Artykuły

Wstęp

Stały rozwój sektora OŹE w Polsce i na świecie sprzyja wzrostowi zainteresowania oraz inwestycjom w odnawialne źródła energii. Współcześnie, największą popularnością cieszą się instalacje fotowoltaiczne. Instalacje tego typu wykorzystują promieniowanie słoneczne w celu wytworzenia energii elektrycznej. Jednak cykl istnienia tego typu systemów technicznych wiąże się z określonym zapotrzebowaniem na energię oraz materię [1].
Współcześnie cykl istnienia obiektów energetyki (również energetyki odnawialnej) musi być poddawany ewaluacji. Jego kontrola powinna być sprawowana od pierwszego etapu cyklu, a więc sformułowania potrzeby, aż do ostatniego – czyli zagospodarowania poużytkowego. Proces ten pozwala na ocenę występujących oddziaływań (zarówno pozytywnych, jak i negatywnych) pomiędzy otoczeniem, a obiektem technicznym. Określenie relacji pomiędzy obiektem a środowiskiem, w kontekście całego cyklu istnienia, wpisuje się w główne założenia zrównoważonego rozwoju. Początek oceny cyklu istnienia (Life Cycle Assessment – LCA) ma miejsce już na etapie koncepcji. W fazie koncepcyjnej odbywa
się nie tylko określenie potrzeby, ale również procesów i technologii potrzebnych do wytworzenia końcowego, gotowego do eksploatacji obiektu technicznego. Dlatego też jednym z głównych celi analiz cyklu istnienia obiektów jest zebranie kompletnej wiedzy potrzebnej do projektowania, wytwarzania, eksploatacji i zagospodarowania poużytkowego. Analizy LCA obejmują:
−
ocenę problematyki środowiskowej w kontekście projektowania, wytwarzania, eksploatacji i zagospodarowania, dokonywanej na podstawie analiz zapotrzebowania na energię i materię oraz występujące szkodliwe oddziaływania na otoczenie w postaci emisji związków chemicznych i odpadów;
−
ocenę relacji pomiędzy obiektem technicznym a otoczeniem, z uwzględnieniem pozytywnego i negatywnego oddziaływania obiektu na środowisko;
−
ocenę możliwości wyeliminowania lub ograniczenia negatywnego wpływu cyklu istnienia obiektu technicznego na otoczenie [2, 3].
Zasadność stosowania LCA w analizach energetyczno-ekologicznych, w tym dla ocen tego typu prowadzonych w obszarze instalacji energetyki (m.in. fotowoltaiki), warunkują przede wszystkim korzyści wynikające właśnie z tej metody. Są to:
−
możliwość przeprowadzenia kompleksowych analiz począwszy od sformułowania potrzeby aż do momentu zagospodarowania poużytkowego, co pozwala na ewaluację każdego etapu istnienia obiektu, w taki sposób, aby żaden komponent analizy nie został pominięty;
−
uwzględnienie bardzo szerokiego spektrum oddziaływań środowiskowych umożliwia pełną ocenę cyklu istnienia wraz z jego wpływem na środowisko naturalne, zdrowie człowieka czy wyczerpywanie zasobów surowców;
−
umożliwienie analizy energo- i materiałochłonności na etapie wytwarzania, eksploatacji oraz zagospodarowania, a także ilości oraz rodzajów powstałych zanieczyszczeń i odpadów w całym materialnym cyklu istnienia;
−
wytyczne do prowadzenia analiz zawarto w normach ISO;
−
umożliwienie przygotowania deklaracji środowiskowych;
−
nakreślenie relacji pomiędzy działalnością człowieka (wytwarzanie, eksploatacja, zagospodarowanie poużytkowe obiektu technicznego), a jego wpływem na otoczenie;
−
szansa określenia czy działalność danej firmy wpisuje się w założenia zrównoważonego rozwoju;
−
umożliwienie opracowania nowych metod analiz energetyczno-ekologicznych
−
obiektów energetyki (w tym energetyki odnawialnej) [4].
Dlatego jako cel badań przyjęto ekologiczną ocenę wybranej elektrowni fotowoltaicznej z wykorzystaniem modelu IPCC.

