ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Γ. Μαρτινόπουλος, M. Ekhrawat, Γ. Τσιλιγκιρίδης Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, ΑΠΘ Τ.Κ. 541 24, Θεσσαλονίκη, e-mail: tsil@eng.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Παρουσιάζεται η µεθοδολογία εκτίµησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά τη διάρκεια ζωής ηλιακών θερµοσιφωνικών συστηµάτων, γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τις επιπτώσεις της εξοικονοµούµενης ηλεκτρικής ενέργειας και εκτιµάται το συνολικό περιβαλλοντικό όφελος. Χρησιµοποιείται η µεθοδολογία αποτίµησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής Eco-Indicator 99, και εξετάζονται όλα τα υλικά και οι διεργασίες που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή ενός οικιακού ηλιακού συστήµατος παροχής ζεστού νερού. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον για τα περιβαλλοντικά προβλήµατα και για της επιβαρύνσεις που προκαλεί στην ατµόσφαιρα η χρήση των προϊόντων και η παραγωγή ενέργειας. Η διεθνής προσπάθεια για την προστασία και αποκατάσταση του περιβάλλοντος περιλαµβάνει σοβαρές παρεµβάσεις στο ενεργειακό σύστηµα και κυρίως την αξιοποίηση των Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια κατέχει µία σηµαντική θέση στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας και τα ηλιακά συστήµατα βρίσκονται στο κέντρο του ενδιαφέροντος, µε σηµαντικότερα για τον ελληνικό χώρο τα ηλιακά συστήµατα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. εν είναι τυχαίο το γεγονός ότι σήµερα στην Ελλάδα χρησιµοποιούνται ηλιακοί θερµοσίφωνες σε περισσότερα από 800.000 ελληνικά νοικοκυριά δίνοντας στην Ελλάδα την δεύτερη θέση στην Ευρώπη, τόσο στην χρήση όσο και στην παραγωγή ηλιακών συστηµάτων. Η ελληνική αγορά εκτιµάται σε 170.000 τ.µ. συλλεκτών/ χρόνο (2000), ενώ οι εξαγωγές ανήλθαν στις 100.000 τ.µ. για το ίδιο έτος [1]. Παρά το γεγονός ότι η ηλιακή ενέργεια είναι µια «καθαρή» κατά τη χρήση της µορφή ενέργειας, κατά την διάρκεια ζωής των ηλιακών συστηµάτων (κατασκευή, µεταφορά, χρησιµοποίηση και τελική διάθεση) γίνονται σηµαντικές συναλλαγές µε το περιβάλλον, καθώς η χρήση ενέργειας αλλά και η χρήση των συστηµάτων συνοδεύονται από εκποµπές αέριων ρύπων και υγρών και στερεών αποβλήτων. Περιβαλλοντικές συνέπειες των συναλλαγών αυτών είναι η εξάντληση των φυσικών πόρων, το φαινόµενο του θερµοκηπίου, η όξινη βροχή και η αισθητική όχληση. Εποµένως η ολοκληρωµένη εκτίµηση της τεχνολογίας της ηλιακής ενέργειας απαιτεί την αποτίµηση των έµµεσων περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούνται από τις ανταλλαγές που συνοδεύουν τα ηλιακά σύστηµα καθ όλη την διάρκεια ζωής τους (χρήση φυσικών πόρων, χρήση ενέργειας, αέριες εκποµπές, υγρά και στερεά απόβλητα), όπως φαίνεται στο σχήµα 1. Για την αποτίµηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων χρησιµοποιείται η µεθοδολογία της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ), η οποία έχει αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία αρχικά από την SETAC (Society of Environmental Toxicology And Chemistry) ενώ αργότερα βελτιστοποιήθηκε και τυποποιήθηκε από τον παγκόσµιο οργανισµό τυποποίησης ISO. Με την διεξαγωγή της ΑΚΖ µπορούµε να υπολογίσουµε µε αντικειµενικό και κυρίως µε επιστηµονικό τρόπο τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, που σχετίζονται µε την παραγωγή και χρήση των συστηµάτων.
ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΛΙΚΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΡΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΝΑΑΚΥΚΛΩΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΗΣΗ ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟΚΟΜΙ Η ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΕΡΙΕΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ Σχήµα 1: Κύκλος Ζωής Προϊόντος και ανταλλαγές µε το περιβάλλον Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται προσδιορίζοντας και καταγράφοντας την ενέργεια και τις πρώτες ύλες που χρησιµοποιούνται καθώς και την αποδέσµευση αέριων, υγρών και στέρεων αποβλήτων καθ όλη την διάρκεια ζωής του συστήµατος. Εκτός από την αξιόπιστη αποτίµηση των συνολικών επιπτώσεων η ΑΚΖ µας δίνει την δυνατότητα βελτίωσης της υφιστάµενης κατάστασης µέσω προτάσεων, τροποποιήσεων, και αλλαγών στα υλικά ή τις διεργασίες παραγωγής που συµβάλουν περισσότερο στην επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Τα αποτελέσµατα της αποτίµησης µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την δηµιουργία βάσεων δεδοµένων για ηλιακά συστήµατα, και µελλοντικά για την ανάπτυξη κανονισµών περιβαλλοντικής σήµανσης στο ελληνικό χώρο. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η δυνατότητα εφαρµογής της µεθοδολογίας της ΑΚΖ στα συστήµατα εκµετάλλευσης ηλιακής ενέργειας παροχής ζεστού νερού χρήσης, µε απώτερο σκοπό την αξιολόγηση εναλλακτικών συστηµάτων και/ή την σύγκριση τους µε συµβατικές µορφές ενέργειας. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Τα αποτελέσµατα της ΑΚΖ εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από το σκοπό της ανάλυσης, καθώς και από την µεθοδολογία που χρησιµοποιείται. Είναι σηµαντικό να χρησιµοποιούµε µια καλά δοµηµένη µεθοδολογία και τυποποιηµένα δεδοµένα. Καθορισµένες οδηγίες για την διεξαγωγή της ΑΚΖ ενός προϊόντος έχουν δοθεί από τα διεθνή πρότυπα ISO 14040-14043. Αυτή η µεθοδολογία αποτελείται από τέσσαρα στάδια. Το πρώτο στάδιο στην ΑΚΖ είναι ο καθορισµός του στόχου και του πεδίου εφαρµογής της µελέτης και τα όρια του συστήµατος, σε αυτό το στάδιο ορίζεται και η λειτουργική µονάδα του προϊόντος. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση του πίνακα απογραφής. Στον πίνακα απογραφής συλλέγονται όλα τα απαραίτητα δεδοµένα (εισροές στο σύστηµα και εκροές προς το περιβάλλον) των αλληλοεπιδράσεων µε το περιβάλλον (σχήµα 1). Τρίτο στάδιο αποτελεί η αποτίµηση των επιπτώσεων και ο υπολογισµός των επιβαρύνσεων των αλληλεπιδράσεων στο περιβάλλον χρησιµοποιώντας τα αποτελέσµατα που προκύπτουν από την ανάλυση απογραφής. Στο τελευταίο στάδιο ερµηνεύονται οι επιπτώσεις στα διάφορα στάδια του
