ΓΙΩΡΓΟΣ Μ. ΘΕΟΔΟΣΙΟΥ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΓΙΩΡΓΟΣ Μ. ΘΕΟΔΟΣΙΟΥ Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΓΙΩΡΓΟΣ Μ. ΘΕΟΔΟΣΙΟΥ Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Εξεταστική Επιτροπή Νικόλαος Κυριάκης, Καθηγητής ΑΠΘ., Επιβλέπων Νικόλαος Μουσιόπουλος, Καθηγητής ΑΠΘ, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Ζήσης Σαμαράς, Καθηγητής ΑΠΘ, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Δημήτριος Τσιπάς, Καθηγητής ΑΠΘ, Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Άγις Παπαδόπουλος, Αναπ. Καθηγητής ΑΠΘ, Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Δανάη Διακουλάκη, Αναπ. Καθηγήτρια ΕΜΠ, Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Γεώργιος Τσιλιγκιρίδης, Επικ. Καθηγητής ΑΠΘ, Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής

4

5 ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

6 ΓΙΩΡΓΟΣ Μ. ΘΕΟΔΟΣΙΟΥ Α.Π.Θ. ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ISBN: Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής υπό της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλοί αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως (Ν. 5343/1932 άρθρο 202, παρ.2)

7 Θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής για τη βοήθεια που μου παρείχαν κατά την εκπόνηση της διατριβής μου και ιδιαίτερα τον καθηγητή κ. Νικόλαο Κυριάκη, διευθυντή του Εργαστηρίου Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Α.Π.Θ., για τη σημαντική βοήθεια και τις υποδείξεις του στη φάση συγγραφής της διατριβής. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα επίσης να εκφράσω στον κ. Χριστοφή Κορωναίο, επιστημονικό συνεργάτη στο Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Α.Π.Θ., για τη σημαντική βοήθεια και τις υποδείξεις του στη φάση ανάπτυξης και συγγραφής της διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Νικόλαο Μουσιόπουλο διευθυντή του Εργαστηρίου Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής για την υποστήριξη που μου παρείχε κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και της συγγραφής της διατριβής. Τέλος, θα ήλεθα να απευθύνω τις ευχαριστίες μου στο Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων (ΥΠΕΠΘ), καθώς η διδακτορική διατριβή εντάχθηκε και εξασφάλισε τη χρηματοδότησή της, στο έργο «ΗΡΑΚΛΕΙΤΟΣ: Υποτροφίες έρευνας με προτεραιότητα στη βασική έρευνα», Μέτρο 2.6 «Προγράμματα Προστασίας Περιβάλλοντος και Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης», Ενέργεια «Προγράμματα Προστασίας Περιβάλλοντος και Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης», Κατηγορία πράξεων ια. «Υποτροφίες Έρευνας σε θέματα περιβάλλοντος και οικολογίας με προτεραιότητα στη Βασική Έρευνα». Η διδακτορική διατριβή αφιερώνεται στην οικογένεια μου.

8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά για τη ρύπανση του περιβάλλοντος και τη φιλοσοφία του οικολογικού 3 σχεδιασμού στόχοι εργασίας μεθοδολογία 1.2 Στοιχεία πρωτοτυπίας Δομή της εργασίας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Σκοπός μοντελοποίησης προσομοίωσης και σχεδιασμός ενεργειακών συστημάτων Πολυκριτηριακή ανάλυση και βελτιστοποίηση σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων Χαρακτηριστικά μοντέλα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων με τη χρήση της πολυκριτηριακής ανάλυσης 2.4 Χαρακτηριστικές διαφορές μοντέλων πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων και προσέγγιση κάλυψης τους στην παρούσα εργασία 2.5 Συνδυασμός οικονομικής και περιβαλλοντικής αξιολόγησης για το σχεδιασμό 56 ενεργειακών συστημάτων 2.6 Περιβαλλοντική αξιολόγηση Μεθοδολογία Ανάλυσης Κύκλου Ζωής Γενικά περί μεθοδολογίας ΑΚΖ Περιγραφή σταδίων μεθοδολογίας ΑΚΖ Σύγκριση μεθοδολογίας ΑΚΖ με άλλες μεθοδολογίες περιβαλλοντικής αξιολόγησης Εφαρμογή ΑΚΖ σε ενεργειακά συστήματα ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΥΠΩΝ ΑΠΟ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 3.1 Καταγραφή εκπομπής ρύπων από μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού στην Ελλάδα και σύγκριση τους με τους αντίστοιχους βιβλιογραφικούς συντελεστές Αξιολόγηση ποιότητας δεδομένων Λιγνίτης Εκπομπή ρύπων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη Πετρέλαιο Εκπομπή ρύπων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από πετρέλαιο Πετρελαϊκές μονάδες με καύσιμο μαζούτ Πετρελαϊκές μονάδες με καύσιμο diesel Φυσικό αέριο Εκπομπή ρύπων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από φυσικό αέριο 93 Σελ. i iv vii xi xi i

10 3.2 Εκπομπή ρύπων από μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού στην Ελλάδα δεδομένα για 96 συγκεκριμένους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρισμού 3.3 Τροποποίηση συντελεστών εκπομπής ρύπων ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ 103 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 4.1 Γενικές παραδοχές κατά την εφαρμογή της μεθοδολογίας ΑΚΖ Μεθοδολογία Eco-Indicator Επιλογή μεθόδου Eco-Indicator 99, έκδοσης hierarchist και λογισμικού SimaPro Εφαρμογή ΑΚΖ σε χαρακτηριστικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού και ενεργειακούς πόρους στην Ελλάδα με τη χρήση της μεθόδου Eco-Indicator Κατάλογος απογραφής κύκλου ζωής Καταγραφή εκπομπής ρύπων κύκλου ζωής για χαρακτηριστικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού/ενεργειακούς πόρους Παραγωγή ηλεκτρισμού από λιγνίτη Παραγωγή ηλεκτρισμού από πετρέλαιο Παραγωγή ηλεκτρισμού από φυσικό αέριο Παραγωγή ηλεκτρισμού από βιομάζα Παραγωγή ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρική ενέργεια Παραγωγή ηλεκτρισμού από αιολική ενέργεια Συγκεντρωτικά αποτελέσματα Κατάλογος Απογραφής Κύκλου Ζωής Αποτελέσματα ΑΚΖ με τη μέθοδο Eco-Indicator ΑΚΖ μονάδων παραγωγής ενέργειας με χρήση στοιχείων εκπομπής ρύπων από τη βάση δεδομένων ETH-ESU 96 με τη μέθοδο Eco-Indicator Σύγκριση αποτελεσμάτων ΑΚΖ με τα ελληνικά δεδομένα και αποτελεσμάτων ΑΚΖ με δεδομένα από τη βιβλιογραφία - ποιοτική ανάλυση αποτελεσμάτων ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Χαρακτηριστικά κόστη παραγωγής ηλεκτρισμού στην ΕΕν Κόστη παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ Κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής ρύπων Εξωτερικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού Συνολικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού ΜΟΝΤΕΛΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 175 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 6.1 Διατύπωση μοντέλου χαρακτηριστικά, βασικές πτυχές και περιορισμοί Δημιουργία μαθηματικού προβλήματος πολυκριτηριακής ανάλυσης βελτιστοποίησης Ενσωμάτωση περιβαλλοντικής παραμέτρου στο μοντέλο βελτιστοποίησης Κατάστρωση εξισώσεων μοντέλου για παραγωγή μόνο ηλεκτρισμού 186 ii

11 6.2.3 Κατάστρωση εξισώσεων μοντέλου για παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας Προσαρμογή μοντέλου στην παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από συγκεκριμένα συστήματα 7. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΟΛΥΚΡΙΤΗΡΙΑΚΗΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ 7.1 Παράδειγμα εφαρμογής μοντέλου πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης στην παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από συγκεκριμένα συστήματα Περίπτωση Λέσβου 7.2 Παράδειγμα εφαρμογής μοντέλου ελαχιστοποίησης στην παραγωγή ενέργειας από συγκεκριμένα συστήματα Περίπτωση χρήσης ενεργειακών συστημάτων σε πολυκατοικία 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ 213 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 221 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι 237 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ iii

