RECENZOVANÝ ASOPIS PRO VÝSLEDKY VÝZKUMU A VÝVOJE PRO ODPADOVÉ HOSPODÁSTVÍ RONÍK 2010 íslo 3 strana 164 271 (zde píšt mže být vaše firma!) 6. esko-slovenské symposium Výsledky výzkumu a vývoje pro odpadové hospodáství ODPADOVÉ FÓRUM 2011 13. 15. 4. 2011, Kouty nad Desnou, hotel Dlouhé strán Další informace na www.odpadoveforum.cz/symposium2010 eské ekologické manažerské centrum 2010
Úvodní slovo šéfredaktora 166 Pro autory 166 Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem 167 Lubomír NONDEK Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA 176 Vladimír KOÍ, Tatiana KREMEROVÁ, Zdenka KOTOULOVÁ Štruktúra zloženia komunálneho odpadu vo vidieckej zástavbe 192 Peter KAUFMAN, Anna BÁREKOVÁ Analýza vybraných faktor nakládání s biologicky rozložitelnými komunálními odpady pípadová studie Nmecko 199 Jitka ŠEFLOVÁ, Jan SLAVÍK Zhodnocení istoty vstupní suroviny v kompostárn CMC Námš, a. s. 207 Bohdan STEJSKAL Ovení efektivity kompostovacího procesu v domácích kompostérech 212 Monika MAZALOVÁ, Petr HEKERA, František JAVREK, Jana LACINÁ, Vlastimil KOSTKAN, Jan HEISIG, Vít VOŽENÍLEK Recyklace heterogenních PVC odpad 217 Ivo ŠPAEK, Jana KOTOVICOVÁ Kamenné odprašky jako alternativní surovina v keramickém stepu 223 Radomír SOKOLÁ Mrná produkce methanu pi modelové anaerobní kofermentaci hovzí kejdy s rznými bioodpady 228 Jií RUSÍN, Karel OBROUKA, Kateina CHAMRÁDOVÁ Modelová anaerobní kofermentace hovzí kejdy a odpad s vysokým obsahem tuk a olej 239 Roman KUA, Karel OBROUKA Reálné možnosti reduktivní dehalogenace chlorovaných látek pítomných ve vodách pomocí elementárních kov 247 František KAŠTÁNEK, Zdenk ÍŽEK Zkoušky biofiltr pro ištní odpadních vzdušnin s organickou kontaminací 255 Radim ŽEBRÁK, Martin CHROMEKA Zrovnomrnní koncentraních výchylek oxidu dusnatého tokem pes vrstvu aktivního uhlí 263 Ivana POTYKOVÁ, Lucie OBALOVÁ, Karel OBROUKA 6. roník esko-slovenského symposia Výsledky výzkumu a vývoje pro odpadové hospodáství ODPADOVÉ FÓRUM 2011 271 (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 165
Úvodní slovo šéfredaktora Vážení tenái, máte ped sebou letos již tetí íslo a jsem rád, že vám mohu pi této píležitosti sdlit, že asopis WASTE FORUM je po letošní aktualizaci již na Seznamu neimpaktovaných recenzovaných periodik vydávaných v eské republice. Pitom ješt pedtím Rada pro výzkum, vývoj a inovace na svém zasedání dne 12. února 2010 rozhodla o tom, že Seznam bude nadále využíván pro poteby bodového hodnocení výsledk výzkumu, experimentálního vývoje a inovací podporovaného ze státního rozpotu. První dílí cíl tedy je tedy splnn, na ad te je, aby si asopisu všimli také v cizin. Licenní ízení pro zaazení do databáze spolenosti EBSCO Publishing Inc. (www.ebscohost.com), o kterém jsem v nkterém z pedchozích ísel informoval, stále bží a není mi známo, že by asopis byl na jejich internetových stránkách již zpístupnn. Nyní budeme spolen pracovat na neustálém zlepšování asopisu. Po odborné stránce to je úkol pedevším auror lánk a recenzent, po formální stránce pedevším mne a kolegy web-mastera. Požádali jsme o dotaci na vydáváním asopisu Státní fond životního prostedí a pokud ji dostaneme, chceme pedevším vylepšit internetové stránky asopisu, a to jak po stránce vizuální, tak pedevším jejich návštvníkm usnadnit vyhledávání lánk v dosud vydaných íslech podle klíových slov, autor atd. Pi píprav tohoto ísla se pln projevily negativní stránky letního období, kdy mnozí oslovení s žádostí o recenzi nkterého lánku se omluvili s odkazem na nedostatek asu, dovolené apod. a další sice recenzi slíbili, ale dodali až po urgencích a nkteí ji nedodali vbec! V dsledku toho mli pak nkteí autoi krátkou dobu na zapracování pipomínek recenzent. Píští íslo má redakní uzávrku 8. íjna a vyjde v prbhu listopadu. Ondej Procházka Pro autory eské ekologické manažerské centrum (CEMC) na vydávání asopisu WASTE FORUM nedostává žádnou podporu z veejných zdroj. Proto se snažíme minimalizovat náklady spojené s vydáváním tohoto asopisu. Proto je asopis vydáván pouze v elektronické podob a ísla jsou zveej ována na voln pístupných internetových stránkách www.wasteforum.cz. Pro snížení pracnosti pípravy jednotlivých ísel požadujeme, aby autoi píspvk je posílali do redakce v kompletn zalomené podob i se zabudovanými obrázky a tabulkami, tak zvan printerready. Pokyny k obsahovému lenní a grafické úprav píspvk spolu s pímo použitelnou šablonou grafické úpravy ve WORDu jsou uvedeny na www-stránkách asopisu v sekci Pro autory. Uveejnní píspvk v asopisu WASTE FORUM je v zásad bezplatné. Nicmén abychom píjmov pokryli alespo nezbytné externí náklady spojené s vydáváním asopisu, vybíráme symbolický poplatek za uveejnní podkování grantové agentue i konstatování, že lánek vznikl v rámci ešení uritého projektu. Více na www-stránkách v sekci Inzerce. WASTE FORUM recenzovaný asopis pro výsledky výzkumu a vývoje pro odpadové hospodáství ISSN: 1804-0195; www.wasteforum.cz. Vychází tvrtletn. Roník 2010, íslo 3 Vydavatel: CEMC eské ekologické manažerské centrum, IO: 45249741, www.cemc.cz Adresa redakce: CEMC, Jevanská 12, 100 31 Praha 10, R, fax: +420/274 775 869 Šéfredaktor: Ing. Ondej Procházka, CSc., tel.: +420/274 784 448, 723 950 237, e-mail: prochazka@cemc.cz Redakní rada: Prof. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D., prof. Ing. František Božek, CSc., prof. Ing. František Kaštánek, CSc., prof. Ing. Meislav Kuraš, CSc., prof. Ing. Karel Obrouka, CSc., doc. RNDr. Jana Kotovicová, Ph.D., doc. Ing. Vladimír ablík, CSc., doc. Ing. Lubomír Ržek, CSc., doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc., Ing. Vratislav Bednaík, CSc. Web-master: Ing. Vladimír Študent (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 166
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Lubomír NONDEK Integra Consulting s.r.o., Pobežní 18/16, Praha 8 e-mail: nondek@volny.cz Souhrn Integrované nakládání se smsným komunálním odpadem (SKO) je modelováno sadou zdroj (obce) a zaízení (tídicí linky, skládky, kompostárny, spalovny apod.), které jsou umístny ve dvourozmrném prostoru a propojeny sítí dopravních tras. Optimalizaní model (lineární programování) alokuje SKO mezi zdroji a zaízeními tak, aby byly minimalizovány celkové emise skleníkových plyn (CO 2 ekv). Model se skládá z LP ešitele (LINGO 12) a databáze tvoené souborem MS Excel. Algebraický modelovací jazyk LINGO umož uje strunou a pehlednou formulaci optimalizaní úlohy, která je determinována hmotovou bilancí a omezena provozními kapacitami zaízení. Model je snadno škálovatelný, velikost databáze (poet zdroj a zaízení) je limitována pouze použitou verzí ešitele LINGO. V této fázi vývoje modelu byla zkoumána citlivost výstupu (agregované emise CO 2 ekv) na nejistotu složení SKO. Dále jsme zkoumali vliv shlukování malých obcí, což by umožnilo redukovat rozsah databáze a tím i pracnost jejího sestavování. Možným užitím modelu je posuzování rzných variant integrovaného nakládání s SKO a tedy nap. EIA/SEA (nová zaízení nebo plány odpadového hospodáství, územní plány apod.). Klíová slova: smsný komunální odpad, matematické modelování, optimalizovaná alokace, emise skleníkových plyn