14.10.2016

Zintegrowany program redukcji niskiej emisji i stężeń zanieczyszczeń powietrza


Diagram 1.

Problem ograniczenia niskiej emisji w Krakowie jest bardzo istotny, gdyż przy niesprzyjających rozpraszaniu tej emisji warunkach lokalnych wielokrotnie przekraczane są dopuszczalne poziomy stężeń zanieczyszczeń w powietrzu (głównie pyłów), co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi. Główne źródła niskiej emisji to przede wszystkim spalanie paliw w paleniskach domowych oraz transport.

Specyfika niskiej emisji polega na tym, że źródła te są bardzo rozproszone, o małej wielkości jednostkowej, dopiero ich kumulacja daje efekt synergiczny, prowadzący do dużych stężeń zanieczyszczeń. Inną cechą charakterystyczną, głównie dla palenisk domowych, są ograniczone możliwości regulacji tych aktywności. Rozproszenie i zróżnicowanie źródeł emisji nie sprzyja wprowadzaniu znanych z regulacji elektroenergetyki instrumentów kontroli i zarządzania emisjami.

Należy przy tym zauważyć, że niska emisja występuje nie tylko w obszarach wysoko zurbanizowanych. W rejonach górskich, gdzie budynki zlokalizowane są w dolinach, występuje podobne zjawisko. Przy braku odpowiednich wiatrów spaliny koncentrują się w dolinach, co można obserwować w wielu przypadkach, nawet takich miejscowości jak Zakopane.

Jak dotąd podejmowano wiele lokalnych akcji mających na celu obniżenie tej emisji, przede wszystkim poprzez subsydiowanie wymiany pieców węglowych i innych źródeł ogrzewania na instalacje niskoemisyjne. Akcje te nie miały jednak szerokiego zasięgu, nie tylko z powodu ograniczenia funduszy, jakie mogły być na nie przeznaczone, ale także postaw społecznych i możliwości inwestowania użytkowników instalacji emitujących zanieczyszczenia.

Naukowcy z Centrum Energetyki AGH oraz Norweskiego Instytutu Badań Atmosfery przygotowali zintegrowany projekt badawczo-rozwojowy, którego głównym zadaniem jest redukcja emisji i stężeń zanieczyszczeń powietrza ze spalania paliw w paleniskach domowych i transportu na terenie miasta Krakowa. Celem nadrzędnym jest przeprowadzenie działań mających na celu zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza pochodzących ze źródeł niskich, tzn. spalania paliw w paleniskach domowych i transportu na terenie miasta Krakowa. W konsekwencji redukcji tej emisji zmniejszone zostaną istotnie stężenia podstawowych zanieczyszczeń powietrza, zarówno gazowych jak i pyłowych, co spowoduje poprawę jakości powietrza i zmniejszenie skutków narażenia zdrowia ludzi na oddziaływanie tych zanieczyszczeń.

Cel projektu osiągnięty zostanie poprzez działania o charakterze badawczym, wdrożeniowym i strategicznym. Integracja tych działań przedstawiona jest na rysunku 1.

Poniżej przedstawiono ogólny opis działań przewidzianych do wykonania w ramach projektu.

Zadania badawcze

Realizacja zadań badawczych rozpocznie się od identyfikacji źródeł niskich emisji w Krakowie oraz wykonania oceny wielkości tej emisji. W tym celu zostaną wykorzystane m.in. informacje z krajowego systemu emisji KOBiZE, dane o emisji w Krakowie zebrane przez Główny Inspektorat Ochrony Środowiska (GIOŚ), Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska (WIOŚ) w Krakowie oraz NILU w ramach projektu polsko­ norweskiego (finansowanego z Norweskiego Mechanizmu Finansowego). Zebrane dane o emisji zostaną przedstawione w formie tabelarycznej oraz map emisji – jako format przyjazny dla modelowania rozprzestrzeniania i transportu zanieczyszczeń. Takie działania przyczynią się do identyfikacji źródeł stanu początkowego, co umożliwi monitorowanie zmian wywołanych implementacją programu.

Następnie zastosowane zostaną opracowane modele rozprzestrzeniania się i transportu zanieczyszczeń powietrza emitowanych ze źródeł niskich w Krakowie w celu obliczenia stężeń i depozycji zanieczyszczeń pyłowych. Powyższe zadanie będzie wykonane w oparciu o praktyki AGH w modelowaniu transportu zanieczyszczeń w Krakowie, jak również doświadczenie NILU w konstrukcji i zastosowaniu różnych modeli transportu zanieczyszczeń opracowanych dla UE oraz w projektach dla GIOŚ i innych polskich zleceniodawców.

