Sofistikované výpočtové nástroje pro koncepční návrh spaloven a jejich praktické aplikace Martin Pavlas, Radovan Šomplák Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Technická 2, 616 69 Brno, Česká Republika; e-mail: pavlas@fme.vutbr.cz; tel.: +420 5 4114 2367 ABSTRAKT Příspěvek reaguje na aktuální výzvy v oblasti podpory změny způsobu nakládání s komunálními odpady, tj. přechodu od jeho odstranění skládkováním k jeho hodnotnějším formám využití (zejména energetickému). V návaznosti na dříve publikované výstupy komplexní studie v oblasti energetického využití odpadů je představen nový výpočtový nástroj, který umožňuje komplexní přístup k řešení složitých interakcí souvisejících se zaváděním ekonomických nástrojů a legislativy v této oblasti. V příspěvku je představen princip nástroje a několik ukázek jeho aplikace při řešení praktických úloh. Důraz je kladen na srozumitelnou formu prezentace výsledků. 1. ÚVOD V roce 2011 byla zpracována rozsáhlá studie [1], která zasahovala do oblastí odpadového hospodářství a energetiky (resp. teplárenství) a která se zabývala: vyhodnocením potenciálu odpadu k energetickému využití v regionech lokalizací vhodných míst pro nová zařízení pro energetické využití odpadů (EVO) z hlediska množství dostupných odpadů a možné dodávky tepla identifikací budoucích investičních záměrů a kvantifikací celkových nákladů potřebných na výstavbu těchto zařízení kvantifikací optimální veřejné podpory (investiční a provozní) a vyčíslení dopadu na konečného spotřebitele. Hlavní závěry studie byly prezentovány v několika článcích [2],[3],[4]. Výstupy studie byly zadavatelem využity jako podpůrné argumenty a podklady k přípravě strategických dokumentů, mezi něž patří: Zákon č. 165/2012 Sb.; o podporovaných zdrojích energie a změně některých zákonů, které umožnily podporu výroby elektřiny a tepla v zařízeních EVO stejně jako je tomu u zařízení spalujících biomasu (viz dále) Akční plán pro biomasu v ČR na období 2012-2020 Surovinová politika České republiky. Dne 12.9.2012 byl vládou schválen Akční plán pro biomasu v ČR na období 2012 2020 (AP). Mezi biomasu se rovněž řadí biologicky rozložitelná část komunálních odpadů (BRKO). Energetický potenciál BRKO obsažený pouze ve směsném komunálním odpadu (SKO) je odhadován na přibližně 16 PJ/rok. Údaj vychází zejména z prognózované produkce SKO v roce 2020 3 986 kt/rok a dopočtu množství SKO v roce 2020, které bude nutné
odklonit od skládkování (cca 2 850 kt SKO) pro zajištění cíle ČR daného směrnicí 1999/31/ES [1],[4]. V doporučeních AP lze najít konstatování, že je nutné podpořit investice do výstavby zařízení na energetické využití odpadu pro zajištění využití výše zmíněného potenciálu BRKO ve SKO. Dalším podstatným dokumentem, který se dotýká budoucnosti EVO v ČR je Plán odpadového hospodářství ČR na období 2013 až 2022 (POH). Jeho pracovní verze ze září 2012 ve svých prioritách obsahuje nutnost energetického využití směsných komunálních odpadů a z ní plynoucí možnost výstavby nových zařízení EVO. POH reflektuje závěry výše uvedené studie [1] a konstatuje, že se jeví reálná výstavba 11 zařízení o souhrnné kapacitě 2230 kt/rok. Vhodné lokality pro výstavbu EVO vycházející ze současného požadavku na efektivní využití uvolněné energie v rámci teplárenství, ukazuje obr. 1. V krátkodobé prioritě (do roku 2016) uvádí návrh POH: potřebu zavedení nových ekonomických nástrojů v rámci