Úvod Systém nakládání se smsným komunálním odpadem (SKO), který je generován množinou zdroj (obcí) spojených dopravní sítí, tvoí soubor zaízení (skládky, kompostárny, spalovny, místa úpravy recyklovatelného odpadu), kam se smsný komunální odpad (nebo jeho složky separované u zdroje) dopravuje za úelem využití (suroviny, teplo a elektrická energie, kompost) nebo koneného uložení (skládky). Materiálová kategorizace je dána z hlediska materiálových tok mezi zdroji a zaízeními. Zpsob ízení (optimalizace) tohoto integrovaného systému závisí jak na provozovatelích (dobrovolná spolupráce, trh), tak na regulátorovi. Ten mže užívat provozní povolení nebo ekonomické nástroje (poplatky) tak, aby celý systém vykazoval minimální dopady na životní prostedí pi spoleensky únosných nákladech. Jedná se o úlohu optimalizace, což vyžaduje stanovení vah jednotlivých kriterií (priorizace), které se mže týkat nejen emisí škodlivin a náklad, ale i nap. ochrany krajiny a biodiversity nebo prevence zneištní zdroj podzemních a povrchových vod. Prakticky taková optimalizace pichází v úvahu nap. pi vytváení a posuzování (nap. benchmarking a EIA) variantních projekt nového zaízení (umístní, technologie a kapacita) a nebo ukonení provozu zaízení existujících, regulaci jejich kapacit a podobn. Mohla by být využita nejen pi EIA nového zaízení (posuzování variant), ale také pi hodnocení strategických dokument, jako jsou plány odpadového hospodáství na krajské úrovni. Takto systematický pístup není pi EIA/SEA zatím ani možný, protože nejsou k dispozici vhodné optimalizaní nástroje a databáze. Pi vývoji modelu integrovaného systému nakládání s komunálním odpadem jsme vyšli z model dostupných v literatue. Od poátku 90. let vznikla ada model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem, které vycházely z analýzy životního cyklu (LCA), tj. hmotových a energetických bilancí 1,2. Vtšina dostupných model je statická, resp. deterministická a nekvantifikuje nejistoty odhad zpsobené náhodnou povahou vstupních veliin. Mezi vstupy zatížené nejistotou patí promnlivé složení a množství komunálního odpadu, kolísající podíl tídní odpadu u zdroje, kolísající množství a složení živnostenského odpadu a podobn. Další nevýhodou vtšiny model založených pouze na (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 167
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem LCA je nejen datová náronost ale i to, že nepostihují lokální dopady (dopravní hluk, emise, pach, zneištní podzemních vod apod.), ale souhrnn hodnotí obecná témata, jako je acidifikace, globální oteplování, spoteba energie apod. Nicmén LCA je stále základní metodou k hodnocení variant a tedy k pijímání rozhodnutí z hlediska udržitelného rozvoje 3,4. Koí a Kremerová 5 využili komplexní analýzu životního cyklu k posuzování rzných technologických variant integrovaného systému nakládání s SKO v R. Model pracuje se sumární produkcí SKO o jednom složení, neuvažuje dopravní zátže ani stávající infrastrukturu, která by mla být postupn modernizována. Metodika LCIA (life cycle impact assessment) dává základní informaci o kritických zdrojích emisí. Emise skládkového plynu nebo emise CO 2 ekv. nejsou poítány s pihlédnutím ke stavu (technologiím) konkrétních zaízení, jsou užity pouze prmrné hodnoty. LCIA tak slouží jako vyerpávající emisní inventura, která dává základní pehled o významnosti jednotlivých píspvk. Poátkem tohoto desetiletí se vývoj model posunul smrem k modelování integrovaných systém odpadového hospodáství (IWM, integrated waste management), které jsou projektovány tak, aby minimalizovaly náklady a/nebo dopady na životní prostedí 6,7. To již vyžaduje využití optimalizaní procedury pro nalezení minima vhodn definované úelové funkce (celkové náklady, emise apod.). Jako praktická ukázka mohou sloužit práce, které publikovali Fiorucci a spol. 8 (2003) a dále Costi a spol. 9 (2004), optimalizující IWM v regionu Janova, Itálie. Modely se skládají ze separaních linek, výroby paliva z SKO (tzv. refuse derived fuel, RDF), spaloven s využitím energie odpadu, zaízení na zpracování biodegradovaleného odpadu a skládek nevyužitelné frakce SKO. Úelová funkce je složena z rzných náklad, model doplnn omezujícími podmínkami technickými (zpracovatelské kapacity), emisními i legislativními. Protože modely berou v úvahu dávkovou dopravu odpadu mezi zdroji a zaízeními (automobily s uritou pepravní kapacitou), jedná se o modely z ásti ešené lineárním celoíselným programováním. Zahrnutí dopravních emisí nebo náklad je nutné také vzhledem k tomu, že integrovaný systém nakládání se smsným komunálním odpadem se nachází v konkrétním území, kde zaízení nepsobí jen jako bodové zdroje zneištní, ale význaný vliv na životní prostedí a zdraví pedstavuje i doprava odpadu mezi zdroji a zaízeními. Proto jsme zaali zkoumat možnost vytvoení vhodného modelu optimalizaního, respektive jsme se pokusili formulovat kriteria, které by ml splnit model prakticky využitelný v R. Napíklad pi posuzování vliv zmny konkrétní odpadové infrastruktury v regionálním/ krajském mítku. V rámci projektu VaV Návrh systému hodnocení politik mezi jednotlivými systémy uživatelských informací ve vazb na efektivní využití výsledk na rozhodovací a informaní chování podle model a princip udržitelného rozvoje vetn testování a prezentace nástroj znalostní báze životního prostedí (SP/4h1/147/08) jsme vytvoili model optimální alokace SKO mezi zdroji a zaízeními, kdy jsou minimalizovány agregované emise skleníkových plyn (oxid uhliitý, methan a oxid dusný). Cílem této práce bylo nalezení metodiky vhodné k tvorb model tohoto typu, které jsou škálovatelné, nezávislé na databázi a mohou být dále modifikovány vzhledem k zadání optimalizaní úlohy. Experimentální ást Komunálním odpadem se pro poteby modelování rozumí veškerý odpad vznikající na území obce (dále také zdroj) pi innosti fyzických osob (domácností) a ást odpad vznikajících u právnických osob nebo fyzických osob oprávnných k podnikání (živnostenský odpad), který je spolen dopravován do zaízení nebo separován na složky. ást tohoto odpadu je sbírána a tedy i bilancována separátn. Tento odpad (nebo jeho složky) mže být skládkován, kompostován, spalován a nebo sloužit jako surovina (papír, plasty, sklo, kovy). Separace složek mže probíhat u zdroje (separovaný sbr v obci) a nebo v zaízeních. Biodegradabilní odpad mže být separován u zdroje a kompostován v domácnosti nebo v rámci obce (obecní kompostárna) nebo anaerobním rozkladem zásti pemnn na plynné palivo (methan). Poslední složkou je inertní odpad, který nemže být využit materiálov ani energeticky.tak jsou v modelu definovány tyi složky, které jsou hmotov bilancovány. Nedochází k akumulaci, toky složek jsou kontinuální; v této verzi neužíváme lineární celoíselné programování, které je náronjší na as i užitý optimalizaní software. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 168