Kolejno, prace badawcze skupią się na oszacowaniu udziału emisji z poszczególnych źródeł w stężeniu zanieczyszczeń mierzonych na stacjach pomiarowych. Mobilne pomiary stężenia pyłu zawieszonego z wykorzystaniem personalnych pyłomierzy PoDust oraz różnych platform (samochody, komunikacja miejska) pozwolą na uzyskanie przestrzennych map rozkładu frakcji PM1, PM2.5 oraz PM10. Przeprowadzone zostaną badania aerozoli atmosferycznych na terenie aglomeracji krakowskiej. Celem tych badań będzie określenie charakterystyki i identyfikacja źródeł aerozoli atmosferycznych oraz badanie ich składu chemicznego, jak również wykonanie analizy stresu oksydacyjnego wywołanego nadmiernym zanieczyszczeniem powietrza pyłem zawieszonym. Zostaną wyznaczone stężenia metali ciężkich w pyle zawieszonym. Powyższe doświadczenia będą prowadzone przez ekspertów z AGH – z Wydziału Energetyki i Paliw. Planuje się także określić udział mycia ulic w redukcji zanieczyszczenia powietrza. W tym celu wykorzystane zostaną doświadczenia i dotychczasowe rezultaty badań uzyskane przez MPO, Politechnikę Krakowską oraz IGSMiE.

Następne prace będą miały na celu opracowanie koncepcji optymalizacji/modernizacji sieci pomiarowych z uwzględnieniem rozwiązań w zakresie narzędzi informatycznych i oprogramowania, serwisowania i obsługi technicznej stacji pomiarowych. Owe działania zostaną wykonane we współpracy z WIOŚ w Krakowie w oparciu o wyniki badań prowadzonych w ramach proponowanego projektu. Zostaną również wykorzystane rezultaty badań prowadzonych przez ekspertów z NILU dla GIOŚ i WIOŚ-ów (w ramach Norweskiego Mechanizmu Finansowego). Wykorzystane zostaną dane z pomiarów WIOŚ do weryfikacji obliczeń modelowych stężeń aktualnych w prognozowanych dla różnych rozwiązań redukcji emisji ze źródeł niskich. Opracowane zostaną nowe sensory do pomiaru stężeń zanieczyszczenia powietrza w Krakowie oraz strategia włączenia mieszkańców Krakowa do oceny stanu zanieczyszczenia powietrza w oparciu o doświadczenia NILU w innych miastach i w Europie w ramach projektu UE Citi-Sense, koordynowanego przez NILU.

Wykonany zostanie dynamiczny monitoring niskiej emisji nad wytypowanymi obszarami miasta z wykorzystaniem systemu Emi-DRON. Jest to system obejmujący zestaw urządzeń latających (dronów) wyposażonych w nowoczesne detektory zanieczyszczeń oraz specjalistyczne oprogramowanie do bieżącej oceny rzeczywistego poziomu stężeń zanieczyszczeń w powietrzu. Wyniki uzyskane przez system są niedostępne dla monitoringu stacjonarnego, dlatego będą stanowić istotne dopełnienie informacji uzyskiwanych ze stacjonarnych wojewódzkich stacji monitoringu jakości powietrza.

Jeden z etapów projektu uwzględnia wykonanie oceny środowiska akustycznego, która to ocena posiada wiele cech wspólnych z oceną zanieczyszczenia powietrza pochodzącego z ruchu komunikacyjnego. W związku z tym stworzone zostaną korelacje pomiędzy tymi systemami w celu lepszego zrozumienia problemu. Rezultaty pomiaru hałasu zestawione będą w postaci tabelarycznej oraz w postaci map strategicznych. Dokonane zostanie zestawienie wyników pomiarów i obliczeń modelowych zanieczyszczeń pyłem zawieszonym z wynikami badań hałasu.

Zadania wdrożeniowe

Celem części wdrożeniowej projektu jest opracowanie technologicznych rozwiązań redukcji emisji ze spalania paliw w paleniskach domowych w oparciu o wyniki badań Centrum Energetyki AGH oraz IChPW.