κύκλου ζωής του προϊόντος και δίνονται συµπεράσµατα, συστάσεις και διάφορα σενάρια για βελτιώσεις. Το στάδιο της αποτίµησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων είναι αυτό που µας δίνει την δυνατότητα να αξιολογούµε τα προϊόντα και να κάνουµε τη αντικειµενική σύγκριση µεταξύ τους από περιβαλλοντική άποψη. Έχουν αναπτυχθεί πολλές µεθοδολογίες αποτίµησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, καµία από τις οποίες δεν καλύπτει όλες τις κατηγορίες των επιπτώσεων. Στην εργασία µας χρησιµοποιούµε τη µεθοδολογία και την βάση δεδοµένων του Eco-Indicator 99, που καλύπτει σήµερα το µεγαλύτερο φάσµα δραστηριοτήτων και επιπτώσεων. Ο Eco-Indicator 99 είναι ένας δείκτης (single indicator) που εκφράζει την συνολική περιβαλλοντική επιβάρυνση ενός προϊόντος ή µιας διαδικασίας για ολόκληρο τον κύκλο ζωής του. Η µεθοδολογία αυτή στηρίζεται σε µεγάλο βαθµό στην µεθοδολογία που διατυπώνει το διεθνές πρότυπο ISO 14042, ενώ πάνω σε αυτή τη µεθοδολογία στηρίζουν την λειτουργία τους µερικά από τα πιο διαδεδοµένα λογισµικά εργαλεία της ΑΚΖ, όπως είναι το SimaPro. Η ΑΚΖ είναι µία ακριβή και χρονοβόρα διαδικασία έτσι η διεξαγωγή των εκτεταµένων µελετών της είναι σε πολλές περιπτώσεις ασύµφορές, ειδικά όταν ο στόχος της µελέτης είναι ο σχεδιασµός και η βελτίωση των συστηµάτων. Έτσι οι σχεδιαστές καταφεύγουν στην χρήση απλοποιηµένων µεθόδων που µπορούν να δώσουν γρήγορα αποτελέσµατα και την περιβαλλοντική εικόνα των χρησιµοποιηµένων υλικών και µεθόδων παραγωγής πριν από την εφαρµογή των µελετών. Μια από αυτές είναι η χρήση δεικτών, όπως o Eco-Indicator 99 [2]. Ο Eco-Indicator 99 περιλαµβάνει βάση δεδοµένων µε τιµές για: Υλικά. Για τον υπολογισµό τις τιµής του δείκτη για την παραγωγή των υλικών, περιλαµβάνονται όλες οι διαδικασίες, από την εξόρυξη των πρώτων υλών µέχρι και το τελευταίο παραγωγικό στάδιο κατά το οποίο προκύπτει η Α ύλη. Στον υπολογισµό περιλαµβάνονται ακόµα και οι µεταφορές που έγιναν κατά την παραγωγή την Α ύλης. Παραγωγικές διαδικασίες. Οι δείκτες των παραγωγικών διαδικασιών εκφράζουν τις εκποµπές τόσο από την ίδια την παραγωγική διαδικασία, όσο και αυτές οι οποίες απελευθερώθηκαν κατά την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιµοποιείται από την κάθε παραγωγική διαδικασία. Μεταφορές. Οι δείκτες των µεταφορών περιλαµβάνουν τις επιπτώσεις των εκποµπών που προκαλούνται τόσο για την παραγωγή των καυσίµων όσο και από την καύση τους κατά την διαδικασία της µεταφοράς των προϊόντων. Παραγωγή ενέργειας. Οι δείκτες της ενέργειας αναφέρονται στην εξόρυξη και παραγωγή των διαφόρων καυσίµων, στην µετατροπή τους σε άλλες µορφές καθώς και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι δείκτες αυτοί διαφέρουν από χώρα σε χώρα λόγω τις διαφορετικής τεχνολογίας και του ενεργειακού µίγµατος που χρησιµοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στους δείκτες αυτούς περιλαµβάνεται και ξεχωριστός δείκτης για την παραγωγή ενέργειας στην χώρα µας. ιαδικασίες απόρριψης και αποκοµιδής. Στην κατηγορία αυτή περιλαµβάνονται δείκτες για την ανακύκλωση των διαφόρων υλικών, την καύση, την ταφή σε ΧΥΤΑ αλλά και τη χρήση βιολογικού καθαρισµού. Βλέπουµε δηλαδή ότι ο Eco-Indicator 99 µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την ανάλυση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων ενός προϊόντος σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής του. Οι τιµές που χρησιµοποιούνται από αυτό το εργαλείο αποτελούν τις µέσες Ευρωπαϊκές τιµές, οπότε µπορούν να χρησιµοποιηθούν µε µικρό περιθώριο λάθους στην µελέτη µας, καθώς οι παραγωγικές διαδικασίες είναι σε µεγάλο βαθµό τυποποιηµένες. Ως µονάδα µέτρησης χρησιµοποιείται ο ένας βαθµός Οίκο-δείκτη ο οποίος συµβολίζεται µε τα γράµµατα Pt συνήθως όµως χρησιµοποιείται το χιλιοστό mpt. Το απόλυτο µέγεθος αυτών των τιµών δεν µας ενδιαφέρει ιδιαίτερα καθώς στόχος µας είναι η σύγκριση µεταξύ
