelazna, Pawłowski, 2011).
4. Analizy LCA systemów słonecznych
Analiza środowiskowa LCA fazy produkcyjnej przeprowadzona została dla kolektora
płaskiego na podstawie danych producenta urządzenia.
Analiza budowy kolektora płaskiego:
1. Absorber (miedź chromowana)
2. Izolacja (PU)
3. Rurka miedziana
5
4. Kolektor zbiorczy (miedź)
5. Obudowa (aluminium) + kształtowniki/wsporniki (stal)
6. Szyba (hartowane szkło słoneczne)
Waga – 35 kg, powierzchnia 2m2.
Do inwentaryzacji systemu wykorzystano dane producenta urządzeń. Wejścia systemu
przedstawiono na rysunku 3:
Rys. 3. Wejścia systemu „Kolektor płaski 2m2”.
System poddano ocenie metodą EcoIndicator’99. Ważenie wyników wskazuje na
kategorie o największym znaczeniu według udziałów kategorii szkód: Zdrowie ludzkie oraz
Ekosystem – po 0,4; Zasoby naturalne -0,2. Na uwagę zasługują kategorie ekotoksyczności,
związków nieorganicznych oraz surowców mineralnych, według rysunku 4.
Rys. 4. Wynik ważony oceny systemu metodą EcoIndicator’99.
Wskaźnik scalony – single score – dla wybranego systemu materiałowego produktu
obejmuje wartości ważone w podziale na poszczególne materiały (Rys. 5). Widoczna jest
tutaj wyraźna różnica pomiędzy miedzią – pierwiastek ten jest rzadki i, co za tym idzie,
6
trudny do pozyskania, a pozostałymi materiałami. Całkowity wskaźnik scalony dla systemu
produkcji kolektora wyniósł 46,63.
Rys. 5. Wskaźnik scalony oceny systemu metodą EcoIndicator’99.
Analiza fazy eksploatacyjnej systemu termicznego wykorzystania energii słonecznej
obejmuje zużycie energii elektrycznej w celu zasilenia pomp i sterowników oraz
ewentualnego dogrzewania wody – w przypadku analizowanym na wykresie jest to
dogrzewanie grzałką elektryczną dla systemu z trzema panelami próżniowymi i buforem 300l
zlokalizowanego w powiecie lubartowskim (Żelazna, Pawłowski, 2011).
Rys. 6. Wskaźnik GWP fazy eksploatacyjnej systemu instalacji słonecznej.
Pomijając nakłady środowiskowe, przedstawiono możliwe do osiągnięcia znaczące
zmniejszenie emisji CO2eq. Należy jednak zauważyć, że w celu rzetelnej oceny technologii
konieczne jest oszacowanie skutków całości cyklu życia systemów, które stanowić będzie
przedmiot dalszych badań.
7
5. Podsumowanie
Rozwój energetyki słonecznej stanowi dla mało uprzemysłowionej Lubelszczyzny
interesującą perspektywę, w szczególności z uwagi na sprzyjające warunki klimatyczne.
Niemniej jednak, z uwagi na brak lokalnych producentów urządzeń, ich stosowanie wiąże się
z pewnymi nakładami energetycznymi, jak chociażby konieczność importu spoza granic
regionu. Autorka niniejszej pracy przewiduje dokonanie rzetelnej oceny celowości stosowania
systemów słonecznych w regionie Lubelszczyzny, uwzględniające uwarunkowania lokalnego
rynku energii. Określenie zbioru danych środowiskowych i przeprowadzenie oceny ilościowej
i jakościowej alternatywnych rozwiązań posłuży do sformułowania modelu matematycznego
służącego rozstrzygnięciu, czy celowym jest w określonym przypadku zastosowanie
systemów słonecznych oraz w jakim układzie technologicznym powinno być ono
realizowane.
Podsumowując, należy zauważyć, że zaproponowana w pracy autorska metodologia ocen
zrównoważoności systemów energetycznych wychodzi naprzeciw założeniom Dyrektywy
OZE, która stanowi, iż od 1 stycznia 2013 r. państwa członkowskie zapewnić mają
instalatorom OZE dostęp do systemów certyfikacji lub równoważnych systemów
kwalifikowania.
