Zastosowanie analizy cyklu życia LCA do środowiskowej oceny technologii
W Głównym Instytucie Górnictwa od kilku lat przeprowadza się analizy oddziaływania na środowisko techniką LCA (Life Cycle Assessment) dla różnych technologii materiałowych, energetycznych i środowiskowych.
W niniejszej pracy przedstawiono wybrane możliwości zastosowania techniki LCA oraz pokazano wyniki analizy przeprowadzonych techniką LCA w celu oceny oddziaływania na środowisko wybranych technologii materiałowych.
Rosnące wymagania dotyczące ochrony środowiska zmuszają przedsiębiorstwa przemysłowe do rozwijania stosowanych technologii w kierunku ograniczania zużycia surowców i energii oraz obniżenia emisji zanieczyszczeń pyłowo-gazowych, szczególnie gazów cieplarnianych, dlatego znaczenia nabierają techniki umożliwiające ocenę wpływu wszystkich stosowanych surowców i zużycie energii na środowisko.
Ocena cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment)
Znanych jest wiele technik oceny oddziaływania na środowisko. Należą do nich miedzy innymi karta/lista kontrolna (checklist), wskaźnik zasobochłonności (MIPS), rachunek przepływów materiałowych (MFA) oraz ocena cyklu życia LCA. Najbardziej złożoną, a jednocześnie kompleksową techniką oceny środowiskowej jest technika zarządzania środowiskowego - ocena cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment).
Już na etapie projektowania technologii czy produktu oprócz prac techniczno-organizacyjnych należy także uwzględnić aspekty środowiskowe, co umożliwia analiza cyklu życia. Jednym z głównych założeń techniki LCA jest dążenie do wykazania wszystkich czynników, mających potencjalny wpływ na środowisko i związanych z danym produktem lub technologią. Wynikiem analizy techniką LCA jest określenie wpływu produktu lub technologii na środowisko w całym cyklu życia.
Technika LCA została opisana przez Międzynarodowy Komitet Normalizacyjny w normach z serii ISO 14040: PN-EN ISO 14040:2009 oraz PN-EN ISO 14044:2009
Technika LCA składa się z czterech etapów, które przedstawiono na rys. 1. Pierwszym etapem analizy LCA jest określenie celu i zakresu badań. W ramach zakresu badań LCA należy zdefiniować granice systemu, założenia i ograniczenia oraz określić jednostkę funkcjonalną. Kolejnym etapem analizy cyklu życia jest analiza zbioru wejść i wyjść LCI (Life Cycle Inventory). Analiza zbioru w cyklu życia obejmuje zbieranie danych, ilościowo określa dane wejściowe i wyjściowe w okresie cyklu życia. Dane z analizy zbioru stanowią podstawę do następnego etapu oceny cyklu życia – oceny wpływu cyklu życia (Life Cycle Impact Assessment). W celu oceny wpływu technologii wykorzystywane są różne metody. Na podstawie wyników analiz zbioru wejść i wyjść LCI oraz oceny wpływu LCIA formułuje się wnioski (Interpretacja cyklu życiu) zgodnie ze zdefiniowanym celem badań.
LCA jest techniką oceny aspektów środowiskowych i potencjalnych wpływów związanych z wszystkimi etapami życia produktów oraz technologii obejmujących:
- wydobycie i przetwarzanie surowców mineralnych,
- proces produkcyjny,
- dystrybucję,
- transport,
- użytkowanie,
- recykling,
- ostateczne unieszkodliwianie odpadów.
LCA polega na zebraniu i ocenie wejść, wyjść oraz potencjalnych wpływów na środowisko produktu lub technologii w okresie jego cyklu życia, umożliwia ocenę wpływu produktu lub technologii na środowisko w trzech fazach – budowy, użytkowania i likwidacji oraz daje możliwość porównania technologii lub produktów w zakresie aspektów środowiskowych.
ZASTOSOWANIA TECHNIKI LCA
W literaturze przedmiotu dostępnych jest wiele informacji na temat zastosowań techniki LCA. Przy użyciu LCA można zidentyfikować i ocenić wpływy na środowisko wywołane podczas całego cyklu życia (kolejnych i powiązanych ze sobą etapów systemu wyrobu, od pozyskania lub wytworzenia surowca z zasobów naturalnych do ostatecznej likwidacji) analizowanych produktów lub technologii. Jako jedna z niewielu technik zarządzania środowiskowego stwarza podstawy do identyfikacji, kwantyfikacji i oceny wpływu oraz ustalenia sposobów poprawy jakości środowiska.