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Pokud optimalizace probíhá v menším mítku (mikroregion), kde z hlediska optimalizace svozových tras pro vozidla o urité kapacit a provozních kapacit zaízení pijímajících odpady za krátkou asovou jednotku (nap. den), je pi optimalizaním modelování nutno používat metodu celoíselného programování. Pro vtší území s vtším potem zdroj i zaízení (region/kraj) lze užívat k optimalizace hmotových tok mezi zdroji a zaízeními jednodušší metody lineárního programování (LP) a pokládat toky odpad za spojité, resp. hmotovou bilanci provádt za delší asové období (roní bilance). Pokud modelujeme existující zdroje a zaízení v konkrétním území, pak je jist možné sestavit matici reálných dopravních vzdáleností (nap. ze silniní mapy) mezi všemi zdroji a všemi zaízeními. V praxi z nkterých zdroj do vzdálených zaízení odpad nebude dopravován, nicmén pro prbh optimalizace musí tato matice být úplná. Zvolili jsme metodu jednoparametrové optimalizace, která je realizována jako úloha lineárního programování (LP). Jedná se v tomto pípad o hledání minima vhodn definované úelové funkce, což jsou agregované emise skleníkových plyn. Minima je dosaženo optimální alokací uvažovaných odpadových proud mezi n zdroji a m zaízeními (m << n). Pi modelování optimalizujeme agregované emise skleníkových plyn, a to z následujících dvod: v literatue jsou dostupné informace o emisních faktorech pro uvažovaná zaízení (nákladní automobil, skládka, kompostárna a spalovna), oxid uhliitý, methan a oxid dusný je možno pomocí relativních hodnot GWP (global warming potential) vyjádit jako CO 2 ekv., snižování emisí skleníkových plyn je aktuální téma. Zejména potlaením emisí skládkového plynu se celkové emise CO 2 ekv. v sektoru odpadového hospodáství výrazn sníží. Abychom se bhem vývoje a testování modelu vyhnuli fixaci modelu na konkrétní dopravní infrastrukturu, použili jsme geografických koordinát zaízení a zdroj a skutené dopravní vzdálenosti jsme aproximovali násobkem euklidovské vzdálenosti a prmrné tortuosity (klikatosti), kterou jsme stanovili ze statistického vzorku silnic první a druhé tídy v R. Tímto zpsobem pro zkoumaný scéná dostaneme nejpravdpodobnjší trasy dopravy mezi jednotlivými zdroji a zaízeními, které v dalším kroku lze nahradit skutenými dopravními vzdálenostmi. Je-li pro m zdroj a n zaízení velikost dopravní matice nxm, pak poet nejpravdpodobnjších dopravních tras je zhruba 1,5n. To výrazn redukuje pracnost sestavování dopravní matice, ve které jen ást hodnot jsou skutené silniní vzdálenosti. Pi vývoji modelu jsme se ídili následujícími kriterii: 1. Definice optimalizaní úlohy: Pi vývoji jsme se omezili na minimalizaci emisí skleníkových plyn vznikajících pi doprav, skládkování, spalování a kompostování smsného komunálního odpadu. Modelování tchto emisí je standardní ástí LCA, takže v literatue existují emisní faktory. Jednotlivá zaízení musí být individuáln charakterizována. 2. Škálovatelnost: Model je škálovatelný, tj. umožuje modelovat libovolné množství zdroj (obcí, mstských ástí) a zaízení. Výhoda zvoleného ešení je dána výhodnými vlastnostmi algebraických programovacích jazyk 10 (Schichl, 2010), kam také patí námi užitý jazyk LINGO 11,12 (Schrage a spol., 2006). Velikost optimalizovaného systému (poet zdroj, velikost území, poet technologií, proud, zaízení) je v praxi omezena pouze užitou verzí LP ešitele. 3. Data: Databáze je nezávislá, separátní ást modelu (druhá ást je optimalizaní program). Základní data požadovaná pi modelování musí být dostupná na úrovni obcí (zdroj SKO) a zaízení, tj. množství a složení, zpracovatelské kapacity a technologie, geografické koordináty, poet obyvatel, roní bilance SKO, pevládající typ zástavby apod. Adjustabilní parametry (emisní faktory, spoteby pohonných hmot a energií) mohou být získány z odborné literatury, z provozní dokumentace a povinných hlášení, pípadn expertními odhady. Použití modelu závisí na dostupnosti dat. 4. Verifikace: Již v poátení fázi je vytvoena sada jednoduchých testovacích úloh, které oví správnou funkci bilanních i optimalizaních ástí modelu. 5. Odhad nejistoty výstupních údaj: U tch vstupních veliin nebo adjustabilních parametr, kde prokazateln existuje nejistota, musí být k odhadu nejistoty výstupu užita technika modelování Monte-Carlo (náhodné zmny vstup). Opakovaným provádním optimalizaních výpot je možno odhadnout nejistotu výstup (pravdpodobnostní funkce). 6. Praktická využitelnost: V tomto pípad je to minimalizace celkových emisí skleníkových plyn. Jednoduchou modifikací je možné modelovat nap. emise PM10 do ovzduší psobené sbrem (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 169
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem a dopravou, nebo emise jiných látek ze zaízení do ovzduší a vody. Pi tom optimalizaní ást modelu zstává stejná. 7. Další vývoj: V pípad zájmu praktických uživatel musí zvolená koncepce umožovat další vývoj, nap. databáze technologií a emisních faktor, ukládání scéná, grafické zpracování výstup apod. Z tchto kriterií vyplynula struktura modelu, který je realizován kombinací dvou bžn dostupných programových nástroj: MS Excel a optimalizaní nástroj LINGO (Lindo Systems Ltd.). MS Excel je bžná souást kanceláského balíku MS Office. Optimalizaní nástroj LINGO, který zahrnuje sadu ešitel (LP, non-lp, celoíselné modely, linearizace atd.) a využívá algebraický programovací jazyk, je bezplatn dostupný v demoverzi (siln omezená velikost optimalizaní úlohy). Nástroj LINGO byl zvolen z dvod jeho relativního rozšíení, periodického zdokonalování (up-grade), relativn píznivé ceny, rozsáhlého manuálu s velkým množstvím praktických píklad a konen i podpory, kterou firma Lindo Systems Ltd. poskytla autorovi. Pevod dat mezi optimalizaním nástrojem a databází probíhá technologií OLE, která patí mezi standard zavedený Microsoftem. Výstupy modelování jsou obdobn pevedeny do souboru MS Excel (výsledkové tabulky). Jádrem modelu je optimalizaní procedura, která alokuje SKO (respektive separované složky) mezi zdroji a zaízeními. Modelovaný systém se sestává z následujících soubor: i zdroj SKO, j separaních linek, k bioreaktor a/nebo kompostáren, l zaízení na zpracování druhotných surovin, m zaízení na využití energie, n skládek. Dále model obsahuje sadu tras (dopravní matice), po kterých je odpad alokován. Celkové schema je znázornno na obrázku 1, trasy dopravních tok jsou znázornny šipkami. Schema mže být dle poteby modifikováno. SKO se sestává ze ty složek: bio-odpad (B), recyklovatelný materiál (M), palivo získané z odpadu (F) a inertní odpad (I). Optimalizujeme celkové emise skleníkových plyn a to jak dopravní, tak i procesní. Poty zaízení i jejich prostorové koordináty mohou být rzné; pokud mají nkterá zaízení stejnou geografickou polohu, pak dopravní vzdálenost a emise jsou nulové. Procesní emise závisí na množství zpracovaných složek a technologii, jsou tedy ureny emisním faktorem (množství emisí na 1 tunu zpracované hmoty). Napíklad emise, e, které se vztahují k doprav a separaci množství, q, lze pomocí rovnice (1) vyjádit jako e q( tl / Cveh coll p) (1) kde t a coll jsou emisní faktory pro dopravu mezi zdroji a zaízeními a pro sbr ve zdrojích (jako CO 2 na km), l je transportní vzdálenost (km), C veh je dopravní kapacita vozidla a p je celkový procesní emisní faktor pro danou složku a zaízení. Pro soubor j separaních zaízení lze kvantifikovat agregované emise rovnicí (2) jako E ij( t ij / veh coll q l C p) trasy, zaízení (2) Podobn lze agregované emise poítat pro všechna zaízení. Pak minimum úelové funkce, E (min), je sumou dílích emisních píspvk jednotlivých skupin zaízení, E j, E k,e l, E m a E n, které kvantifikujeme (rovnice 3) pes jednotlivé trasy a alokované kvantity B, M, F a I: E (min) = E j + E k + E l + E m + E n (3) (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 170