12 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Πίνακας 1.1. Παγκόσμιες τάσεις παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας 7 Πίνακας 1.2. Κατανάλωση και παραγωγή πρωτογενών πηγών ενέργειας στην Ελλάδα 7 Πίνακας 1.3. Εγκατεστημένη ισχύς και συνολική καθαρή παραγωγή των σταθμών της ΔΕΗ 8 Πίνακας 1.4. Εκπομπή ρύπων σε εγκαταστάσεις καύσης συμβατικών καυσίμων για παραγωγή ηλεκτρισμού ανά τύπο πηγής εκπομπής και ουσία 10 Πίνακας 1.5. Εκπομπή CO 2 ανά δραστηριότητα στην Ελλάδα για τη περίοδο σύμφωνα με τα στοιχεία του ΕΣΚΔΕ σε tn CO 2 11 Πίνακας 1.6: Εκτίμηση συμμετοχής ανά τομέα για το σενάριο του Πίνακας 1.7: Υφιστάμενη και προβλεπόμενη παραγωγή ηλεκτρισμού (TWh) και θερμότητας από ΑΠΕ (Mtoe) για το Πίνακας 1.8: Εκτιμήσεις για κόστη επένδυσης και οφέλη ανά τομέα 16 Πίνακας 1.9: Οι εθνικοί στόχοι κάθε κράτους 16 Πίνακας 1.10: Προβλέψεις για εφαρμογή της 2001/77 στην ΕΕν 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πίνακας 2.1: Κατάλογος κατηγοριών επιπτώσεων 69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Πίνακας 3.1: Σύσταση και κατανάλωση λιγνίτη (1999) σε χαρακτηριστικές μονάδες παραγωγής της ΔΕΗ 79 Πίνακας 3.2: Ποιοτικά χαρακτηριστικά λιγνίτη τροφοδοσίας ΑΗΣ Αγίου Δημητρίου (2001) 96 Πίνακας 3.3: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (2001) του ΑΗΣ Αγίου Δημητρίου 97 Πίνακας 3.4: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1997) του ΑΗΣ Καρδιάς 97 Πίνακας 3.5: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1997) του ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα 97 Πίνακας 3.6: Ποιοτικά χαρακτηριστικά λιγνίτη τροφοδοσίας ΑΗΣ Πτολεμαΐδας ΛΙΠΤΟΛ (1998) 98 Πίνακας 3.7: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1998) του ΑΗΣ Πτολεμαΐδας ΛΙΠΤΟΛ 98 Πίνακας 3.8: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1997) του ΑΗΣ Μεγαλόπολης Α και Β 99 Πίνακας 3.9: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (2000) του ΑΗΣ Λαυρίου 99 Πίνακας 3.10: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1998) των ΑΣΠ Πάτμου 100 Πίνακας 3.11: Δεδομένα λειτουργίας και εκπομπής ρύπων (1998) των ΑΗΣ Λινοπεραμάτων και Χανίων Κρήτης 100 Πίνακας 3.12: Ειδικές καταναλώσεις ορυκτών καυσίμων (μέσες τιμές) σε σταθμούς παραγωγής στην Ελλάδα 101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πίνακας 4.1. Χαρακτηριστικές αξίες στις τρεις διαφορετικές εκδόσεις/προοπτικές 112 Πίνακας 4.2: Κύριες παράμετροι λειτουργίας για τη μονάδα V του ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου (2001) 118 Πίνακας 4.3: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη (2001) (μονάδα V) 118 Πίνακας 4.4: Εκπομπή άλλων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη (2001) 118 Πίνακας 4.5: Κύριες παράμετροι λειτουργίας για τον ΑΗΣ Αθερινόλακκου (1997) 120 Πίνακας 4.6: Χαρακτηριστικά καυσίμου για τη μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού από πετρέλαιο (1997) 120 iv

13 Πίνακας 4.7: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από πετρέλαιο 122 Πίνακας 4.8: Συνολική εκπομπή υγρών ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από πετρέλαιο 122 Πίνακας 4.9: Διείσδυση του φυσικού αερίου ανά τομέα στην Ελλάδα (εκατ. m 3 ) 122 Πίνακας 4.10: Χαρακτηριστικά καυσίμου για τη μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού από φυσικό αέριο 124 Πίνακας 4.11: Κύριες παράμετροι λειτουργίας για τον ΑΗΣ Λαυρίου (1997) 125 Πίνακας 4.12: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από φυσικό αέριο 126 Πίνακας 4.13: Χαρακτηριστικά μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζα 127 Πίνακας 4.14: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζα 127 Πίνακας 4.15: Χαρακτηριστικά μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρική ενέργεια 128 Πίνακας 4.16: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρική ενέργεια (1997) 129 Πίνακας 4.17: Κύριες παράμετροι λειτουργίας και τεχνικά χαρακτηριστικά για τη μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού από αιολική ενέργεια (1997) 131 Πίνακας 4.18: Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από αιολική ενέργεια (1997) 131 Πίνακας 4.19: Κατάλογος απογραφής κύκλου ζωής Συνολική εκπομπή αέριων ρύπων ενεργειακών πόρων 132 Πίνακας 4.20: Εκπομπή άλλων ρύπων από τον κύκλο ζωής των ενεργειακών πόρων 132 Πίνακας 4.21: Συνολική εκπομπή ρύπων στα ύδατα από τον κύκλο ζωής των ενεργειακών πόρων 132 Πίνακας 4.22: Τιμές/δείκτες αξιολόγησης της φάσης αξιολόγησης/αποτίμησης των επιπτώσεων του κύκλου ζωής ενεργειακών πόρων που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις 134 (οι τιμές αντιστοιχούν σε δείκτες αξιολόγησης με αδιάστατες μονάδες) Πίνακας 4.23: Κατάλογος απογραφής κύκλου ζωής ενεργειακών πόρων όταν χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Τα δεδομένα λαμβάνονται στην περίπτωση αυτή από τη βιβλιογραφία 139 Πίνακας 4.24: Τιμές/δείκτες αξιολόγησης της φάσης αξιολόγησης/αποτίμησης των επιπτώσεων του κύκλου ζωής ενεργειακών πόρων που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισμού (οι τιμές αντιστοιχούν σε δείκτες αξιολόγησης με αδιάστατες μονάδες). Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση 140 λαμβάνονται από τη βιβλιογραφία Πίνακας 4.25: Συμβολή του κύκλου ζωής των ενεργειακών πόρων στις κατηγορίες επιπτώσεων και ζημιάς 148 Πίνακας 4.26: Ποιοτική ανάλυση άλλων επιπτώσεων που συνδέονται με τον κύκλο ζωής κατά τη χρήση κάποιου ενεργειακού πόρου για την παραγωγή ηλεκτρισμού 149 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πίνακας 5.1: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 7000 ώρες λειτουργίας (2000) 157 Πίνακας 5.2: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 5000 ώρες λειτουργίας 159 Πίνακας 5.3: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 2500 ώρες λειτουργίας 160 Πίνακας 5.4: Ενδεικτικοί στόχοι παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ για το Πίνακας 5.5: Ανάπτυξη παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ για κάθε κράτος μέλος το 2010 όταν εφαρμόζεται κάποιο σύστημα εμπορικής συναλλαγής, για το στόχο που προτείνεται από την Οδηγία της 165 ΕΕπ Πίνακας 5.6: Κόστη και δυναμικό τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στην Ελλάδα 166 v