W ramach działań badawczych zostanie zaproponowane zastosowanie nowoczesnych kotłów monitorowanych on-line oraz użytkowanie niskoemisyjnych paliw stałych. Sukcesywna wymiana przestarzałych urządzeń grzewczych na nowoczesne, wysokosprawne i ekologiczne kotły c.o. przyczyni się do zmniejszenia niskiej emisji ze spalania paliw stałych. Kotły te powinny spełniać kryteria energetyczno-emisyjne normy PN-EN303–5:2012 oraz lokować się co najmniej w czwartej, a najlepiej w najwyższej piątej klasie. Przynależność kotła do konkretnej klasy musi być udokumentowana raportem z badań przeprowadzonych przez jednostkę akredytowaną w zakresie przedmiotowej normy. Istotnym jest również, aby nowe kotły wyposażane były w sterowniki umożliwiające automatyczny dobór optymalnych parametrów procesu spalania, gwarantujących uzyskanie wysokiej sprawności i niskiej emisji zanieczyszczeń. Sterowniki te powinny być wyposażone w moduły, których algorytmy umożliwiają zdalną bieżącą kontrolę procesu, gromadzenie danych i ewentualną ingerencję celem wyeliminowania niewłaściwych parametrów pracy urządzenia. Kolejno, niską emisję można ograniczać również poprzez wprowadzenie do użytkowania przez indywidualnych odbiorców nowych, niskoemisyjnych paliw węglowych. Prowadzone przez IChPW badania pokazują, że stosowanie niskoemisyjnych paliw węglowych skutkuje nawet dziesięciokrotną redukcją emisji zanieczyszczeń z palenisk domowych. Opracowane przez IChPW we współpracy z podmiotem komercyjnym węglowe paliwo niskoemisyjne pod nazwą „blue coal”, zostało przetestowane z sukcesem w warunkach wielkolaboratoryjnych oraz podczas wstępnych testów u użytkowników indywidualnych w sezonie grzewczym 2014/2015. IChPW jest przygotowane do przeprowadzenia programu pilotażowego zastosowania niskoemisyjnego paliwa węglowego w domowych urządzeniach grzewczych (o tym projekcie piszemy na następnych stronach w wywiadzie z dyrektorem Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu dr. inż. Aleksandrem Sobolewskim).

Pozostałe zadania technologiczne obejmują m.in. dobór kotłów na gaz ziemny, ocenę możliwości stosowania instalacji wykorzystujących energię z odnawialnych źródeł energii (piecokominki, itp.) oraz ocenę możliwości zwiększenia obszaru zasilania w ciepło zdalne.

Założono także podjęcie działań, które będą miały na celu redukcję emisji zanieczyszczeń z transportu publicznego. Określenie możliwości redukcji tej emisji w Krakowie zostanie wykonane w oparciu o analizę pracy autobusów (w dwóch wariantach: z wykorzystaniem energii elektrycznej oraz ogniw paliwowych) i taksówek (określenie strefy dla taksówek elektrycznych).

Zadania o charakterze strategicznym

W ramach projektu przewiduje się przeprowadzenie badań socjologicznych, które przyczynią się do ustalenia barier we wprowadzaniu nowych rozwiązań technologicznych i instytucjonalnych oraz możliwych sposobów ich przezwyciężania. Wykonane zostaną badania budżetów gospodarstw domowych celem określenia możliwości finansowania inwestycji i jej użytkowania przez potencjalnych beneficjentów programu redukcji niskiej emisji. Przewiduje się opracowanie szczegółowej analizy perspektywy rozwoju miasta, prognozy zużycia paliw i emisji, oraz integrację wyników badań celem utworzenia całościowego obrazu problemu i określenia skutecznych mechanizmów obniżania niskiej emisji.

Strategia redukcji emisji pochodzących z transportu miejskiego opracowana zostanie w oparciu o doświadczenia NILU w tym zakresie dla Oslo, innych miast w Norwegii i Europie. Wykorzystane zostanie doświadczenie NILU w projektach mających na celu ulepszenie planowania transportu miejskiego w kontekście poprawy jakości powietrza i zdrowia publicznego. Planowane jest także skorzystanie z wyników badań w projekcie unijnym DROPS, którego NILU było koordynatorem w celu wykonania oceny korzyści ekonomicznych związanych z poprawą zdrowia mieszkańców Krakowa po redukcji emisji zanieczyszczeń do powietrza.

Planowane działania realizacji prac badawczych w projekcie będą się także wiązać z zapewnieniem systemu bieżącej wizualizacji danych o jakości powietrza w Krakowie dla administracji i mieszkańców miasta oraz dla inspekcji ochrony środowiska w Krakowie w kontekście wymogów unijnej dyrektywy INSPIRE. Prowadzony będzie również wieloletni monitoring trendów jakości powietrza w Krakowie wraz z dostosowywaniem programów redukcji niskiej emisji.

