Zagrożenia środowiskowe w budownictwie na przykładzie ściany dwuwarstwowej – metoda LCA

Przeprowadzanie oceny środowiskowej jest zalecane w obowiązujących strategiach i dokumentach UE propagujących zasady zrównoważonego rozwoju.

W związku z wprowadzeniem tego podejścia w budownictwie wzrastają wymagania środowiskowe wobec wyrobów i obiektów budowlanych. Pojawiają się nowe wymagania dotyczące wprowadzania na rynek UE wyrobów budowlanych, nakazujące uwzględnienie ich szkodliwego wpływu na środowisko.

Zwraca się uwagę na energooszczędność obiektów i odpowiednie wykorzystanie zasobów naturalnych oraz zachęca do stosowania surowców przyjaznych środowisku, materiałów nadających się do recyklingu lub z niego pochodzących [1, 2].

Charakterystyka techniki oceny cyklu życia (LCA)

Skrót LCA (Life Cycle Assessment) oznacza: „zebranie i ocenę wejść, wyjść oraz potencjalnych wpływów na środowisko systemu wyrobu w okresie jego cyklu życia” [3].

Ocena LCA uwzględnia większość czynników związanych z danym wyrobem. Umożliwia wskazanie procesów najbardziej obciążających środowisko i ułatwia wprowadzenie modyfikacji zmniejszających ich negatywne skutki. Zasady przeprowadzania tej oceny szczegółowo opisano w normie PN-EN ISO 14040:2009 [3].

W metodologii LCA wyrobem określa się wyrób materialny, towar lub usługę. Badania dotyczą natomiast systemu wyrobu, czyli całego procesu produkcji, użytkowania i utylizacji.

Do podstawowych elementów analizy LCA należą:

• identyfikacja i ocena ilościowa obciążeń wprowadzanych do środowiska, tj. materiałów, energii, emisji i odpadów;
• ocena potencjalnych wpływów tych obciążeń;
• oszacowanie dostępnych rozwiązań w celu zmniejszenia obciążeń.

W strukturze LCA można wyróżnić cztery etapy (rys. 1):

• określenie celu i zakresu,
• analizę zbioru wejść i wyjść,
• ocenę wpływu,
• interpretację wyników.

Zdefiniowanie celu LCA polega na określeniu przewidzianego zastosowania, przyczyn prowadzenia badań oraz ich odbiorcy. Na tej podstawie określa się sposób prowadzenia analizy – szczegółowość i rodzaj potrzebnych danych. Podczas definiowania zakresu badań należy określić trzy powiązane ze sobą zagadnienia: system wyrobu poddanego badaniu, granice systemu oraz jednostkę funkcjonalną.

Ustalenie wszystkich działań związanych z wyrobem składa się na system wyrobu, czyli zbiór połączonych za pomocą strumieni (materiałów, energii) procesów jednostkowych, które modelują cykl życia wyrobu [3, 5]. Proces jednostkowy to najmniejszy element systemu. Podlega on prawu masy.

Na rys. 2 przedstawiono przykładowy opis procesu jednostkowego. Jednostka funkcjonalna jest ilościowym efektem systemu wyrobu, stosowanym jako jednostka odniesienia. Powinna być mierzalna. Granica systemu określa, które procesy jednostkowe będą uwzględniane w badaniu.

Wymienia się cztery główne warianty granic systemu:

• „od kołyski aż po grób” – uwzględniane są materiały i energia w łańcuchu produkcji oraz wszystkie procesy (wydobycie surowców, czyli produkcja, transport, użytkowanie i utylizacja);
• „od kołyski do bramy” – obejmuje wszystkie procesy od wydobycia surowców do momentu opuszczenia przez produkt bramy zakładu przemysłowego; służy określeniu wpływu produkcji na środowisko;
• „od bramy do grobu” – uwzględnia procesy od użytkowania do końcowego etapu życia; wykorzystywana do określenia wpływu produktu na środowisko od momentu opuszczenia zakładu produkcyjnego;
• „od bramy do bramy” – obejmuje procesy wyłącznie etapu produkcji; stosowana do określenia wpływu etapu produkcji lub pojedynczego procesu na środowisko.

Analiza zbioru wejść i wyjść (LCI – Life Cycle Inventory) obejmuje zebranie i ilościowe określenie wejść (np. materiałów, energii) oraz wyjść (np. odpadów, ścieków, emisji zanieczyszczeń) w odniesieniu do danego systemu wyrobu w okresie jego cyklu życia (rys. 3).

Ocena wpływu cyklu życia (LCIA – Life Cycle Impact Assessment) ukierunkowana jest na zrozumienie i ocenę wielkości oraz znaczenia możliwego wpływu systemu wyrobu na środowisko. Pierwszym etapem LCIA jest wybór kategorii wpływu, czyli konsekwencji obciążenia środowiska wejściami i wyjściami systemu. Wybór ten powinien być zgodny z celem i zakresem badania [3]. Przykładowe kategorie wpływu przedstawiono w tabeli 1.