Obiekt badań

Pierwszy krok w procesie identyfikacji problemu badań stanowiło precyzyjne określenie obiektu analiz. Obejmowało ono wydzielenie z rzeczywistości tego jej fragmentu, który będzie poddany ocenie. Obiekt badań stanowiła elektrownia fotowoltaiczna o mocy zainstalowanej równej 2 MW.
Badana elektrownia fotowoltaiczna zlokalizowana jest w północnej części Polski. Średnio produkuje ona od 1900 do 2200 MWh rocznie (dane podane przez inwestora na podstawie 8 lat eksploatacji). Różnice w ilości wyprodukowanej energii rok do roku mogą średnio wahać się o ok. 10% z uwagi na zmienność warunków pogodowych. Z tego względu, jako jednostkę odniesienia dla dalszych analiz w uproszczeniu przyjęto, że badana instalacja w ciągu roku produkuje 2000 MWh. Łączna masa tworzyw, materiałów i elementów badanej elektrowni fotowoltaicznej wynosi około 300 000 kg. Konstrukcje wsporcze paneli PV wyposażone zostały w dwie podpory (system podwójny, dwupodporowy). Był to zabieg niezbędny ze względu na rodzaj gruntu, na którym je posadowiono (zrekultywowane wysypisko odpadów). Panele fotowoltaiczne skierowane są w kierunku południowym, pod kątem 40°. Do budowy analizowanej elektrowni niezbędna była instalacja 8334 polikrystalicznych modułów fotowoltaicznych o mocy 240 W każdy. Wybrano model wykazujący sprawność do 17,7%. Producent zapewnia 91,2% mocy znamionowej dla pierwszych 10 lat oraz 80,7% przez okres kolejnych 15 lat. Każdy pojedynczy moduł składa się z 60 ogniw (dane podane przez inwestora).

Model IPCC

Metoda została opracowana przez Międzynarodowy Zespół ds. Zmian Klimatu. Służy ona określaniu oddziaływania produktów, obiektów technicznych i technologii na emisję gazów cieplarnianych, wyrażanych w kg CO2 eq [5].
Model IPCC (ang. Intergovernmental Panel on Climate Change, Global Warming Potential) umożliwia ilościową ocenę wpływu poszczególnych gazów cieplarnianych na efekt cieplarniany w odniesieniu do CO2. Wskaźnik dwutlenku węgla wykorzystywany do oceny wpływu na efekt cieplarniany wynosi 1 (GHG = 1) [6].
Metoda IPCC charakteryzuje się tym, że efekt cieplarniany mierzony jest w niej wielkością nazywaną globalnym potencjałem cieplarnianym – GPW (ang. Global Warming Potential). Substancją odniesienia jest dwutlenek węgla CO2. Dzięki wielu badaniom określony został wpływ wielu substancji na zwiększenie efektu cieplarnianego [6].
Gazy cieplarniane to gazy takie jak para wodna, dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu, które mogą pochłaniać promieniowanie podczerwone, zatrzymując ciepło w atmosferze. Emisje gazów cieplarnianych spowodowane m.in. działalnością człowieka powodują globalne ocieplenie. Emisje mogą powstawać w wyniku różnych działań, takich jak spalanie paliwa w celu uzyskania energii, procesy przemysłowe, niektóre rodzaje działalności rolniczej i wylesianie. Emisje gazów cieplarnianych mogą być również usuwane z atmosfery przez drzewa i inne rośliny oraz przez przemysłowe techniki usuwania dwutlenku węgla [7].

Wyniki badań

W tabeli 1 zestawiono wyniki następstw dla otoczenia cyklu istnienia analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych. Uwzględnione zostały wszystkie kategorie wpływu modelu IPCC. Wzięto również pod uwagę dwa scenariusze zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów – składowanie na wysypisku odpadów lub recykling. Spośród zidentyfikowanych oddziaływań mających wpływ na efekt cieplarniany, najwyższym poziomem negatywnego wpływu cechowała się kategoria obejmująca substancje emitowane podczas wydobycia i eksploatowania paliw kopalnych (1,49·106 kg CO2 eq dla cyklu istnienia z zagospodarowaniem w formie składowania). Otrzymane wyniki uwidaczniają coraz szerzej sygnalizowaną na świecie problematykę związaną z globalnym ociepleniem. Jednakże, zastosowanie recyklingu jako formy zagospodarowania poużytkowego, pozwoliłoby zmniejszyć wielkość negatywnych następstw środowiskowych w perspektywie całego cyklu istnienia badanego obiektu technicznego, ponieważ odzyskane tworzywa, materiały i elementy nie zostałyby bezpowrotnie utracone (składowanie), lecz ponownie wykorzystane. Na rysunku 1 przedstawiono sumaryczne wartości oddziaływania cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej, z uwzględnieniem formy zagospodarowania poużytkowego (składowanie, recykling) w obszarze emisji gazów cieplarnianych. Wyraźnie widocznym jest wyższy poziom emisji GHG dla cyklu istnienia z zagospodarowaniem w formie składowania na wysypisku odpadów w porównaniu z cyklem, w którym zastosowano procesy recyklingu.