14 Πίνακας 5.7: Πρόβλεψη εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου στο σενάριο αναμενόμενης εξέλιξης για τον τομέα παραγωγής ηλεκτρισμού σε kton CO 2 eq 167 Πίνακας 5. 8: Πρόβλεψη παραγωγής ηλεκτρισμού 168 Πίνακας 5.9: Εξωτερικά κόστη παραγωγής ηλεκτρισμού στην ΕΕν ( -cents/kwh) 169 Πίνακας 5.10: Κόστος παραγωγής και κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής ρύπων ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 7000 ώρες λειτουργίας 171 Πίνακας 5.11: Συνολικό κόστος παραγωγής (κόστος παραγωγής, κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής ρύπων και εξωτερικό κόστος) ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 7000 ώρες 172 λειτουργίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Πίνακας 6.1: Βασικά χαρακτηριστικά διαφόρων μορφών ενέργειας που πρέπει να ληφθούν υπόψη στο μοντέλο της πολυκριτηριακής ανάλυσης 180 Πίνακας 6.2: Ενδεικτικοί συμβολισμοί δεικτών περιβαλλοντικής αξιολόγησης 186 Πίνακας 6.3: Χαρακτηριστικές σχετικές τιμές του παράγοντα αξιοπιστίας 190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Πίνακας 7.1: Δεδομένα παραδείγματος εφαρμογής του μοντέλου στη Λέσβο 203 Πίνακας 7.2: Δεδομένα παραδείγματος εφαρμογής του μοντέλου στη Λέσβο 204 Πίνακας 7.3: Δεδομένα παραδείγματος εφαρμογής του μοντέλου στη Λέσβο 204 Πίνακας 7.4: Λύσεις προβλήματος ελαχιστοποίησης του παραδείγματος εφαρμογής του μοντέλου στη Λέσβο 206 Πίνακας 7.5: Εξεταζόμενες διεργασίες και καύσιμα 207 Πίνακας 7.6: Κατανάλωση καυσίμου/ηλεκτρισμού και παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα για τις διεργασίες του μοντέλου 208 Πίνακας 7.7: Οικονομικά στοιχεία κατανάλωσης καυσίμου και ηλεκτρισμού 208 Πίνακας 7.8: Ορισμός μεταβλητών στην εφαρμογή του μοντέλου ελαχιστοποίησης στην περίπτωση χρήσης διαφόρων καυσίμων για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε μια τυπική πολυκατοικία στη 209 Θεσσαλονίκη Πίνακας 7.9: Βέλτιστες λύσεις του μοντέλου ελαχιστοποίησης στην περίπτωση χρήσης διαφόρων καυσίμων για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε μια τυπική πολυκατοικία στη Θεσσαλονίκη 211 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ Πίνακας II.1: Μονάδες παραγωγής ενέργειας που περιλαμβάνονται στην απογραφή του ΥΠΕΧΩΔΕ 239 Πίνακας II.2: Συντελεστές εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) 240 Πίνακας II.3: Συντελεστές εκπομπής διοξειδίου του θείου (SO 2 ) 243 Πίνακας II.4: Συντελεστές εκπομπής οξειδίων του αζώτου (ΝOx) 247 Πίνακας II.5: Συντελεστές εκπομπής σωματιδίων (PM 10 ) 251 Πίνακας II.6: Συντελεστές εκπομπής μονοξειδίου του άνθρακα (CO) 254 Πίνακας II.7: Συντελεστές εκπομπής πτητικών οργανικών ενώσεων πλην μεθανίου (NMVOC) 258 Πίνακας II.8: Συντελεστές εκπομπής υγρών αποβλήτων 261 Πίνακας II.9: Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί του διασυνδεδεμένου δικτύου 262 Πίνακας II.10: Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί μεγάλων νησιών 263 vi

15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1.1. Γενικευμένο διάγραμμα των σταδίων του κύκλου ζωής των ενεργειακών πόρων (συμβατικών καυσίμων και ΑΠΕ) για την παραγωγή ηλεκτρισμού 6 Σχήμα 1.2. Γενικευμένο διάγραμμα ροής εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρισμού με καύση συμβατικών καυσίμων και σχετικές λειτουργίες 9 Σχήμα 1.3. Εξέλιξη εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου από τον ενεργειακό τομέα της Ελλάδας 10 Σχήμα 1.4. Χαρακτηριστική εκπομπή CO 2 σε kg/kwh διαφόρων τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού 12 Σχήμα 1.5: Συμβατικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού σε σύγκριση με σύστημα ΣΗΘ 13 Σχήμα 1.6: Ποσοστό συμμετοχής της κάθε τεχνολογίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τα έτη 1991, 2003, 2010 στην ΕΕν 17 Σχήμα 1.7: Χαρακτηριστικό κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 7000 ώρες λειτουργίας στην Ελλάδα 18 Σχήμα 1.8: Κύριες πτυχές συμβατικής και οικολογικής διαδικασίας σχεδιασμού 23 Σχήμα 1.9: Τροχός στρατηγικών οικολογικού σχεδιασμού (Βασισμένος στον Τροχό των Στρατηγικών Σχεδιασμού του Κύκλου Ζωής 24 Σχήμα 1.10: Πλαίσιο οικολογικού σχεδιασμού και ενσωμάτωση περιβαλλοντικής διάστασης 26 Σχήμα 1.11: Απλοποιημένη διαδικασία σχεδιασμού νέου συστήματος 28 Σχήμα 1.12: Απεικόνιση βημάτων αρχικού σχεδιασμού κάποιου ενεργειακού συστήματος με βάση την ανάλυση κύκλου ζωής και το μοντέλο της πολυκριτηριακής ανάλυσης 29 Σχήμα 1.13: Απλοποιημένη διαδικασία αντικατάστασης διεργασίας σε κάποιο ενεργειακό σύστημα 31 Σχήμα 1.14: Απεικόνιση βημάτων εφαρμογής ανάλυσης κύκλου ζωής, εξεργειακής ανάλυσης και πολυκριτηριακής ανάλυσης για την αντικατάσταση διεργασιών σε ένα υφιστάμενο ενεργειακό σύστημα 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.1. Μοντέλο βελτιστοποίησης της χρήσης ενεργειακών πόρων (συμβατικών καυσίμων και ΑΠΕ) για την κάλυψη των απαιτήσεων σε ηλεκτρισμό και θερμότητα 55 Σχήμα 2.2: Τεχνικό πλαίσιο εργασίας ΑΚΖ 58 Σχήμα 2.3: Ορισμός ορίων συστήματος 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3.1. Διάγραμμα ροής και πηγές εκπομπής ρύπων των μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη της ΔΕΗ 80 Σχήμα 3.2. Διάγραμμα ροής εκπομπής ενώσεων του θείου των μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη της ΔΕΗ 80 Σχήμα 3.3. Διάγραμμα ροής εκπομπής τέφρας των μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη της ΔΕΗ 81 Σχήμα 3.4. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου αιωρούμενων σωματιδίων όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε λιγνιτικές μονάδες (ΗΛ/Φ 99.5%: 83 Ηλεκτροστατικά φίλτρα με απόδοση 99,5%) Σχήμα 3.5. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου SO 2 όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε λιγνιτικές μονάδες (WS: Αποθείωση καυσαερίων υγρών, καταιονισμός) 84 Σχήμα 3.6. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου ΝΟx όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε λιγνιτικές μονάδες χωρίς συστήματα αντιρρύπανσης 85 Σχήμα 3.7. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου ΝΟx όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε λιγνιτικές μονάδες με συστήμ. αντιρρύπανσης (ΟFA: Έγχυση αέρα πάνω από 85 τη ζώνη καύσης,lnb: Καυστ. χαμηλ. εκπομ. NOx,SAS: Βαθμ. προσαγ. αέρα καύσης,fgr: Ανακυκ. καυσ.) vii

