Aplikace charakterizačního faktoru nedostatku vody ve studiích LCA v podmínkách České republiky

Souhrn

V předloženém článku jsou shrnuty výsledky testování metody charakterizace užívání vody v systému posuzování životního cyklu v podmínkách České republiky. Zvolená metoda umožňuje robustní vyjádření užívání vody v ekvivalentních hodnotách referenčního systému. Metoda je postavena na potenciálu obnovitelnosti vodních zdrojů. Pro aplikaci metody v České republice byly odvozeny hodnoty charakterizačního faktoru pro jednotlivá hydrologická povodí III. řádu v České republice. Takto získané hodnoty byly porovnány s hodnotami spočítanými pro konkrétní profily Českého hydrometeorologického ústavu. Dále bylo provedeno stanovení vodní stopy pomocí testované metody procesu výroby elektrické energie ve vybraných elektrárnách a teplárnách ČR. Vzhledem k tomu, že zvolená metoda nepokrývá problematiku dopadů na lidské zdraví či ekosystémy, tak zjištěné hodnoty představují (pouze) „vodní stopu nedostatku vody procesu výroby elektrické a tepelné energie v elektrárnách a teplárnách“.

Úvod

Vodní stopa je odborný výraz, který se ve vodohospodářské praxi začal objevovat od 90. let minulého století. Vodní stopa byla definována jako celkové množství vody, které je použito přímo či nepřímo pro produkci se zahrnutím množství spotřebované a znečištěné vody [1]. Tento koncept prošel určitou formou kritiky, která poukazovala na skutečnost, že takto definovaná vodní stopa nijak nevypovídá o dopadech, které užívání vody přináší. Komunita zabývající se posuzováním životního cyklu přišla s vlastním chápáním pojmu vodní stopy a Mezinárodní organizace pro standardizaci (ISO) vyvinula a vydala normu zařazující vodní stopu do kategorie posuzování životního cyklu [2]. V rámci inventarizace životního cyklu (LCI – Life Cycle Inventory) jsou shromážděny veškeré informace o vstupech a výstupech během celého životního cyklu posuzovaného produktového sytému. Ve vztahu k vodní stopě je to pak zjištění množství vody užité či spotřebované během životního cyklu. Následně je pak během fáze analýzy dopadů (LCIA – Life Cycle Impact Analyses) zjištěné množství použité či spotřebované vody převedeno pomocí tzv. charakterizačních faktorů na jednotky vyjadřující tzv. „midpointové“ kategorie dopadu [3]. Jedním z charakterizačních faktorů, který je běžně využíván pro charakterizaci „spotřeby vody“ je Water Stress Index (WSI) [4]. Existuje ovšem i řada dalších charakterizačních faktorů [5]. Koncept Water Stress Indexu je sice běžně zahrnut do nejrozšířenějších LCA databází, ale je mu vytýkáno [6], že se jedná o syntetický ukazatel stanovený na základě výsledků hydrologických modelů s problematickým fyzikálním vyjádřením, který nerozlišuje mezi zdroji vody (srážky, podzemní vody, povrchové vody).

Obr. 1. Konceptuální diagram faktoru nedostupnosti vody vyjádřený pomocí potřebné plochy území (převzato se svolením autorů z: [7])
Fig. 1. Conceptual diagram of the water unavailability factor in terms of the required land area (reproduced with permission from: [7])
This figure is distributed under the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0).

V reakci na některé nedostatky Water Stress Indexu byla v roce 2015 publikovaná metoda [7], která je založena na posouzení obnovitelnosti vodních zdrojů v řešeném území. Na rozdíl od Water Stress Indexu (a jemu podobných charakterizačních metod) nevyužívá tato metoda pro konstrukci charakterizačního faktoru hodnotu užívání vod v řešeném území, takže nemohou nastat situace, kdy je užívání vody započítáno „dvakrát“ [6]. Mezi další výhody metody patří schopnost prostorové a časové diferenciace i rozlišení jednotlivých typů zdrojů.

Metodika

Popis testované metody

Myšlenka charakterizačního faktoru postaveného na obnovitelnosti vodních zdrojů vychází z předpokladu, že dopad užití jednotkového množství vody je nepřímo úměrný schopnosti zdroje toto množství dodat/nahradit. Prakticky jediným zdrojem vody jsou dešťové srážky. V povodí s nedostatkem vody/srážek musí být k dispozici větší plocha nebo delší čas k vytvoření požadovaného množství vody. Jinými slovy potenciální dopad může být vyjádřen jako plocha povodí nebo doba potřebná k získání jednotkového množství vody v každém zdroji. Charakterizační faktor je definován rovnicí 1.