Rys. 1. Charakteryzowanie całkowitych następstw dla otoczenia cyklu istnienia analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych (model IPCC), z uwzględnieniem sposobu zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów [jednostka: kg CO2 eq] (badania własne)

Elektrownia fotowoltaiczna
Lp.	Forma zagospodarowania poużytkowego	Cykl istnienia z zagospodarowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospodarowaniem w formie recyklingu
	Kategoria wpływu
1.	GWP100 – ze źródeł kopalnych	1,49·106	4,35·105
2.	GWP100 – biogenny	1,0·105	5,93·104
3.	GWP100 – na skutek przekształcenia terenu	3,66·103	3,56·103
SUMA		1,59·106	4,98·105

W tabeli 2 zestawiono wartości następstw dla otoczenia cyklu istnienia poszczególnych zespołów analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych (model IPCC). Ponownie pod uwagę wzięto dwa scenariusze zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów – składowanie oraz recykling. Największy poziom emisji

GHG odnotowano dla cyklu istnienia paneli fotowoltaicznych (7,83·10⁵ kg CO2 eq – zagospodarowanie w formie składowania) oraz stacji inwerterowej (6,60·10⁵ kg CO2 eq – składowanie). W obu przypadkach najwięcej szkodliwych następstw środowiskowych niosło ze  sobą  wykorzystanie  źródeł  kopalnych  (7,34·10⁵  kg  CO2  eq  dla  paneli  PV i 6,37·10⁵ kg CO2  eq dla stacji inwerterowej). Najniższym poziomem emisyjności w analizowanym obszarze cechował się cykl istnienia instalacji elektrycznej (2,24·10⁴ kg CO2 eq dla zagospodarowania poużytkowego w formie składowania). Zastosowanie procesów recyklingu pozwoliłoby na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w perspektywie całego cyklu istnienia poszczególnych zespołów badanego obiektu technicznego. Na rysunku 2 przedstawiono sumaryczne wartości oddziaływania cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej, z uwzględnieniem tworzyw, materiałów, elementów i formy zagospodarowania poużytkowego (składowanie, recykling) w obszarze emisji gazów cieplarnianych. Widoczną jest szczególnie istotna rola recyklingu paneli fotowoltaicznych w obniżaniu emisji GHG w cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznych.

Rys. 2. Charakteryzowanie całkowitych następstw dla otoczenia cyklu istnienia poszczególnych zespołów analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych (model IPCC), z uwzględnieniem sposobu zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów [jednostka: kg CO2 eq] (badania własne)

Lp.	Element obiektu technicznego	Konstrukcja wsporcza		Panele fotowoltaiczne		Stacja inwerterowa		Instalacja elektryczna
	Forma zagospodarowania poużytkowego	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie recyklingu	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie recyklingu	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie recyklingu	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospoda- rowaniem w formie recyklingu
	Kategoria wpływu
1.	GWP100 – ze źródeł kopalnych	9,63·104	9,41·104	7,34·105	-1,62·105	6,37·105	5,03·105	1,90·104	7,52·10-1
2.	GWP100 – biogenny	2,99·104	3,87·101	4,92·104	4,91·104	1,95·104	1,02·104	3,41·103	1,35·10-1
3.	GWP100 – na skutek przekształcenia terenu	6,38·101	6,38·101	1,54·102	1,54·102	3,43·103	3,34·103	1,29·101	5,10·10-4
SUMA		1,26·105	9,42·104	7,83·105	-1,13·105	6,60·105	5,17·105	2,24·104	8,87·10-1