odpadového hospodářství (skládkovací poplatek apod.) nutnost začít energeticky využívat SKO a to i v dosavadních teplárenských zařízeních uvedení klíčových zařízení do provozu. Poplatek za skládkování odpadů v současné výši (500 Kč/t jako kompenzační poplatek), neplní dostatečně zamýšlenou funkci, protože v současnosti nejsou jiné možnosti k řešení SKO. Cílem POH je potřeba průběžně upravovat poplatek za skládkování KO tak, aby jeho výše znevýhodňovala skládkování všech druhů odpadů, včetně těch, které obsahují biologicky rozložitelnou složku. Poplatky se tedy budou průběžně upravovat, zvyšovat a tak stimulovat používání alternativních metod nakládání s komunálními odpady. Přestože POH blíže nespecifikuje budoucí výši poplatku, v průběhu roku 2012 byla diskutována částka až téměř 3000 Kč/t skládkovaného SKO po roce 2020. Legislativní zakotvení výše uvedených priorit vedoucích k naplnění POH a uplatnění zařízení EVO by mělo být realizováno novým zákonem o odpadech (ZoO) resp. novelou zákona stávajícího. Vzhledem k faktu, že jeho příprava i projednávání jsou značně problematické, je v současné době jediným uchopitelným nástrojem podpory zařízení EVO podpora výroby elektrické energie a tepla vyrobené z odpadů dle zákona č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie. V souladu se závěry a doporučeními výše zmíněné studie [1] není dnešní míra provozní podpory zařízení EVO dle zákona č. 165/2012 Sb. dostatečná pro zajištění ekonomické udržitelnosti většiny uvažovaných projektů. Proto je nutné hledat další způsoby jejich podpory a tyto ekonomické nástroje vhodně nastavit s ohledem na možné budoucí scénáře vývoje klíčových parametrů.
Obr. 1. Možné rozmístění zpracovatelských kapacit pro naplnění závazku ČR v roce 2020 vycházející z předpokladu maximálního využití energie vázané v odpadech v sítích CZT [1] Efektivní plánování nových zařízení pro nakládání s odpady a související infrastruktury není možné bez znalosti budoucích cen na bráně, které zajistí ekonomickou rentabilitu jednotlivých projektů. Ta je výrazně spjata s legislativou a zavedením ekonomických nástrojů v oblasti OH a jejich správnému parametrickému nastavení. Vzhledem k obecně složitým vazbám se jedná o komplexní úlohu - intuicí špatně řešitelnou. Oddělené posuzování jednotlivých lokalit vytržených z kontextu okolí, bez respektování vzájemné interakce mezi projekty může vést k chybným závěrům. V takové situaci je nutné disponovat výpočtovým nástrojem, který se dotýká následujících bodů: vhodné lokality pro výstavbu zařízení o jejich optimální kapacita popis toku odpadu (materiálu) v rámci sledovaného území podpora návrhu logistického řetězce (svozová vozidla, překládací stanice, silniční a železniční doprava) hodnocení atraktivity záměrů dostupnost odpadu a očekávaná cena za zpracování. podpora zavádění legislativních opatření. 2. Logistický problém pro plánování v oblasti odpadového hospodářství 2.1 Hlavní myšlenka Na pracovišti ÚPEI VUT Brno byl vyvinut komplexní optimalizační nástroj, který dává do souvislosti výše uvedené aktuální otázky a problémy. Jeho Hlavní idea vychází z následujícího jednoduchého principu: Vlastník odpadu (obec) se rozhoduje, jak s odpadem (SKO) naloží, přičemž kritériem je dosažení nejnižší ceny. Ta je dána cenou za zpracování v daném zařízení (tzv. gate-fee) a cenou dopravy (resp. nezbytného logistického celku). Tato hlavní idea je zobrazena na obr. 2.