Hodnoty A_x,l a T_x,l  jsou definovány rovnicemi 2 a 3.

Referenční množství vody může mít libovolnou hodnotu. Autoři metody při stanovení referenční hodnoty [7] vychází z přibližného průměru celosvětových srážek na 1 m² plochy zemského povrchu, který činí přibližně 1 000 mm. Tuto hodnotu používají pro vyjádření charakterizačního faktoru jak pro srážky, tak pro zdroje povrchových a podzemních vod s vysvětlením, že veškeré zdroje sladké vody pocházejí ze srážek. Globální průměrnou hodnotu srážek tak považují za vhodný ukazatel pro vážení obnovitelnosti vodních zdrojů (za obnovitelné zdroje nejsou v tomto smyslu považovány podzemní vody bez možnosti doplňování ze srážek, které se stejně v ČR nevyskytují). Výsledná vodní stopa, stanovená touto metodou, se vyjadřuje v m³ H₂O_ekv., což lze fyzikálně interpretovat jako množství referenčních srážek. V případě použití referenčních hodnot navržených autory metody pak jako množství průměrných srážek na Zemi.

Celkový odtok lze považovat za odpovídající přirozené schopnosti obnovy podzemních vod ze srážek. Celkový odtok se skládá z přímého a základního odtoku. Přímý odtok je tvořen ze srážek a základním odtokem se rozumí ta část celkového odtoku, která pochází z podzemních zdrojů. Množství přímého i základního odtoku je vymezeno hydrologickým cyklem a je možno jej považovat za teoretické maximální množství využitelné společností (poznámka: tento předpoklad zanedbává požadavek na zachování ekologických průtoků, ať již budou definovány jakkoliv; zároveň však není principiálně v rozporu s myšlenkou šedé vodní stopy [1]).

Tabulka 1. Ukázkový příklad výpočtu vodní stopy „nedostatku vody“ (převzato z: [7])
Table 1. Example of water scarcity footprint calculation (source: [7])

Při srážkách 1 000 mm/rok je třeba 1 m² a doby 1 rok k dosažení referenční hodnoty 1 m³. Faktor nedostupnosti vodních zdrojů fwua = 1,0. Pro vysvětlení aplikace metody uvažujme povodí o ploše 1 km² se srážkami 500 mm/rok, odtokem povrchových vod o velikosti 100 000 m³/rok a základním odtokem 50 000 m³/rok. V tomto povodí se srážkami 500 mm/rok je potřeba k dosažení referenčního objemu 1 m³ buďto plocha 2 m² nebo doba 2 let. Charakterizační faktor srážek (precipitation – p) fwua_p= 1000⁄500 = 2. Pokud odtoková výška z povodí činí 100 mm/rok (např. z povodí o ploše 1 km² = 1 mil. m² odteče za rok 100 000 m³), pak je charakterizační faktor odtoku povrchových vod (surface water – sw) fwua_sw= 1000⁄100 = 10. Obdobně charakterizační faktor podzemních vod (ground water – gw) fwua_gw= 1000⁄50 = 20.

Potenciální dopad užívání vody v povodí pak může být vypočítán pro jednotlivé zdroje vynásobením součtu užívání každého zdroje jeho charakterizačním faktorem podle rovnice 4.

Pokud v popisovaném povodí je pro nějaký produkt, službu, instituci či proces spotřebováno 2,0 m³ dešťových srážek, 1,5 m³ povrchových vod a 0,5 m³ podzemních vod, je vodní stopa „nedostatku vody“ 44,0 m³ H₂O_ekv. (viz obr. 1 a tabulku 1).