Dzięki holistycznemu podejściu technika ta obejmuje większy zakres oceny niż pozostałe techniki zarządzania środowiskowego. Technika LCA wykorzystywana jest w różnych branżach, może także służyć dla porównania wpływu środowiskowego różnych materiałów inżynierskich.
Jednym z praktycznych zastosowań techniki LCA jest możliwość przeprowadzania analizy porównawczej różnych wariantów technologii uwzględniając aspekty środowiskowe. Przykładem może być stosowanie różnych paliw alternatywnych w procesach technologicznych. Biorąc pod uwagę również nakłady inwestycyjne na instalacje związane z zastosowaniem tych paliw, które należy również uwzględnić w analizie środowiskowej można dokonać pełnej oceny ekoefektywności tych technologii.
ŚRODOWISKOWA OCENA PRODUKCJI STALI W OPARCIU O TECHNIKĘ LCA
Aktualnie istniejące technologie produkcji żelaza i stali mimo wielu inwestycji nadal charakteryzują się negatywnym wpływem na środowisko, co dotyczy szczególnie emisji CO2 i zużycia energii. Dlatego poszukuje się zupełnie nowych rozwiązań, do których należą innowacyjne technologie przyszłościowe realizowane w ramach programów międzynarodowych związanych z ograniczaniem CO2
W sektorze metalurgicznym prowadzone są analizy LCA w ramach działalności Międzynarodowego Instytutu Żelaza i Stali (ISII The International Iron and Steel Institute – obecnie zmienił nazwę na Worldsteel). W 2003 roku zapoczątkowano inicjatywę „CO2 Breakthrough Programme” mającą na celu wymianę informacji o działaniach skierowanych na ograniczenie CO2 organizacji sektora stalowego na świecie. Europejski program naukowo-badawczy ULCOS (Ultra-low CO2 Steelmaking – niskoemisyjna produkcja stali), jest nową inicjatywą europejskiego przemysłu stalowego w dziedzinie energii i zmian klimatycznych. Celem programu jest ograniczanie negatywnego oddziaływania na środowisko oraz poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań i nowych technologii oraz redukcja o połowę CO2 emitowanego w procesach hutnictwa żelaza i stali.
W programie ULCOS jako najbardziej kompleksową metodę oceny wpływu środowiskowego, w tym również wpływu technologii na emisję gazów cieplarnianych i doboru technologii uznano ocenę cyklu życia – LCA dlatego, że umożliwia ocenę aspektów środowiskowych i potencjalnych wpływów związanych z wszystkimi etapami życia produktów oraz procesów.
Metodyka badań
Przeprowadzono środowiskową ocenę głównych procesów produkcji żelaza i stali w hucie o pełnym cyklu produkcyjnym w oparciu o technikę LCA, przeprowadzono również analizę porównawczą różnych wariantów hutnictwa żelaza - procesu spiekania i wielkopiecowego uwzględniając różne paliwa alternatywne.
Zgodnie z normą PN-EN ISO 14040:2009, wyznaczono cel, zakres, granice systemu oraz ograniczenia analizy LCA oraz przeprowadzono analizę zbiorów wejść i wyjść LCI (Life Cycle Inventory). Analizę LCA technologii produkcji żelaza i stali przeprowadzono w Głównym Instytucie Górnictwa z zastosowaniem programu SimaPro 7.
Przeprowadzenie pełnej analiz cyklu życia technologii jest procesem złożonym, dlatego zastosowano w badaniach pewne ograniczenia. Analiza oddziaływania na środowisko techniką LCA dla technologii hutnictwa żelaza i stali została przeprowadzona tylko dla etapu użytkowania. W celu przeprowadzenia LCA zgodnie z normą określono granice systemu (rys 2)1. Nie uwzględniono do analizy LCA następujących danych wejściowych: produktów pośrednich (spieku, surówki, stali płynnej), produktów ubocznych zagospodarowywanych w procesach huty, gazów (wielkopiecowego i konwertorowego).
Rys. 2. Granice systemu produkcji żelaza i stali w hucie zintegrowanej
Należy również zaznaczyć, że przeprowadzono analizę LCA dla technologii w krajowej hucie, która składa się z 4 głównych wydziałów produkcyjnych: spiekalni, wielkich pieców, konwertory i walcowanie. W skład struktury huty nie wchodzi koksownia.