Do każdej kategorii dobierany jest wskaźnik wraz z obliczoną wartością. Celem klasyfikacji jest przypisanie wyników LCI do skutków. Charakteryzowanie to obliczanie wartości wskaźnika kategorii wyników LCI za pomocą parametru charakteryzowania. Proces ten polega na odniesieniu obciążeń do wspólnej jednostki w danej kategorii. Wynikiem jest wartość liczbowa wskaźnika kategorii oddziaływania na środowisko [1–3].

Na rys. 4 przedstawiono etapy oceny wpływu cyklu życia.

Normalizacja polega na przekształceniu wartości wskaźnika kategorii oddziaływania na środowisko wskutek podzielenia go przez wartość odniesienia (określony kraj, region). Znormalizowane wskaźniki oddziaływania są wartościami bezwymiarowymi. Grupowanie polega na przypisaniu wskaźnika kategorii wpływu do jednej grupy lub większej liczby grup, dzięki czemu tworzy się rankingi.

Ważenie polega na określeniu wartości mnożnika wagowego w odniesieniu do określonych znormalizowanych wskaźników kategorii oddziaływania na środowisko. Wskutek ważenia uzyskuje się zredukowaną liczbę wskaźników kategorii, co ułatwia porównywanie uzyskanych wyników. Zarówno ważenie, jak i grupowanie są subiektywnymi etapami LCIA [2, 3].

Istnieją dwa zasadnicze podejścia do ustalania kategorii oddziaływania na środowisko [1] – uwzględniające głównie skutki pośrednie w środowisku lub skutki końcowe (rys. 5).

Wskaźniki uzyskiwane na poziomie punktów pośrednich charakteryzują się mniejszą niepewnością. Wskaźniki uzyskane jako punkty końcowe mogą cechować się natomiast znaczną niepewnością, wynikającą ze złożoności przebiegu procesów w środowisku. Jako skutki końcowe rozpatruje się: wzrost zachorowań ludzi, zwiększenie liczby zgonów, pogorszenie jakości ekosystemów, utratę ekosystemów, zmniejszenie różnorodności przyrodniczej i liczby siedlisk, utratę dóbr kultury, uszczuplenie nieodnawialnych i odnawialnych zasobów naturalnych.

Do metod opartych na punktach końcowych należą m.in. Eco-indicator i EPS. Do skutków pośrednich w środowisku zalicza się: efekt cieplarniany, zakwaszenie i eutrofizację środowiska, fotochemiczne utlenianie, degradację warstwy ozonowej, ubytek zasobów nieodnawialnych. Podejście oparte na punktach pośrednich uznawane jest za podstawowe podczas wykonywania analiz LCA. Metody oparte na wykorzystaniu skutków pośrednich w środowisku to m.in.: CML, EPID, TRACI [1, 2, 7].

Analiza LCA przykładowej przegrody

Analizę LCA przeprowadzono na przykładowej przegrodzie.

Wykorzystano metodę CML, która skupia się na wielu kategoriach oddziaływania na środowisko wyrażonych w emisji zanieczyszczeń do środowiska. Jako kategorie wpływu rozpatrywano wskaźniki:

• zubożenia zasobów abiotycznych (ADP),
• zakwaszania (AP),
• zmniejszenia zasobów ozonu stratosferycznego (ODP)

oraz potencjał:

• eutrofizacji (EP),
• toksyczności dla wód słodkich (FAETP),
• globalnego ocieplenia (GWP),
• toksyczności dla ludzi (HTP),
• toksyczności dla wód morskich (MAETP),
• toksyczności dla gleb (TETP),
• fotochemicznego tworzenia ozonu (POCP).

Współczynnik normalizacji danej kategorii wpływu i wybranego regionu otrzymuje się przez pomnożenie współczynników charakteryzacji i ich emisji [4].

Przedmiot i metodologia analiz

Celem przeprowadzonej analizy LCA było przedstawienie wpływu wykonania przykładowej zewnętrznej przegrody budowlanej na środowisko (rys. 6).

Analizowaną przegrodą była ściana dwuwarstwowa, obustronnie otynkowana, wykonana z bloczków gazobetonowych o gr. 30,0 cm, z warstwą izolacji termicznej (wełną mineralną) o gr. 10,0 cm.

Dane techniczne analizowanej przegrody zestawiono w tabeli 2.

Badanie LCA przeprowadzono za pomocą programu komputerowego GaBi 4.4., metodą CML 2001. Jako kategorie wpływu przyjęto typowe wskaźniki. Zastosowano wskaźniki normalizacji dla Europy Centralnej (EU25+3) [8]. Przy określeniu granic systemu przyjęto wariant „od kołyski do bramy”.

Jako jednostkę funkcjonalną wybranego modelu przegrody przyjęto 1 m² i wartość współczynnika przenikania ciepła U = 0,18 (W/m²·K). Analizowany system obejmował produkcję materiałów budowlanych wraz z dostawami i transportem oraz etap wznoszenia przegrody, w którym uwzględniono zużycie energii elektrycznej potrzebnej do pracy urządzeń takich jak mieszalnik czy maszyny tynkarskie.

Wyniki analiz

Przeprowadzono analizę wpływu na środowisko procesów związanych z realizacją przegrody oraz produkcją poszczególnych komponentów wchodzących w jej skład.

Wybrano materiały, które mają największy udział masowy, a zatem takie, których produkcja może powodować największe obciążenie dla środowiska. Rozważano dwie grupy materiałów: konstrukcyjne oraz izolacyjne.

Na rys. 7 przedstawiono wartości wskaźników wpływu oddziaływania na środowisko w odniesieniu do przegrody oraz materiału konstrukcyjnego i izolacyjnego. Dodatkowo wyznaczono procentowy udział wybranych procesów w kategoriach wpływu oddziaływania na środowisko (rys. 8). Wyróżniono procesy, takie jak produkcja materiałów izolacyjnych, warstwy konstrukcyjnej i warstw uzupełniających, a także transport wszystkich elementów.

Jak widać na rys. 7–8, analizowana przegroda uzyskała wysokie wartości wskaźników w 7 kategoriach wpływu na 10 rozpatrywanych. Zastosowany materiał konstrukcyjny w 9 kategoriach na 10 przyjmuje wartości powyżej 90%. Niski wpływ wykazuje jedynie w kategorii wpływu określonej wskaźnikiem toksyczności dla wód słodkich (FAETP). Materiał izolacyjny (wełna mineralna) oddziałuje w najmniejszym stopniu na środowisko w 4 kategoriach: HTP, ODP, TETP, ADP. W 6 kategoriach wełna mineralna charakteryzuje się wartościami powyżej 50% – AP, EP, FAETP, GWP, MAETP i POCP.

Środowisko jest najbardziej obciążone produkcją bloczków gazobetonowych. Podczas ich wytwarzania powstają substancje wpływające w największym stopniu (powyżej 50%) na środowisko w 7 wskaźnikach na 10. Jedynie wskaźniki zakwaszania (AP), toksyczności dla wód słodkich (FAETP) oraz toksyczności dla wód morskich (MAETP) osiągają udział poniżej 50% w całkowitej wartości wskaźników. Produkcja wełny mineralnej ma największy udział we wskaźniku AP. Materiały uzupełniające (piasek, tynk, cement, łączniki z tworzywa sztucznego) mają zaś największy udział procentowy we wskaźniku MAETP, a najmniejszy – w TETP. Transport ma znikomy wpływ na wszystkie analizowane wskaźniki wpływu na środowisko.

Uwagi końcowe

Przeprowadzenie oceny środowiskowej wyrobu jest bardzo czasochłonne

Zawartość bazy danych jest ograniczona i brakuje informacji o produkcji wyrobów. Problemem jest też wybór właściwej metody oceny cyklu życia. W Polsce nie została określona preferowana metoda sporządzania oceny oddziaływania wyrobu na środowisko. Najbardziej kontrowersyjną fazą analizy LCA jest dobór obszaru ochrony, który odbywa się na zasadzie subiektywnego ich kształtowania. Analiza LCA wykonana w odniesieniu do tego samego wyrobu, za pomocą tej samej metody może dawać różne wyniki, nigdy więc nie będzie obiektywna. Powinna być ponadto przeprowadzana bardzo rzetelnie.

Literatura

1. J. Górzyński, „Podstawy analizy środowiskowej wyrobów i obiektów”, WNT, Warszawa 2007.
2. Z. Kowalski, J. Kulczycka, M. Góralczyk, „Ekologiczna ocena cyklu życia procesów wytwórczych (LCA)”, PWN, Warszawa 2007.
3. PN-EN ISO 14040:2009, „Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Zasady i struktura”.
4. Strona internetowa: www.gabi-software.com
5. K. Grzesik, „Wprowadzenie do oceny cyklu życia (LCA) – nowej techniki w ochronie środowiska”, „Inżynieria Środowiska”, nr 11 (1)/2006, s. 101–113.
6. Strona internetowa: www.lc-impact.eu
7. R. Frischknecht, „2007 Jungbluth: Implementation of Life Cycle Impact Assessment Methods” Data v2.0, Ecoinvent report 3, Dübendorf.
8. L. Żak, „Ocena środowiskowa wyrobów i konstrukcji budowlanych”, [rozprawa magisterska], Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Gliwice 2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!