16 Σχήμα 3.8. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου αιωρούμενων σωματιδίων όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε πετρελαϊκές μονάδες και σε μονάδες ΜΕΚ Σχήμα 3.9. Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου NOx όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε πετρελαϊκές μονάδες και σε ΜΕΚ Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου SO 2 όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε πετρελαϊκές μονάδες και σε ΜΕΚ Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου αιωρούμενων σωματιδίων όπως έχει εκτιμηθεί βάσει του βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και της μέτρησης σε αεριοστρόβιλους Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου NOx όπως έχει εκτιμηθεί βάσει του βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και της μέτρησης σε αεριοστρόβιλους Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου SO 2 όπως έχει εκτιμηθεί βάσει του βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και της μέτρησης σε αεριοστρόβιλους Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου αιωρούμενων σωματιδίων όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε μονάδες φυσικού αερίου (TF: Εφαπτομενική καύση) Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου NOx όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε μονάδες φυσικού αερίου (WF: Μετωπική καύση, TF: Εφαπτομενική καύση, LNB: Καυστήρας χαμηλής εκπομπής NOx, FGR:Ανακυκλοφορία καυσαερίων, OFA: Έγχυση αέρα πάνω από τη ζώνη καύσης) (Μον. 1: χωρίς επεξεργασία, Μον. 2: FGR/LNB/OFA, Μον 3.: FGR/LNB/OFA, Μον. 4: LNB) Σχήμα Σύγκριση ρυπαντικού φορτίου SO 2 όπως έχει εκτιμηθεί βάσει βιβλιογραφικού συντελεστή εκπομπής και μετρήσεων σε μονάδες φυσικού αερίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4.1: Όρια συστήματος που περιλαμβάνονται στην ανάλυση κύκλου ζωής για τις ΑΠΕ 104 Σχήμα 4.2: Όρια συστήματος που περιλαμβάνονται στην ανάλυση κύκλου ζωής για τα συμβατικά καύσιμα 105 Σχήμα 4.3: Γενική απεικόνιση της μεθόδου Eco-Indicator 99 (έκδοση hierarchist). Τα λευκά κουτιά αναφέρονται στις διαδικασίες, ενώ τα υπόλοιπα κουτιά αναφέρονται σε ενδιάμεσα αποτελέσματα 106 Σχήμα 4.4: Η εξάρτηση συνόλου δικτύου των πέντε αρχετύπων που διακρίνονται στην «Πολιτιστική Θεωρία» 111 Σχήμα 4.5: Όρια ανάλυσης συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από λιγνίτη 117 Σχήμα 4.6: Εκπομπή ρύπων στα διάφορα στάδια του κύκλου ζωής του λιγνίτη 117 Σχήμα 4.7: Όρια ανάλυσης συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από πετρέλαιο 121 Σχήμα 4.8: Εκπομπή ρύπων στα διάφορα στάδια του κύκλου ζωής του πετρελαίου (1997) 121 Σχήμα 4.9: Όρια ανάλυσης συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από φυσικό αέριο 125 Σχήμα 4.10: Εκπομπή ρύπων στα διάφορα στάδια του κύκλου ζωής του φυσικού αερίου (1997) 125 Σχήμα 4.11: Όρια ανάλυσης συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζα 127 Σχήμα 4.12: Όρια ανάλυσης και εκπομπή ρύπων του συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρική ενέργεια (1997) 129 Σχήμα 4.13: Όρια ανάλυσης συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού από αιολική ενέργεια 130 Σχήμα 4.14: Εκπομπή ρύπων στα διάφορα στάδια του κύκλου ζωής της αιολικής ενέργειας 131 Σχήμα 4.15: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις (μέθοδος Eco-indicator 99, 135 εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.16: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις (μέθοδος Eco-indicator 99, 135 εκδ. Ηierarchist Η/Α) viii

17 Σχήμα 4.17: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.18: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Ζημιάς Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.19: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Ζημιάς Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε ελληνικές εγκαταστάσεις (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.20: Γενική απεικόνιση του κύκλου ζωής (αλυσίδα παραγωγής) των καυσίμων / μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού Σχήμα 4.21: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.22: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.23: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.24: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Ζημιάς Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.25: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Ζημιάς Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.26: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με βάση ελληνικά δεδομένα και δεδομένα από τη βιβλιογραφία (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) Σχήμα 4.27: Αξιολόγηση / Κατηγορίες Ζημιάς Κύκλου Ζωής Ενεργειακών Πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με βάση ελληνικά δεδομένα και δεδομένα από τη βιβλιογραφία (μέθοδος Eco-indicator 99, εκδ. Ηierarchist Η/Α) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχήμα 5.1. Τιμή ( /tnco2) των δικαιωμάτων εκπομπής αέριων ρύπων που πωλήθηκαν στα χρηματιστήρια της Ευρώπης την περίοδο 07/ /2005, και αφορούν ευρωπαϊκές εταιρίες 153 Σχήμα 5.2. Ποσότητα (εκατ. tn CO 2 ) των δικαιωμάτων εκπομπής αέριων ρύπων που πωλήθηκαν στα χρηματιστήρια της Ευρώπης την περίοδο 01/ /2005, και αφορούν ευρωπαϊκές εταιρίες 153 Σχήμα 5.3: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στις 7000 ώρες λειτουργίας στην Ελλάδα 158 Σχήμα 5.4: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού στην Ελλάδα με ειδικούς φόρους κατανάλωσης/επιδοτήσεις 161 Σχήμα 5.5: Κόστος παραγωγής ( /kwh) των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού σε 7000 ώρες στην Ελλάδα 161 Σχήμα 5.6: Καμπύλη κόστους για παραγωγή ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στην ΕΕν για το Σχήμα 5.7: Κόστη επίτευξης εθνικών στόχων όπως ορίζονται στην Οδηγία της ΕΕπ με ή χωρίς κάποιο σχέδιο εμπορικής συναλλαγής στην ΕΕν 164 Σχήμα 5.8: Καμπύλη κόστους για παραγωγή ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στην Ελλάδα για το Σχήμα 5.9: Εξωτερικά κόστη παραγωγής ηλεκτρισμού στην ΕΕν ( -cents/kwh) 170 Σχήμα 5.10: Κόστος παραγωγής και κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής για παραγωγή ηλεκτρισμού (με ειδικούς φόρους κατανάλωσης/επιδοτήσεις) ( /kwh) 172 Σχήμα 5.11: Κόστος παραγωγής και κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής για παραγωγή ηλεκτρισμού (χωρίς ειδικούς φόρους κατανάλωσης/επιδοτήσεις) ( /kwh) 173 ix

18 Σχήμα 5.12: Συνολικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού (κόστος παραγωγής, κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής ρύπων και εξωτερικό κόστος) (με ειδικούς φόρους κατανάλωσης/επιδοτήσεις) ( /kwh) Σχήμα 5.13: Συνολικό και εξωτερικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού (χωρίς ειδικούς φόρους κατανάλωσης/επιδοτήσεις) ( /kwh) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχήμα 6.1: Βασική απεικόνιση μοντέλου παραγωγής ηλεκτρισμού 176 Σχήμα 6.2: Απεικόνιση βημάτων σχεδιασμού κάποιου ενεργειακού συστήματος με βάση την Ανάλυση Κύκλου Ζωής και το μοντέλο της πολυκριτηριακής ανάλυσης 177 Σχήμα 6.3: Απεικόνιση μοντέλου παραγωγής ηλεκτρισμού από κεντρικό σύστημα και παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από ενεργειακά συστήματα στο χώρο για κάλυψη των ενεργειακών αναγκών Σχήμα 6.4: Η ιδανική λύση,( f1, f ), που λαμβάνεται με ξεχωριστή ελαχιστοποίηση της κάθε συνάρτησης 2 δεν περιλαμβάνεται μέσα στην εφικτή περιοχή 181 Σχήμα 6.5: Γραφική απεικόνιση του βέλτιστου συνόλου Pareto 181 Σχήμα 6.6: Γενική διαδικασία διαμόρφωσης μαθηματικού προβλήματος και μοντέλου πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης 182 Σχήμα 6.7: Στάδια του κύκλου ζωής διαφόρων ενεργειακών πόρων και τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού και εκπομπή ρύπων από το κάθε στάδιο 184 Σχήμα 6.8: Γενική διαδικασία δημιουργίας δείκτη περιβαλλοντικής αξιολόγησης με τη μέθοδο Eco- Indicator 99 (PRé, 2000; PRé, 2001a; PRé, 2001b) 185 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Σχήμα 7.1: Γραφική απεικόνιση των πιθανών λύσεων του προβλήματος (Pareto set) 205 Σχήμα 7.2: Εξεταζόμενες διεργασίες και καύσιμα 207 x