W celu uzyskania danych środowiskowych, opracowano arkusz danych dla procesów jednostkowych1 zawierający dane wejściowe (zużycie surowców i energii) oraz dane wyjściowe (produkty, emisje zanieczyszczeń pyłowo-gazowych, ścieki i odpady). Zebrano dane przemysłowe do arkuszy dla wybranych procesów jednostkowych potrzebnych do wykonania bilansu oraz oceny cyklu życia LCA. W celach porównawczych wszystkie dane określone zostały w odniesieniu do tej samej jednostki funkcjonalnej2, na 1 Mg ciekłej stali. W ramach łańcucha technologicznego przeprowadzono analizy poszczególnych technologii produkcji stali.
Końcowy wynik analizy oddziaływania na środowisko analizowanych technologii został wyrażony za pomocą ekowskaźnika (metodą Ecoindicator 99). Ekowskaźnik jest miarą wpływu technologii na środowisko naturalne. Im wyższy poziom ekowskaźnika tym większy potencjalny negatywny wpływ na środowisko. Zastosowano również metodę IPCC GWP 100a (Intergovernmental Panel on Climate Change, Global Warming Potential, 100 years) do przedstawienia wpływu technologii na gazy cieplarniane (jako ekwiwalent CO2). W tablicy 1 przedstawiono oddziaływanie technologii w 11 kategoriach wpływu.
Tablica 1. Ocena oddziaływania na środowisko technologii hutnictwa żelaza i stali w jedenastu kategoriach wpływu
Na podstawie przeprowadzonych analiz, stwierdzono, że największe obciążenie środowiska występuje w kategorii „zdrowie ludzkie” Kategoria ta stanowi 71% zagrożenia, natomiast zużycie zasobów 21%. Największy wpływ na zdrowie ludzkie ma proces spiekania rud żelaza oraz proces wielkopiecowy. W kategorii „zdrowie ludzkie” obciążenie związane z problemami oddechowymi wynikającymi z zanieczyszczeń nieorganicznych stanowi 41,88% wszystkich kategorii wpływu. Przeprowadzono również analizę LCA metodą IPCC GWP 100a w celu określenia wpływu poszczególnych technologii na emisje gazów cieplarnianych. Na rys. 4 przedstawiono 5 głównych elementów technologii produkcji żelaza i stali, które mają największy wpływ na emisje gazów cieplarnianych (zgodnie z metodą IPCC GWP 100a).
Rys. 4. Wpływ głównych czynników na emisje gazów cieplarnianych
Stwierdzono, że największy wpływ na emisje gazów cieplarnianych ma koks, który jest wykorzystywany przede wszystkim w procesie produkcji surówki w wielkim piecu. Dlatego też metody ograniczania emisji zanieczyszczeń powinny być skierowane na produkcję surówki żelaza. Można wyróżnić dwa kierunki ograniczania emisji:
1. Zastąpienie koksu innymi paliwami, a szczególnie zwiększenie udziału paliw odnawialnych.
2. Zastosowanie technologii alternatywnych do procesów wielkopiecowych.
Kolejnym etapem prac było przeprowadzenie oceny wybranych metod ograniczenia emisji CO2 w hucie żelaza, ze szczególnym uwzględnieniem procesu wielkopiecowego. Podstawowym paliwem stałym procesu wielkopiecowego jest koks, który jest także głównym źródłem emisji CO2 w hutnictwie żelaza. Jest to również jeden z najważniejszych czynników decydujących o kosztach produkcji surówki. Dlatego od lat szuka się sposobów na ograniczenie zużycia koksu w procesie wielkopiecowym. Przeprowadzono analizy środowiskowe LCA metodą IPCC GWP 100a dla różnych wariantów technologii uwzględniając zastąpienie koksu innymi paliwami w procesie wielkopiecowym. Stwierdzono że stosowanie paliw alternatywnych w procesach hutnictwa żelaza może być skutecznym sposobem ograniczenia emisji gazów cieplarnianych.
Podsumowanie
Analiza cyklu życia LCA jest techniką pozwalającą ocenić jeden ze wskaźników zrównoważonego rozwoju – czynnik środowiskowy. Zintegrowanie wskaźników środowiskowych i ekonomicznych umożliwia ocenę ekoefektywności wybranej technologii lub produktu. Do oceny ekonomicznej może służyć analiza kosztów cyklu życia (LCC- Life Cycle Cost), natomiast do oceny kryteriów społecznych może służyć społeczna analiza cyklu życia (SLCA- Social Life Cycle Assesment). Wykonując pełną ocenę wszystkich aspektów zrównoważonego rozwoju można uzyskać produkt (lub technologię) najbardziej ekoefektywny (o najniższym wpływie na środowisko, najbardziej ekonomiczny) oraz wzrost efektywności społecznej.