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Všechna zaízení mají projektované kapacity C separ, C bio, C mat, C energ, C land, které definují sadu kapacitních omezení (okrajových podmínek). Napíklad pro tídící linku SKO pijímající odpad z i zdroj platí nerovnost (4): C q q q q separ Bi Mi Fi Ii i i i i zdroje (3) Obrázek 1: Celkový diagram modelovaných materiálových tok Dále je model uren hmotovými bilancemi (vstup-výstup), takže nap. pro složku B platí: q q q Bi Bj Bn i j n j j q B Bj Bk k q (1 ) q B Bj Bn k q (4) (5) (6) Separaní úinnosti, jsou zadány pro jednotlivá zaízení a složky SKO a jejich hodnoty se pohybují v intervalu (0, 1). Stejné bilanní vztahy jako jsou popsány rovnicemi 4 6 platí také pro složky M, F a I. Výsledky a diskuse Vývoj a implementace matematických model probíhá v nkolika fázích 10 (Schichl, 2010): od konceptu modelu až po jeho realizaci formou programu a praktickou aplikaci. Vývoj má být tažen poptávkou uživatel. I v tomto pípad je rozhodující, jak model mže pispt k ešení praktických (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 171
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem problém v sektoru odpadového hospodáství. Proto je dležité, aby se názory praktik promítly do rozhodování, zda a jak model dále vyvíjet. Pro poátení testování modelu jsou užity upravené emisní faktory z literatury (tabulka 1). Pro methanogenní rozklad píslušné frakce SKO jsme užili nejjednodušší metodu (Thier 1) doporuenou IPCC 14 (2000), kde se poítá integrální množství vzniklého methanu bez ohledu na asový prbh jeho tvorby. Emisní faktory pro dopravu a sbr odvozujeme ze spoteby nákladních automobil o pepravní kapacit 10 20 tun (4 l nafty/100 t.km), piemž pedpokládáme, že pi sbru vozidlo urazí 1 km/t v režimu popojíždní (spoteba o ca 100 % vyšší). Vývoj methanu je vztažen na jednotkové množství bioodpadu (BRO), který se skládá z frakce potravinových zbytk a 50 % frakce papíru. Frakce RDF se skládá z 50 % papíru a 50 % plast, materiálová frakce se skládá z kov, skla a 50 % plast. Složení frakcí je možno mnit. Tabulka 1: Adjustabilní parametry a emisní faktory Aktivita Methanogenní rozklad BRO Doprava Sbr Kompostování Spalování RDF Frakce B Frakce F Frakce M Emisní faktor 250 m 3 CH 4 /t BRO 0,00025 t CO 2 /t SKO 0,005 t CO 2 /t SKO 0,1 t CO 2 eq/ t BRO 1,9 t CO 2 eq / t RDF 0,35 (bytovky) a 0,15 (rodinné domky) 0,2 (bytovky) a 0,15 (rodinné domky) 0,2 (bytovky) a 0,2 (rodinné domky) Separaní faktory 0,8 V této fázi práce byla testována a odladna vlastní optimalizaní procedura. Všechna vstupní data a adjustabilní parametry jsou obsaženy v excelovém souboru, z nhož jsou exportovány (OLE) do modulu LP (LINGO) a výsledky jsou obdobn importovány zpt do excelového souboru. Výsledkem jsou nejen celkové (píp. dílí) emise CO 2 ekv., ale pedevším alokaní matice, kde jsou pro každou trasu zapsána optimalizovaná alokovaná množství q. Z matic je patrné, kam a v jakém množství je odpad alokován. Podle toho je možné upravit matici transportních vzdáleností a nahradit euklidovské vzdálenosti (korigované tortuositami) vzdálenostmi reálnými (odeet ze silniní mapy). Model byl postupn vyvíjen a realizován v nkolika fázích a to podle použité verze LP ešitele LINGO. Laskavostí firmy Lindo mohl autor testovat po omezenou dobu modely rzné velikosti a složitosti pomocí nové verze LINGO 12 s neomezeným potem promnných, okrajových podmínek a konstant. Další fází výstavby modelu byla konstrukce databáze, která charakterizuje uritý reálný fragment území R se 110 zdroji (obcemi) a celkovou populací 102 tisíc obyvatel, 4 skládkami a reálnými dopravními vzdálenostmi. Každý zdroj je charakterizován dvma typy zástavby (bytovky a rodinné domky), které se liší složením SKO. Byly vytvoeny hypotetické scénáe (tabulka 2). Referenní scéná nejhorší možný pípad s volnými emisemi skládkového plynu. Tetí scéná je hypotetická situace, kdy do modelového území umístíme do konkrétních lokalit (x,y koordináty) nové kapacity tídní SKO (10 tis. tun/rok), energetické využití frakce SKO, kompostování bio-odpadu a pepracování vytídného recyklovatelného materiálu na druhotnou surovinu. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 172
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Tabulka 2: Odhad podílu dopravních emisí CO 2 na celkových emisích CO 2 ekv Scéná Emise (t CO2 ekv) celkové Dopravní emise (t CO2 ekv) % Dopravní emise Volné emise methanu ze skládek 13122,1 115,6 0,88 Souasný stav (kogenenerace, biofiltry, volné emise) Souasný stav + nová kapacita 10 kt/rok (34 %) tídní, kompostování atd. 8164,94 129,65 1,59 5676,93 161,22 2,84 Problém, který je v souasnosti ešen, souvisí s nejistotou složení SKO, kde obsah 4 základních komponent se náhodn pohybuje mezi jednotlivými svozy i lokalitami kolem prmrných hodnot s uritou smrodarnou odchylkou. Složení i variabilita závisí na charakteru zástavby i roní dob. Modelování probíhá pomocí metody Monte-Carlo 13 (Baccou a spol., 2008), kde jsou pomocí pravdpodobnostní funkce (normální statistické rozdlení) mnny náhodn individuální kvantity a kvality SKO u jednotlivých zdroj, což jednoduše umožuje LINGO 12 (stochastický modul). Tak je zkoumáno, jak se nejistoty ve složení a množství odpadu šíí modelem do výstup. Po provedení uritého potu náhodných výpot (100 a více) lze získat stední hodnotu úelové funkce (v tomto pípad agregovaných emisí skleníkových plyn, CO 2 ekv.), ale i urit rozptyl kolem této hodnoty. V závislosti na scénái se ukazuje, že smrodatná odchylka agregovaného výstupu je nižší než u vstupu (složení SKO), takže nap. 20% nejistota složení smsného odpadu se projeví ca 10% nejistotou urení agregovaných emisí. Zajímavý je i podíl dopravních emisí v rzných scénáích. U nejhorší varianty, kdy skládkový plyn voln emituje do ovzduší, je podíl dopravních emisí CO 2 mén než 1 %. Taková referenní varianta v eské praxi ovšem není možná, protože k 2010 jsou uzavené ásti skládek vybaveny jímáním a oxidací methanu. Podíl dopravy roste s rostoucím stupnm oxidace skládkového methanu na oxid uhliitý (biooxidace, fléry nebo energetické využití) a dále se snižuje s podílem kompostování až na cca 3 5 %. Zde je nutno znovu poznamenat, že orientaní emisní faktory pro methanizaci byly získány 15 17 z literatury (Havránek, 2001; Cadena a spol., 2009; Staley a Barlaz, 2009) a bude nutno je konfrontovat s eskou realitou. Pi následovném upesnní emisních faktor vezmeme v úvahu také substituované palivo (nap. národní palivový mix), takže souhrnná redukce emisí skleníkových plyn vzhledem k energetickému využití bioplynu a alternativních paliv využití bude vtší a tím pádem vzroste také podíl dopravy na