Opracowanie aplikacji do modelowania i oceny skutków środowiskowych i kosztów
wykorzystania systemów słonecznych stanowić będzie kompetentne źródło informacji o tego
rodzaju instalacjach, wspomagając procesy decyzyjne inwestorów i projektantów.
Zastosowanie oceny cyklu życia w przypadku systemów energetycznych ma na celu
poszerzanie wiedzy ich użytkowników oraz potencjalnych inwestorów na temat wybranej
technologii. Sprzyja to podejmowaniu decyzji o zastępowaniu przestarzałych technologii
nowoczesnymi ekologicznymi rozwiązaniami, a poprzez to ograniczaniu emisji
zanieczyszczeń do środowiska i zmniejszeniu poziomu zużycia paliw kopalnych.
6. Literatura
Adamczyk J., Koncepcja zrównoważonego rozwoju w zarządzaniu przedsiębiorstwem,
Kraków 2006.
Carsson B.: Suitability analysis of selective solar absorber surfaces based on a totalcost
accounting approach. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2007, 91, 1338–1349.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r.
w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych,
Ikerd J., Sustainable Capitalism, a Matter of Common Sense, Kumarian Press, Sterling 2005.
Kalotek J., Odnawialne źródła energii, Radom 2006,
Klugmann-Radziemska E., Odnawialne źródła energii – przykłady obliczeniowe, Gdańsk
2011,
Koskelo T.: A method for strategic technical life cycle management of real estates, Doctoral
dissertation series 2005/1, ISBN 951-22-7506-6.
Kowalski Z., Kulczycka J., Góralczyk M.: Ekologiczna ocena cyklu życia procesów
wytwórczych (LCA), PWN, Warszawa 2007.
8
Pawłowski A.: Sustainable Development as a Civilizational Revolution. A Multidisciplinary
Approach to the Challenges of the 21st Century, CRC Press, Taylor & Francis Group, a
Balkema, Boca Raton, London, New York, Leiden 2011, s. 229.
Pawłowski A.: Sustainable energy as a sine qua non condition for the achievement of
sustainable development. Problemy Ekorozwoju, 2009, 4(2), 3-7
Piemental D., Biofuels, Solar and Winds as Renewable Energy Systems, Springer, 2011,
Popczyk J.: Ocena potencjału realizacji celów Pakietu 3x20, w szczególności w aspekcie
redukcji emisji za pomocą rożnych technologii. Zmiany klimatu – wyzwania dla gospodarki,
2009, 4, http://csm.org.pl/
Salay J. (edt); Od paliw kopalnych do zrównoważonych źródeł energii, Katowice 1999.
Verbeeck G, Hens H.: Life cycle inventory of buildings: A contribution analysis, Building
and Environment 2010,Vol. 45, s. 964-967.
WCED: Our Common Future, The Report of the World Commission on Environment and
Development. Oxford University Press, NowyJork 1987.
www.glossary.eea.europa.eu, Portal Europejskiej Agencji Środowiskowej
www.ieo.pl, Instytut Energetyki Odnawialnej, grudzień 2011
www.pre.nl, lipiec 2011
www.setac.org, SETAC – Society of Environmental Toxicology and Chemistry.
www.stat.gov.pl,lipiec 2011
Zbicinski I., Stavenuiter J., Kozlowska B. and van de Coevering H.P.M.: Product Design and
Life Cycle Assessment, Book 3 in a series on Environmental Management, The Baltic
University Press, Uppsala 2006.
Żelazna A. Pawłowski A.: The environmental analysis of insulation materials in the context of
sustainable buildings. Selected papers of 8th International Conference Environmental
Engineering. Energy for Buildings, 2011, 2, 825-829
Żelazna A., Pawłowski A,; Korzyści środowiskowe z wykorzystania systemów słonecznych
na przykładzie budynku jednorodzinnego, Proceedings of ECOpole 2011
9