Modele i wskaźniki

Metodyka badania i oceny oddziaływania systemu technicznego na środowisko stanowi procedurę postępowania w budowie i eksploatacji maszyn. Wskazuje na metody osiągania celów badawczych oraz warunki ich stosowania. Podstawą są opisy analityczne poszczególnych metod, określenie zakresów i warunków ich stosowania, identyfikacji procesów, zjawisk oraz oceny ich praktycznej użyteczności [17, 98, 130].

Metodyka badań i analiz elektrowni wiatrowych (MBD) jest zbiorem możliwości mających na celu wyznaczenie funkcjonalnych zależności pomiędzy wielkościami charakterystycznymi systemu technicznego funkcjonującego w środowisku naturalnym oraz określenie wartości tych wielkości. Obejmuje następujące etapy (Rys. 4.2) [13, 125]:

 planowanie doświadczeń analitycznych P,

 matematyczne modelowanie obiektu badań i analiz M,

 analizę wyników A.

Teoria doświadczeń (TD) wraz z teorią pomiarów stanowią podstawy teoretyczne metodyki badań doświadczalnych roboczych zespołów siłowni wiatrowych. Teoria doświadczeń obejmuje główne zagadnienia z procesu planowania doświadczeń analitycznych, których początek (założenia) i koniec (wyniki) tworzą matematyczny model lub matematyczną funkcję środowiskowego oddziaływania elektrowni wiatrowej. Model ten jest wynikiem

32

stosowania właściwej metodyki badań naukowych (MBN), zawierającej procesy teoretycznego modelowania matematycznego (M) i merytoryczną analizę (AM) wyników badań doświadczalnych [125].

Rys. 4.2. Metodyka badań doświadczalnych – model strukturalny [opracowanie własne]

Model systemu elektrowni wiatrowej, jako obiektu badań, stanowi odwzorowanie stanów rzeczywistych i prawdopodobnych jej środowiskowego funkcjonowania. Powstaje jako wyniki analiz i opracowań lub zostaje narzucony przez modelującego. Model siłowni wiatrowej powinien w jasny sposób przedstawiać tok myślenia, reprezentując rozważania dotyczące nieznanych sfer konstrukcji i eksploatacji obiektów technicznych. Doskonałość tworzonego modelu przejawia się w łatwości odbioru i zrozumienia przedstawionych w nim zagadnień i relacji pomiędzy obiektem technicznym a otoczeniem [130]. Na rysunku 4.3 przedstawiono proces matematycznego modelowania obiektu technicznego.

Obiektem badań doświadczalnych (OB) w niniejszej pracy jest elektrownia wiatrowa typu Vestas V90/105 m, funkcjonująca i powiązana z otoczeniem (środowiskiem) systemem wzajemnych relacji opisywanych przez właściwe dla tych relacji wielkości, np.: biologiczne, fizyczne, ekonomiczne, chemiczne itp. Między tymi wielkościami zachodzą relacje o charakterze przyczynowo-skutkowym. Matematyczny opis, odwzorowujący te zależności, nazywa się matematycznym modelem obiektu badań (MMOB). W analizowanym przypadku jest matematycznym modelem cyklu istnienia elektrowni wiatrowej (MMEW). W teorii planowania doświadczeń istnieje również pojęcie jakościowego modelu matematycznego obiektu technicznego. Model ten określa zbiór elementów (wielkości) {α1, α2, …, αn} charakteryzujących poszczególne zespoły robocze, np.: wirnika, gondoli, układu kinematycznego, itd. elektrowni wiatrowej w postaci relacji:

𝐹_𝑧(𝛼₁, 𝛼₂, … , 𝛼_𝑛) = 0 (4.1)

33

Rys. 4.3. Proces matematycznego modelowania obiektu [opracowanie własne]

Model matematyczny zagadnienia

Opracowanie modelu matematycznego korzyści i nakładów cyklu życia elektrowni wiatrowej EW dla potrzeb projektowania, wytwarzania, użytkowania i sposobów zagospodarowania, należy rozpocząć od założeń i ogólnego równania rozwoju. Równanie rozwoju efektywności źródła energii odnawialnej wg korzyści i nakładów ekologicznych, energetycznych i ekonomicznych ma postać:

, ) t ,ΘΘ, z , s P(

,ΘΘ,t R , E , H

L( ₀

_ _ _

_

_   (4.2)

gdzie:

_

H – charakterystyki działania jako wielkości wyjściowe (efektywność, nieszkodliwość procesu, jakość produktu EW),

_

E– cechy elementów wewnętrznych: wsadu i (konstrukcji),

_

R– relacje, powiązania elementów wewnętrznych (relacje elementów maszyny i materiału, tworzywa, surowca wsadowego),



 )t

Θ,(t_{1 0} czas,

_

s – sterowanie, ingerencja: zwykła, adaptacyjna i rozgrywająca,

_

z – zakłócenia.

