BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR DOKTORI TANÁCSA DOKTORI TÉZISFÜZET
Írta: Bihari Péter okleveles gépészmérnök
Energetikai eredetű levegőkörnyezetterhelés értékelése és tervezése című témakörből, amellyel a PhD fokozat elnyeréséért pályázik
Budapest, 2007
I. A kitűzött kutatási feladat A gazdasági fejlődés és a civilizált emberi élet egyik elsődleges létfeltétele a megfelelő mennyiségű és minőségű energia rendelkezésre állása. Az energetika (energiaátalakítás, szállítás, és szolgáltatás) feladata ennek biztosítása. Az energetika és a gazdaság helyzete, fejlődése és fejlesztése, valamint a tágan értelmezett környezet között számtalan és igen sokrétű kölcsönhatás és összefüggés van. A gazdaság hatékony működésének és fejlődésének, továbbá a környezetkárosodás megelőzésének előfeltétele, hogy megalapozott – az igényekkel, a forrásokkal és a környezeti határfeltételekkel egyaránt összhangban lévő – fejlesztések valósuljanak meg. Az energia-, kiemelten a villamosenergia-források létesítése rendkívül tőke- és időigényes vállalkozás. Ugyancsak erőforrás-igényes az energiaellátással járó környezetvédelmi feladatok megoldása. Mindezekből következően az energetikai tervezés nem korlátozható pusztán magának az energiaellátásnak a vizsgálatára, a folyamatokat és jelenségeket komplex módon, a gazdasági-társadalmitechnikai-természeti környezetre is kiterjedően kell vizsgálni. Az energetikai tervezés igen fontos része a környezetre gyakorolt hatások átfogó felmérése, melyet a továbbiakban – a vizsgálat időpontjától függetlenül – környezeti hatásvizsgálatnak nevezek. A környezeti hatásvizsgálatnak a környezeti elemek teljes skálájára (levegő, víz, talaj, élővilág, épített környezet stb.) ki kell terjednie. A teljes környezeti hatásvizsgálatot annak összetett volta miatt csak több tudományág (gazdasági, műszaki és természettudományi) művelői közösen képesek elvégezni. E vizsgálat legnagyobb figyelmet érdemlő része a légkörbe kikerülő szennyezőanyagok terjedésének és várható hatásának vizsgálata. Ennek oka az, hogy a levegő az a szállító közeg, mely az energiaátalakító létesítmény (erőmű, fűtőerőmű, fűtőmű, hulladékégető stb.) által kibocsátott szennyezőanyagokat a szennyező forrás környezetének szinte minden pontjára képes eljuttatni. Dolgozatomban (mely 98 oldalon 7 fejezetben 29 ábrát és 149 egyenletet, továbbá 210 tételes irodalomjegyzéket és 27 oldal függeléket tartalmaz) egy olyan eljárást mutatok be, mely alkalmas a már üzemelő létesítmények környezeti hatásainak felmérésére, költségként való megjelenítésére, valamint az eljáráson belüli visszacsatolás segítségével a tervezés alatt álló létesítmények paramétereinek meghatározására. E célkitűzést a következő feladatok megoldásával teljesítettem: − A forrás modell egyes nyitott kérdéseinek (üzemmenet és üzemidő) megfelelő figyelembevétele. Korszerű járulékos forrásmagasság számítási eljárás keresése. − Olyan lokális terjedési modell kidolgozása, mely alkalmas több, egymástól nem elhanyagolható távolságra lévő energetikai pontforrásból származó szennyezőanyag terjedésének együttes vizsgálatára, a jelenleg alkalmazott modelleknél pontosabb. − A szennyezőanyag kibocsátók felelősségi területének, azaz a forrás(ok) hatásterületének meghatározására szolgáló kritériumrendszer alapelveinek és magának a kritériumrendszernek a kimunkálása. − Dózis-károsodás modell kidolgozása a főbb energetikai eredetű elsődleges légszennyező anyagok (SOX, NOX, CO és nem toxikus por) és egyes környezeti elemek kapcsolatára. − Károsodás-költség modell elkészítése, mely alapul szolgál a külső költségek és a szolgáltatott energia teljes költségének meghatározásához. − Módszer kidolgozása az energetikai létesítmények legkisebb költséget eredményező tervezéséhez (elhelyezés, technológiai jellemzők stb.). A szolgáltatott eredmények megbízhatósága a részmodellek pontosságától, ill. bizonytalanságaitól függ. Ezért elvégeztem – mérési adatokat felhasználva – a kulcsfontosságú szennyezőanyag terjedési modell megbízhatóságának vizsgálatát. 1
II. Tudományos előzmények II.A. Környezetterhelés-értékelési módszerek Az energetikai eredetű légszennyezés megítélésére alkalmazott módszerek közel fél évszázados múltra tekintenek vissza, ugyanakkor a komplex és integrált, hatás- és kockázatelemzési eljárások közül a legrégebbit is az 1980-as évek végén dolgozták ki. A hatásvizsgálati módszerek két csoportra oszthatók aszerint, hogy figyelembe veszik a környezetet érő káros hatásokat és azok költségeit vagy nem. Azokat az eljárásokat, melyeknél a hatások és károk, valamint azok költségeinek átfogó felmérése nem része a módszernek egyszerűsített, míg amelyeknél igen, összetett értékelési módszereknek nevezzük. II.A.1. EGYSZERŰSÍTETT ÉRTÉKELÉSI MÓDSZEREK Az egyszerűsített értékelési módszerek két csoportra oszthatók, az értékelés alapját képező mennyiség alapján. Így megkülönböztetünk kibocsátás (emisszió) és koncentráció (immisszió) alapú értékelési módszereket. E módszerek közös jellemzője az alacsony komplexitás: az emisszió alapú megközelítés esetében csak a forrás modell alkalmazására van szükség, míg az immisszió alapú eljárás már megkívánja a terjedésszámítás elvégzését is. A módszerek integráltsága igen magas, hiszen vagy egyetlen, csatlakozások nélküli eljárásról (emisszió alapú), vagy két egymáshoz szorosan kapcsolódó modell alkalmazásáról van szó. Az emisszió alapú megközelítésre jó példát jelent LONTAY (1997) cikke. A környezetterhelés értékelésében és tervezésében előrelépést jelentett az immisszió alapú értékelési módszerek megjelenése. E módszerek a környezeti elemekre gyakorolt hatás szempontjából a szennyezőanyagok koncentrációjának meghatározását és a határértékekkel való összehasonlítását tűzik ki célul. Az egyik ilyen értékelési eljárás (GÁCS, 1988) alkalmas a szennyezőforrás magasságának meghatározására. Egy másik eljárás (SZEPESI, 1981), az előbb említettnél összetettebb, alkalmas a városi levegőklíma tervezésére. KHANNA (2000) a környezetszennyezési index, mint komplex környezetállapot-jellemző bevezetését javasolja az értékelés alapjául. FLIEGE (2001) módszert dolgozott ki a légszennyező források optimális elhelyezésének meghatározására, mely a valószínűsíthető károkon alapul. II.A.2. ÖSSZETETT ÉRTÉKELÉSI MÓDSZEREK Az összetett értékelési módszereket a vizsgálat alapvető szemléletmódja alapján két fő csoportba soroljuk: forrás oldali és környezetközpontú. A forrás oldali megközelítésben együttesen jelenik meg a károsodások és a károsodások megelőzése, a szennyezőanyag kibocsátás csökkentése érdekében hozott intézkedések költségei. Egy ilyen értékelési eljárásra vonatkozó javaslatot ad GÁCS (1988) és néhány USA-beli szakember (U.S. DOE/EIA, 1995). A környezetközpontú megközelítés a károsodási költségek optimális (társadalmilag még elfogadható) értéken tartását helyezi a vizsgálat középpontjába, és ennek rendeli alá az egyéb döntések meghozatalát. A károsodási költségeket középpontba helyező értékelő módszereket a feladat megoldásához alkalmazott szemléletmód alapján további két csoportba sorolják: fentről-lefelé és lentről-felfelé1 típusú eljárások. A károsodás elvű módszerek az 1980-as évek végétől a ’90-es évek közepéig élték virágkorukat. Ezen eljárásokat legjelentősebb alkalmazója a Világbank volt. Az módszerek leírását és az alkalmazás tapasztalait CROPPER ET AL., 1997; DIXON, 1994; OSTRO, 1994 és LVOVSKY ET AL., 2000 tanulmányaiban olvashatjuk. A kilencvenes évek közepe óta az életciklus alapú értékelési módszerek mindinkább kiszorították a korábbi eljárásokat. Az Egyesült Államokban a 1980-as évek végén és az 1990-es évek elején végzett, és mindmáig sokat hivatkozott vizsgálat, és az ennek megállapításai alapján kidolgozott EXMOD (externality model) hosszú időn keresztül szolgált mintául más, hasonló vizsgálatokhoz (ROWE ET AL., 1996). Az Európai Unió Bizottságának XII. (tudományos, kutatási és 1
E megközelítésben „fent” a környezeti elemek (a károsodottak), „lent” a kibocsátó források (a károsítók) találha-
tók.
2
fejlesztési) főigazgatósága már 1995 óta foglakozik az energetikai létesítmények külső költségeinek felmérésével. Ezt a munkát az ExternE (Externalities of Energy) projekt fogja össze, mely a tagországok többségének együttműködésén alapul. A kidolgozott eljárás teljesen komplex és közepesen integrált (EC, 1999). SPADARO (1999) a CURTISS és RABL (1996, 1996B) által, valamint az ExternE projekt keretén belül kidolgozott eljárás megbízhatóságát javította a részmodellek továbbfejlesztése és kibővítése útján. FOUQET ET AL. (2001) tanulmányában az ExternE projektnek a környezeti elemek értékelésével foglalkozó részének vizsgálatára helyezi a hangsúlyt: az értékelés módszerét a környezeti elemek piacának kidolgozásában látja. HOWARTH ET AL. (2001) tanulmányában a kárelvű és az életciklus alapú értékelési módszer egyfajta keverékét találjuk. A délkelet ázsiai térség feltörekvő gazdaságaiban és különösen Kínában egyre fontosabb szerepet játszik az energetikai beruházások tervezésében a környezeti hatások vizsgálata. Az alkalmazott módszerekről és alkalmazásukról esettanulmány formájában ORBETA ET AL. (2000), valamint ZANG SHIQIU és DUANYANXIN (2000) cikke számol be, a módszertani kérdésekkel FREEMAN ET AL. (2000) írása foglalkozik. A vizsgált értékelési módszerek elemzése alapján az alábbi megállapításokat teszem: — többségük integráltsága nem éri el a megkívánható magas fokot; — egyes eljárások részmodelljei túlhaladottá váltak, vagy módosításra szorulnak (különösen igaz ez az alkalmazott szennyezőanyag-terjedési modellekre); — egyik sem tartalmaz – mai szinten elfogadható, több paraméter értékének egyidejű meghatározására is alkalmas – belső visszacsatolást, optimumkereső eljárást; — a kárelvű módszerek túlzott mértékben leegyszerűsítettek, közvetlen kapcsolatot teremtenek a kibocsátás és a károk, ill. azok költségei között, figyelmen kívül hagyják a környezeti elemek sajátosságait, valamint a szennyezőanyagok terjedési folyamatait; — az életciklus alapú módszereken is erősen érződik a kárelvű módszerek néhány jellegzetessége: igény a lehető legnagyobb mértékű egyszerűsítésre, törekvés az emisszió-kár összerendelésekre. II.B. Részmodellek II.B.1. TERJEDÉSSZÁMÍTÁS A légköri szennyezőanyag terjedés matematikai modellezése az 1920-as évekre nyúlik vissza. A ma használatos modellek egy része is az ekkor kimunkált elveken alapul. A légköri szennyezőanyag-terjedés leírására számos különböző módszer áll rendelkezésre (pl. füstfáklya-, puff- és numerikus modellek). A következőkben a megoldandó feladat sajátosságaihoz illeszkedve a füstfáklya modellek vizsgálatára szorítkozom. A füstfáklya modellek ADMS (CERC, 2004), AERMOD (U. S. EPA, 2004), APOPRO (GÁCS ET AL., 1997, 1999, 2000, BIHARI, GÁCS, 2002b), CALPUFF (SCIRE ET AL., 2000), ISC3 (U. S. EPA, 1995), AUSTAL2000 (AUSTAL2000, 2005; BMU, 2002) közös jellemzője, hogy a füstfáklyát egy kettős Gauss-eloszlással írják le. A modell kulcsparaméterei, ill. jellemzői a szélprofil, a szóródási együtthatók, a járulékos kéménymagasság, az érdesség és domborzat-paraméterezés, valamint a kikerülési folyamatok leírása. E terjedésszámítási módszerek alkalmazási tapasztalatait és egyes részmodelljeit, valamint az időközben megjelent továbbfejlesztett módszereket használtam fel az általam kidolgozott terjedésszámítási modellben. II.B.2. HATÁSTERÜLET ÉS KÁROSODÁS A hatásterület meghatározása esetében annak jogszabály szerinti (21/2001. (II. 14.) KORM. kormányrendelet) definíciója mindenképpen megújításra szorult, mivel esetenként irreális kiterjedést adott eredményül. A hatásterület meghatározására számos szerző (GÁCS és BIHARI, 1997; GÁCS ET AL., 1999; SZEPESI ET AL., 1996 és SÁMI, 1996) adott javaslatot, azonban e definíciók 3
nem veszik figyelembe, hogy a szennyezőanyagok nem azonos valószínűséggel okoznak károsodásokat, valamint egy forráshoz szennyezőanyagonként eltérő hatásterületet rendelnek. A környezeti elemek károsodásának leírásában nem alakult ki egységes módszer, ami a károsodási függvény bemenő paraméterének megválasztásában mutatkozik meg, mely lehet rövididejű vagy éves átlagos koncentráció. A korábban egységesen, valamint a mai napig sokak által használt lineáris károsodási függvények elavultságára hívja fel a figyelmet DÄSSLER (1979); DÍAZ, (1999), RABL és SPADARO (1999), KOVÁCS (1977), valamint az EC (1999) tanulmánya. Szintén az újabb típusú károsodási függvények alkalmazása mellett érvel és hoz fel példákat DOMINICI ET AL. (2002, 2003), POPE III ET AL., 2002 és CIFUENTES ET AL., 2000, 2000b cikke. PETROESHEVSKY és munkatársai (PETROESHEVSKY ET AL., 2001) Ausztráliában végzett vizsgálatok eredményeképpen megállapították, hogy szennyezőanyag koncentráció emelkedése az egészségügyi kockázat növekedésével jár, alacsony koncentrációknál azonban pozitív egészségügyi hatás is megfigyelhető. Ez abban mutatkozik meg, hogy az alacsony koncentrációjú szenynyezőanyag stimulálja a szervezet ellenálló képességét, ami ezáltal könnyebben birkózik meg a nagyobb koncentrációkkal és egyes allergénekkel. Ezt a hatást négyzetes, ill. köbös hatványfüggvénnyel lehet leírni. A mesterséges környezetnek (fém, üveg és ásványi anyagok) a légszennyezésből eredő károsodását általában egy másod- vagy harmadfokú hatványfüggvénnyel írják le (LEUENBERGER-MINGER ET AL., 2002; TIDBLAD ET AL., 1997). II.B.3. KÖRNYEZETI KÖLTSÉGEK A károsodás értékelési eljárások kulcskérdése a környezeti elemekben bekövetkező károk pénzértékké konvertálása, azaz a fajlagos károsodási költség meghatározása. Olyan környezeti javak esetében melyeknek létezik piaca (pl. mezőgazdasági haszonnövények) ez nem jelent gondot. Nem piaci javak esetében a feltételes értékelés módszerén alapuló fajlagos károsodási költség meghatározása a járható út (KEREKES, 1998; MARJAINÉ, 2000, 2001). A Világbank szakértői által a fejlődő országokban végzett felmérések eredményei (OSTRO, 1994; DIXON 1994; LVOVSKY ET AL., 2000), különösen a fajlagos költségadatok, melyeket a szintén a feltételes értékelés módszerével határoztak meg, máig iránymutató jellegűek. A környezeti költségek meghatározására eddig kidolgozott módszerek CURTISS és RABL (1996, 1996b), RABL ET AL. (1998), valamint SPADARO (1999), továbbá ZANG SHIQIU és DUANYANXIN (2000) kivétel nélkül koncentrált, átlagos paraméterekkel jellemzik a vizsgált területet, annak ellenére, hogy elegendő információ áll rendelkezésre az elosztott paraméterű kezelésre.
III. A kutatás módszerei és eredményei III.A. Értékelő és tervező eljárás A korábbi értékelési eljárásokban alkalmazott monolitikus felépítéssel szemben olyan értékelő és tervező eljárást dolgoztam ki, mely a moduláris építkezésen alapul. Ennek előnye, hogy az egyes részmodellek cseréjével az egész eljárásrendszer könnyen fejleszthető és pontosítható. A hatásvizsgálati és tervező rendszer a következő részmodellekből épül fel: forrás, terjedési, károsodás és költség modell. Minden egyes részmodell pontosan definiált mennyiségekkel csatlakozik a sorrendben utána következő, mely garantálja a cserélhetőséget. A forrás modell adja meg a szennyezőforrás erősségét (emisszió), valamint a kibocsátás pontos térbeli helyét (effektív forrásmagasság). A terjedési modell, mely az eljárásrendszer kulcseleme a szennyezőanyag térbeli és időbeli eloszlását írja le. A terjedési modell által szolgáltatott immissziómező szolgál a károsodás modell bemenő paramétereként, mely az ebből képzett dózis és a környezeti elemek sajátosságait leíró ún. dózis-kár függvény alapján meghatározza az egyes környezeti elemekben bekövetkező (valószínűsíthető) károsodásokat. A költség modell a károsodások, a környezeti elemeknek a vizsgált területen való eloszlása és a fajlagos károsodási költség alapján eredményül adja a vizs4
gált szennyezőforráshoz rendelhető környezeti költségeket. A tervezési eljárásban a környezeti költség, valamint a forráshoz rendelt energiaátalakítással és szállítással kapcsolatos költségek jelentették az optimumkeresés célfüggvényét. A módosítható paraméterek nagy száma, a részmodellek bonyolultsága okán hagyományos optimumkereső eljárással a legkisebb költséget eredményező megoldás nem volt előállítható, ezért új módszert kellett e célra keresni. Ez a módszer a genetikus algoritmus volt, melynek kanonikus eljárásait a gyorsabb és pontosabb működés érdekében új módszerekkel bővítettem. Ezt a teljes eljárási folyamatot és a részmodellek kapcsolódását szemlélteti a III–1. ábra. Modellek és eredmények
Paraméterek
Elvégzendő feladatok
Létesítmény(ek)
elhelyezkedés miatt
Paraméterek módosítása a legkisebb költség elérése érdekében
− − − −
technológia, üzemanyag, elhelyezkedés, üzemmenet
Forrás modell
Kibocsátás Környezeti feltételek: − − − − −
felszín, meteorológia, kikerülési folyamatok, érzékenység, elemsűrűség
Terjedési modell
Immisszió Állam gazdasági és jogszabályi előírások
Károsodás modell
Károsodás
+
Terjedésszámítást kell végezni minden szennyezőanyagra és forrásra, meghatározva a szennyezőanyag koncentrációjában bekövetkező változásokat.
A környezeti elemek egyedi sajátosságainak figyelembevételével meg kell határozni azok károsodásának mértékét.
Költség modell
A környezeti elemek egyedi sajátosságai
Belső költségek
Az energetikai létesítmények technológiai és egyéb adatainak ismeretében meg kell határozni az egyes szennyezőanyag kibocsátásokat.
Költségek
Internalizálható externális költségek
A megfelelő értékelési módszerekkel a károsodásokat pénzértékké kell alakítani, majd ezek egy részét beépíteni az energiaátalakítás költségeibe.
Externális költségek
ÖSSZES KÖLTSÉG
III–1. ábra. A külső költségek meghatározásán alapuló tervezés folyamata
III.B. Részmodellek A moduláris építkezés elvét megtartottam a részmodellek kidolgozása során is. Ennek megfelelően a forrás effektív magasságának meghatározásához szükséges járulékos kéménymagasság formulát több rendelkezésre álló módszer közül úgy választottam ki, hogy az mindig az adott viszonyoknak (légköri stabilitás) leginkább megfelelő legyen. A magyarországi meteorológiai 5
adatgyűjtés sajátosságainak figyelembevételével kellett kimunkálnom a szélsebesség vertikális változását megadó ún. szélprofil egyenletet, mely több részmodellben is megjelenik. A transzmissziós modell képezi az eljárás központi részét, ezért ennek kidolgozása igényelte a legnagyobb ráfordítást. A célkitűzéseknek leginkább megfelelő módszer a Gauss-típusú füstfáklyamodell volt. Napjainkban, amikor a számítástechnikai eszközök teljesítményének növekedésével egyre inkább teret nyernek a numerikus módszerek, kissé talán ódivatúnak hat a Gauss-modell alkalmazása, de a szakirodalmi források egybehangzó megállapítása szerint még nem járt le az ilyen típusú modellek ideje. A transzmissziós függvényt úgy dolgoztam ki, hogy megfelelő pontossággal írja le a szennyezőanyag diffúziós elkeveredését, valamint vegye figyelembe az száraz és nedves ülepedési folyamatokat. A mindezen kívánalmaknak eleget tevő szennyezőanyag terjedési függvényt a 2 2 vgx v x H p (x )− g +z H p (x )− −z 2 y u u Λ⋅x − 2 − − − 2 2 Q 2σy 2σz 2σz c(x , y, z )= e + ρde e e u q (x ) 2πσy σzu
számított koncentráció, μg/m3
egyenlettel lehet leírni. A transzmissziós függvény által szolgáltatott eredményeket mérési adatokkal is összevettem, melyek közül a Kincaid (OLESEN, 2005) kísérlet adataival való megfeleltetést a III–2. ábra mutatja. Az eredmények alapján megállapítottam, hogy a moduláris építkezés elve helyes volt, valamint az alkalmazott részmodellek segítségével a valós folyamatokat igen jól lehet leírni. 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2 3
mért koncentráció, μg/m III–2. ábra. A számított és a Kincaid kísérletben mért eredmények összevetése
A külső költségek meghatározásának központi kérdése, hogy a szennyezőforrás mekkora területen bekövetkező és milyen nagyságú károkért tehet felelőssé. A felelősségi terület meghatározására kritériumot dolgoztam ki, melyhez bevezettem a levegőminőségi mutatót. Ez a mennyiség kifejezi, hogy a forrásból származó kibocsátás a tér adott pontján milyen (relatív) levegőminőséget idéz elő. Értékkészlete 0 és 1 közötti, 0 a legrosszabb, míg a 1 legjobb (szennyezésmentes) állapotot jelenti. Előnye e mutatónak, hogy figyelembe veszi az egyes szennyezők eltérő veszélyességét. A károk meghatározásának alapjául a szennyezőanyag lineáris dózisát tekintettem, mivel e mennyiség együttesen veszi figyelembe a hatás erősségét és időtartamát. A környezeti elemek egyedi sajátosságait az adott elemre leginkább jellemző dózis-károsodás függvénnyel írtam le. A forráshoz tartozó károk nagyságának leírására a növekmény-károsodást (D∆ ) alkalmaztam, melyet a
D∆,m = ∑ Rm,i (di ) − ∑ Rm,i (di ,b ) i
i
6
egyenlettel definiáltam. A környezeti költségek meghatározásánál nem a direkt közgazdasági módszert (az egyéni és társadalmi határhasznok különbsége), hanem az indirekt, a károk költséggé alakításán alapuló módszert alkalmaztam. Ennek megfelelően a szennyezőforráshoz a hatásterülten belüli károkat a C E = ∑ C D,m ⋅ ∑ ∫ ρm (x E , y E , 0) ⋅ D∆,m,i (x E , y E , 0) dA m i A FoI egyenlettel meghatározott értékkel rendeltem hozzá. A tervező eljárás célfüggvényét CF = CP + CT + CE egyenlettel írtam fel, ahol C P jelenti az energiafejlesztéssel kapcsolatos összes, míg C T az energiahordozók szállításával összefüggő költségeket. A számítás célja a forrás paramétereinek olyan meghatározása, hogy a C F értéke minimális legyen. A paraméterek nagy száma, a számítási részmodellek bonyolultsága miatt az optimumkereséshez genetikus algoritmuson alapuló eljárást dolgoztam ki. Az kanonikus genetikus algoritmushoz képest továbbfejlesztettem az egyedek leírási módját (reprezentáció), valamint az eljárás gyorsítása és a pontosságának növelése érdekében új műveleteket és szabályokat alkottam. Ezekkel az eljárás sebessége a teljes paraméterintervallumon végzett kimerítő kereséséhez képest 37..624-szer nagyobb, míg a találati pontossága (a tényleges minimum és a genetikus algoritmus által megtalált C F értékének viszonya) 85..97% közötti volt. III.C. Alkalmazási és továbbfejlesztési lehetőségek Korábbi kutatásaim során számos esetben merült fel az igény a légszennyező pontforrás egyes jellemzőinek környezetvédelmi szempontból történő meghatározására. Ezekben az esetekben még nem az itt bemutatott módszert alkalmaztam, de annak egyes részei már megjelentek a tervezési folyamatban (pl. kéménymagasság és hatásterület). Most, hogy kidolgozott módszer áll a tervező rendelkezésére e feladat könnyebben és pontosabban válik megoldhatóvá. A tervezés mellett a módszer alkalmas meglévő létesítmények környezeti hatásainak felmérésére és a környezeti kockázatok elemzésére. A környezeti költségeknek mint PIGOU-féle adónak az alkalmazásával az egyes energiahordozók és energetikai technológiák közötti verseny igazi, méltányos versennyé tehető, amit az energiapiac liberalizációja is indokol. Az energiapiacra belépő és már ott jelenlévő szereplők némelyike nem nélkülözhet bizonyos mértékű (állami) támogatást. E támogatásokat úgy kell meghatározni, hogy összességében a társadalom jólétét mozdítsák elő. E célra a külső költségek, mint a támogatás révén elkerülhető környezeti (társadalmi) károk, kiválóan alkalmasak. A további kutatás célja lehet a bemutatott módszernek a teljes körű energetikai tervezés folyamatába történő integrációja. A terjedési modell kibővítése vonal- (közlekedési utak) és területi (pl. hulladéklerakó telepek) források kezelésével; kémiai átalakulások és másodlagos szennyezők keletkezésének leírásával. Újabb mérési eredmények felhasználásával lehetőség nyílik a terjedési modell finomhangolására és egyes almodelljeinek továbbfejlesztésére vagy cseréjére. A károsodás és költség-megállapításhoz szükséges adatbázisok az újabb kutatások és felmérések alapján tovább bővíthetők, ill. pontosíthatók.
7
IV. Új tudományos eredmények, tézisek Az értekezésben bemutatott kutatás új tudományos eredményeit az alábbi tézisekben foglalom össze: 1. Kidolgoztam egy moduláris felépítésű, komplex és integrált környezetterhelést értékelő és tervező eljárásrendszert. Definiáltam az egyes modulok (részmodellek) kapcsolódási felületeit, lehetővé téve azok részenkénti cseréjét és továbbfejlesztését. Lásd az értekezés 1.1. alfejezetét. Kapcsolódó publikációk: BIHARI, 1997, 1998, 1999, 2000, 2003; BIHARI ET AL. 2004; BIHARI és GÁCS 2002. 2. Elkészítettem egy Gauss-típusú, továbbfejlesztett légköri szennyezőanyag terjedési modellt. A modellt mérési eredményekkel összevetve megállapítottam, hogy az igen jól (a korrelációs együttható 0,69 és 0,96 közötti) írja le a transzmissziós folyamatokat. Lásd az értekezés 3. fejezetét. Kapcsolódó publikációk: BIHARI és GÁCS, 2002b; GÁCS és BIHARI, 2000, 2001, 2001b, 2001d, 2002, 2002b. 3. Meghatároztam a légszennyező pontforrás hatásterület-kritériumrendszerrel szembeni követelményeket és megalkottam az e követelményeknek megfelelő kritériumrendszert. Lásd az értekezés 4.2. alfejezetét. Kapcsolódó publikációk: BIHARI és PATAKY, 2001; GÁCS és BIHARI, 1997, 1998, 1998b, 1999, 4. Módszert dolgoztam ki az energetikai létesítmények külső költségeinek meghatározására. Ennek keretében: bevezettem a növekmény-károsodás mennyiségét; nagyszámú humán-egészségügyi, mezőgazdasági és ökológiai károsodás felmérés statisztikai adatait felhasználva megalkottam a használható dózis-károsodás függvényeket, valamint az ezek számításához szükséges adatbázist. Lásd az értekezés 4.1. és 5.1. alfejezeteit. Kapcsolódó publikációk: BIHARI, 2003, 2004, 2004c; BIHARI ET AL., 2004b; BIHARI és GÁCS, 2005; 5. Genetikus algoritmuson alapuló tervezési eljárást dolgoztam ki a légszennyező pontforrás optimális paramétereinek meghatározására. Ennek keretében: megalkottam az optimálás cél költségfüggvényét; továbbfejlesztett genetikus algoritmust és új genetikus műveleteket és szabályokat (génbank képzés, irányított mutáció, életbenmaradási szabály és serkentett evolúció) dolgoztam ki a legkisebb költséget eredményező változat meghatározására. Lásd az értekezés 5.2. alfejezetét. Kapcsolódó publikációk: BIHARI 2005, 2006.
8
V. A témakörből készült publikációk 1. BIHARI P. (1997): Energiamodellek. Magyar Energetika 1997/4: 41–48. 2. BIHARI P. (1998): Modelling long-term, countrywide demand for energy. Proceedings of First Conference on Mechanical Engineering. Budapest, May 28-29., 1998.: 577–581. 3. BIHARI P. (1999): Long-term energy demand models. Proceedings of 2nd International Conference of PhD Students, University of Miskolc, 8-14 August 1999.: 287–293. 4. BIHARI P. (2000): Methods for Energy Planning. Proceedings of 2nd International Conference on Mechanical Engineering. Budapest University of technology and Economics, May 25-26, 2000.: 52–57. 5. BIHARI P. (2003) External costs of electricity. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection” Balatonfüred, May 26–28, 2003.: 199–204 6. BIHARI P. (2004) Planning and assessment the load of air environment. Acta Mechanica Slovaca. VIII. 3-A/2004.: 654–652 7. BIHARI P. (2004c) Environmental risks of embedded energy systems. Proceedings of 4th Conference on Mechanical Engineering. Budapest May 27-28, 2004.: 222–227 8. BIHARI P. (2005) Using genetic algorithm in energy planning process. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection” Balatonfüred, May 23–25, 2005.: 71–75 9. BIHARI P. (2006) Energy planning focused on environment. Proceedings of 5th Conference on Mechanical Engineering. Budapest May 25-26, 2006.: CD-ROM 10. BIHARI P., GÁCS I. (2002): External (environmental) cost of electricity. Proceedings of 3rd Conference on Mechanical Engineering. Budapest, May 30-31, 2002.: 12–16 11. BIHARI P., GÁCS I. (2002b): Development of air pollution dispersion software at BUTE Department for Energy. Acta Mechanica Slovaca. VI. 2/2002.: 221–226 12. BIHARI P. GÁCS I. (2005) Monetary valuating environmental impacts of power plants. Proceedings of microCAD 2005 International Scientific Conference Miskolc, March 10–11, 2005.: 7–10 ISBN 963 661 648 5 13. BIHARI P., GÁCS I., PENNINGER A. (2004b): External costs and environmental risks of electricity production. in Science Supporting Environmental Protection edt.: GORDON, N., HRONSZKY I., Florida Tech–BME Partnership Programme Yearbook. Arisztotelész Publishing Co., Budapest 14. BIHARI P., PATAKY B. (2001): Légszennyező pontforrások hatásterülete. Magyar Energetika 2001/3: 35–39 15. GÁCS I., BIHARI P. (1997): Environmental Impact Study for Burning Equipment. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection”, Tata, May 25-28, 1997.: 190– 198 16. GÁCS I., BIHARI P. (1998): Modelling Air-pollution in Support of Jurisdiction. Proceedings of First Conference on Mechanical Engineering. Budapest, May 28-29 1998.: 906–910 17. GÁCS I., BIHARI P. (1998b): Levegő-környezeti hatásvizsgálat tüzelőberendezésekre. Energiagazdálkodás, 1998/3: 125–128 18. GÁCS I., BIHARI P. (1998c): Terjedésszámítási módszerek összehasonlítása. Kutatási jelentés. BME Energetika Tanszék 19. GÁCS I., BIHARI P. (1999): A levegőtisztaság-védelem és jogharmonizáció. „Energiahatékonyság, energiapiac és környezetvédelem az ezredfordulón” c. konferencia, Eger, 1999. június 2-4. kiadványa: 393–402. 9
20. GÁCS I., BIHARI P., BENYÓ I. (1999): Impact field of air-polluting sources. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection”, Balatonfüred, May 31-June 2, 1999.: 189–194 21. GÁCS I., BIHARI P., GORICSÁN I., BERNÁTH X. (1999): Transportation of pollutants in different configurations of the terrain. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection” Balatonfüred, May 31-June 2, 1999.: 195–200 22. GÁCS, I., BIHARI, P. (2000): Új módszerek a légszennyezés modellezésben. Magyar Energetika 2000/7: 23–26 23. GÁCS I., BIHARI P. (2000b): Energetikai berendezések levegőtisztaság-védelmi ellenőrzése. Energiagazdálkodás, 41(2):: 15–18 24. GÁCS I., BIHARI P. (2001): Transzmisszió-számításon alapuló bírság elosztás. Magyar Energetika, 2001/5: 42–48 25. GÁCS I., BIHARI P. (2001b): The uncertainty of the input data of air-pollution calculations. Proceedings of Conference „Heat Engines and Environmental Protection” Balatonfüred, May 28–30, 2001.: 123–130 26. GÁCS I., BIHARI P. (2001d): The uncertainty of the environmental data of air-pollution calculations. „Energiahatékonyság, energiapiac és környezetvédelem az új évezred kezdetén” c. konferencia, Sopron, 2001. június 13–15. kiadványa: 287–294. 27. GÁCS I., BIHARI P. (2002): Impact of input data uncertainties on air pollution dispersion calculations. Proceedings of the Tyndall/CIB International Conference on Climate Change and Built Environment. UMIST, UK Manchester 8-9 April 2002.: paper Nº106 28. GÁCS I., BIHARI P. (2002b): Légszennyezés-terjedés számítások bemenő adatainak bizonytalansága és a bizonytalanság hatása. Energiagazdálkodás, 43(2):: 3–9 29. GÁCS I., BIHARI P., HAYER P. (1999): Újabb eredmények a légszennyező anyagok terjedésének modellezésében. ERŐTERV Közlemények 37.
VI. Felhasznált irodalom 1. AUSTAL2000 (2005): Programmbeschreibung zu Version 2.2. Ingenieurbüro Janicke, Dunum. 2. BMU, BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT (2002): Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes–Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft) Vom 24. Juli 2002 3. CERC – CAMBRIDGE ENVIRONMENTAL RESEARCH CONSULTANTS LTD. (2004): ADMS 3 User Guide. Cambridge Environmental Research Consultants Ltd., Cambridge, UK. 4. CIFUENTES, L. A., E. SAUMA, H. JORQUERA AND F. SOTO (2000): Preliminary Estimation of the Potential Ancillary Benefits for Chile. Proceedings of the Expert Meeting on Ancillary benefits and Costs of Greenhouse Gas Mitigation, Washington, D.C., May 2000. Organisation for Economic Cooperation and Development . Co-sponsored by IPCC. p. 237-261 5. CIFUENTES, L., L. LAVE, VEGA, J., KOPFER, K. (2000b): Effect of the fine fraction of particulate matter vs. the coarse mass and other pollutants on daily mortality in Santiago, Chile. Journal of the Air & Waste Management Association 50: 1287–1298. 6. CROPPER, M. L., SIMON, N. B., ALBERINI, A., SHARMA, P. K. (1997): The Health Effects of Air Pollution in Delhi, India. Policy Research Working Paper: WPS 1860, The World Bank, Washington, DC, USA 7. CURTISS, P. S., RABL, A. (1996): Impacts of Air Pollution: General Relationships and Site Dependence. Atmospheric Environment 30(19): 3331–3347 8. CURTISS, P. S., RABL, A. (1996b): Impact Analysis for Air and Water Pollution: Methodology and Software Implementation. Chapter 13: 393–426. Environmental Modeling – Vol. 3., P. ZANNETTI (edt.), Computational Mechanics Publications, Southampton, UK
10
9. DÄSSLER, H-G. (1979): A légszennyezések hatása a növényzetre. Mezőgazdasági Kiadó 10. DÍAZ, J., GARCÍA, R., RIBERA, P., ALBERDI, J. C., HERNÁNDEZ, E., PAJARES, M. S., OTERO, A. (1999): Modeling of air pollution and its relationship with mortality and morbidity in Madrid, Spain. International Archives of Occupational and Environmental Health 72: 366–376 11. DIXON, J. A. (1994): The Economic Valuation of Health Impacts. The World Bank, Washington D.C. 12. DOMINICI, F., DANIELS, M., ZEGER, S. L., SAMET, J. (2002): Air Pollution and Mortality: Estimating Regional and National Dose-Response Relationships. Journal of the American Statistical Association 97(457): 1–12 13. DOMINICI, F., SHEPPARD, L., CLYDE, M. (2003): Health Effects of Air Pollution: A Statistical Review. International Statistical Review 71: 243–276. 14. EC – EUROPEAN COMMISSION, DIRECTORATE-GENERAL XII, SCIENCE, RESEARCH AND DEVELOPMENT (1999): ExternE – Externalities of Energy. Vol. 7: Methodology 1998 update. (EUR19083) Luxembourg, Office for Official Publications of the European Communities 15. FLIEGE, J. (2001): OLAF—A general modeling system to evaluate and optimize the location of an air polluting facility. OR Spektrum 23: 117–136 16. FOUQUET, R., SLADE, R., KARAKOUSSIS, V., GROSS, R., BAUEN, A., ANDERSON, D. (2001): External Cost and Environmental Policy in the United Kingdom and the European Union. Occasional Paper 3, Imperial College of Science, Technology and Medicine, Centre for Energy Policy and Technology 17. FREEMAN, A. M. III., SHIPMAN, W. D. (2000): The Valuation of Environmental Health Damages in Developing Countries: Some Observations. Economy and Environment Program for Southeast Asia. Special Report www.eepsea.org 18. GÁCS I. (1988): Energetikai levegőszennyezés matematikai modellezése. Kandidátusi értekezés 19. HOWARTH, A., PEARCE, D. W., OZDEMIROGLU, T., WIERINGA, K., STREEFKERK, C. M., DE HOLLANDER, A. E. M. (2001): Valuing the benefits of environmental policy: The Netherlands. RIVM report 481505024, Rijksinstituut voor volksgezondheid en milieu, Bilthoven 20. KEREKES S. (1998): A környezetgazdálkodás alapjai. Egyetemi jegyzet. Budapesti Közgazdaságtudományi Egyetem, Budapest 21. KHANNA, N. (2000): Measuring environmental quality: an index of pollution. Ecological Economics 35: 191–202 22. KOVÁCS M. szerk. (1977): A környezetvédelem biológiai alapjai. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest 23. LEUENBERGER-MINGER, A. U., BUCHMANN, B., FALLER M., RICHNER, P., ZÖBELI, M. (2002): Doseresponse function weathering steel, copper and zinc obtained from four-year exposure programme in Switzerland. Corrosion Science 44: 675-687 24. LONTAY Z. (1997): Környezetvédelem és energiagazdálkodás. Magyar Energetika 1997/4.: 13–15 25. LVOVSKY, K., HUGHES, G., MADDISON, D., OSTRO, B., PEARCE, D. (2000): Environmental Costs of Fossil Fuels. A Rapid Assessment Method with Application to Six Cities. The World Bank Environmental Department. Pollution Management Series Paper No. 78 26. MARJAINÉ SZERÉNYI ZS. (2000): A természeti erőforrások monetáris értékelésének lehetőségei Magyarországon, különös tekintettel a feltételes értékelés módszerére. Ph.D. értekezés. Budapesti Közgazdasági és Államigazgatási Egyetem, Budapest 27. MARJAINÉ SZERÉNYI ZS. (2001): A természeti erőforrások pénzbeli értékelése. Közgazdasági szemle 48: 114–129 28. OLESEN, H. R. (2005): User’s Guide to the Model Validation Kit. Research Notes from NERI No. 226. National Environmental Research Institute, Denmark. 