19 ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ n. οι διαθέσιμοι ενεργειακοί πόροι / συστήματα (ΑΠΕ και συμβατικά) για παραγωγή ηλεκτρισμού m. οι διαθέσιμοι ενεργειακοί πόροι / συστήματα από ΑΠΕ για παραγωγή ηλεκτρισμού k. οι διαθέσιμοι ενεργειακοί πόροι / συστήματα για παραγωγή θερμότητας P i, i = 0, 1, 2, n, όπου P η βέλτιστη παραγωγή ηλεκτρισμού από κάποιον ενεργειακό πόρο/σύστημα Q l, l = 0, 1, 2, k, όπου Q η βέλτιστη παραγωγή θερμότητας από κάποιον ενεργειακό πόρο/σύστημα D i, i = 1, 2, όπου D η ζήτηση σε ενέργεια (ηλεκτρισμό ή θερμότητα) C i, i = 0, 1, 2, n, όπου C το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού F l, l = 0, 1, 2, k, όπου F το κόστος παραγωγής θερμότητας K i, i = 0, 1, 2, n, όπου K το κόστος υπέρβασης ορίου εκπομπής ρύπων και το εξωτερικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού Μ i, i = 0, 1, 2, n, όπου Μ η μέγιστη ικανότητα παραγωγής ενέργειας (ηλεκτρισμού και θερμότητας) Ε i, i = 0, 1, 2, n, όπου Ε οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις για την παραγωγή ενέργειας που εκφράζονται με τη μορφή συνολικών περιβαλλοντικών δεικτών αξιολόγησης ενεργειακών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας S i, i = 0, 1, 2, n, όπου S η κοινωνική αποδοχή για κάποιο ενεργειακό σύστημα/πόρο R i, i = 0, 1, 2, n, όπου R η αξιοπιστία κάποιου ενεργειακού συστήματος Z i, i = 0, 1, 2, n, όπου Z οι αντικειμενικές συναρτήσεις L το ποσοστό χρήσης τεχνολογιών ΑΠΕ που καθορίζεται από νομοθεσίες (αυτό αφορά κυρίως μεγάλα κεντρικά συστήματα) W i εκπομπή ρύπων του κύκλου ζωής κάποιου ενεργειακού πόρου / ενεργειακού συστήματος Β μέγιστο επιτρεπόμενο όριο εκπομπής όταν γίνεται αναφορά σε συγκεκριμένο ρύπο ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ CBA CHP DALY EIA EPA GTCC IEA IGCC IPPC ISO LCA Cost Benefit Analysis Combined Heat and Power Συνδυασμένη Παραγωγή Θερμότητας και Ηλεκτρισμού Disability Adjusted Life Years Environmental Impact Assessment Environmental Protection Agency Gas Turbine Combined Cycle International Energy Agency Διεθνής Υπηρεσία Ενέργειας Integrated Coal Gasification Combined Cycle Intergovernmental Panel on Climate Change International Standards Organization Life Cycle Analysis (Assessment) Ανάλυση Κύκλου Ζωής xi

20 LCC Life Cycle Costing Οικονομική Ανάλυση Κύκλου Ζωής LNG Liquid Natural Gas MCDA Multi Criteria Decision Analysis PDF Potentially Disappeared Fraction PFBC Pressurized Fluidized Bed Combustion PWR Pressurized Water Reactor SETAC Society of Environmental Toxicology And Chemistry WHO World Health Organization WWF World Wide Fund for Nature ΑΕΠ Ακαθάριστο Εθνικό Προϊόν ΑΗΣ Ατμοηλεκτρικός Σταθμός ΑΘΔ Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη ΑΚΖ Ανάλυση Κύκλου Ζωής ΑΕΚΖ Αποτίμηση Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής ΑΠΕ Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ΑΣΠ Αυτόνομος Σταθμός Παραγωγής ΒΔΤ Βέλτιστες Διαθέσιμες Τεχνικές ΔΕΗ Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού ΔΕΠΑ Δημόσια Επιχείρηση Αερίου ΔΕΣΜΗΕ Διαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας ΕΑΚΖ Εξεργειακή Ανάλυση Κύκλου Ζωής ΕΕν Ευρωπαϊκή Ένωση ΕΕπ Ευρωπαϊκή Επιτροπή ΕΣΚΔΕ Εθνικό Σχέδιο Κατανομής Δικαιωμάτων Εκπομπών ΘΗΣ Θερμοηλεκτρικός Σταθμός ΚΑΚΛ Κατάλογος Απογραφής Κύκλου Ζωής ΚΑΠΕ Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ΚΘΔ Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη ΜΕΔΕ Μηχανισμός Εμπορίας Δικαιωμάτων Εκπομπής ΜΕΚ Μηχανές Εσωτερικής Καύσης ΟΠΕΚ Οργανισμός Πετρελαιοπαραγωγών Κρατών ΟΠΠ Ολοκληρωμένη Πολιτική Προϊόντος ΠτΚ Πρωτόκολλο του Κιότο ΡΑΕ Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας ΣΑΕ Σενάριο Αναμενόμενης Εξέλιξης ΣΗΘ Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας ΣΜΕ Σενάριο Μείωσης Εκπομπών ΣΠΔ Σύστημα Περιβαλλοντικής Διαχείρισης ΤΙΠ Τόνοι Ισοδύναμου Πετρελαίου ΤΣΠ Τοπικός Σταθμός Παραγωγής ΥΗΣ Υδροηλεκτρικός Σταθμός ΥΠΕΧΩΔΕ Υπουργείο Περιβάλλοντος, Χωροταξίας και Δημοσίων Έργων xii

21 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Η επιστημονική περιοχή στην οποία αναπτύσσεται η παρούσα διατριβή είναι η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων. Ως ενεργειακό σύστημα μπορεί να οριστεί η σύνδεση με φυσικό τρόπο των εγκαταστάσεων παραγωγής/μετατροπής ενέργειας σε κάποια συγκεκριμένη μορφή (π.χ. ηλεκτρισμός, θερμότητα), των εγκαταστάσεων αποθήκευσης, των εγκαταστάσεων μεταφοράς και των εγκαταστάσεων διανομής που λειτουργούν ως ένα ολοκληρωμένο σύστημα. Τα ενεργειακά συστήματα που εξετάζονται εδώ περιλαμβάνουν εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας στις οποίες χρησιμοποιούνται συμβατικά καύσιμα (λιγνίτης, diesel, μαζούτ, φυσικό αέριο) ή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια), ή κάποιος συνδυασμός για την κάλυψη συγκεκριμένων ενεργειακών απαιτήσεων συγκεκριμένης περιοχής. Ο σχεδιασμός ενεργειακών συστημάτων είναι η διαδικασία επιλογής των απαιτούμενων πηγών ενέργειας και τεχνολογιών για τη μετατροπή/παραγωγή, μεταφορά και διανομή, με σκοπό την ικανοποίηση συγκεκριμένων ενεργειακών αναγκών. Η διαδικασία του συμβατικού σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων καθορίζεται από πολλές παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη, όπως η γεωγραφική θέση, η διαθεσιμότητα και το δυναμικό των ενεργειακών πόρων που θα χρησιμοποιηθούν, το κόστος παραγωγής, οι διαθέσιμες τεχνολογίες, κ.τ.λ. Η αύξηση των ανησυχιών που σχετίζονται με τη ρύπανση του περιβάλλοντος που προέρχεται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως για παράδειγμα η χρήση συμβατικών καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρισμού, έχει στρέψει το ενδιαφέρον πολλών εμπλεκόμενων φορέων στην αναζήτηση διαφόρων εναλλακτικών επιλογών, όπως είναι η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η χρήση πιο «καθαρών» συμβατικών καυσίμων και η χρήση τεχνολογιών συμβατικών καυσίμων με μεγαλύτερη όμως αποδοτικότητα (συμπαραγωγή). Συνεπώς, η όλη διαδικασία του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων πρέπει να γίνεται σε ένα άλλο επίπεδο, να γίνει πιο ολοκληρωμένη και να εξετάζει και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με τον κύκλο ζωής της χρήσης του κάθε ενεργειακού πόρου σε κάποια συγκεκριμένη τεχνολογία, παράλληλα με τις άλλες παραμέτρους που υπεισέρχονται στο σχεδιασμό. Το αντικείμενο της διατριβής αφορά στην ενσωμάτωση της περιβαλλοντικής παραμέτρου μέσω της φιλοσοφίας κύκλου ζωής και της φιλοσοφίας του οικολογικού σχεδιασμού με τη χρήση της μεθοδολογίας της ανάλυσης κύκλου ζωής στο συμβατικό σχεδιασμό ενεργειακών συστημάτων. Το πρόβλημα που διαμορφώνεται κατά το σχεδιασμό των ενεργειακών συστημάτων είναι πολύπαραμετρικό. Κατάλληλη προσέγγιση για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων αποτελεί η πολυκριτηριακή ανάλυση. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε ένα μοντέλο βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων το οποίο μέσω της προσέγγισης της πολυκριτηριακής ανάλυσης αναγνωρίζει τις βέλτιστες διαθέσιμες επιλογές χρήσης ενεργειακών πόρων και τεχνολογίας, με βάση τις παραμέτρους που αναφέρθηκαν πιο πάνω, όσον αφορά στην παράλληλη ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που σχετίζονται με τον κύκλο ζωής της χρήσης του κάθε ενεργειακού πόρου σε κάποια συγκεκριμένη τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας. Με την εκτεταμένη βιβλιογραφική διερεύνηση που γίνεται στην εργασία αυτή προκύπτει ότι τα μοντέλα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα, είτε δεν περιλαμβάνουν καθόλου την περιβαλλοντική παράμετρο, είτε την περιλαμβάνουν ως περιορισμό και όχι ως συνάρτηση που πρέπει να ελαχιστοποιηθεί παράλληλα με το κόστος. Επίσης 1

22 στα λίγα μοντέλα που περιλαμβάνουν την περιβαλλοντική παράμετρο ως συνάρτηση προς ελαχιστοποίηση, αυτό γίνεται μόνο σε σχέση με συνολικές παραγόμενες ποσότητες συγκεκριμένου ρύπου και μόνο κατά τη φάση της παραγωγής του ηλεκτρισμού. Δηλαδή από τη μια δεν εξετάζεται ολόκληρος ο κύκλος ζωής κάποιου ενεργειακού πόρου που περιλαμβάνει και τη φάση της παραγωγής, και από την άλλη δε συνδέεται η εκπομπή ρύπων (διαφόρων τύπων) με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις μέσω κάποιου κατάλληλου εργαλείου. Επίσης, στα πιο πολλά μοντέλα δεν εξετάζονται παράλληλα και τα συμβατικά συστήματα και τα συστήματα ΑΠΕ. Από τη βιβλιογραφική διερεύνηση προκύπτει επίσης ότι η μεθοδολογία ανάλυσης κύκλου ζωής και η προσέγγιση της πολυκριτηριακής ανάλυσης είναι κατάλληλες για να χρησιμοποιηθούν στο μοντέλο βελτιστοποίησης, αφού έχουν χρησιμοποιηθεί και κατά το παρελθόν σε παρόμοιες εφαρμογές. Τα απαραίτητα δεδομένα για την ανάλυση κύκλου ζωής λαμβάνονται από συντελεστές εκπομπής ρύπων που προκύπτουν από καταγραφή μετρήσεων σε αρκετές συμβατικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού στην Ελλάδα (οι συντελεστές αυτοί αντιστοιχούν μόνο στη φάση της παραγωγής), αλλά και από καταγεγραμμένες μετρήσεις που αντιστοιχούν στην εκπομπή ρύπων που προκύπτουν από ολόκληρο τον κύκλο ζωής κάποιου ενεργειακού πόρου που χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας στην Ελλάδα (συμβατικά καύσιμα και ΑΠΕ). Τα δεδομένα αυτά παρουσιάζονται αναλυτικά, όπως επίσης και βιβλιογραφικοί συντελεστές εκπομπής ρύπων για αρκετές τεχνολογίες συμβατικών καυσίμων. Η εφαρμογή της ανάλυσης κύκλου ζωής στην παρούσα εργασία γίνεται με βάση τα δεδομένα αυτά και μέσω της μεθόδου Eco-Indicator 99 και του λογισμικού SimaPro 5.0, συσχετίζεται η εκπομπή ρύπων του κύκλου ζωής των ενεργειακών πόρων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι περιβαλλοντικοί δείκτες που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία και που αντιστοιχούν στην περιβαλλοντική απόδοση του κάθε κύκλου ζωής που εξετάζεται, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μοντέλο βελτιστοποίησης. Όπως προαναφέρθηκε, το μοντέλο βελτιστοποίησης που αναπτύσσεται στην εργασία αυτή στοχεύει στην παράλληλη ελαχιστοποίηση του κόστους και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Συνεπώς, παρουσιάζεται μια ανάλυση που αφορά στο οικονομικό κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού από διάφορες τεχνολογίες. Η ζημιά που προκαλούν στο περιβάλλον οι επιπτώσεις από την εκπομπή ρύπων του τομέα παραγωγής ηλεκτρισμού και η συσχέτιση της με τιμές οικονομικού κόστους (εξωτερικό κόστος) έχει αποτελέσει ένα θέμα το οποίο διερευνήθηκε και διερευνάται σε πολλές μελέτες ενώ στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν αρκετές σχετικές αναφορές. Συνεπώς, η οικονομική ανάλυση που γίνεται εδώ περιλαμβάνει και το εξωτερικό κόστος το οποίο εκφράζει την απόδοση οικονομικών τιμών στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, αλλά επίσης και το κόστος από τις υπερβάσεις του ορίου εκπομπής ρύπων, ένα άλλο σημαντικό επίσης ζήτημα που σχετίζεται με τον τομέα παραγωγής ηλεκτρισμού. Με βάση όλα αυτά, δημιουργείται το μοντέλο βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων, το οποίο περιλαμβάνει την περιβαλλοντική παράμετρο και το οποίο, λόγω της διαμόρφωσης του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μικρής όσο και σε μεγάλης κλίμακας εφαρμογές και να εξετάζει τόσο τα συμβατικά καύσιμα όσο και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (και τις αντίστοιχες τεχνολογίες εκμετάλλευσης τους). Το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης, εκτός από τον αρχικό σχεδιασμό νέων ενεργειακών συστημάτων, και για την περιβαλλοντική αξιολόγηση και την εύρεση βέλτιστων εναλλακτικών επιλογών σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις. 2

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά για τη ρύπανση του περιβάλλοντος και τη φιλοσοφία του οικολογικού σχεδιασμού στόχοι εργασίας μεθοδολογία Η ενέργεια διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της οικονομίας και της κοινωνίας. Είναι ενδεικτικό ότι η οικονομική ανάπτυξη μιας κοινωνίας, η πρόοδος της και η άνοδος του μέσου βιοτικού επιπέδου του πληθυσμού της, συνδέονται άμεσα με την ενεργειακή χρήση. Η μετάβαση από τη βιομηχανική επανάσταση στην τεχνολογική επανάσταση αναδεικνύει ακόμα περισσότερο το ρόλο της ηλεκτρικής ενέργειας, καθότι το σύνολο των οικονομικών και κοινωνικών δραστηριοτήτων εξαρτάται άμεσα από αυτή, δηλαδή η ανάπτυξη ταυτίζεται με μια αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια όμως, ως προϊόν μετατροπής από κάποια άλλη μορφή ενέργειας, αναδεικνύει με τη σειρά της την αυξανόμενη σπουδαιότητα της πρωτογενούς μορφής ενέργειας. Μέχρι σήμερα, οι ανάγκες σε ηλεκτρισμό καλύπτονται κυρίως από την εκμετάλλευση των συμβατικών ενεργειακών πόρων, δηλαδή άνθρακα, πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Σημαντική όμως είναι και η παράλληλη χρήση πυρηνικής ενέργειας και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για το σκοπό αυτό. Παρόλα αυτά, τα εκμεταλλεύσιμα κοιτάσματα, κατά κύριο λόγο του πετρελαίου και του φυσικού αερίου και κατά δεύτερο του άνθρακα, μειώνονται ταχύτατα και επειδή η ύπαρξη τους περιορίζεται σε πολύ λίγες χώρες, αναδεικνύονται αρκετοί κίνδυνοι (διάθεσης, ασφάλειας εφοδιασμού και τιμολόγησης). Η εξάρτηση της παγκόσμιας οικονομίας από τα συμβατικά αυτά καύσιμα είναι δεδομένη. Παρά το γεγονός ότι τα διαθέσιμα κοιτάσματα και ο χρόνος εξάντλησης τους είναι δύσκολο να προσδιορισθούν με ακρίβεια, ένα σαφές συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί είναι ότι με την πάροδο του χρόνου η παραγωγή πετρελαίου μετατρέπεται από μια ολιγοπωλιακή σε σχεδόν μονοπωλιακή αγορά των κρατών της Μέσης Ανατολής, ενώ η παραγωγή φυσικού αερίου μετατρέπεται σε ολιγοπώλιο της Ρωσίας, των κρατών της πρώην Σοβιετικής Ένωσης και της Μέσης Ανατολής (Campell and Laherrere, 1998; Ivanhoe, 1997; Hatfield, 2001; MacKenzie, 2000; Deffeys, 2001; SHELL, 2001). Η παρουσία των πρωτογενών μορφών ενέργειας σε πολιτικά «ασταθείς» περιοχές δημιουργεί έντονη ανησυχία σε ολόκληρο τον κόσμο. Συνεπώς, γεωπολιτικοί λόγοι στρέφουν την παραγωγή ηλεκτρισμού και σε άλλες μορφές ενέργειας όπως είναι το φυσικό αέριο και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Παράλληλα, στα πλαίσια της προσπάθειας απεξάρτησης από το πετρέλαιο, επενδύονται αρκετά κεφάλαια σε «καθαρότερες» τεχνολογίες άνθρακα (clean coal technologies), ο οποίος είναι διαθέσιμος σε μεγαλύτερες ποσότητες και διασπαρμένος πιο ομοιόμορφα στο υπέδαφος του πλανήτη. Η ανεξέλεγκτη χρήση όμως των ενεργειακών πόρων, αναδεικνύει πολλά προβλήματα με χαρακτηριστικό το πρόβλημα της αλλαγής του κλίματος του πλανήτη. Η εκπομπή αέριων ρύπων από ανθρωπογενείς δραστηριότητες αυξάνεται δραματικά τα τελευταία χρόνια οδηγώντας σε αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. Η ρύπανση του περιβάλλοντος που προέρχεται από ανθρώπινες δραστηριότητες (π.χ. του τομέα μεταφορών, του τομέα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κ.τ.λ.) με αποτελέσματα φαινόμενα όπως η αλλαγή του κλίματος του πλανήτη, η καταστροφή του όζοντος και η οξίνιση, αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της εποχής μας και η ανάγκη να ενταθούν οι προσπάθειες από όλους τους εμπλεκόμενους φορείς προς την κατεύθυνση επίλυσης του γίνεται όλο και πιο επιτακτική. 3

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χαρακτηριστικό παράδειγμα περιβαλλοντικών επιπτώσεων των φαινομένων αυτών αποτελεί η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη κατά 0,6 ο C από τα τέλη του 19ου αιώνα ενώ υπάρχουν σαφείς ενδείξεις για μια εμφανή μεταβολή του κλίματος στη διάρκεια του αιώνα που διανύουμε. Η δεκαετία του 1990 υπήρξε η θερμότερη που έχει ποτέ καταγραφεί, ενώ με βάση τα σενάρια της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Μεταβολή (ΙPCCa) των Ηνωμένων Εθνών, η άνοδος της θερμοκρασίας μέχρι το 2100 εκτιμάται ότι θα κυμανθεί μεταξύ 1,4 και 5,8 ο C. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της IPCC η μεταβολή αυτή οφείλεται κυρίως στην αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων που είναι γνωστά ως «αέρια του θερμοκηπίου» στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου, όπως επίσης και αρκετών άλλων αέριων ρύπων, έχουν κυρίως ανθρωπογενή προέλευση. Ειδικότερα, το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που αποτελεί το σημαντικότερο αέριο του θερμοκηπίου, προέρχεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό του από την παραγωγή και χρήση συμβατικών καυσίμων, π.χ. για την παραγωγή ηλεκτρισμού, ενώ και η διευρυνόμενη αποψίλωση των δασών σε παγκόσμιο επίπεδο οδηγεί στη μείωση της ικανότητας δέσμευσης CO 2 μέσω της φυσικής διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, άρα και στην αύξηση της συγκέντρωσης του στην ατμόσφαιρα (ΙPCCa). Η αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη δικαιολογείται από το ότι η Γη είναι ένα κλειστό σύστημα σε σχέση με το ηλιακό σύστημα και το σύμπαν, γεγονός που σημαίνει ότι ανταλλάσσει ενέργεια - απορροφώντας ηλιακή ακτινοβολία και εκπέμποντας γήινη ακτινοβολία - αλλά δεν ανταλλάσσει ύλη. Η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της γης, χτυπά την επιφάνεια του πλανήτη και μετατρέπεται σε υπέρυθρη ακτινοβολία και θερμότητα. Η θερμότητα ανεβαίνοντας βομβαρδίζει τους αέριους ρύπους που εκπέμπονται, προκαλώντας ταλάντωση των μορίων τους. Τα μόρια των αέριων ρύπων λειτουργούν ανακλαστικά και δημιουργούν έναν ατμοσφαιρικό μανδύα που επιτρέπει ποσοστό της θερμότητας που δημιουργείται από την ακτινοβολία του ήλιου να παραμείνει στη Γη. Όσο η ισορροπία των αέριων ρύπων ήταν σχετικά σταθερή, η θερμοκρασία του πλανήτη κυμαινόταν σε περιορισμένο εύρος. Η καύση όμως τεράστιων ποσοτήτων άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου άλλαξαν αυτή την ισορροπία. Σχεδόν το 75% της αύξησης της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα τα τελευταία 20 χρόνια αποδίδεται στην καύση ορυκτών καυσίμων. Το υπόλοιπο ποσοστό είναι το αποτέλεσμα της αποψίλωσης των δασών και των αλλαγών στις χρήσεις του εδάφους (ΙPCCa). Η αύξηση επομένως της ενεργειακής έντασης μετουσιώνεται σε οικονομική ανάπτυξη αλλά και σε αύξηση της εκλυόμενης θερμότητας και σε απώλεια ωφέλιμης ενέργειας, δηλαδή σε αύξηση της συνολικής εντροπίας. Η εξέλιξη της ενεργειακής έντασης συνδυάστηκε όμως και με την εξέλιξη της «έντασης άνθρακα» στο ενεργειακό μείγμα. Ως «ένταση άνθρακα» ορίζεται ο λόγος του περιεχομένου του άνθρακα όλων των καυσίμων προς το ενεργειακό περιεχόμενο όλων των πρωτογενών μορφών ενέργειας. Η «ένταση άνθρακα» μειώθηκε σταδιακά, όχι όμως για περιβαλλοντικούς λόγους αλλά κυρίως για πρακτικούς που αφορούν το κόστος, τη μεταφορά, το μέγεθος των ενεργειακών αγαθών και την εξέλιξη των ανθρώπινων αναγκών. Η ώθηση προς την πλήρη απεξάρτηση από τον άνθρακα μέσω της στροφής στο υδρογόνο και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ενισχύεται στις μέρες μας από την ανάδειξη έντονων περιβαλλοντικών ανησυχιών, πέραν των πρακτικών και οικονομικών λόγων (ΙPCCa). Συνεπώς, φαίνεται ότι οι διαρκώς αυξανόμενες ανάγκες σε ενέργεια, και ιδιαίτερα σε ηλεκτρική ενέργεια, οι αστάθμητοι γεωπολιτικοί παράγοντες καθώς και οι δραστικές αλλαγές στο κλίμα του πλανήτη, αναδεικνύουν την αναγκαιότητα για αλλαγές στην ενεργειακή πολιτική και στο σχεδιασμό των ενεργειακών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρισμού, είτε αυτά είναι μεγάλης κλίμακας (π.χ. σε 4