Lewa strona równania (4.2) (modelu) opisuje właściwości procesu konwersji energii, jego cechy natury fizycznej, właściwej dla danej klasy działań. Właściwości te zależą od elementów E₁, E₂ , ..., E_m, powiązań (relacji) między tymi elementami R₁, R₂ , ..., R_n, oraz są funkcjami  i t (czasu działania i procesu dynamicznego). Niewiadomymi są elementy zbioru charakterystyk

34

(H) efektywności procesów użytkowania (U), recyklingu (Re) jako wielkości wyjściowych, od których zależy ocena efektywności - niejednorodność, nieskuteczność, zmienna wydajność, nieuzasadniony pobór i charakter mocy, jednostkowe zużycie energii (wewnętrzne), materiałów itd.

Prawa strona równania (4.2) jest opisem ingerencji wewnętrznej i zewnętrznej. Mogą one zależeć od: postaci rozwojowego oddziaływania, sterowania za pomocą sygnałów ze zbioru s^_ (wspomaganego aktywnie sztuczną inteligencją), oddziaływania interakcyjnego z^_ , wzajemnego oddziaływania elementów: materiał - maszyna - proces technologiczny - warunki - środowisko - budowla -... , oddziaływania tensyjnego - napięcia (związanego z różnicą potencjałów), będącego przyczyną procesów wyrównawczych; Względnie może również wystąpić jako zakłócenie działania systemu wyrażone przez ^_z .

Najczęściej w praktyce oddziaływania produktów na technologię i środowisko (ISW) występują jednocześnie [35]. Przy czym sterowanie ma zazwyczaj charakter znany (zdeterminowany), natomiast zakłócenia przebiegają według praw stochastycznych. Stąd zadanie rozwojowe konstrukcji polega głównie na transformacji postaci zakłóceń do zdeterminowanego charakteru sygnału sterującego konstrukcją łopat, gondoli lub procesem:

praca efektywna, zatrzymanie, postój [28-29, 54].

Analiza równania (4.2) prowadzi do ważnych wniosków o prawidłowości rozwoju systemów działania. Jeśli system, konstrukcja nie spełnia zadania, co wyrażają niskie oceny efektywności lub niewystarczająca jakość produktu (mocy, energii), to przyczynami mogą być:

 niewłaściwy dobór fenomenów, cech konstrukcyjnych elementów E_i lub błędna ich struktura R_i,

 niewłaściwe (statyczne) oddziaływanie sterownicze ^_s,

 błędna istota realizacji obiegu technologicznego i błędne charakterystyki sterujące H^_ .

Wyselekcjonowanie właściwej przyczyny pozwala na ustaleniu nowych warunków inżynierii elektrowni wiatrowej w

_

W i wydzielenie wielkości, według których charakterystyki winny być zmieniane (rozwijane). Cele główne, stany postulowane (nieszkodliwość, efektywność, jakość) elektrowni wiatrowych można opisać ogólnymi zależnościami:

SP(D c -o-s, e, Q)zEW = f(U, Re, te)EW (4.3) SP(Q)zEW = SP(D c -o-s, eeko,ek,e,te, Qt-s-e-m)zEW (4.4) SP (D c -o-s)zEW = f (Ej, s, t, e, Pod, Onq, m) (4.5) gdzie:

SP(Q)zEW – główne cele, stany postulowane elektrowni wiatrowych (nieszkodliwość (D), efektywność (e), jakość (Q)),

eeko,ek,e – efektywność elektrowni wiatrowej w środowisku (ekologiczna (eko), ekonomiczna (ek), energetyczna (e)),

Qt-s-e-m – jakość: tworzywa (t), surowca (s), elementu (e), materiału (m),

35

D c -o-s – destrukcyjność: człowieka (c), otoczenia (o), systemu (s), Ej – energochłonność/jednostkowe zużycie energii,

Pod – odzyskany potencjał z otoczenia lub procesu,

On – straty (odpady, obiekt zdestruowany lub produkt niskiej jakości, ubytki itp.), te – czas użytkowania.

Efektywność działania to cel, stan postulowany energetyki (w tym energetyki rozproszonej, OŹE itd.), pozwalający na oszacowanie, optymalizację, modernizację, innowację: idei, konstrukcji i procesów przez porównanie korzyści i nakładów w cyklu istnienia.

Do korzyści z działania źródeł energii można zaliczyć między innymi produkt w postaci mocy i energii, przychody finansowe, poprawę jakości, jako zmniejszenie emisji do środowiska, dywersyfikacje źródeł energii, rozwój i aktywizację otoczenia, oraz inne, potencjalne korzyści, których na dzisiaj nie można określić.

Do nakładów natomiast zaliczamy szkodliwe oddziaływanie na środowisko, szkodliwe nakłady społeczne, energię zużytą w całym cyklu życia, poniesione nakłady finansowe oraz potencjalne nakłady, których obecnie nie znamy.

Korzyści i nakłady działania można podzielić na wymierne i niewymierne, mierzalne i niemierzalne, rzeczywiste i potencjalne. Takich porównań można tworzyć wiele, jednak celem badań własnych jest utworzenie metodyki oceny efektywności źródeł energii w całym cyklu życia, obejmującej możliwie kompleksowo energetyczne, środowiskowe, ekonomiczne oraz społeczne aspekty istnienia źródła energii. Z jednej strony metodyka badań obejmuje: model matematyczny efektywności działania, plan badań i analizę statystyczną oraz merytoryczną wyników badań. Z drugiej - zmienne i ich wskaźniki, jako dane umożliwiające prowadzenie opisów, analiz i ocen. Istotą właściwej analizy i oceny efektywności działania źródła energii jest konieczność uwzględnienia wszystkich obszarów (przestrzeni budowy i użytkowania maszyn, urządzeń i instalacji) korzyści i nakładów w jej całym cyklu życia. W związku z różnymi miarami korzyści i kosztów trudno jest utworzyć jeden model zmiennych, czy też wskaźnik efektywności działania źródeł energii, obejmujący wszystkie przestrzenie inżynierii mechanicznej energetyki.

W pracy przedstawiono autorski sposób oceny efektywności energetycznej, ekonomicznej i ekologicznej działania różnych źródeł (wytwarzania) energii elektrycznej.

Ocenę efektywności oparto na modelach matematycznych, umożliwiających analizy i oceny polegające na porównaniu miar korzyści i kosztów, odpowiednio: ekologicznych energetycznych i ekonomicznych. Zaproponowana metodyka znajduje zastosowanie przy ocenie efektywności projektowanych i istniejących źródeł energii wynikających z metodyki LCA, CED, CML, IPCC oraz danych energetycznych, środowiskowych i finansowych źródła energii. Pozwala na podejmowanie decyzji tam, gdzie problemy i zadania energetyczne i ekonomiczne powinno się analizować i oceniać przy uwzględnieniu wskaźników ochrony środowiska i aspektów społecznych.

36

Poniżej przedstawiono metodykę wyznaczenia efektywności dla różnych źródeł energii oraz studium przypadku dla badanej elektrowni wiatrowej Vestas V90/105 m o mocy 2 MW.

Do analizy wykorzystano własny zintegrowany wskaźnik efektywności. Pozwala on na ocenę efektywności ekologicznych, energetycznych i ekonomicznych w cyklu życia badanej elektrowni wiatrowej.

Model zintegrowanego wskaźnika efektywności i jego dyskusja

Istotą właściwej analizy i oceny efektywności działania źródła energii jest konieczność uwzględniania w badanym obszarze wszystkich korzyści i nakładów w jego cyklu życia.

W związku z różnymi miarami korzyści i nakładów trudno jest utworzyć jeden model zmiennych obejmujący wszystkie obszary. Do oceny działania elektrowni wiatrowej w cyklu życia zaproponowano i zdefiniowano zintegrowany wskaźnik efektywności:

𝐸(𝑡) =^𝑈(𝑡)_𝑁(𝑡) (4.6)

gdzie:

E(t) – zintegrowany wskaźnik efektywności w czasie t lat użytkowania w cyklu życia elektrowni wiatrowej,

U(t) – korzyści w cyklu życia elektrowni wiatrowej, N(t) – nakłady w cyklu życia elektrowni wiatrowej, t – czas użytkowania elektrowni wiatrowej.

Dodatkowo oznaczając jako:

Ui – korzyści w czasie i-go roku użytkowania, NW – nakłady na etapie wytwarzania,

Ni – nakłady w i-tym roku użytkowania,

NZ – nakłady w czasie zagospodarowania poużytkowego, można przyjąć, że:

𝐸(𝑡) =

^𝑈(𝑡)

𝑁(𝑡)

=

^{∑𝑡𝑖=1𝑈𝑖}

𝑁_𝑊+∑^𝑡_𝑖=1𝑁_𝑖+𝑁_𝑍 (4.7)

Zaproponowany i zdefiniowany zintegrowany wskaźnik efektywności umożliwia ocenę i porównanie korzyści i nakładów źródeł energii w różnych obszarach w ich cyklu życia.

Analiza statystyczna zintegrowanego wskaźnika efektywności

Dla elektrowni wiatrowej zakładamy, że NW i NZ są stałymi, natomiast Ui i Ni są wielkościami losowymi. Zakładamy, że U1, U2,... mają ten sam rozkład oraz N1, N2,... mają ten sam rozkład. Zakładamy również, że U1, U2,... są niezależne oraz N1, N2,... są niezależne.

37

Zakładamy także, że zarówno Ui, jak i Ni, mają rozkłady normalne o znanych średnich i wariancjach. Podsumowując:

𝑈₁, 𝑈₂, … ~𝒩(𝑈_𝑟, 𝜎) 𝑛𝑖𝑒𝑧𝑎𝑙𝑒ż𝑛𝑒, (4.8) 𝑁₁, 𝑁₂, … ~𝒩 (𝑁_𝑟, 𝑠) 𝑛𝑖𝑒𝑧𝑎𝑙𝑒ż𝑛𝑒, (4.9) gdzie:

𝒩 – oznacza rozkład normalny,

Ur – to średnia roczna korzyści wytworzonych w czasie użytkowania,

𝜎 – to odchylenie standardowe średniej rocznej korzyści wytworzonych w czasie użytkowania,

Nr – to średnia roczna nakładów zużytych w czasie użytkowania,

s – to odchylenie standardowe średniej rocznej nakładów zużytych w czasie użytkowania.

Zakładamy, że:

1. Rozważane są korzyści i nakłady w jednorocznych okresach, ponieważ elektrownie wiatrowe mają roczne, porównywalne, powtarzalne cykle działania.

2. Założenie normalności rozkładów jest powszechnie stosowane w tego typu przypadkach.

Dla zaobserwowanych konkretnych wartości korzyści i nakładów w kolejnych latach można przetestować hipotezy o normalności rozkładów, a następnie wyestymować ich parametry.

3. Dla danego i-go roku użytkowania elektrowni wiatrowej, Ui i Ni są skorelowane i nieznane są wartości ich korelacji.

Dzieląc we wzorze na E(t) licznik i mianownik przez t, otrzymujemy:

𝐸(𝑡) =

^{1/𝑡 ∑ 𝑈𝑖}

𝑡𝑖=1

(𝑁_𝑊+𝑁𝑧)1/𝑡+1/𝑡 ∑^𝑡_𝑖=1𝑁_𝑖 (4.10) Podstawiając:

𝑈̅

_𝑡

=

¹

𝑡

∑

^𝑡_𝑖=1

𝑈

_𝑖

, 𝑁̅

_𝑡

=

¹

𝑡

∑

^𝑡_𝑖=1

𝑁

_𝑖 (4.11)

uzyskujemy:

𝐸(𝑡) =

_(𝑁 ^𝑈̅𝑡

𝑊+𝑁_𝑍)/𝑡+𝑁̅_𝑡

,

^(4.12)

gdzie:

𝑈̅

_𝑡

=

¹_𝑡

∑

^𝑡_𝑖=1

𝑈

_𝑖

, 𝑁̅

_𝑡

=

¹_𝑡

∑

^𝑡_𝑖=1

𝑁

_𝑖 ^(4.13)

38

są odpowiednio średnią roczną wytworzonych korzyści i średnią roczną zużytych nakładów na przestrzeni t lat użytkowania.

Rozkłady 𝑈̅_𝑡 i (𝑁_𝑊+ 𝑁_𝑍)/𝑡 + 𝑁̅_𝑡 są znane:

U̅_t~𝒩(U_r, σ/t), (N_W+ N_Z)/t + N̅_t~𝒩((N_W+ N_Z)/t + N_r, s/√t). (4.14) Rozkład normalny jest rozkładem o znanych własnościach. Rysunki 4.4.a) i 4.4.b) przedstawiają odpowiednio gęstość f i funkcję przeżycia 𝐹̅ wielkości losowej X o średniej a i odchyleniu standardowym d.

Rys. 4.4. Rozkład normlany:

a) gęstość rozkładu normalnego o parametrach a i d;

b) funkcja przeżycia rozkładu normalnego o parametrach a i d

Ażeby dowiedzieć się, jakie jest prawdopodobieństwo, że X osiągnie wartość równą lub większą od danej wartości x, należy obliczyć pole pod gęstością f na prawo od x lub odczytać wartość 𝐹̅ dla argumentu x.

𝑃𝑟(𝑋 ≥ 𝑥) = ∫_𝑥^+∞𝑓(𝑥)𝑑𝑥 = 𝐹̅(𝑥) (4.15) Rozkład normalny jest rozkładem, w którym X rzadko przyjmuje wartości dalekie od średniej a, np.:

𝑃𝑟(𝑋 ≥ 𝑎 − 0,67𝑑) = 0,75, (4.16)

𝑃𝑟(𝑋 ≥ 𝑎 − 1,28𝑑) = 0,9, (4.17)

𝑃𝑟(𝑋 ≥ 𝑎 − 1,64𝑑) = 0,95, (4.18)

𝑃𝑟(𝑎 − 4,06𝑑 ≤ 𝑋 ≤ 𝑎 + 4,06𝑑) = 0,99995. (4.19) Rozważany zintegrowany wskaźnik efektywności E(t) jest ilorazem dwóch zmiennych o rozkładach normalnych. Tak skonstruowana wartość losowa ma tzw. podwójny niecentralny rozkład Studenta. W tym przypadku formalnie nie istnieje tzw. wartość oczekiwana 𝔼E(t), która w naturalny sposób określałaby własności E(t), dlatego w niniejszej pracy wyznaczono przedział, do którego E(t) należy z prawdopodobieństwem bardzo bliskim jeden. Wiadomo, że:

Pr (U_r−^4,06σ

√t ≤ U̅_t ≤ U_r+^4,06σ

√t ) = 0,99995, (4.20)

39

𝑃𝑟 (𝑁_𝑟+^{𝑁𝑊+𝑁}_𝑡 ^𝑍−^4,06𝑠_√𝑡 ≤ (𝑁_𝑊+ 𝑁_𝑍)/𝑡 + 𝑁̅_𝑡 ≤ 𝑁_𝑟+^𝑁𝑊_𝑡^+𝑁𝑍+^4,06𝑠_√𝑡 ) = 0,99995. (4.21) Z nierówności:

𝑃𝑟(𝐴 ∩ 𝐵) ≥ 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) − 1 (4.22)

wynika zatem, że:

𝑃𝑟

(

^𝑈𝑟−

4,06𝜎

√𝑡

𝑁_𝑟+^{𝑁𝑊+𝑁𝑍}_𝑡 +^4,06𝑠

√𝑡

≤ 𝐸(𝑡) ≤ ^𝑈𝑟+

4,06𝜎

√𝑡

𝑁_𝑟+^{𝑁𝑊+𝑁𝑍}_𝑡 −^4,06𝑠

√𝑡

)

≥ 0,9999. (4.23)

Jeżeli więc σ jest istotnie mniejsze od Ur a s istotnie mniejsze od N_𝑟+ (N_W+ N_Z)/t, można z prawdopodobieństwem bliskim jeden, przyjąć, że:

𝐸(𝑡) ≈ ^𝑈𝑟

𝑁_𝑟+^{𝑁𝑊+𝑁𝑍}_𝑡

=

_𝑁 ^{𝑈𝑟∙𝑡}

𝑊+𝑁_𝑟𝑡+𝑁_𝑍 (4.24)

Analiza graficzna zintegrowanego wskaźnika efektywności

Zależność zintegrowanego wskaźnika efektywności od czasu użytkowania ma charakter funkcji homograficznej. Na rysunku 4.5 przedstawiono przykładowe przebiegi zintegrowanego wskaźnika efektywności w funkcji czasu użytkowania dla dwóch różnych sposobów zagospodarowania poużytkowego, czyli składowania i recyklingu.

Rys. 4.5. Wykres zintegrowanego wskaźnika efektywności w funkcji czasu użytkowania

Dla przebiegów przedstawionych na rysunku 4.5. założono, że nakłady na etapie zagospodarowania poużytkowego w przypadku składowania są wyższe od nakładów na etapie zagospodarowania poużytkowego w przypadku recyklingu. W tej sytuacji, dla tego samego czasu użytkowania, zintegrowany wskaźnik efektywności dla recyklingu jest wyższy niż dla składowania (E2>E1). Z przedstawionych przebiegów można odczytać, że w sytuacji wydłużenia czasu użytkowania (t2>t1), wzrasta wartość zintegrowanego wskaźnika efektywności (E3>E2). Z analizy wynika, że istnieje związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy

t E(t)

𝑈_𝑟 𝑁_𝑟

𝐸_1⬚

𝐸₂ 𝐸₃

𝑡₁ 𝑡₂

40

zintegrowanym wskaźnikiem efektywności a sposobem zagospodarowania poużytkowego oraz czasem użytkowania. Wartością graniczną zintegrowanego wskaźnika efektywności dla t⁺∞, czyli asymptotą poziomą na wykresie, jest wartość ilorazu średniorocznych korzyści Ur

do średniorocznych nakładów na etapie użytkowania Nr. Wartość graniczna analizowanego wskaźnika nie zależy od sposobu zagospodarowania poużytkowego.

Zależność zintegrowanego wskaźnika efektywności od uzyskanych średniorocznych korzyści ma charakter funkcji liniowej. Na rysunku 4.6 przedstawiono przykładowe przebiegi zintegrowanego wskaźnika efektywności w funkcji średniorocznych korzyści dla dwóch różnych czasów użytkowania t1 i t2. Wartości Urp i Urk wyznaczają najbardziej prawdopodobny przedział rocznych produktywności.

Rys. 4.6. Wykres zintegrowanego wskaźnika efektywności w funkcji średniorocznych korzyści

Z przebiegów przedstawionych na rysunku 4.6 wynika, podobnie jak z przebiegów przedstawionych na rysunku 4.5, że zwiększenie czasu użytkowania (t2 > t1) powoduje wzrost zintegrowanego wskaźnika efektywności (E2>E1) oraz zmianę jego charakterystyki w funkcji średniorocznych korzyści. W sytuacji zwiększenia średniorocznych korzyści (Ur2>Ur1) wzrasta również zintegrowany wskaźnik efektywności (E3>E1).

Zaproponowany model zintegrowanego wskaźnika efektywności jest właściwym narzędziem dla analizy i oceny korzyści i nakładów elektrowni wiatrowych dużej mocy w ich cyklu życia. Pozwala na porównanie różnych miar korzyści i nakładów projektowanych i istniejących źródeł energii w oparciu o eksperyment analityczny.

Zintegrowany wskaźnik efektywności z nakładów ekologicznych Z definicji zintegrowanego wskaźnika efektywności można zapisać:

E(t) eco

=

^{𝑈(𝑡)𝑒𝑐𝑜}

𝑁(𝑡)_𝑒𝑐𝑜 (4.25)

gdzie:

E(t)eco – zintegrowany wskaźnik efektywności z nakładów ekologicznych,

t2 t1

E(U

_r

)

𝐸₃ 𝐸₂ 𝐸_1⬚

𝑈_𝑟𝑝 𝑈_𝑟1 𝑈_𝑟2 𝑈_𝑟𝑘

𝑈

_𝑟

𝑡₂> 𝑡₁

41

U(t)eco – korzyści ekologiczne w cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat, N(t)eco – nakłady ekologiczne w cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat, t – czas użytkowania.

Chcąc określić efektywność korzyści z poniesionych nakładów ekologicznych w cyklu życia, posłużymy się zintegrowanym wskaźnikiem efektywności.

Korzyści ekologiczne z działania elektrowni wiatrowej zdefiniowano jako wytworzoną energię elektryczną na etapie użytkowania.

Nakłady ekologiczne działania przedmiotowej elektrowni, określono w zależności od przyjętego punktu odniesienia:

1. Biorąc jako nakład ekologiczny oddziaływanie przeciętnego Europejczyka na środowisko, metoda LCA, a w szczególności model Ekowskaźnik 99, daje nam wynik oddziaływania elektrowni wiatrowej na otoczenie w całym cyklu istnienia, w punktach środowiskowych, gdzie 1000 Pt odpowiada oddziaływaniu jednego Europejczyka na środowisko w ciągu jednego roku.

2. Przy analizie emisji CO2eq, SO2eq, PO4eq i biorąc je jako nakład ekologiczny, modelowanie IPCC, Ekowskaźnik 99 i CML pozwala wyznaczyć wielkość emisji gazów cieplarnianych, substancji powodujących zakwaszenie lub eutrofizację środowiska w ciągu całego cyklu istnienia elektrowni wiatrowej.

3. Jeżeli aspekty społeczne są punktem odniesienia, możemy jako nakłady przyjąć np.

liczbę protestów społecznych na etapie przygotowania inwestycji.

Tak zdefiniowane nakłady ekologiczne pozwolą nam określić zintegrowany wskaźnik efektywności z nakładów ekologicznych elektrowni wiatrowej dla pięciu punktów odniesienia:

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z nakładów ekologicznych, gdzie porównywalnym nakładem ekologicznym jest oddziaływanie przeciętnego Europejczyka na środowisko w ciągu jednego roku (J/Pt),

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji gazów cieplarnianych (CO2eq) do środowiska (J/kgCO2eq),

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji substancji powodujących zakwaszenie środowiska (SO2eq) do środowiska (J/kgSO2eq),

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji substancji powodujących eutrofizację środowiska (PO4eq) do środowiska (J/kgPO4eq),

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z nakładów społecznych, gdzie nakładem ekologicznym jest liczba osób protestujących na etapie przygotowania inwestycji.

Dla elektrowni wiatrowych określonym zintegrowanym wskaźnikom efektywności z nakładów ekologicznych odpowiadają odpowiednie zależności matematyczne:

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z nakładów ekologicznych:

42

𝐸_{𝑒𝑐𝑜𝐸𝑈}

=

_𝑁(𝑡)^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝐸𝑈 (4.26)

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania,

N(t)EU – ilość punktów środowiskowych w ciągu całego cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat, gdzie 1000 Pt odpowiada oddziaływaniu jednego Europejczyka na środowisko w ciągu jednego roku,

t – czas użytkowania.

Oznaczając:

NWEU – ilość punktów środowiskowych na etapie wytwarzania, NUEU – ilość punktów środowiskowych na etapie użytkowania,

NZEU – ilość punktów środowiskowych na etapie zagospodarowania poużytkowego,

NrEU – średnia ilość punktów środowiskowych w ciągu jednego roku na etapie użytkowania, UrE – średnia produktywność roczna na etapie użytkowania,

można zapisać:

N(t)EU =NWEU+N(t)UEU+NZEU (4.27)

N(t)UEU = NrEU ∙ 𝑡 (4.28)

U(t)E = UrE ∙ 𝑡 (4.29)

Wykorzystując powyższe zależności otrzymujemy:

𝐸

_{𝑒𝑐𝑜𝐸𝑈}

=

^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑁_𝑊𝐸𝑈+ 𝑁(𝑡)_𝑈𝐸𝑈+𝑁_𝑍𝐸𝑈 = ^{𝑈𝑟𝐸 ∙𝑡}

𝑁_𝑊𝐸𝑈+ 𝑁_𝑟𝐸𝑈∙𝑡+𝑁_𝑍𝐸𝑈 (4.30)

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji gazów cieplarnianych (CO2eq):

𝐸_{𝑒𝑐𝑜𝐶𝑂2𝑒𝑞} =_𝑁(𝑡)^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝐶𝑂2𝑒𝑞 (4.31)

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania,

N(t)CO2eq– masa ekwiwalentnego CO2 odpowiadająca emisji gazów cieplarnianych w ciągu całego cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat,

t – czas użytkowania.

Oznaczając:

NWCO2eq – masa ekwiwalentnego CO2eq odpowiadająca emisji gazów cieplarnianych na etapie wytworzenia,

NUCO2eq – masa ekwiwalentnego CO2eq odpowiadająca emisji gazów cieplarnianych na etapie użytkowania,

43

NZCO2eq – masa ekwiwalentnego CO2eq odpowiadająca emisji gazów cieplarnianych na etapie zagospodarowania poużytkowego,

NrCO2eq – średnia masa ekwiwalentnego CO2eq odpowiadająca emisji gazów cieplarnianych w ciągu jednego roku na etapie użytkowania,

UrE – średnia produktywność roczna na etapie użytkowania, można zapisać :

N(t)CO2eq =NWCO2eq +N(t)UCO2eq +NZCO2eq (4.32)

N(t)UCO2eq = NrCO2eq ∙ 𝑡 (4.33)

U(t)E = UrE ∙ 𝑡 (4.34)

Wykorzystując powyższe zależności otrzymujemy:

𝐸

_{𝑒𝑐𝑜𝐶𝑂2𝑒𝑞}

=

^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑁_{𝑊𝐶𝑂2𝑒𝑞}+ 𝑁(𝑡)_{𝑈𝐶𝑂2𝑒𝑞}+𝑁_{𝑍𝐶𝑂2𝑒𝑞}

=

^{𝑈𝑟𝐸 ∙𝑡}

𝑁_{𝑊𝐶𝑂2𝑒𝑞}+ 𝑁_{𝑟𝐶𝑂2𝑒𝑞}∙𝑡+𝑁_{𝑍𝐶𝑂2𝑒𝑞}(4.35)

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji substancji powodujących zakwaszenie środowiska (SO2eq):

𝐸(𝑡)_{𝑒𝑐𝑜𝑆𝑂2𝑒𝑞} =_𝑁(𝑡)^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑆𝑂2𝑒𝑞 (4.36)

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania,

N(t)SO2eq– masa ekwiwalentnego SO2 odpowiadająca emisji związków powodujących zakwaszenie środowiska w ciągu całego cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat,

t – czas użytkowania.

Oznaczając:

NWSO2eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących zakwaszenie środowiska na etapie wytworzenia,

NUSO2eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących zakwaszenie środowiska na etapie użytkowania,

NZSO2eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących zakwaszenie środowiska na etapie zagospodarowania poużytkowego,

NrSO2eq – średnia masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących zakwaszenie środowiska w ciągu jednego roku na etapie użytkowania,

UrE – średnia produktywność roczna na etapie użytkowania, można zapisać:

N(t)SO2eq =NWSO2eq +N(t)USO2eq +NZSO2eq (4.37)

N(t)USO2eq = NrSO2eq ∙ 𝑡 (4.38)

44

U(t)E = UrE ∙ 𝑡 (4.39)

Wykorzystując powyższe zależności otrzymujemy:

𝐸

_{𝑒𝑐𝑜𝑆𝑂2𝑒𝑞}

=

^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑁𝑊𝑆𝑂2𝑒𝑞+ 𝑁(𝑡)𝑈𝑆𝑂2𝑒𝑞+𝑁𝑍𝑆𝑂2𝑒𝑞