29. ORBETA, E. M., RUFO, C. M., INDAB, A. (2000): Benefits and Costs of Controlling Emissions from Fossil-fired Power Plants: Region IV, Philippines. Economy and Environment Program for Southeast Asia. Research Report www.eepsea.org 30. OSTRO, B. (1994): Estimating the Health Effects of Air Pollution: A Method with an Application to Jakarta. The World Bank, Policy Research Working Paper, WPS 1301. 31. PETROESHEVSKY, A., SIMPSON, R. W., THALIB, L., RUTHERFORD, S. (2001): Associations between Outdoor Air Pollution and Hospital Admissions in Brisbane, Australia. Archives of Environmental Health 56(1): 37–52
11
32. POPE III, C. A., BURNETT, R. T., THUN, M. J., CALLE, E. E., KREWSKI, D., ITO, K., THURSTON, G. D. (2002): Lung Cancer, Cardiopulmonary Mortality and Long-Term Exposure to Fine Particulate Air Pollution. Journal of American Medical Association 287(9): 1132–1141 33. RABL, A., SPADARO, J. V., MCGAVRAN, P. D. (1998): Health Risks of Air Pollution Incinerators: a Perspective. Waste Management and Research 16: 365–388 34. RABL, A., SPADARO, J. V. (1999): Damages and Costs of Air Pollution: an Analysis of Uncertainties. Environment International 25(1): 29–46 35. ROWE, R. D., LANG, C. M., CHESTNUT, L. G. (1996): Critical factors in computing externalities for electricity resources. Resource and Energy Economics 18: 363-394. 36. SÁMI L. (1996): Légszennyező források hatásterülete. in SZEPESI D. (szerk.) Levegőkörnyezeti kézikönyv. Levegkörnyezet-gazdálkodási Szaktanácsadó Bt.: 192–198 37. SCIRE, J. S., STRIMAITIS, D. G., YAMARTINO, R. J. (2000): A User’s Guide for the CALPUFF Dispersion Model (Version 5). Earth Tech, Inc., 196 Baker Avenue, Concord, MA 01742 38. SPADARO, J. V. (1999): Evaluation des dommages de la pollution de l’air: modélisation, études de sensibilité, et applications. These. Ecole des Mines de Paris, Collège doctoral. 39. SZEPESI D. szerk. (1981): A levegőkörnyezet (levegőminőség és humán-komfort) tervezése. Műszaki Könyvkiadó, Budapest 40. SZEPESI D., FEKETÉNÉ DR. NÁRAI K., POHL L. (1996): Útmutató levegőkörnyezeti KHT készítéséhez a 152/1995.(XII.12.) Korm. rendelete alapján. in SZEPESI D. (szerk.) Levegőkörnyezeti kézikönyv. Levegkörnyezet-gazdálkodási Szaktanácsadó Bt. 41. TIDBLAD, J., KUCERA, V., MIKHAILOV A. A. (1997): Statistical analysis of 8 year materials exposure and acceptable deterioration and pollution levels. Report No 30. Swedish Corrosion Institute, Stockholm, Sweden 42. U. S. DOE-EIA – DEPARTMENT OF ENERGY, ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION (1995): Electricity Generation and Environmental Externalities: Case Studies. DOE/EIA-0598. Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels Coal and Electric Analysis Branch U.S. Department of Energy Washington, DC 20585 43. U. S. EPA – ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (1995): User’s Guide for the Industrial Source Complex (ISC3): Dispersion Models. Volume II – Descriptions of Model Algorithms. EPA-454/B-95003b, Research Triangle Park, NC. 44. U. S. EPA – ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (2004): AERMOD Description of model formulation. EPA-454/R-03-004, Research Triangle Park, NC. 45. ZANG SHIQIU, DUANYANXIN (2000): Marginal Cost Pricing for Coal Fired Electricity in Coastal Cities of China: The Case of Mawan Electricity Plant in Shenzhen, Guangdong Province. Economy and Environment Program for Southeast Asia. Research Report http://www.eepsea.org
12
VII. Jelölések jegyzéke Jelölés AFoI
Megnevezés, megjegyzés, érték
Mértékegység
hatásterület (field of impact)
m2
c CD
koncentráció (concentration)
kg/m3
a károsodás fajlagos költsége (specific cost of damage)
Ft/…
CE CP
külső (környezeti) költség (external /environmental/ cost) energiafejlesztési költség (production cost)
Ft/a
CT
energiaszállítási költség (transportation cost)
Ft/a
d D
dózis (dose) károsodás (damage) a füstfáklya középvonalának magassága (height of the plume centerline) ülepedési korrekciós függvény (deposition correction function) pillanatnyi szennyezőanyag-áram (emission rate) szélsebesség (wind speed) gravitációs ülepedési sebesség (gravitational settling velocity)
kg·s/m3
szélirányban mért távolság (downwind distance) szélirányra merőlegesen mért távolság (crosswind distance) felszínre merőlegesen mért távolság (height above ground level) koordináták a földhöz rögzített rendszerben (coordinates in the system fixed to earth) kimosódási tényező (precipitation scavenging ratio)
m
tükrözési tényező (surface reflection factor) környezeti elem sűrűsége (densisty of environmental element) vízszintes szóródási együttható (lateral dispersion coefficient) függőleges szóródási együttható (vertical dispersion coefficient)
1
Hp q Q u vg x y z x E, yE, z E Λ ρd ρm
σy σz indexek i m
szennyezőnyag környezeti elem
13
Ft/a
m
kg/s m/s m/s
m m m 1/s egyed/m2 m m
