8. 10. 2015
Vladimír Kočí Ústav chemie ochrany prostředí VŠCHT Praha
Podklady k přednáškám z předmětu „Environmentální dopady – Posuzování životního cyklu“. 1
Nepříznivým důsledkem nadměrné spotřeby surovin je
především jejich potenciální nedostatek v budoucnu. K čerpání surovin se často negativně přidružují environmentální dopady těžby a přidružených operací. Tyto činnosti ovšem nemohou být logicky zahrnovány do dopadů kategorie spotřeby surovin, ale do dopadů dalších ovlivněných kategorií. U obnovitelných surovin se k možnému vyčerpání suroviny přidružují i další následné nepříznivé environmentální dopady jako je pokles kvality ekosystémů, vyhynutí dalších organismů a podobně.
2
1
8. 10. 2015
Suroviny dělíme na obnovitelné a neobnovitelné, a na biotické
a abiotické.
Obnovitelnými zdroji rozumíme takové, které se z horizontu
lidského života dostatečně rychle obnovují. Příkladem může být zdroj pitné vody, populace ryb, dřevo apod.
Fosilní paliva jsou sice biologického původu a tudíž
obnovitelné, jejich vznik je ovšem tak dlouhodobý, že je řadíme k surovinám neobnovitelným, abiotickým.
3
Při využívání obnovitelných zdrojů je důležitá rovnováha mezi
jejich čerpáním a rychlostí obnovy. Dojde-li k rychlejšímu čerpání než je přirozená obnova, má to nepříznivé důsledky.
V mnoha částech světa dnes dochází k rychlejšímu vyčerpávání
obnovitelných zdrojů s možnými nezvratnými důsledky pro budoucí generace.
Dojde-li k úplnému vyčerpání obnovitelného zdroje, může dojít
ke ztrátě jeho obnovitelnosti.
4
2
8. 10. 2015
Lesy jsou káceny bez obnovy do původní úrovně
biodiversity; (Historickým příkladem může být vykácení lesních porostů ve Středomoří) intenzivní zemědělství způsobuje ochuzování půdy a pokles množství humusu; zdroje podzemní vody jsou vyčerpávány rychleji než odpovídá jejich vydatnosti, důsledkem je penetrace slané vody v pobřežních oblastech či průniky lokálního znečištění. snižování rybích populací. 5
Místem úbytku surovin je z přírodního hlediska celá Země, ze
socioekonomického pohledu pak globální trh.
6
3
8. 10. 2015
Základním faktorem úbytku surovin je jejich zásoba a
dostupnost, rychlost spotřeby a rychlost znovu-obnovy zdrojů. Důležitým faktorem při posuzování účelnosti intenzity využívání biotických surovin je poměr mezi rychlostí využívání a rychlostí přirozené znovu-obnovy.
7
Za neobnovitelné abiotické suroviny, považujeme uložené
(deponované) materiály jako jsou rudy Ropa zemní plyn.
Mezi obnovitelné zdroje řadíme v relativně krátkém
časovém horizontu obnovitelné abiotické zdroje jako je podzemní voda zemědělská půda biotické zdroje.
8
4
8. 10. 2015
Biotické zdroje jsou zpravidla obnovitelné v závislosti na biologických
cyklech. Jedná se o využívání rostlinné a živočišné biomasy. Jako nejpalčivější příklady si uveďme kácení tropických pralesů lov kytovců lov šelem nešetrné rybářské praktiky. Za klíčové abiotické zdroje lze považovat zdroje pitné vody, ropu a zemní
plyn, rudy kovů. Za specifický typ surovin považujeme energetické či materiálové toky,
které jsou obnovovány dle svých konkrétních zákonitostí, ale v přímé závislosti na svém zdroji. Sem počítáme například větrnou či sluneční energii. 9
Omezená dostupnost surovinových zdrojů může v budoucnosti
vést k zvyšování mezinárodního napětí. Bude nutné více využívat obnovitelné zdroje energie jako jsou sluneční či větrná energie. Používání nových materiálů bude muset být omezeno s posílením recyklace.