celkových emisích. Nicmén hlavním faktorem vedoucím ke snižování emisí skleníkových plyn je redukce skládkování BRO (frakce SKO) a integrované materiálové a energetické využití SKO. Posledním problémem, který byl v této fázi modelování ešen, je možnost shlukování malých sídel, respektive jejich piazování k sídlm vtším. V R je pes 6200 obcí, z toho má 22 % více než 1000 obyvatel a 43 % více než 500 obyvatel. V námi modelovaném území má 25 obcí více než 500 obyvatel. Pokud jsme vzali tchto 25 obcí a úmrn jejich velikosti jsme pipoítali cca 25 % odpadu generovaného malými obcemi, pak vzniklá chyba ve výpotu emisí vzhledem k referennímu scénái (dopravní matice pro všech 110 obcí) byla 22 %. Pokud jsme shlukování provádli podle pravidla piti k nejbližší obci s více než 500 obyvateli, pak vzniklá chyba byla asi 5 %. Pokud jsme vytváeli shluky tch obcí, jejichž vzdálenost je menší než 5 km podle pravidla piti k vtšímu sousedovi a spoti vážený prmr frakcí B,F,M a I, pak chyba vzniklá shlukováním byla mén než 1 %. Shlukování malých zdroj SKO redukuje pracnost vytváení databáze zdroj, ovšem za cenu urité systematické chyby. Napíklad u modelování krajských POH, které by zahrnovaly 500 a více zdroj SKO, by se pi chyb urení agregovaných emisí v ádu nkolika % snížily náklady na vytváení databáze zdroj o 50 a více %. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 173
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Závry Využitím algebraického modelovacího jazyka byl vytvoen optimalizaní model emisí skleníkových plyn v soustav zaízení pro integrované nakládání se smsným komunálním odpadem. Model je aplikovatelný na systémy integrovaného nakládání se smsným odpadem na okresní/krajské úrovni, pro posuzování variant EIA, provádní studií SEA, pro územní plánování nebo jako podklad pro LCA. V této fázi je model formulován na úrovni materiálových tok a emisí, nikoliv napíklad jako optimalizaní model energetický nebo nákladový. Základním problémem je dostupnost dat týkajících se nejen parametr jednotlivých zaízení (v tomto pípad provozní kapacity a emisní faktory zaízení), ale zejména neuritost množství a složení smsného odpadu na úrovní zdroj (pvodc SKO). Další vývoj modelu jako PC programu pro kvalifikovaného uživatele bude záviset na zájmu uživatel a jejich názoru na charakter výstup. Klíová je také dostupnost dat (emisní faktory, jednotkové náklady apod. platné pro R). Vzhledem k výhodným vlastnostem algebraického jazyka LINGO lze optimalizaní ást modelu upravit tak, aby bylo možno modelovat i složitjší schemata materiálových tok mezi zdroji a zaízeními, píp. vtší poet složek SKO. Literatura [1] McDougall F. R., White P. R., Franke M. a Hindle P. (2001): Integrated Solid Waste Management: A Life Cycle Inventory (2. vydání s LCA modelem na CD), Procter & Gamble Technical Centres Limited. [2] Berger C., Savard G. a Wizere A. (1999): EUGENE: an optimisation model for integrated regional solid waste management planning, International Journal of Environment and Pollution 12, p. 280 307. [3] De Feo G. a Malvano C. (2009): The use of LCA in selecting the best MSW management system, Waste Management 29 (2009), p. 1901 1915. [4] Ekvall T., Assefa G., Bjorklund A., Eriksson O. a Finnveden G. (2007): What life-cycle assessment does and not do in assessments of waste management, Waste Management 27 (2007), p. 989 996. [5] Koí V. a Kremerová T. (2010): WASTE FORUM 1 (2010), str. 4 17. [6] Wang F.S. (2001): Deterministic and stochastic simulations for solid waste collection systems A SWIM approach, Environmental Modelling and Assessment, 6, str. 249 260. [7] Yeomans J.S. (2006): Application of Simulation-Optimization Methods in Environmental Policy Planning Under Uncertainty, Environmental Informatics Archives 4, str. 167 185. [8] Fiorucci P., Minciardi R., Robba M. a Sacile R. (2003): Solid waste management in urban areas development and application and application of a decision support system, Resources, Conservation and Recycling 37 (2003), p. 301 328. [9] Costi P., Minciardi R,, Robba M., Rovatti M. a Sacile R. (2004): An environmental sustainable decision model for urban solid waste management, Waste Management 24 (2004), p. 277 295. [10] Schichl H. (2010): Mathematical Modeling and Global Optimization, Habilitationsschrift, (http://www.mat.univie.ac.at/~herman/papers.html) vyjde knižn v nakladatelství Cambridge University Press bhem 2010. [11] Schrage L. a spol. (2006): Optimisation Modeling with LINGO, 6th Edition, Lindo Systems Ltd. [12] LINDO Systems Inc. (2009): Manuál LINGO (Users Guide), http://www.lindo.com [13] Baccou J., Chojnacki E., Mercat-Rommens C. a Baudrit C. (2008): Extending Monte Carlo Simulations to Represent and Propagate Uncertainties in Presence of Incomplete Knowledge: Application to the Transfer of Radionuclide in the Environment, J. Environ. Engineering 134 (2008), p. 362 368. [14] IPCC (2000): Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories (ed. Penman J. et al.), http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gp/english/ [15] Havránek M.(2001): Emise skleníkových plyn ze sektoru odpadu v eské Republice, diplomová práce, UK Praha, Ústav pro životní prostedí a HMÚ. [16] Cadena E., Colón J., Sánchez A., Font X. a Artola A. (2009): A methodology to determine gaseous emissions in a composting plant, Waste management 29, p. 2799 2807. [17] Staley F. a Barlaz M.A. (2009): J. Environ. Eng. 135, p. 901 909. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 174
Lubomír Nondek: Optimalizaní model integrovaného nakládání se smsným komunálním odpadem Optimisation model of integrated management of solid municipal waste Lubomír NONDEK Integra Consulting Ltd., Prague Summary A concept of mathematical optimization model formulated as set of sources of SMW and receiving installations has been described. Model is implemented as a combination of an LP solver LINGO and spreadsheet calculator (MS Excel). An algebraic modeling language LINGO enables to formulate the optimization problem in a concise way and the resulting model is easily scalable. It can be used for EIA/SEA or land use planning as a decision support tool. In this case, aggregated emissions of greenhouse gases expressed as CO2 eq. have been minimized. Model involves landfilling, energy utilization, composting and material recycling. Keywords: integrated waste management, solid municipal waste, mathematical modeling, optimization (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 175