Koordynacja prac w projekcie

Proponowany projekt koordynowany będzie przez NILU, Centrum Energetyki AGH z polską firmą córką NILU Polska zlokalizowaną w Centrum Energetyki AGH w Krakowie przy współpracy z następującymi wydziałami AGH: Energetyki i Paliw, Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Fizyki i Informatyki Stosowanej, Geodezji Górniczej i Ochrony Środowiska oraz Humanistycznym jak również z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Grupą Kapitałową PGE, Politechniką Krakowską, IGSMiE PAN, WIOŚ Kraków oraz MPO.

Koordynatorem projektu będzie prof. Józef Pacyna, dyrektor NILU ds. badań oraz prezes zarządu NILU Polska.

NILU – Norweski Instytut Badań Powietrza jest wiodącym ośrodkiem naukowym na świecie, zajmującym się badaniem jakości powietrza na skalę lokalną, regionalną i globalną. NILU prowadzi około 200 projektów badawczych i wdrożeniowych w tej tematyce rocznie. Instytut posiada odpowiednie narzędzia naukowe niezbędne dla koordynacji i prowadzenia ww. działań. NILU prowadzi szereg badań naukowych w Polsce, w tym dwa wspólnie z GIOŚ i WIOŚ, w tym WIOŚ w Krakowie na temat wzmocnienia systemu oceny jakości powietrza w Polsce w oparciu o doświadczenia norweskie oraz wzmocnienie potencjału technicznego inspekcji ochrony środowiska poprzez zakup urządzeń pomiarowych, wyposażenia laboratoryjnego i narzędzi informatycznych. Projekty te finansowane są poprzez Norweski i EEA Mechanizmy Finansowe.

Centrum Energetyki AGH jest sztandarową i nowoczesną polską jednostką badawczo-rozwojową kreującą standardy innowacyjności w obszarze energetyki i ochrony środowiska. Centrum zostało stworzone, by kreować współpracę między jednostkami badawczo-rozwojowymi (krajowymi i zagranicznymi) a przemysłem oraz samorządami w celu wspierania realizacji polityki energetycznej kraju, innowacyjności regionalnych i spójności rozwoju. Służy również standaryzacji wiedzy w nowych obszarach oraz wspiera studentów i młodych naukowców. Centrum Energetyki w swojej strategii zakłada prowadzenie działań w zakresie badań naukowych, rozwoju technologicznego, demonstracji i innowacji, które przyczyniają się do realizacji celów szczegółowych z obszaru energetyki.

Wydział Energetyki i Paliw AGH prowadzi badania w wielu aspektach odnoszących się do problemu niskiej emisji. Są to przede wszystkim systemy ogrzewania gazem ziemnym, ciepłem zdalnym i energią biomasy. Ponadto prowadzone są prace nad optymalizacją rozwoju systemów ogrzewania oraz szeroko rozumianego rozwoju gospodarki paliwami i energią. Realizowane są badania z zakresu chemii i radiochemii środowiska.

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH jest zaangażowany w badania stanu i funkcjonowania środowiska naturalnego. Pracownicy WFiIS mają wieloletnie doświadczenie w pomiarach składu atmosfery, w szczególności zawartości gazów czynnych w efekcie cieplarnianym (CO2, CH4, N2O, SF6, i inne).

Wydział Humanistyczny AGH prowadzi badania socjologiczne z zakresu postaw ludności, w tym do nowych technologii, co będzie pomocne w akcji akceptacji społecznej proponowanych opcji redukcji niskiej emisji.

IChPW – Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla jest wiodącą jednostką naukowo-badawczą w Polsce (kategoria A), realizującą tematykę powiązaną z badaniem paliw, konstrukcji i emisyjności urządzeń grzewczych dla sektora ogrzewnictwa indywidualnego, energetyką, ciepłownictwem, koksownictwem, termiczną utylizacją odpadów, produktami karbochemicznymi, paliwami naturalnymi i alternatywnymi, termochemiczną konwersją paliw stałych i biomasy oraz wysokotemperaturowych materiałów ceramicznych.

prof. Józef Pacyna
Dyrektor Departamentu Efektów Środowiskowych i Ekonomii w Norweskim Instytucie Badań Atmosfery (NILU), Dyrektor NILU ds. Badań,
Prezes Zarządu NILU Polska sp. z o.o.

prof. Wojciech Nowak
Dyrektor Centrum Energetyki AGH