? Obr. 2. Hlavní myšlenka nového výpočtového nástroje pro podporu plánování zařízení v oblasti odpadového hospodářství Z matematického pohledu se jedná o řešení tzv. svozové (logistické) úlohy spalitelných odpadů na území ČR do jednotlivých zařízení (existujících i potenciálních v budoucnu - EVO, MBÚ) schopných nakládat s komunálním odpadem. Území ČR je rozděleno do více než 220 bodů (dále jen uzel modelu), které popisují lokality na úrovni obcí s rozšířenou působností (ORP). Pro každý uzel jsou definovány potřebné vstupní a okrajové podmínky. 2.1 Vstupy a okrajové podmínky výpočtu V souladu s realitou úloha vyžaduje následující vstupy: 1) Popis existující dopravní infrastruktury (silniční a železniční síť) mezi jednotlivými uzly a vzdálenosti dopravních úseků (existence spojnic mezi jednotlivými body je patrná z obr. 3). 2) Informaci o zařízeních definující konkurenční prostředí mezi zpracovateli SKO: existující skládky kategorie OO. Informace pro vytvoření modelu byly čerpány z [5] a dokumentací EIA. Výpočet zohledňuje roční kapacitu jednotlivých skládek existující zařízení EVO (ZEVO Malešice, TERMIZO Liberec, SAKO Brno), připravované projekty (zejména ZEVO Chotíkov u Plzně a EVO Most Komořany) a možných dalších lokalitách pro výstavbu EVO a jejich kapacitním řešení (viz výstup studie [1]), popř. další studie na úrovni samospráv informace o připravovaných zařízeních MBÚ a nezbytných koncovkách pro energetické využití lehké frakce. Potenciální vznik zařízení MBÚ může být uvažován v libovolném uzlu, přičemž jsou primárně preferována místa existujících skládek OO. Jejich kapacita musí být dostatečná pro uložení odpadního proudu z MBÚ (podsítné frakce). Protože proces MBÚ představuje pouze mezičlánek celého řetězce, pro vzniklou výhřevnou frakci musí existovat zdroj, který je schopný tento produkt bezpečně a šetrně zpracovat. Přehled provozů, které deklarují schopnost spoluspalovat kalorické výstupy z MBÚ, lze nalézt v [1]. Aktualizaci dat pro konkrétní subjekt uvádí [6]. V souladu se závěry studie [1] a článkem [3] chápeme proces MBÚ jako doplňkové, nesystémové řešení pro plošnou aplikaci v podmínkách ČR
3) Statistické informace z oblasti odpadového hospodářství a výhledy pro jednotlivé uzly: počet obyvatel, měrná produkce odpadů, efektivita systému tříděného sběru, výhřevnost odpadu apod. 4) Cenové modely, výhledy a predikce: dopravní náklady na svoz po silnici popř. po železnici ceny energií teplo v jednotlivých lokalitách, elektřina nastavení zpracovatelských poplatků na bráně EVO a MBÚ - vychází z technicko-ekonomických modelů, kterými autoři disponují. Potřebné modely, vstupní data a okrajové podmínky pro výpočty pracoviště ÚPEI VUT Brno neustále zpřesňuje v součinnosti se subjekty věnujícími se dané problematice na národní i mezinárodní úrovni. Obr. 3. Rozdělení území do uzlů, dopravní (silniční) infrastruktura modelu a klíčové prvky 2.3 Postup výpočtu Vzhledem k univerzálnosti nástroje existuje mnoho variací nastavení úlohy, která se liší svou složitostí, výpočtovou náročností, požadavky na vstupní data a zejména tím, co má být spočítáno (množina neznámých hodnot). Pro lepší představu čtenáře je v následujícím textu popsán jeden z možných výpočtů. Pro uvažované lokality EVO je zadána fixní zpracovatelská kapacita nebo její maximální výše. Externími modely se dopočítají ceny na bráně, které zajistí požadovanou návratnost. Základní úloha uvedená výše je současně řešena pro všechny uzly (všechny ORP) s cílem nalézt místa zpracování odpadu pro každý uzel tak, aby celkové náklady pro všechny obce byly minimální. Současně je navržena optimální kapacita EVO. Pokud je to ekonomicky výhodné, jsou navržena místa pro vznik zařízení MBÚ, jejich kapacita a místa zpracování lehké frakce. Pokud je to výhodné, je navržena v určitém místě překládací stanice. Současně je získána informace o toku materiálu na celém území.
Je evidentní, že s ohledem na časový okamžik, pro který se úloha počítá (rok, většinou 2020 a dále) vstupuje do výpočtu celá řada nejistot (např. produkce odpadů, výhřevnost, cena uhlí, vývoj legislativy). Tyto aspekty přitom budou mít zásadní dopad na ekonomiku jednotlivých projektů (EVO i MBÚ) a mají přímou souvislost s cenou na bráně. Vzhledem k neurčitému vývoji vstupních parametrů jsou klíčové výstupy podrobeny statistické analýze. Pro neurčité vstupní parametry jsou generovány pravděpodobné scénáře, které následně vstupují do technicko-ekonomických modelů a dále přes cenu na bráně do vlastní optimalizační úlohy. Úloha je tedy počítána pro více možných realizací neurčitých parametrů v budoucnosti. Je volen dostatečný počet simulací (řádově stovky) tak, aby výsledky umožňovaly následné statistické zpracování výsledků (pravděpodobnostní funkce, histogramy apod., příklady viz dále). 3. Praktické aplikace, příklady výstupů a možné modifikace úlohy Optimalizační nástroj umožňuje komplexní plánování v odpadovém hospodářství. Cíle výpočtu a tedy i výstupy se mohou lišit dle konkrétní úlohy a požadavků subjektu, pro který se výpočet provádí (potenciální investor, dotčená ministerstva, samospráva kraj nebo konkrétní obec). Mezi dílčí úlohy může patřit: vyhodnocení rizikovosti projektu, schopnosti naplnit určitou zpracovatelskou kapacitu optimalizace umístění překládacích stanic vyhodnocení toku odpadu v rámci území, výpočet celkových resp. průměrných nákladů na zpracování SKO a dopravu plánování železniční dopravy SKO vyhodnocení dopadu legislativních změn na způsob nakládání se spalitelným SKO (dopad výše skládkovacího poplatku na tok odpadu v rámci ČR, zákaz skládkování) posouzení možnosti přeshraničního transportu SKO do zahraničí za účelem jeho energetického využití. V následujícím textu jsou prezentovány výsledky různých testovacích výpočtů. Cílem není přímá diskuse výsledků, ale ukázka možností a přínosů systému. Proto je většina grafů prezentována bez uvedení konkrétního jména a v některých případech i konkrétních čísel u cenových funkcí. První příklad, obr. 4 a) a b), ukazuje porovnání rizikovosti dvou projektů EVO v různých lokalitách. Dva projekty se stejnou uvažovanou kapacitou (cca 150 kt) zcela jinak reagují na potenciální riziko spojené s dostupností odpadu v daném regionu. Výpočty byly provedeny pro dva odlišné scénáře (PRO - PRO legislativní prostředí podporující EVO i MBÚ, PRO- PROTI - legislativní prostředí podporující pouze EVO). Výstupem je informace o spolehlivosti naplnění určité kapacity (nepřímá souvislost s rizikovostí projektu). Z tohoto pohledu je projekt v lokalitě X velmi rizikový, projekt v lokalitě Y pak velmi atraktivní.
Spolehliost Spolehlivost Spolehlivost 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Lokalita X PRO - PRO PRO - PROTI 0 50 100 150 200 250 Zpracovatelská kapacita [kt/rok] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Lokalita Y PRO - PRO PRO - PROTI 0 50 100 150 200 250 Zpracovatelská kapacita [kt/rok] a) Rizikový projekt b) Atraktivní projekt Obr. 4. Posouzení spolehlivosti naplnění kapacity (rizikovosti) dvou různých projektů pro dva scénáře které odráží možný vývoj v legislativě a její dopad na konkurenceschopnost EVO a MBÚ Druhý příklad, obr. 5, pak dává do souvislosti rizikovost obou projektů v závislosti na budoucí výši skládkovacího poplatku. Projekt Y zůstává velmi rizikový i při vysoké ceně skládkovacího poplatku. 100% 80% 60% Lokalita Y Lokalita X 40% 20% 0% 1000 1500 2000 2500 3000 Skládkovací poplatek [Kč/t] Obr. 5. Posouzení spolehlivosti naplnění kapacity (rizikovosti) dvou různých projektů v závislosti na výši skládkovacího poplatku Z dopravní úlohy je možno vyhodnotit toky odpadu v rámci ČR případně i do zahraničí. Ilustrativní mapa svozových oblastí jako výstup simulací vycházející ze situace dle [1] je znázorněna na obr. 6. Výpočet demonstruje příklad, kdy většina odpadu byla zpracována v zařízeních EVO a pouze minoritní část produkce SKO v zařízeních MBÚ nebo na skládkách. Pro přehlednost jsou zobrazeny pouze svozové oblasti zařízení EVO. Zařízení MBÚ ani funkční skládky nejsou zobrazeny. Důležitým výstupem, který výpočet poskytuje, je informaci o budoucí intenzitě přepravy odpadů k energetickému využití. Již ve fázi přípravy koncepce OH lze vyhodnotit vytížení dopravní infrastruktury, resp. určit problematická místa z pohledu logistiky.
Obr. 6. Výsledky dopravní úlohy svozové oblasti, situace vychází z konfigurace zařízení dle [1]a obr. 1 Jedním z klíčových výsledků optimalizační úlohy je informace o budoucích nákladech na zpracování SKO, které mohou vlastníci SKO (obce) v jednotlivých lokalitách (ORP) ČR očekávat. Příklad vizualizace výsledků jednoho konkrétního scénáře je bez dalšího komentáře uveden na obr. 7. Tímto způsobem lze zcela jasně argumentovat budoucí význam zařízení EVO pro cenově přijatelné a zároveň k životnímu prostředí šetrné nakládání s odpady. Obr. 7. Příklad vizualizace výsledků - mapa nákladů na zpracování SKO
Agregovaná data za celou ČR lze rovněž využít pro argumentaci přínosů a dopadů nastavení ekonomických nástrojů v oblasti OH. Výpočty ukazují, jak budoucí výše skladovacího poplatku může ovlivnit tok odpadu do jednotlivých zařízení. Ze simulací je pak patrné, jak se vzrůstajícím poplatkem vyplácí a realizují další projekty EVO, čímž klesá podíl skládkovaných odpadů. Výsledky výpočtu lze následně dát do relace s cíli odklonění SKO ze skládek. Autoři článku pracují na zpřesnění podstatných vstupů a ekonomických modelů tak, aby v brzké době mohly být prezentovány konkrétní výsledky a doporučení k nastavení výše skládkovacího poplatku. ZÁVĚR V příspěvku byl představen nový optimalizační nástroj pro plánování zařízení (zejména spaloven SKO) a související logistické infrastruktury v oblasti nakládání s komunálními odpady. Nástroj vychází z principu tzv. transportní úlohy, kdy je celá ČR rozdělena do menších logických oblastí. Pro každou oblast je řešena otázka optimálního zpracování SKO, přičemž kritériem jsou celkově minimální náklady. Bylo prezentováno několik ideových příkladů použití tohoto nástroje a jeho potenciál pro podporu klíčových rozhodnutí subjektů z řad potenciálních investorů, statní správy či představitelů samosprávy. Autoři článku vlastní systém neustále rozvíjí a současně pracují na zpřesnění vstupních údajů a ekonomických modelů, které jsou jeho nedílnou součástí. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl na základě podpory MŠMT v rámci projektu OPVK 2.3 č. Z.1.07/2.3.00/20.0020 "Věda pro praxi" a projektu OPVaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/01.0002. NETME Centre (New Technologies for Mechanical Engineering). LITERATURA [1] PAVLAS M., MAREŠ M., UCEKAJ V., ORAL J., STEHLIK P., Optimální nastavení výše podpory výroby elektřiny z odpadů ve vztahu k ceně elektřiny pro spotřebitele, EVECO Brno Ltd. a Vysoké učení technické v Brně, Závěrečná zpráva projektu EFEKT 2012, vydalo Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR, 2012, Praha. [2] PAVLAS, M.; MAREŠ, M.; UCEKAJ, V.; ORAL, J.; STEHLÍK, P. Studie k nastavení podpory energetického využití odpadů. Odpadové fórum. 2012. 2012(4). p. 10-15. ISSN\~1212-7779. [3] UCEKAJ, V.; PAVLAS, M.; ŠARLEJ, M. Negativní dopady spoluspalování lehké frakce na ovzduší. Odpady. 2012. 2012(7). p. 10-13. ISSN\~1210-4922. [4] PAVLAS, M., UCEKAJ, V.; Výhled výroby energie z komunálních odpadů po roce 2020, Sborník referátu, Odpadové fórum, 25-27.4.2012, Kouty nad Desnou. [5] Atlas zařízení pro nakládání s odpady, Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, 2010. [6] TIMKO D.: Kapacitní možnosti ČEZ ve spoluspalování TAP, Sborník referátů, Odpady 21, 15-16. 5. 2012, Ostrava.