=

^{𝑈𝑟𝐸 ∙𝑡}

𝑁𝑊𝑆𝑂2𝑒𝑞+ 𝑁𝑟𝑆𝑂2𝑒𝑞∙𝑡+𝑁𝑍𝑆𝑂2𝑒𝑞 (4.40)

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z emisji związków powodujących eutrofizację

𝐸(𝑡)_{𝑒𝑐𝑜𝑃𝑂4}= ^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑁(𝑡)_{𝑃𝑂4𝑒𝑞} (4.41)

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania,

N(t)PO4eq – masa ekwiwalentnego PO4 odpowiadająca emisji związków powodujących eutrofizację środowiska w ciągu całego cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat,

t – czas użytkowania.

Oznaczając:

NWPO4eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących eutrofizację środowiska na etapie wytworzenia,

NUPO4eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących eutrofizację środowiska na etapie użytkowania,

NZPO4eq – masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących eutrofizację środowiska na etapie zagospodarowania poużytkowego,

NrPO4eq – średnia masa ekwiwalentnego SO2eq odpowiadająca emisji związków powodujących eutrofizację środowiska w ciągu jednego roku na etapie użytkowania,

UrE – średnia produktywność roczna na etapie użytkowania, można zapisać:

N(t)PO4eq =NWPO4eq +N(t)UPO4eq +NZPO4eq (4.42)

N(t)UPO4eq = NrPO4eq ∙ 𝑡 (4.43)

U(t)E = UrE ∙ 𝑡 (4.44)

Wykorzystując powyższe zależności otrzymujemy:

𝐸

_{𝑒𝑐𝑜𝑆𝑂2𝑒𝑞}

=

_𝑁 ^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑊𝑃𝑂4𝑒𝑞+ 𝑁(𝑡)_{𝑈𝑃𝑂4𝑒𝑞}+𝑁_{𝑍𝑃𝑂4𝑒𝑞}

=

_𝑁 ^{𝑈𝑟𝐸 ∙𝑡}

𝑊𝑃𝑂4𝑒𝑞+ 𝑁_{𝑟𝑃𝑂4𝑒𝑞}∙𝑡+𝑁_{𝑍𝑃𝑂4𝑒𝑞}(4.45)

 zintegrowany wskaźnik efektywności ekologicznej z nakładów społecznych:

𝐸(𝑡)_{𝑒𝑐𝑜𝐿𝐷} =^𝑈(𝑡)_𝐿𝑃^𝐸 (4.46)

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania, LP – liczba osób protestujących na etapie przygotowania inwestycji.

45

Zintegrowany wskaźnik efektywności z nakładów energetycznych Z definicji zintegrowanego wskaźnika efektywności można zapisać:

𝐸(𝑡)_𝑒𝑛 = _𝑁(𝑡)^{𝑈(𝑡)𝐸}

𝑒𝑛 (4.47)

gdzie:

E(t)en – zintegrowany wskaźnik efektywności z nakładów energetycznych elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat,

U(t)E – energia użytkowa wytworzona na w ciągu t lat użytkowania,

N(t)en – nakłady energetyczne w cyklu życia elektrowni wiatrowej użytkowanej przez t lat, t – czas użytkowania.

Chcąc określić efektywność korzyści z poniesionych nakładów energetycznych w cyklu życia posłużymy się zintegrowanym wskaźnikiem efektywności.

Korzyści energetyczne z działania elektrowni wiatrowej zdefiniowano jako wytworzoną energię użytkową na etapie użytkowania.

Nakłady energetyczne działania elektrowni wiatrowej zdefiniowano jako zapotrzebowanie na energię (od wytwarzania, przez użytkowanie aż do likwidacji/recyklingu) w całym cyklu istnienia. Na etapie zagospodarowania poużytkowego, w przypadku recyklingu, np. termicznego, surowcowego, powstaje dodatkowa energia, która pomniejsza poniesione dotychczas nakłady energetyczne. Dzięki modelowaniu CED i CML można wyznaczyć

Nakłady energetyczne działania elektrowni wiatrowej zdefiniowano jako zapotrzebowanie na energię (od wytwarzania, przez użytkowanie aż do likwidacji/recyklingu) w całym cyklu istnienia. Na etapie zagospodarowania poużytkowego, w przypadku recyklingu, np. termicznego, surowcowego, powstaje dodatkowa energia, która pomniejsza poniesione dotychczas nakłady energetyczne. Dzięki modelowaniu CED i CML można wyznaczyć

W dokumencie POLITECHNIKA POZNAŃSKA Poznan University of Technology (Stron 31-51)