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ εθνικό επίπεδο) είτε μικρής κλίμακας (π.χ. εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρισμού για κάλυψη ενεργειακών απαιτήσεων ενός νησιού). Στην καθημερινή μας ζωή, αλλά και στο ευρύτερο κοινωνικό-οικονομικό σύστημα, πρωταρχικής σημασίας είναι η διαθεσιμότητα των απαιτούμενων μορφών ενέργειας. Για το μαγείρεμα του φαγητού π.χ. απαιτείται ενέργεια με μορφή θερμότητας. Για την ανάγνωση ενός βιβλίου απαιτείται ενέργεια με μορφή ακτινοβολίας συγκεκριμένου μήκους κύματος, δηλαδή φως. Αν υπήρχε η ίδια ενέργεια διαθέσιμη πάλι σε μορφή ακτινοβολίας, διαφορετικού όμως μήκους κύματος, π.χ. υπέρυθρου, θα ήταν τελείως άχρηστη για τη συγκεκριμένη χρήση. Είναι λοιπόν απαραίτητο να υπάρχει διαθέσιμη η κατάλληλη μορφή ενέργειας για το συγκεκριμένο πάντα σκοπό. Η διαθεσιμότητα της κατάλληλης μορφής ενέργειας στον κατάλληλο τόπο και στον κατάλληλο χρόνο επιτυγχάνεται με τα τεχνικά συστήματα, τα οποία εξασφαλίζουν τόσο την μετατροπή της πρωτογενώς διαθέσιμης ενέργειας στη συγκεκριμένη χρήσιμη μορφή της, όσο και τη μεταφορά και ενδεχομένως την αποθήκευσή της. Συνεπώς, ως ενεργειακό σύστημα μπορεί να οριστεί η σύνδεση με φυσικό τρόπο των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας σε κάποια συγκεκριμένη μορφή (π.χ. ηλεκτρισμός, θερμότητα), των εγκαταστάσεων αποθήκευσης, των εγκαταστάσεων μεταφοράς και των εγκαταστάσεων διανομής, που λειτουργούν ως ένα ολοκληρωμένο σύστημα. Με βάση αυτό, ο σχεδιασμός ενεργειακών συστημάτων είναι η διαδικασία επιλογής των απαιτούμενων πηγών ενέργειας και τεχνολογιών για τη μετατροπή/παραγωγή, μεταφορά και διανομή, με σκοπό την ικανοποίηση συγκεκριμένων ενεργειακών αναγκών. Βέβαια κατά την μετατροπή μιας διαθέσιμης μορφής ενέργειας σε μιαν άλλη, δεν προκύπτουν μόνο οι επιθυμητές μορφές αλλά πιθανώς και άλλες. Αυτές οι ανεπιθύμητες μορφές ονομάζονται απώλειες ενέργειας. Οι απώλειες υπολογίζονται κατά κύριο λόγο βάσει των νόμων της φυσικής, αφού ληφθεί υπόψη το γεγονός, ότι ιδανικές μηχανές και ιδανικά συστήματα μετατροπής ενέργειας δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, αλλά πάντα συνδέονται με απώλειες. Η ενέργεια είναι για την ανθρώπινη κλίμακα ένας περιορισμένος πόρος, επειδή τα αποθέματα πρωτογενών αρχικών πόρων είναι συγκεκριμένα και περιορισμένα. Στα πλαίσια της δουλειάς του μηχανικού προκύπτει, επομένως, η ανάγκη να υπολογιστεί η «ποιότητα» των ενεργειακών συστημάτων, με την έννοια του προσδιορισμού της ποσότητας και της μορφής της πρωτογενούς μορφής ενέργειας που πρέπει να χρησιμοποιηθεί, ώστε να αποδοθεί στο χρήστη η επιθυμητή, άμεσα εκμεταλλεύσιμη, τελική μορφή ενέργειας κατά τον πλέον αποδοτικό τρόπο. Για την ολοκληρωμένη μελέτη των ενεργειακών συστημάτων δεν αρκεί, ωστόσο, να υπολογιστούν η ποιότητα της μετατροπής και της μεταφοράς ενέργειας. Απαιτείται ακόμη η γνώση των επιπτώσεων στο περιβάλλον καθώς και η ύπαρξη εκτενών αναλύσεων και πληροφοριών για ευρύτερα τεχνολογικά, κοινωνικά και οικονομικά θέματα. Η εργασία αυτή εξετάζει το πρόβλημα της ρύπανσης του περιβάλλοντος που προκύπτει κατά τη χρήση διάφορων ενεργειακών πόρων, είτε συμβατικών καυσίμων (λιγνίτη, πετρελαίου, φυσικού αερίου) είτε ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) σε ενεργειακά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ή/και θερμότητας. Η επιλογή της λέξης «χρήση» και όχι απλώς «καύση/εκμετάλλευση» γίνεται γιατί η εξέταση των ενεργειακών πόρων δεν περιορίζεται μόνο στην καύση των συμβατικών καυσίμων (ή αντίστοιχα στην εκμετάλλευση των ΑΠΕ), δηλαδή μόνο στις εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρισμού, αλλά ακολουθείται μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση κύκλου ζωής. Με άλλα λόγια εξετάζονται τα διάφορα στάδια της «εκμετάλλευσης» (χρήσης) των ενεργειακών πόρων για την 5

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ παραγωγή ηλεκτρισμού ανάλογα φυσικά με τον κάθε τύπο: απόκτηση/εξαγωγή, μεταφορά, επεξεργασία, συναρμολόγηση/αποσυναρμολόγηση των εγκαταστάσεων, καύση/εκμετάλλευση. Ένα γενικευμένο διάγραμμα των σταδίων του κύκλου ζωής των ενεργειακών πόρων παρουσιάζεται στο σχήμα 1.1. Οι ενεργειακοί πόροι που εξετάζονται και κατά συνέπεια και οι αντίστοιχες εγκαταστάσεις παραγωγής, αφορούν την παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας από: Συμβατικά καύσιμα όπως λιγνίτης, πετρέλαιο και φυσικό αέριο σε θερμοηλεκτρικές εγκαταστάσεις παραγωγής. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η υδροηλεκτρική ενέργεια και η αιολική ενέργεια σε αιολικά πάρκα. ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ρύποι Ρύποι Κατασκευή εγκαταστάσεων παραγωγής Ρύποι Διύλιση (Πετρέλαιο) Μεταφορά στις εγκαταστάσεις παραγωγής (Όλα τα συμβατικά καύσιμα) Παραγωγή ηλεκτρισμού Ρύποι Μεταφορά (Πετρέλαιο) Ρύποι Ρύποι Αποσυναρμολόγηση / τερματισμός λειτουργίας Ρύποι Εξαγωγή / Απόκτηση / Εξόρυξη (Όλα τα συμβατικά καύσιμα) ΑΠΕ Μεταφορά επιπλέον υλικών (Λιγνίτης) Κατασκευή εξαρτημάτων (ΑΠΕ) Ρύποι Απόθεση (Λιγνίτης) Επεξεργασία υλικών (ΑΠΕ) Ρύποι Απόκτηση πρώτων υλών (ΑΠΕ) Ρύποι Σχήμα 1.1. Γενικευμένο διάγραμμα των σταδίων του κύκλου ζωής των ενεργειακών πόρων (συμβατικών καυσίμων και ΑΠΕ) για την παραγωγή ηλεκτρισμού Η λειτουργία εγκαταστάσεων καύσης συμβατικών/ορυκτών καυσίμων (λιγνίτη, άνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου) για την παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας και ειδικά ο τομέας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας λόγω των μεγάλων κεντρικών μονάδων παραγωγής, αποτελεί ένα σημαντικό θεμέλιο της σύγχρονης κοινωνίας και οικονομίας σε όλο τον πλανήτη. Τα συμβατικά καύσιμα είναι η πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται στο μεγαλύτερο βαθμό σήμερα. Χαρακτηριστικά, στον πίνακα 6