W tabeli 3 zestawiono wartości następstw dla otoczenia cyklu istnienia analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych ze źródeł kopalnych (model IPCC). Pod uwagę wzięto dwa scenariusze zagospodarowania poużytkowego – składowanie oraz recykling. Największy poziom emisji odnotowano w przypadku dwutlenku węgla (1,23·10⁶ kg CO2 eq – zagospodarowanie w formie składowania) oraz tetrafluorometanu, CFC-14 (1,08·10⁵ kg CO2 eq – składowanie). Zastosowanie procesów recyklingu pozwoliłoby na  ograniczenie  emisji  gazów  cieplarnianych  w  perspektywie  całego  cyklu istnienia badanego obiektu technicznego, m.in. w obszarze emisji tetrafluorometanu, CFC-14 (-5,05·10⁴ kg CO2 eq) i sześciofluorku siarki (-1,63·10⁴ kg CO2 eq). Na rysunku 3 przedstawiono sumaryczne wartości oddziaływania cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej, z uwzględnieniem tworzyw, materiałów, elementów i formy zagospodarowania poużytkowego (składowanie, recykling) w obszarze emisji gazów cieplarnianych ze źródeł kopalnych. Zauważalnym jest, że cykl istnienia rozpatrywanego obiektu technicznego z zagospodarowaniem tworzyw, materiałów i elementów w formie składowania na wysypisku odpadów stanowi istotnie większe źródło emisji GHG (1,49·10⁶ kg CO2 eq) w porównaniu do cyklu istnienia z zagospodarowaniem w formie recyklingu (4,35·10⁵ kg CO2 eq).

Elektrownia fotowoltaiczna
Lp.	Forma zagospodarowania poużytkowego		Cykl istnienia z zagospodarowaniem w formie składowania	Cykl istnienia z zagospodarowaniem w formie recyklingu
	Substancja	Obszar emisji
1.	Dwutlenek węgla, kopalny	Powietrze	1,23·106	4,22·105
2.	Tlenek diazotu	Powietrze	1,75·104	1,08·104
3.	Heksafluoroetan, HFC-116	Powietrze	2,02·104	-9,43·103
4.	Chlorodifluorometan, HCFC-22	Powietrze	9,32·101	1,50·102
5.	Dichlorodifluorometan, CFC-12	Powietrze	8,23·101	8,23·101
6.	Metan, kopalny	Powietrze	8,97·104	4,73·104
7.	Tetrafluorometan, CFC-14	Powietrze	1,08·105	-5,05·104
8	Sześciofluorek siarki	Powietrze	1,83·104	-1,63·104
9	Pozostałe substancje	x	1,97·102	1,53·101
SUMA			1,49·106	4,35·105

Rys. 3. Charakteryzowanie całkowitych następstw dla otoczenia cyklu istnienia analizowanej elektrowni fotowoltaicznej, w obszarze emisji gazów cieplarnianych ze źródeł kopalnych (model IPCC), z uwzględnieniem sposobu zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów [jednostka: kg CO2 eq] (badania własne)

Wnioski

Istotnie wyższy poziom emisji gazów cieplarnianych w przeliczeniu na dwutlenek węgla odnotowano   dla   cyklu   istnienia   rozpatrywanej   elektrowni   fotowoltaicznej z zagospodarowaniem poużytkowym w formie składowania (1,59·10⁶ kg CO2 eq) aniżeli recyklingu (4,98·10⁵ kg CO2 eq). Największy poziom emisji GHG w przypadku zespołów elementów elektrowni odnotowano dla cyklu istnienia paneli fotowoltaicznych (7,83·10⁵ kg CO2 eq oraz stacji inwerterowej (6,60·10⁵ kg CO2 eq) uwzględniających zagospodarowanie w formie składowania. Zastosowanie procesów recyklingu pozwoliłoby na ograniczenie destrukcyjnych oddziaływań gazów szklarniowych w perspektywie całego cyklu istnienia zarówno całej elektrowni PV, jak i jej poszczególnych zespołów (rys. 1-3, tab. 1-3).

Analiza studium rzeczywistego przypadków pokazała, że cykl istnienia elektrowni fotowoltaicznej jest niezbędny do wprowadzenie działań ulepszających, mających na celu zminimalizowanie negatywnego oraz maksymalizację pozytywnego oddziaływania na otoczenie.

Osiągnięcie celu badawczego pozwala uznać za słuszne zastosowanie przyjętych metod i ocenić je jako poprawne. Wykonana analiza umożliwia dokonanie oceny pozytywnych i negatywnych oddziaływań cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej.