A PET palack gyártási folyamatának vizsgálata országspecifikus energiamixek és nukleáris energia bevezetése által

Ennek a kutatómunkának az elsődleges célja az, hogy PET termékek egyszerűsített gyártási folyamatának környezeti terhelését határozzam megkülönböző, országspecifikus energiamixek és kizárólag nukleáris energia bevezetése által, különös tekintettel az elemi abiotikus kimerülésre. A különböző energiafelhasználások és abiotikus kimerülések kapcsolatainak meghatározását az életciklus-értékelés (LCA) módszere segítette. Az abiotikus erőforrások meghatározása alapvetően fontos az életciklus-értékelés során, és ugyanakkor a nukleáris energia életciklus-elemzéseiről

1. ábra: A világ urántermelésének megoszlása 2018-ban

alapvetően kevés szakirodalom áll még rendelkezésre, így különösképpen fontosnak tartottam ezen kutatási tématerületek összekapcsolását.

 A fosszilis tüzelőanyag-források nem rendelkeznek olyan helyettesítőkkel, amelyek kielégíthetik jelenlegi energiaigényünket és a jelenlegi termelési szinteken a „dokumentált” olaj-, földgáz- és széntartalékok 51, 53, illetve 153 éves működésre lesznek elegendőek. Ezáltal a jövőbeli energiaportfóliónak hatékonyan kell alkalmazkodnia az alternatív energiaforrásokhoz és a megújuló energiaforrásoknak (szél, nap, bioüzemanyagok stb.) készen kell állniuk a földgáz, az olaj és a szén helyettesítésére. A megújuló energiák nemcsak jobb lehetőséget kínálnak a költségek, a megbízhatóság és a hatékonyság szempontjából, hanem elsőbbséget élveznek azáltal, hogy az energiaágazat bevált technológiákat alkalmaz és integrál az energiarendszerbe. Az egyik jelentős megoldandó probléma annak megválaszolása, hogy a megújuló energiaforrások vajon milyen mértékben játszhatnak szerepet az energiatermelésben.

Amíg néhány kutatási tanulmány azt mutatta, hogy a változó megújuló energiaforrásokból származó energiaigény 40 százaléka optimális, addig más kutatások 75%-os potenciált jeleztek. Mindenesetre a jövőbeli energia portfóliónak az energiaszükséglet 25–60%-át kell fedeznie. Mivel a világ energiaigénye riasztó ütemben növekszik, mind a fejlett, mind a fejlődő gazdaságok költséghatékony és környezetbarát módon igyekeznek hozzáférni a stabil és tiszta energiaforrásokhoz. Számos kutatás szerint az elmúlt két évtizedben a világ energiaszükségletének mintegy 15–20%-át fedezte nukleáris energia. 2018-ban az urántermelés meghaladta az 53,4 tonnát. Az 1. ábra a különböző országok 2018. évi urántermelésének százalékos eloszlását mutatja be. Ahogy a kördiagramok mutatják, az összes urántermelés elsősorban négy országból származott: Kazahsztánból 41%; Kanadából 13%; Ausztráliából 12% és Namíbiából 10%.

1. ábra: A világ urántermelésének megoszlása 2018-ban

A Statista 2019. évi adatai szerint a világ villamosenergia-kapacitása 2017-ben 7,7 TW volt.  A fosszilis tüzelőanyagok a globális kapacitás 53,95%-át teszik ki. Ezt követik a megújuló energiaforrások a teljes beépített kapacitás 14,23 százalékával, amíg az atomenergia a harmadik helyen áll 4,6 százalékkal. A Nukleáris Világszövetség (World Nuclear Association) statisztikai adatai alapján a világ működő reaktorainak 62 százaléka legalább 30 éves. Következésképpen, a nukleáris létesítmények leszerelése egyre fontosabbá válik, mivel egyre több reaktort zárnak be vagy terveznek bezárni. Az 1. táblázat összefoglalja a nukleáris energia eloszlását a teljes energiafogyasztásban a legtöbb (30% feletti tömegszázalék) atomenergiát használó országokban. A 2020. évet jellemző százalékos megoszlást a GaBi 8.0 szoftver 2020. évi professzionális adatbázisból nyertem ki, és szintén ebben a táblázatban tüntettem fel.

1. táblázat: Nukleáris energia eloszlása a teljes energiafogyasztásban a legtöbb (30% feletti) atomenergiát használó országokban 2017-ben és 2018-ban (forrás: World Nuclear Association), illetve 2020-ban (forrás: GaBi 8.0 professzionális adatbázis).

A 2–5. ábrák az energiahálózat összetételét szemléltetik azokban az országokban, ahol 2020. évben több mint 50% volt a nukleáris energiafelhasználás aránya (Franciaország, Szlovákia, Ukrajna és Magyarország). Ezek a kördiagramok olyan átlagos, országspecifikus villamosenergia-ellátásokat ábrázolnak, amelyek magukban foglalják a villamosenergia-fogyasztást, az átviteli/elosztási veszteségeket és a villamosenergia-importot. Az atomenergiából származó energia itt nyomottvizes (PWR) és forralóvizes (BWR) reaktorok keveréke. Az egyes megújuló energiaforrások az adott nemzeti energiahálózati mix alapján kerültek kiszámításra.

A nem éghető, megújuló energiaforrások által biztosított villamos energia figyelembe vette a nemzeti vagy regionális helyzeteket is, például a napsugárzást (fotovoltaikus), az éves teljes terhelési órákat (szélenergia) és a vízerőművek arányát. Ezeknek a villamosenergia-mixeknek az adatai jól felhasználhatók életciklus-értékelési tanulmányokhoz, energiamodellekhez és technológiai folyamatok kombinálásához/optimalizálásához.

2. ábra: Franciaország energiamixe (2020)

3. ábra: Szlovákia energiamixe (2020).

4. ábra: Ukrajna energiamixe (2020).

5. ábra: Magyarország energiamixe (2020).

Az életciklus-értékelés eredményei:

A különböző országok energiamixei által okozott környezeti terhelések összehasonlítása kapcsán egy PET palackgyártási folyamatot szimuláltam életciklus-elemző szoftver segítségével. A PET palackokat PET granulátumból állítottam elő, figyelembe véve az egyes országok energiaösszetételét bemeneti áramként az életciklus-értékelési modellek kidolgozása során. Tekintettel arra, hogy a nemzetközi életciklus-referenciarendszer (International Reference Life Cycle Data System, ILCD) és a termékek környezeti lábnyoma (Product Environmental Footprint, PEF) szerint, az abiotikus erőforrások kimerülése az életciklus-értékelés egyik legvitatottabb környezeti hatáskategóriája, ezért az elemzések során elsősorban erre a környezeti hatásra koncentráltam.

Ez a hatáskategória az elemek (ADP elements, ADPE) és fosszilis anyagok (ADP fossils, ADPF) minden egyes kitermelésére vonatkozik. Az életciklus-hatásvizsgálat alapvető szerkezetével összhangban, az abiotikus kimerülés hatáskategória mutatójának eredményét az életciklus-leltár eredményeinek, illetve az elemek és a fosszilis tüzelőanyagok kitermelésének jellemzési tényezőkkel történő reprodukálásával számítjuk ki. A fosszilis tüzelőanyagok hatáskategóriájába tartozó erőforrások közé tartozik az olaj, a földgáz és a szén, amelyek mind energiahordozók és kölcsönösen helyettesíthetők.

Következésképpen, a fosszilis tüzelőanyagok teljes mennyisége alkotja a fosszilis tüzelőanyagok készletét, MJ-ban kifejezve. Az urán kitermelését szintén az elemek abiotikus erőforrás-kimerülésének minősítjük. Amíg a fosszilis tüzelőanyagok egymással felcserélhetők a gyártás során, addig az urán nem. A PET előállítási szakasza PET granulátumot, nátrium-hidroxidot (marónátron keverék), vizet, valamint a szükséges villamos energiát és hőenergiát foglalta magában input áramként. A termék gyártása 4 kg PET granulátumból történt, ami 4 kg output PET palack terméket eredményezett, azaz feltételeztem azt, hogy egyáltalán nem keletkezett technológiai selejt a gyártás során. A nyersanyag-elosztást a kitermelési helyektől a termelési pontig vettem figyelembe, de    a felépített LCA-plan nem tartalmazta a vonatkozó szállítási folyamatokat. A gyártási folyamatra feladottPET granulátum Európai Unióból származó technológiai keverék (DMT) volt.

A vizsgált gyártási életciklus-szakaszra a folyamatosan frissült adatok a GaBi 8.0 szoftver 2020. évi adatbázisából származtak. A technológiai folyamatok elemzése során figyelembe vettem az alapanyagok hátterét és segédanyagait is.A 2. táblázat az elemi abiotikus kimerülések értékeit mutatja be villamosenergia-mix (1. sz. forgatókönyv) és 100% nukleáris energia (2. sz. forgatókönyv) inputokat tartalmazó felhasználások mellett.

2. táblázat: Szimulált gyártási folyamat abiotikus kimerülései kg Sb-egyenértékben különböző országokra, szoftveres életciklus-értékeléssel.(1. sz. forgatókönyv: energiamix input, 2. forgatókönyv: kizárólag nukleáris energia input).

Példaképpen a 6. ábra az input-output anyag- és energiaáramok ADPE környezeti hatáskategóriájának normalizált és súlyozott értékeit mutatja be Szlovéniában.

6. ábra: Input-output anyag- és energiaáramok elemi abiotikus kimerülési értékei PET palack gyártása során. (Funkcionális egység: 4 kg PET termék. Normalizálási módszer: CML 2016, EU 25+3, 2000. év, biogén szén nélkül. Súlyozási módszer: think step LCIA Survey 2012, Europe, CML 2016, biogén szén nélkül.)

A szoftveres modellezések alapvetően azt mutatják, hogy az elemek abiotikus kimerülése csak 0,05% az egyéb környezeti hatáskategóriákhoz képest. A víz és a marónátron abiotikus kimerülési értékei magasabbak voltak. Amint azt a 2. táblázatis mutatja, összehasonlítva a két forgatókönyvet egymással (energiamix és tiszta nukleáris energia bevezetése), a 2. sz. forgatókönyv két nagyságrenddel alacsonyabb ADPE-értékeket eredményezett.

Kutatási eredményeim útmutatást adhatnak a jövőben és összehasonlítási alapjává válhatnak a kizárólag nukleáris energiára és az energiamixekre épülő gyártási folyamatoknak. A kutatás eredményei felhasználhatók olyan, nukleáris energiát használó termelési folyamatok fejlesztésére, amelyek alacsonyabb abiotikus kimerülési hatásokkal járnak.

(A cikk eredetileg a Zöld Ipar Magazin 2023 júniusi lapszámában jelent meg nyomtatásban.)