10
5
8. 10. 2015
V mnoha regionech světa dochází k masivnímu kácení lesních porostů.
V Evropě došlo v výraznému kácení lesů během posledních 1000 let. Na dálném východě a v Latinské Americe probíhá intenzivní kácení v posledních desetiletích.
Důsledky masivního kácení tropických pralesů mohou ve svém důsledku
mít i regionální až globální efekt. Základní dopady kácení lesů jsou:
úbytek přirozeného prostředí mnoha živočichů a rostlin, vymírání druhů; ztráta estetických a kulturních hodnot krajiny; půdní eroze narušení vodního režimu krajiny, nedostatek pitné vody, povodně; úbytek úživnosti půdy (zejména tropické oblasti).
11
12
6
8. 10. 2015
Těžba vybraných neobnovitelných přírodních zdrojů (mil.
tun) (uran v tunách), ČR, 1990-2003. 1990
1995
2000
2001
2002
2003
Černé uhlí
30,71
21,31
17,03
14,83
14,1
13,4
Hnědé uhlí
78,39
57,95
50,61
51,04
48,83
49,9
Kaolin
3,46
2,8
5,57
5,54
3,65
4,2
Stavební kámen
44,52
25,92
27,3
28,2
28,08
32,3
Štěrkopísky
41,43
24,6
22,75
21,75
21,71
23,2
Uran (t)
2243
611
498
490
477
360 13
Indikátorm kategorie je snižování zásob suroviny v poměru k její roční
spotřebě. Charakterizačním faktorem spotřeby surovin je potenciál úbytku surovin ADP (Abiotic Depletition Potential). Jedná se o poměr mezi množstvím spotřebované suroviny i ke globální zásobě této suroviny. Pro potřeby porovnávání různých surovin se za vztažnou referenční látku volí antimon Sb. Charakterizační faktor ADP látky i je definován následujícím vztahem, kde R je celková zásoba zdroje (kg) a DR je rychlost těžby suroviny (kg.rok-1).
14
7
8. 10. 2015
Látka
ADP, kg(Sb-eq)/kg
Hg
0,495
Al
1E-08
Na
8,24E-11
As
9,17E-03
Pb
0,0135
Au
89,5
Pt
1,29
Ca
7,08E-10
Sb
1
Cl
4,86E-08
Zn
9,92E-04
Cr
8,58E-04
Černé uhlí
Fe
8,43E-08
He
148
Fosilní energie
0,0134 4,81E-04 kg(Sb-eq)/MJ
Hnědé uhlí
0,00671
Ropa
0,0201
Zemní plyn
0,0187 kg(Sb-eq)/m3 15
Za charakterizační faktor biotických zdrojů byl stejným způsobem
navržen BDP, kde za referenční „surovinu“ byl zvolen slon africký Loxodonta africana, jež se do výpočtu může použít buď jako počet jednotek, nebo váha v kg. Dosud ovšem nebyl tento charakterizační faktor všeobecně přijat a nejsou k dispozici tabelované hodnoty.
16
8
8. 10. 2015
Výsledek indikátoru dopadu pro kategorii spotřeby surovin AD se vypočítá
pro i látek odebraných ze životního prostředí v r tocích. ADPi je tabelovaný potenciál úbytku abiotických zdrojů látky i; mi je množství látky i v toku r. Výsledek indikátoru kategorie je vyjádřen v jednotkách kg antimonového ekvivalentu, kg(Sb-eq). Obdobným způsobem by se vypočítával i výsledek indikátoru úbytku biotických zdrojů BD.
17
Normalizace spotřeby surovin se provádí vzhledem k průměrné
spotřebě dané suroviny vztažené na jednoho obyvatele ve zvoleném referenčním roce. Pro výpočet se nepoužívá celková těžba dané suroviny z přírody, ale celkové její využití ve výrobě. Do výroby totiž vstupují i recyklované suroviny a suroviny ze zásob. Tato hodnota je tedy reprezentativnější. Následující vztah definuje normalizaci spotřeby suroviny i,kde RCi je množství suroviny spotřebované během celého životního cyklu produktu (tj. celková spotřeba produktového systému vztaženého na funkční jednotku po dobu T roků), RRi(1990) je globální spotřeba suroviny i vztažená na jednoho obyvatele a referenční rok 1990, T je doba životního cyklu funkční jednotky v rocích.
18
9
8. 10. 2015
Surovina
Spotřeba na osobu, kg.osoba-1.rok-1
Ropa
592
Uhlí
574
Hnědé uhlí
254
Zemní plyn, m3
382
Železo
103
Hliník
3,4
Zinek
1,4
Měď
1,7
Nikl
0,18
Mangan
1,8
Olovo
0,64
Cín
0,04
Dřevo, m3
0,65
Voda, m3
612
19
Váhový faktor pro spotřebovávání surovin musí odrážet vzácnost dané
suroviny vzhledem k rychlosti její spotřeby.
Je třeba dát do vztahu známé světové zásoby k roční spotřebě. Tomu se
říká zásobovací perspektiva (supply horizon, SH). U neobnovitelných zdrojů se zásobovací perspektiva rovná počtu roků, na které při současném tempu spotřeby (annual consumption, AC) budou stačit globální zásoby (global resources, GR).
U obnovitelných zdrojů lze roční spotřebu snížit o obnovené množství (annual regeneration, AR).
20
10
8. 10. 2015
Převrácená hodnota zásobovací perspektivy představuje
váhový faktor spotřeby surovin.
21
množství energie (MJ) potřebné k získání dané suroviny v
budoucnosti Vychází se z předpokladu, že lidé vždy v prvé řadě využívají dostupnější zdroje surovin. V případě, že jsou tyto dostupné zdroje vyčerpány, pokračují s čerpáním surovin hůře dostupných a tudíž vyžadujících pro své získání větší množství energie. Každá současná spotřeba suroviny vede v budoucnosti ke zvýšení energetické náročnosti získání stejného množství suroviny.
22
11
8. 10. 2015
23
Kategorie dopadu využívání krajiny patří mezi nejnovější
témata v LCA.
Mnoho otázek souvisejících s aplikací této dopadové kategorii
v praxi dosud nebylo vyřešeno. Nastiňme si alespoň základní principy kategorie.
Přeměna volné krajiny v krajinu využívanou ať již zemědělsky,
lesnicky, průmyslově či urbanisticky představuje úbytek či fragmentaci volné přírody – původních lesů, mokřadů, meandrů řek, remízků a podobně.
Úbytek přirozeného prostředí vede ke snižování biodiversity.
Při vyžívání krajiny se často hovoří o tzv. ekologické stopě.
24
12
8. 10. 2015
Ekologická stopa definované populace (jednotlivec, město,
stát...) je celková plocha ekologicky produktivní země a vodní plochy, využívaná výhradně k zajištění zdrojů a asimilaci odpadů produkovaných danou populací.
Přeměna krajiny: změny v kvalitě krajiny, změny biodiversity a schopnosti být nositelkou života
Zábor krajiny: využití krajiny jako prostorového zdroje, zábor krajiny pro účely lidských aktivit; vztahuje se na prostor a dobu užívání.
25
26
13
8. 10. 2015
Pro znázornění dopadů na krajinu se používají diagramy závislosti kvality krajiny (kvalita bývá definována různě) na čase.
27
Přeměna krajiny je míra změny v úrovni biodiversity a ve
schopnostech krajiny být nositelkou života. Porovnává se stav krajiny před (t1) a po lidské aktivitě (t3). Lidská aktivita v krajině zpravidla na začátku (t1) sníží úroveň kvality krajiny z původní hodnoty A na hodnotu B. Po ukončení přímého lidského vlivu (t2) nastává fáze obnovy krajiny, ať již s nebo bez pomoci člověka a po určitém čase (t3) se úroveň kvality krajiny ustaví na hodnotě C.
28
14
8. 10. 2015
29
Úroveň kvality krajiny v sobě zahrnuje jak množství a diversitu
rostlinných, živočišných a bakteriálních druhů, ale i bohatství nerostných materiálů a estetických a kulturních funkcí krajiny.
Rozdíl mezí úrovní A a C je považován za úbytek kvality krajiny
způsobený lidskou aktivitou, jedná se o kategorii dopadu přeměna krajiny.
Přeměna krajiny se vyjadřuje v jednotkách kvality
krajiny×plocha. Jelikož kvalita krajiny bývá vyjadřována různě, ale většinou bez jednotky, vyjadřuje se přeměna krajiny v jednotkách m2.
30
15
8. 10. 2015
Zábor krajiny je kategorií dopadu vyjadřující míru
nevyužitelnosti krajiny pro jiné lidské aktivity v důsledku aktivity předešlé nebo dosud trvající.
Zábor krajiny v sobě zahrnuje jak pokles kvality krajiny během
vlastní činnosti (t1 – t2), tak i dobu potřebnou k ustanovení nového rovnovážného stavu (t3).
Míra obsazení krajiny se vyjadřuje jako součin kvality krajiny ×
plochy × doba. Jednotkou tudíž je m2 × rok.
Často se zde používají ekonomická hlediska vyjádření hodnoty
plochy krajiny.
31
32
16
8. 10. 2015
Problematické je zapojení přeměny krajiny do fáze inventarizace. Je
poměrně obtížné provést alokaci přeměny krajiny (jak alokovat výnosy z nově vytvořených polí, jak alokovat využití nově vybudované silnice). Základním úkolem je přiřazení využívání krajiny k funkční jednotce, což bývá kontroverzní. Jsou-li dostupná data, jako například v Nizozemí, lze alokaci provést: Během určitého desetiletého období bylo 8.107 m2 zemědělské půdy přeměněno na 9500 km silnic. Během stejné doby narostla intenzita dopravy o 16.109 auto-km a 5,2.109 tuna-km. Využití krajiny lze pak vztáhnout a alokovat na ujetý km, případně na hmotnost nákladu přepraveného na určitou vzdálenost. 33
Zábor krajiny se dá poněkud snadněji alokovat než přeměna
krajiny. Ročně využívaná plocha je zpravidla dostupná hodnota. Hodnota krajiny se dá poměrně dobře vyjádřit cenou, jedná se tedy o ekonomické hledisko. To lze poměrně dobře přiřadit k funkční jednotce. Dosud ne zcela sjednocenou otázkou je vytvoření konzistentní vazby využívání krajiny s dalšími kategoriemi dopadu, například při normalizaci.
34
17
8. 10. 2015
do značné míry společné kategorie dopadu: Biodiverzita (angl. biodiversity) Pokles životadárných funkcí krajiny (angl. loss of life support
functions)
35
Endpointová kategorie Pokles biodiverzity = úbytek biologických druhů a snižování
pestrosti ekosystémů
Důsledek působení toxických látek nevhodného využívání krajiny globálního oteplování úbytku stratosférického ozónu rušení přirozeného klidu organismů například zvýšeným
pohybem osob, hlukem či dalšími intervenčními zásahy
Každý ekosystém, který je méně diverzifikován je náchylnější
k dalšímu poškození a vytržení z rovnováhy.
Uhynulé druhy: http://extinctanimals.petermaas.nl/ 36
18
8. 10. 2015
Využívání krajiny jako zdroje biomasy (zemědělství, lesnictví) Indikátorem životadárné funkce krajiny je produkce biomasy,
vyjádřena jako sušina rostlinné hmoty, respektive primární produkce NPP (angl. net primary production) Někteří autoři do NPP započítávají všechny biologické druhy přítomné v dané lokalitě Zjištění reálných hodnot NPP je pak ovšem velmi nejisté. Případně: nezapočítává se do produkce krajiny biomasa odebraná pro lidské potřeby. Produkce se pak vyjadřuje jako volná primární produkce fNPP (angl. free net primary production). 37
Indikátor kategorie dopadu biodiverzita: počet a hustota biologických druhů α počet ekosystémů případně množství genetické informace. Pro praktické účely se míra biodiverzity vyjadřuje pouze
počtem rostlinných druhů na m2.