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Vladimír Koí a, Tatiana Kremerová b, Zdenka Kotoulová c a Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28 Praha 6. e-mail: Vladimír.Koci@vscht.cz b ETC Consulting Group s.r.o., Kunešova 18, 130 00 Praha 3, e-mail: krecmerova@etc-consulting.cz c Ing. Zdenka Kotoulová SLEEKO, Dtská 288/1915, 100 00 Praha 10, e-mail: kotoulova@quick.cz Souhrn lánek strun shrnuje výsledky LCA porovnání koncept integrovaných systém nakládání se smsným komunálním odpadem v podmínkách eské republiky. V pípad koncept se skládkováním byly uvažovány scénáe s i bez kogenerace jímaného skládkového plynu a v pípad koncept se spalováním s a bez využití popelovin. V lánku je prezentována analýza citlivosti na rznou vzdálenost svozu. Závrem práce je zjištní, že vtší vliv na výsledné environmentální dopady nakládání se smsným komunálním odpadem má volba hlavní technologie (skládkování vs. spalování), než poet vytídných využitelných složek. Klíová slova: oddlený sbr, komunální odpad, posuzování životního cyklu, LCA, integrovaný systém nakládání se SKO, environmentální dopady SKO Obsah 1. Úvod...176 2. Experimentální ást...177 2.1 Koncepty integrovaných systém odpadového hospodáství...177 2.2 Data pro výpoet LCA koncept nakládání s SKO...178 2.3 Struná charakteristika a vymezení platnosti LCA...178 3. Výsledky a diskuse...179 3.1 Posouzení dopad koncept integrovaných systém...179 3.2 Celkové porovnání normalizovaných výsledk...184 3.3 Kolik složek tedy tídit?...184 3.4 Analýza citlivosti na volbu charakterizaní metodiky...185 3.5 Analýza citlivosti na svozovou vzdálenost a emise z dopravy...186 3.6 Omezení studií LCA v odpadovém hospodáství...187 4. Závry...188 5. Seznam symbol a zkratek...189 6. Literatura...190 1. Úvod Srovnání environmentálních dopad provoz skládek a spaloven smsného komunálního odpadu je již delší dobu diskutované téma. Pímé srovnání tchto technologií nedává smysl, nebo spalovna ani skládka nebývá provozována samostatn, ale obvykle v návaznosti na další technologické postupy, napíklad získávání energie i tepla kogenerací. Propojení návazných technologií se skládkami i spalovnami íkáme integrované systémy nakládání s odpady (IS). (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 176
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Vzájemné porovnání environmentálních dopad skládkování i spalování smsného komunálního odpadu v R pomocí metody LCA bylo publikováno ve Waste Forum 2010, 1 1, na které navazovalo posouzení možností oddleného sbru využitelných složek odpad v rámci IS 2. Porovnání integrovaných systém však nemusí být dostatené pro konkrétní regiony a situace, kdy je ást komunálního odpadu tídna a materiálov recyklována, a dále tam, kde svoz a tídní odpadu mže pedstavovat významné zdroje environmentálních dopad. Je-li naším cílem zaadit do celkového environmentálního obrazu nakládání s odpady i tyto zmínné kroky, je již nutno hovoit o environmentálním obrazu koncept integrovaných systém odpadového hospodáství. Tento lánek strun prezentuje výsledky posuzování životního cyklu LCA koncept integrovaných systém nakládání se smsným komunálním odpadem v R, jež jsou výstupem projektu VaV MŠMT 3. 2. Experimentální ást 2.1 Koncepty integrovaných systém odpadového hospodáství Koncepty integrovaných systém byly pro úely studie modelovány pipojením oddleného sbru a recyklace (kompostování) jednotlivých oddlen sbíraných složek k integrovaným systémm obsahujícím jako hlavní technologii bu spalování i skládkování. Podrobný popis integrovaných systém byl zveejnn ve výše zmínné práci 1. V konceptech integrovaných systém byla rovnž modelována peprava SKO. Peprava byla modelována na základ odborných znalostí a také zkušeností získaných ze svozových spoleností. Pro úely této studie byly použity koncepty integrovaných systém (skládkování vs. spalování) hodnoceny pro následující formy oddleného sbru: tísložkový oddlený sbr (papír, plasty, sklo); tysložkový oddlený sbr (papír, plasty, sklo, kovy); ptisložkový oddlený sbr (papír, plasty, sklo, kovy a bio). Vazbu integrovaných systém nakládání s komunálními odpady na ostatní procesy koncept integrovaných systém znázoruje obrázek 1. Obrázek 1: Schéma koncept integrovaných systém nakládání se smsným komunálním odpadem (v tomto pípad pro ptisložkový oddlený sbr KO papír Peprava Rec./Zprac Oddlený sbr plasty sklo Peprava Peprava Rec./Zprac. Rec./Zprac kovy Peprava Rec./Zprac Peprava bioodpad Peprava Rec./Zprac SKO Integrovaný systém nakládání s SKO (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 177
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Výše uvedené koncepty integrovaných systém byly modelovány ve dvou variantách. V pípad koncept zahrnujících skládkování se jednalo o variantu, kdy byl skládkový plyn jímán a v kogeneraní jednotce využíván za úelem výroby elektrické energie a tepla, a o variantu bez kogenerace, kdy jímaný skládkový plyn byl bez užitku spalován na flée. Výroba elektiny a tepla kogenerací byla modelována formou inverzních proces jako tzv. odvrácené emise. V pípad koncept se spalováním (s energetickým využitím) se jednalo o variantu, kdy byly ze spalovny získané popeloviny využity jako stavební materiál (podklady pod silnice), a o variantu bez využití popelovin. Proto v modelování produkcí tohoto materiálu z popelovin nahrazujeme primární výrobu štrkopísku jako konstrukního materiálu, což mže být prakticky i legislativn problematické, pro úely LCA modelování však mže poskytnou zajímavé informace. 2.2 Data pro výpoet LCA koncept nakládání s SKO Sbr dat byl zapoat na poátku roku 2007. Byly pipraveny dotazníky pro jednotlivá zaízení, které byly rozeslány provozovatelm zaízení, které byly pedtím vytipovány. Co se týe spaloven, byly obeslány a kontaktovány všechny spalovny komunálního odpadu v R. Dále bylo kontaktováno 5 zahraniních spaloven. Ze všech obeslaných a kontaktovaných provoz spaloven nám relevantní data pro modelování v LCA softwaru poskytla pouze 1 spalovna (TERMIZO Liberec). Ostatní technologie termické úpravy odpad (pyrolýza, zplyování, plazma) nebyly do studie zahrnuty, nebo tyto technologie jsou v zahranií stále pedmtem výzkumu a poloprovozu a tudíž nebylo možné získat relevantní data pro R. Co se týe skládek, bylo kontaktováno celkem 22 eských provozovatel skládek s jímáním skládkového plynu (bu s jeho následným energetickým využitím nebo bez nho). V projektu nebyly uvažovány skládky nejímající skládkový plyn, protože nesplují podmínky BAT (jejich environmentální dopady jsou vyšší než námi níže prezentované výsledky). Z celkového potu 22 skládek relevantní data poskytlo 7 provozovatel skládek, z toho 2 skládky bez energetického využití skládkového plynu. Je nutno zmínit, že sbr dat pro studie LCA je velmi asov nároný a rovnž je nároný pro poskytovatele dat provozovatele zaízení, nebo data musí asto detailn dohledávat i vyjadovat v jiných bilancích, než je pro n bžné. To mže být jeden z dvod, pro provozovatelé nemají zájem svá data pro úely studií LCA poskytovat. V rámci této studie byli osloveni pouze provozovatelé mající integrované povolení, nebo byla oekávána jejich lepší komunikace s veejností. Nicmén jak vyplývá z pedchozího odstavce, ani provozovatelé vlastnící integrované povolení nemají vždy o poskytnutí informací veejnosti zájem. Data byla uložená ve form jednotkových a složených proces v databázi LCA software GaBi (PE International). Data jsou použitelná pro jakýkoliv další projekt a kdykoliv se dají upravit na základ novjších informací o technologiích i provozovaných zaízeních. 