προϊόντων. Η κλίµακα έχει επιλεχθεί έτσι ώστε η αξία 1 Pt να αντιπροσωπεύει το ένα χιλιοστό του ετήσιου περιβαλλοντικού φορτίου ενός µέσου Ευρωπαίου πολίτη [2]. 3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ECO-INDICATOR 99 Το προϊόν που επιλέγουµε να αναλύσουµε είναι ένας τυπικός ηλιακός θερµοσίφωνας 150 lt µε συλλεκτική επιφάνεια 4 m 2, ο οποίος κατασκευάζεται στην βιοµηχανική περιοχή της Θεσσαλονίκης και πρόκειται να εγκατασταθεί στην ταράτσα µιας πολυκατοικίας στην ίδια πόλη για την κάλυψη των αναγκών µιας τριµελούς οικογένειας σε ζεστό νερό. Σκοπός της ανάλυσης είναι να υπολογίσουµε τα περιβαλλοντικά οφέλη από την χρήση της ηλιακής ενέργειας για την θέρµανση νερού σε αντικατάσταση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας καθ όλη τη διάρκεια ζωής του ηλιακού θερµοσίφωνα. Τα χαρακτηριστικά του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος δίνονται στον πίνακα 1. Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά εξεταζόµενου ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος Είδος συλλέκτη Επίπεδος σωλήνων χαλκού µε πτερύγια αλουµινίου Βαφή Επιλεκτική, µαύρη ηλιακή πούδρα Κλίση συλλέκτη 45 ο Συλλεκτική επιφάνεια 4m 2 Χωρητικότητα δεξαµενής 150 lt Αριθµός ατόµων οικογένειας 3 Ποσότητα ζεστού νερού ανά άτοµο 50 lt Για να µπορέσουµε να εφαρµόσουµε την µέθοδο αυτή, αναλύουµε πρώτα τον κύκλο ζωής του ηλιακού θερµοσίφωνα. Η ανάλυση αυτή περιγράφεται σχηµατικά στο σχήµα 2. Χάλυβας Χαλκός Αλουµίνιο Γυαλί ιάφορα Ορυκτοβάµβακας Μορφοποίηση και γαλβανισµός Μορφοποίηση Συναρµολόγηση Συσκευασία και µεταφορά Τοποθέτηση και χρήση Νερό Αποκοµιδή και Ανακύκλωση Σχήµα 2: Ανάλυση ενός απλοποιηµένου διαγράµµατος ροής του κύκλου ζωής ενός ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος
Στη συνέχεια από τις τεχνικές προδιαγραφές του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος υπολογίζουµε την συνολική επιβάρυνση σε πέντε ξεχωριστά στάδια. Τις επιπτώσεις της κατασκευής της συλλεκτικής επιφάνειας, του boiler, της βάσης στήριξης, του κιβωτίου παρελκυόµενων και της µεταφοράς στον τόπο εγκατάστασης και χρήσης. Με τον Eco- Indicator 99 προσδιορίζουµε την επιβάρυνση προς το περιβάλλον από την χρήση ενός φορτηγού των 3,5t σε 140 mpt ανά τονοχιλιόµετρο, θεωρώντας ότι οι συνολικές µεταφορές περιορίζονται σε ένα κύκλο 20 km γύρω από το εργοστάσιο παραγωγής και ότι το συνολικό φορτίο του δεν ξεπερνά τον ένα τόνο. Από την εξέταση προκύπτει ότι η συνολική επιβάρυνση του περιβάλλοντος κατά την παραγωγή του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος ανέρχεται σε 79.295 mpt. 60% 40% 20% 0% Συλλεκτική επιφάνεια Boiler Βάση Κιβώτιο παρελκυόµενων Τµήµα θερµοσιφωνικού συστήµατος Μεταφορά Σχήµα 3: Συµµετοχή στην περιβαλλοντική επιβάρυνση των διαφόρων τµηµάτων του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος 60% 40% 20% 0% Χάλυβας Χαλκός Αλουµίνιο Γιαλί Μονωτικά ιάφορα Υλικό θερµοσιφωνικού συστήµατος Σχήµα 4: Συµµετοχή στην περιβαλλοντική επιβάρυνση των διαφόρων χρησιµοποιούµενων υλικών για την παραγωγή του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος
4. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΟΦΕΛΟΥΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Έχοντας ήδη υπολογίσει την επιβάρυνση του περιβάλλοντος από την κατασκευή του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος, υπολογίζουµε το όφελος από την χρήση του καθ όλη την διάρκεια ζωής του την οποία θεωρούµε 15 χρόνια. Θεωρήσαµε ότι η κλίση του συλλέκτη είναι 45 ο και ότι η κατανάλωση του νερού ακολουθεί την µορφή που ορίζει η µέθοδος f-chart. Για τον υπολογισµό του µηνιαίου οφέλους χρησιµοποιούµε τη µέθοδο f-chart [3] µε τις παραδοχές που αναφέρθηκαν στον πίνακα 1, οπότε προκύπτει το κλάσµα της κάλυψης και η εξοικονόµηση ενέργειας για κάθε µήνα όπως φαίνεται στον πίνακα 2. Πίνακας 2: Μηνιαίο και ετήσιο ποσοστό κάλυψης φορτίου Μήνας f Μηνιαίο κέρδος Κέρδος 15ετίας [MJ/µήνα] [MJ] Ιανουάριος 0,351 285 4.278 Φεβρουάριος 0,493 364 5.468 Μάρτιος 0,569 451 6.774 Απρίλιος 0,724 507 7.609 Μάιος 0,793 511 7.676 Ιούνιος 0,860 482 7.234 Ιούλιος 0,919 509 7.638 Αύγουστος 0,909 480 7.211 Σεπτέµβριος 0,836 438 6.579 Οκτώβριος 0,649 385 5.789 Νοέµβριος 0,447 288 4.331 εκέµβριος 0,322 243 3.659 Έτος 0,630 4.943 74.246 Τα αναγκαία µετεωρολογικά δεδοµένα πάρθηκαν από δηµοσιευµένους πίνακες [4], ενώ για τα απαραίτητα τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη ελήφθησαν τυπικές τιµές. Εποµένως το συνολικό όφελος της 15ετίας είναι 74.246 MJ ή 20.624 kwh. Θεωρώντας ότι το φορτίο αυτό σε αντίθετη περίπτωση θα το κάλυπτε ένας ηλεκτρικός θερµοσίφωνας µε βαθµό απόδοσης 95%, προκύπτει ότι η χρήση του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος αντικατέστησε την µετατροπή 21.710 kwh σε θερµική ενέργεια, η οποία θα απελευθέρωνε, σύµφωνα µε τον Eco-Indicator 99, 1,320x10 6 mpt επιβάρυνσης στο περιβάλλον. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τους παραπάνω υπολογισµούς προκύπτει ότι η κατασκευή και χρήση του ηλιακού θερµοσιφωνικού συστήµατος επιφέρει «καθαρό» όφελος 1,245x10 6 mpt, χωρίς σε αυτό να υπολογίζεται η επιβάρυνση από την κατασκευή του ηλεκτρικού θερµοσίφωνα που καλύπτει τις ανάγκες του νοικοκυριού. Παρατηρούµε δηλαδή ότι οι ηλιακή ενέργεια αποτελεί µια πραγµατικά καθαρή µορφή ενέργειας, η οποία χρησιµοποιεί ώριµες τεχνολογίες. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ο ρόλος της Ελληνικής βιοµηχανίας, ΕΒΗΕ, Αθήνα 2001. 2. M. Goedkoop, S. Effting, M. Colligno, The Eco-Indicator 99 A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment Manual for Designers, Pre Consultants B.V., Second Edition, April 2000. 3. J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley Publication, 1991. 4. Α. Πελεκάνος, Σύνταξη πινάκων µετεωρολογικών στοιχείων για ηλιακές εφαρµογές των πόλεων της Ελλάδος, Α Εθνικό συνέδριο για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόµος Α, Θεσσλονίκη, 1980.