38
19
8. 10. 2015
Indikátorem životadárné funkce krajiny je produkce biomasy,
vyjádřena jako sušina rostlinné hmoty, respektive primární produkce NPP (angl. net primary production) vyjádřena jako volná primární produkce fNPP
39
Princip výpočtu výsledku indikátoru kategorie dopadu VLU
spočívá v součtu podílu nároků na krajinu všech jednotkových procesů výrobkového systému. Každý jednotkový proces představuje určitý zásah do krajiny. Po alokaci typu zásahu k produktovému systému a po vztažení k funkční jednotce lze obecně určit VLU takto:
40
20
8. 10. 2015
K výše uvedeným kategoriím dopadu lze připočíst několik dalších, které se zatím do studií LCA zapojují pouze ve specifických případech. Jedná se o kategorie, které dosud nebyly plně validovány, ale jejichž rozvoj se očekává. Jedná se především o následující kategorie dopadu: Hluk Ionizační záření Odpadní teplo Produkce odpadů Zápach Jedná se o kategorie v některých studiích LCA zařazené do jiných kategorií dopadu. Například zápach či hluk může být hodnocen jako humánní toxicita, odpadní teplo jako ekotoxicita. 41
Dosud se o zamoření životního prostředí hlukem hovoří
poměrně zřídka. Ukazuje se však, že zvýšená hladina hluku má nepříznivý vliv na zdraví lidské populace. Nepříznivé dopady hluku na živočichy byly rovněž pozorovány. Mezi nejznámější patří zamoření moří hlukem z lodní dopravy,
kdy dochází k narušení orientace ryb a kytovců.
Hluk uvádí živočichy do stresového chování, brání jim ve
vyhledávání kořisti či naopak ve včasném zaznamenání predátora.
42
21
8. 10. 2015
Za jednotku kategorie dopadu hluk se volí Pa2.s-1. Jednotlivé zdroje hluku nejsou mezi sebou rozlišovány. Všem typům zvuků se přiděluje charakterizační faktor 1 a
výsledek kategorie dopadu hluk G je suma množství hluku ze všech zdrojů.
V budoucnu lze očekávat intenzivnější začlenění hluku do LCA. Více informací o vývoji zamoření prostředí hlukem lze nalézt na
portálu Evropské agentury pro ochranu životního prostředí: http://themes.eea.eu.int/IMS/Overviews/csi_key_messages
43
Ionizační záření, neboli radiace (radioaktivita), zahrnuje
nepříznivé dopady uvolňování radioaktivních látek do životního prostředí a také přímou expozici radiačnímu záření, například ve stavebních materiálech.
Ionizační záření je škodlivé jak pro lidi, tak pro živou přírodu. Ionizační záření poškozuje i materiály a případně surovinové
zdroje.
44
22
8. 10. 2015
Jednotkou ionizačního záření je Bq odpovídající rozpadu 1
atomu za sekundu.
Radioaktivita materiálů je vztažena na jejich hmotnost nebo
objem.
Uvolňovaná radiační energie je absorbována cílovým
příjemcem – materiálem nebo tkání.
Energie absorbovaná materiálem či tkání vztažená na
hmotnost se nazývá absorbovaná dávka.
45
Existují následující typy ionizačního záření: α, β, γ, neutronová radiace
(n) a rentgenové paprsky (X). Různé typy záření mají různě intenzivní dopady na živé tkáně. Míru škodlivosti jednotlivých typů záření vyjadřuje tzv. „faktor kvality záření“. Součet všech dávek záření přijatých tkání vynásobený faktorem kvality se označuje v jednotce sievert (Sv).