2.3 Struná charakteristika a vymezení platnosti LCA Pro výpoet inventarizace životního cyklu i pro následnou charakterizaci environmentálních dopad byla zvolena funkce nakládání se smsným komunálním odpadem v reálných podmínkách R se zohlednním BAT technologií. Funkní jednotka byla zvolena jako odstranní roní produkce SKO jednoho tisíce ekvivalentních obyvatel, tudíž referenní tok pak byl uren jako 301 tun SKO. Hranice systému byly zvoleny v maximální dostupné šíi od vložení SKO do sbrné nádoby až po energetické, materiálové využití výstup z proces nakládání nebo jejich odstranní. Do hranic systému byla zahrnuta i údržba zaízení pro nakládání s SKO. Vzhledem k velikosti referenního toku nebyly do hranic systému zahrnuty vstupy a výstupy výroby i výstavby samotných zaízení ani výroba sbrných nádob, je to jednak v souladu s obdobnými studiemi provádnými v zahranií a za druhé to odpovídá pedpokladu, že podstatou LAC bylo posuzování provozu nakládání s odpady, nikoli vybudování zaízení a vytvoení potebné infrastruktury. Zvoleným rokem, pro který byly data sbírána a realizovány výpoty, byl rok 2007. Uvažován byl bžný smsný komunální odpad pocházející z domácností v R. Byly zvoleny parametrizované hodnoty jeho složení pro možnost hodnocení variant (tí, ty a ptisložkový oddlený sbr). Za hlavní složky smsného komunálního odpadu byly považovány papír (+ lepenka), bioodpad, sklo, nebezpený odpad, minerální odpad, hliník, železo, ostatní kovy, PE, PP, PET, PS, PU, pryž, textil (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 178
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA a devo. A se tato studie omezuje pouze na smsný komunální odpad prmrného složení v R, mže být vytvoený model snadno pizpsoben i na jiný druh odpad. Pi modelování koncept integrovaných systém zahrnujících skládkování byl uvažován s ohledem na provozní data a publikované zkušenosti 4,5 20% únik skládkového plynu do ovzduší a 20% únik prsakových vod ze skládky (oznaeno zkrácen 20/20). V pípad, že uvažujeme scéná 30% úniku skládkového plynu a 10% prsak skládkových vod, oznaujeme jej jako 30/10. Složení prsakových vod bylo modelováno dle prmru za 30 let 4, nebo reálné prmry složení skládkových vod pro modelované skládky byly pouze pro 2 3 roky, což neodráží dlouhodobé psobení odpad v tlese skládky. Do modelu integrovaného systému byly zahrnuty emise plyn do ovzduší z provozu mobilní techniky používané pro mechanickou úpravu povrchu skládky. Množství emisí bylo ureno na základ množství spotebovaných paliv. Charakteristika zneišujících látek do ovzduší z procesu provozu mobilní techniky vychází ze studie IWM LCA 5. V procesu skládkování nejsou uvažovány dopady spojené s produkcí vody potebné pro prmyslové užití, dopady spojené s produkcí a užitím prostedk k deratizaci a dopady spojené s výrobou ochranných sítí. Pi modelování integrovaných systém zahrnujících proces spalování odpad byly použity následující pedpoklady. Pro inventarizaci tok souvisejících s odstraováním materiálových výstup ze spalování na skládce (popílek, struska, filtraní kolá) a pro inventarizaci použití popelovin jako konstrukního materiálu byla použita data z projektu IWM LCA 5. V pípad spalování s využitím popelovin, pedpokládáme 95% využití vstupního odpadu. Environmentální dopady a výsledky indikátor kategorií dopadu byly hodnoceny metodikou CML 2001 a pro analýzu citlivosti volby charakterizaního modelu rovnž metodikou EDIP 2003. Více podrobností k uvedeným metodikám lze nalézt v publikace Posuzování životního cyklu LCA 6. 3. Výsledky a diskuse 3.1 Posouzení dopad koncept integrovaných systém Modelování koncept integrovaných systém sestává z pipojení oddleného sbru a následné recyklace/kompostování vytídných složek ke konkrétnímu integrovanému systému. V pípad koncept IS jsme modelovali pro každý koncept IS i variantu se zalenním dopravy. V grafech pak mžeme vidt i píspvek dopad pipadající na pepravu SKO v rámci konceptu IS. Environmentální dopady posuzovaných koncept se vztahují k referennímu toku (301 tun SKO). Pepravu v rámci jednotlivých koncept IS jsme modelovali na základ získaných dat ohledn pepravních vzdáleností a spoteby pohonných hmot z praxe. Tato data (tabulka 1) pak byla konzultována ješt s odborníky v této oblasti. Tabulka 1: Údaje o spoteb pohonných hmot ve fázi sbru, svozu, pepravy SKO Technologie a kapacita zpracování SKO Svozová oblast Sbr a svoz Pekládka Peprava Spalování Zaízení o kapacit 100 300 tis. t/rok Skládkování Zaízení o kapacit 20 30 tis. t/rok Zdroj: Sleeko, 2009 450 1400 tis. obyvatel, území kraje 90 140 tis. obyvatel, území okresu 15 20 km/jízdu; 8 t/jízdu; 65 l nafty/100 km; 13 38 tis. jízd/r; 195 760 tis. km/r; 130 500 tis. l/rok 1,3 1,7 l/t 15 20 km/jízdu; 8 t/jízdu; 65 l nafty/100 km; 2,5 3,8 tis. jízd/r; 38 76 tis. km/r 25 50 tis. l/rok 1,3 1,7 l/t 4 pekládací stanice; 25 75 tis. t /stanici/rok; 1,8 l nafty/t; 45 135 tis. l/stanici/rok; 180 540 tis. l/spalovnu/rok; 1,8 l/t bez pekládky 40 80 km/jízdu; 20 t/jízdu; 50 l nafty/100 km; 5 15 tis. jízd/r; 200 1200 tis. km/r; 100 600 tis. l/stanici/rok; 400 2400 tis. l/spalovnu/rok 4 8 l/t bez pekládky (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 179
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Výsledky materiálové náronosti jednotlivých koncept integrovaných systém jsou znázornny v následujících grafech. Jelikož emise z pepravy na rznou vzdálenost mohou teoreticky pedstavovat významný píspvek k environmentálním dopadm a k surovinové náronosti daného konceptu, urili jsme vliv koncept se zahrnutím pepravy i s jejím vylouením (T0). Vlivu pepravy se ješt budeme vnovat podrobnji v analýze citlivosti. Oznaení koncept v grafech je následující: SKL skládkování bez využití skládkového plynu; SKL T0 koncept IS skládkování bez kogenerace s vylouením vlivu pepravy (svozu a transportu); SKL KG koncept IS skládkování s kogenerací; SPA koncept IS spalování bez využití popelovin; SPA Pop koncept IS spalování s využitím popelovin. Není-li v grafech oznaeno u konceptu SKL procentuální množství úniku skládkového plynu i prsakových vod, jedná se o scéná 20/20. Barevn (a ísly 3,4,5) jsou v grafech odlišeny tí, ty a ptisložkové oddlené sbry. Záporné hodnoty spoteby surovin znamenají, že daný systém v dsledku recyklace danou surovinu produkuje tedy šetí její spotebu na výrobu jiných produkt. Obvykle se jedná o úspory surovin v dsledku získávání elektrické energie a tepla kogenerací. Zdánlivou neloginost záporných hodnot lze vysvtlit skuteností, že SKO je v modelech LCA považován jako vstup. Tudíž je i nositelem využitelných surovin i energií. Obrázek 2: Spoteba ropy a uhlí jednotlivých koncept IS Obrázek 3: a) Spoteba zemního plynu jednotlivých koncept IS; b) Spoteba surovin vyjádená jako indikátor kategorie dopadu úbytek abiotických surovin ADP dle metodiky CML 2001 (a) (b) Poznámka: V grafech uvedené íselné hodnoty odpovídají vždy prostednímu sloupci z trojice, tedy 4 složkovému oddlenému sbru. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 180
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Vliv zmny scénáe dopravy je patrný pedevším u spoteby ropy. U ostatních koncept hraje minimální roli. V následujících grafech uvádíme již pouze srovnání environmentálních dopad koncept se zapoítáním dopravy a svozu. K vlivu dopravy na celkové hodnocení se vrátíme až závrem lánku pi diskutování analýzy citlivosti na dopravní scénáe. Z graf je vidt, že všechny posuzované koncepty IS se v dsledku využívání odpad jako surovin a také v dsledku recyklace jednotlivých oddlen sbíraných odpad podílejí na surovinových úsporách to je vyjádeno zápornými hodnotami spoteby surovin. Z tohoto pohledu tedy lze na nakládání s odpady pohlížet jako na získávání (úsporu) surovin. Akoli koncepty IS se skládkováním vykazují nejvyšší úspory ropy, u ostatních surovin jsou úspornjší koncepty IS se spalováním. Celkov nejvtší úspory surovin, vyjádené metodikou CML 2001 jako ADP (kg SB-Equiv.), vykazují IS se spalováním. Již zde si mžeme všimnout, že míra separace (tí, ty i ptisložkový sbr) má výrazn menší vliv na hodnocení koncept IS ve srovnání s volbou IS (skládkování/spalování). Nyní se vnujme konkrétním environmentálním dopadm koncept IS. Metodika CML 2001 vyjaduje environmentální dopady posuzovaných systém pomocí pesn definovaných midpointových 1 kategorií dopadu. Výsledky charakterizace uvádíme v následujících grafech pro jednotlivé kategorie dopadu pomocí odpovídajících indikátor kategorií dopadu. Samozejm, že by bylo možné prezentovat rozdíly mezi jednotlivými koncepty IS s ohledem na jednotlivé škodlivé látky (nap. CO 2, SO 2, kovy atd.), množství graf by však neúmrn narostlo, nebo sledovaných položek v našem modelu je cca 700. Agregace látek se stejnými environmentálními úinky do pesn definovaných kategorií dopadu umožuje v LCA následující prezentaci práv jen pomocí nkolika kategorií dopadu. Obrázek 4: Výsledky indikátoru kategorie dopadu a) acidifikace AP a b) eutrofizace EP pro jednotlivé koncepty IS dle metodiky CML 2001!"#$%!"#$%!"#$% a) b) Pro kategorii dopadu acidifikace (obrázek 4a) pedstavují nejvýznamnjší pispvatele koncepty IS zahrnující skládkování, a to s i bez kogenerace. Koncept SKL s kogenerací je však již v záporných hodnotách, podílí se tedy na úsporách acidifikace. Zde hovoíme o tzv. odvrácených emisích, tedy emisích které v dsledku nap. produkce elektrické energie kogenerací nebyly vypuštny. Koncepty IS se skládkováním vetn kogenerace a koncepty IS se spalováním se díky produkci elektrické energie a recyklaci oddlen sbíraných odpad, jejichž pínos byl zahrnut formou inverzních tok k procesu výroby elektrické energie v energetickém mixu R a k procesm výroby primárních materiál (papír, plasty, sklo), mají naopak pozitivní vliv na acidifikaci práv tím, že elektrickou energii produkují. Jelikož je úspora acidifikujících látek v tchto konceptech IS vyšší než jejich dopady, mají tyto koncepty IS na acidifikaci zápornou (tedy pro prostedí pínosnou) bilanci. Nejmenší dopady na acidifikaci mají koncepty IS se spalováním. 1 Midpointové kategorie dopadu vyjadují míru potenciálního zásahu do prostedím na základ srovnání vlastností emitovaných látek, zatímco endpointové kategorie na základ pozorovaných projev v prostedí. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 181
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Kategorie dopadu eutrofizace (obrázek 4b) je nejvíce zasažena koncepty IS zahrnujícími skládkování, a to zejména není-li zaazena kogenerace. Koncepty IS se spalováním jsou vi eutrofizaci ádov šetrnjší. Obrázek 5: Výsledek indikátoru kategorie dopadu a) globální oteplování GWP a b) úbytek stratosférického ozónu ODP pro jednotlivé koncepty IS dle metodiky CML 2001 a) b) Pomrn vysoké dopady na globální oteplování (obrázek 5a) mají koncepty IS se spalováním, což není pekvapením, nebo pro proces spalování se používá palivo, vtšinou na bázi fosilních paliv zemní plyn, které je zdrojem CO 2 ve spalinách. Jelikož se dopady koncept IS se skládkováním zdají z pohledu globálního oteplování jako šetrnjší, je nutné pipomenout, že se jedná o modelování koncept se skládkováním, kde je do prostedí emitováno pouze 20 % skládkových plyn. V pípad, že se do prostedí ze skládkového tlesa uvoluje již 30 % emisí, jsou dopady na globální oteplování koncept se skládkováním bez provozu kogenerace vyšší než u koncept se spalováním. Úinnost jímání skládkového plynu (zejména hranice 20 30 %) je tedy významným faktorem ovlivujícím, zda je koncept se skládkováním horší i lepší s ohledem na globální oteplování. Dopady všech koncept IS na kategorii dopadu úbytek stratosférického ozónu (obrázek 5b) jsou pomrn malé, tudíž tato kategorie dopadu nemá pro vzájemné porovnání IS reálný smysl. Také všechny posuzované koncepty IS nabývají záporné hodnoty, tedy dosahují úspor. Kategorie dopadu vznik fotooxidant (obrázek 6a) je nejsilnji vyvolávána emisemi z koncept IS se skládkováním bez využití skládkového plynu. V pípad zahrnutí kogenerace je situace ádov lepší. Koncepty IS se spalováním vykazují ovšem ješt nižší vliv na vznik fotooxidant. Interpretan zajímavá je kategorie dopadu humánní toxicita a ekotoxicita (obrázek 6b d). Uvedený graf jednoznan ukazuje vyšší dopady koncept IS se spalováním na tyto kategorie dopadu, a to zejména v pípad využití popelovin. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 182
Vladimír Koí, Tatiana Kremerová, Zdenka Kotoulová: Koncepty integrovaných systém nakládání s komunálním odpadem v R z pohledu LCA Obrázek 6: Výsledek indikátoru kategorie dopadu a) tvorba fotooxidant POCP, b) humánní toxicita HTP, c) sladkovodní ekotoxicita FAETP a d) terestrická ekotoxicita TETP pro jednotlivé koncepty IS dle metodiky CML 2001 a) b) c) d) Jak je možné, aby recyklace materiálu mla takto nepíznivý vliv? Je to zpsobeno skuteností, že v popelovinách obsažené kovy se aplikací na povrch terénu mohou teoreticky uvolnit do ekosystému a potravním etzcem se posléze dostat až k lovku. Pakliže není takovýto expoziní scéná pesnji modelován, poskytuje tento LCA výpoet hodnotu nejvíce nepíznivého scénáe. Jelikož se však nejedná o reálný expoziní scéná (popeloviny ze spaloven se nesmjí voln ukládat na povrch terénu), lze tento výsledek pro praktické realizace odmítnout. Modelování toxicity (a ekotoxicity) v LCA je však dosud považováno za problematické. Krom nkterých metodických nedostatk se pedevším jedná o problém srovnávání globálních kategorií dopadu (globální oteplování, ozónová díra...) s lokálními kategoriemi, jako jsou práv toxicita a ekotoxicita. Nejvtším problémem pro naše srovnání skládek a spaloven pomocí LCA je ovšem rozdíl v dostupných datech vypouštných emisí. V emisích ze spaloven je sledován znaný rozsah látek, jenž je u skládek výrazn nižší. Jelikož naším cílem bylo namodelovat maximální možné množství dostupných dat, provedli jsme naše výpoty se zahrnutím všech emisí monitorovaných spalovnami. U skládek se ovšem jednalo o výrazn menší množství dat. Tento rozpor vychází z rozdílných požadavk kladených na sledování emisí z rzných zaízení. Dopady provozu skládek na humánní toxicitu, tak jak jsou prezentovány v pedchozím grafu, považujeme tedy za znan podhodnocené. Pro kvalitní zhodnocení environmentálních dopad toxických emisí ze skládek a ze spaloven by bylo nutné provést detailní monitoring a zjištná data použít pro úpravu LCA výpot. Vhodné sady dat však dosud nemáme k dispozici. (Patronem píštího ísla mže být i vaše firma!) 4 " 5 6 7 $ & ' ()* +*, -, 183