Typ záření
α
β
γ
n
X
Faktor kvality
20
1
1
10
1 46
23
8. 10. 2015
V kategorii dopadu ionizační záření hrají roli dva typy emisních
toků: emise radioaktivních materiálů do prostředí přímá radiace do prostředí, nevázanou na konkrétní uvolňování radionuklidů (např. stavební materiály).
Doporučeným způsobem výpočtu výsledku kategorie dopadu
radiace je použití faktorů poškození DF jednotlivých látek jako charakterizačního faktoru.
47
48
24
8. 10. 2015
Výsledkem indikátoru kategorie dopadu radiace je R
s jednotkou rok ai,e-comp představuje radiační aktivitu látky i emitované do složky prostředí e-comp.
Hodnoty DF jsou určené pro dopady záření na člověka. Jelikož se nedá očekávat určení DF pro ostatní biotu,
doporučuje se používání těchto faktorů jako charakterizační.
49
Látka
DFvzduch r.kBq-1
DFvoda r.kBq-1
DFmořská voda r.kBq-1
C-14
2,10E-07
-
1,2E-09
Cs-134
1,2E-08
1,4E-07
7,9E-08
Cs-137
1,3E-08
1,7E-07
7,9E-08
Co-58
4,3E-10
4,1E-11
-
Co-60
1,6E-08
4,4E-08
3,9E-10
Ra-226
9,1E-10
1,3E-10
-
Rn-222
2,4E-11
-
-
Th-230
4,5E-08
-
-
U-238
8,2E-09
2,3E-09
2,3E-11 50
25
8. 10. 2015
Odpadní teplo lokálně zvyšuje teplotu prostředí. Jedná se
například o města, řeky, jezera.
Zvýšení teploty emisemi do vzduchu je zanedbatelné, zatímco
lokální zvýšení teploty povrchových vod teplými emisemi má výrazný vliv na funkci ekosystémů.
Ve většině pracích se odpadní teplo pro účely LCA neuvádí.
51
Je-li to však v zájmu studie, porovnávají se množství emisí
tepla do vodního prostředí, zatímco emise tepla do atmosféry se zanedbávají.
Za jednotku emitovaného tepla se volí MJ. Charakterizační faktor pro emise tepla do vody je u všech
zdrojů stejný (je jen jedno teplo) a rovná se 1.
Jelikož emise tepla do atmosféry se zanedbávají, je všem
zdrojům tepla do vzduchu přidělen charakterizační faktor 0.
52
26
8. 10. 2015
53
Reakce osob na zápach je vysoce individuální. Z tohoto důvodu je
obtížné definovat hranici mezi zapáchající emisí a nezapáchající. Objektivní míra zápachu neexistuje. Emise zapáchajících látek jsou rozděleny na emise do vzduchu a do vody. Indikátorem kategorie zápachu je objem vzduchu (vody) potřebný k naředění emisí na práh vnímání OTV (Heijungs et al., 1992). Hovoříme zde o tzv. kritickém objemu. Výsledek indikátoru kategorie Zf-comp pro r emisních toků i látek o množství m do vzduchu a vody se vypočítává zvlášť:
54
27
8. 10. 2015
Jelikož zápach není ve
srovnání s ostatními kategoriemi dopadu tak významná kategorie, zahrnují někteří autoři zápach do kategorie humánní toxicity. Příklady charakterizačních faktorů vybraných látek pro kategorii dopadu zápach kdy e-comp je vzduch.
Látka
1/OTV m3.kg-1
1,1,1trichlorethan
1,89E+05
Acetaldehyd
3,7E+09
Aceton
1,39E+4
Čpavek
1E+06
Ethanol
1,56E+06
Kyselina octová
1,6E+07
Pyridin
8,33E+06
Sirovodík
2,33E+09
Sirouhlík
5,56E+06
55
V opodstatněných případech se v inventarizaci LCA posuzuje i
množství odpadu, zejména velkoobjemového – například použitý stavební materiál, hlušina apod. Většinou jsou však odpadní látky zahrnuty do jiných kategorií
dopadu.
56
28