Hodnoty charakterizačního faktoru pro povodí III. řádu

Hodnotu charakterizačního faktoru fwua_sw lze snadno získat z dat poskytovaných Českým hydrometeorologickým ústavem podle rovnice 5. V případě studií LCA však často dochází k situaci, kdy v rámci posuzovaného životního cyklu je využíváno velké množství různých zdrojů vody a získání potřebných dat od ČHMÚ by bylo časově a finančně značně náročné. Proto byl otestován i modelový přístup, kdy pro výpočet charakterizačního faktoru fwua_sw byly použity hydrologické charakteristiky povodí 3. řádu odvozené pomocí modelu BILAN. Podrobný postup stanovení hydrologických charakteristik uvádí článek z roku 2015 [8]. Základní charakteristiky vypočítané modelem BILAN a použité pro zpracování charakterizačního faktoru jsou údaje o srážkách a celkovém odtoku vztažené k příslušnému dílčímu povodí 3. řádu. Pro tyto charakteristiky byly spočítány hodnoty charakterizačního faktoru fwua_p a fwua_sw (tabulka 2). Za referenční hodnoty pro stanovení charakterizačních faktorů byla použita hodnota srážek 1 000 mm/rok na plochu 1 m², tj. stejné hodnoty jako používají autoři testované metodiky [7]. Volba těchto referenčních podmínek umožní přímá srovnání s jinými studiemi využívajícími stejné „globální“ referenční podmínky.

Tabulka 2. Charakterizační faktor „nedostupnosti vody“ (fwua) pro povodí 3. řádu a referenční podmínky fwua_ref = 1,0
Table 2. Factor of water unavilibility (fwua) for watershed 3^rd order and reference fwua_ref = 1.0

Pro řešení větších povodí, skládajících se z několika hydrologických povodí 3. řádu, se vypočítá hodnota průměrného charakterizačního faktoru celého povodí fw͞u͞a͞_sw podle rovnice 6. Pro porovnání dosažených výsledků bylo vybráno 34 profilů s uveřejněnými hydrologickými údaji [9]. Z dostupných údajů ČHMÚ pak byla stanovena hodnota charakterizačního faktoru fwua_sw-CHMU podle rovnice 5 a porovnána s vypočítaným charakterizačním faktorem fw͞u͞a͞_sw v případě složených povodí nebo fwua_sw.

Výběr energetických provozů

Testování metody v podmínkách České republiky proběhlo na údajích o operativní spotřebě vody ve vybraných energetických provozech České republiky. Pro každý energetický provoz byla analýzou povolení podle zákona č. 76/2002 Sb. (o integrované prevenci a omezování znečištění) identifikována dotčená povodí III. řádu, která tvoří povodí energetického provozu (viz tabulku 3). Pro každé povodí energetického provozu, které je tvořeno dvěma a více povodími III. řádu, pak byla stanovena „průměrná“ hodnota charakterizačního faktoru fw͞u͞a͞_sw podle rovnice 6.

Tabulka 3. Vodní stopa energetických provozů (pouze proces generování energie v provozu bez upstream a downstream procesu)
Table 3. Water scarcity footprint of Energy units (only power generation proces without downstream and upstream processes)

Pro vyhodnocení vodní stopy energetických provozů byly použity údaje o výrobě elektrické energie a tepla ve vybraných energetických provozech, pro které byly k dispozici údaje o spotřebě vody na výrobu elektrické energie a tepla za období 2004–2013 (viz tabulku 3). Podrobná informace o způsobu zpracování dat je obsažena v článku z roku 2016 [10].

Výsledky

V první části řešení byly porovnány hodnoty spočtených charakterizačních faktorů pro hydrologická povodí 3. řádu s hodnotami spočtenými přímo z dat pro konkrétní profily ČHMÚ. Jak vyplývá z tabulky 4, tak u 16 ze 35 profilů (46 %) byly rozdíly mezi stanovenými charakterizačními faktory do ±10 %. U dalších osmi profilů (23 %) se rozdíl hodnot faktorů pohybuje mezi ±10 % až ±15 %. Bohužel, ve čtyřech případech (11 %) je rozdíl vyšší než 25 %.

Cílem tohoto článku však není testování výsledků hydrologického modelu, ale popis možností aplikace charakterizačního faktoru v rámci LCA studií. Nezbývá proto než upozornit budoucí zpracovatele studií LCA, že použití modelových výstupů v rámci komplexních hodnocení typu LCA je v obecné rovině možné (a někdy dokonce nezbytné), ale vždy je třeba provádět verifikaci a validaci jak používaných dat, tak dosažených výsledků. Pravděpodobné vysvětlení vysokých rozdílů u některých povodí je v nejistotách s užíváním vod, neboť modelované hodnoty odpovídají „přirozenému“ stavu, zatímco hodnoty ČHMÚ vycházejí z měřených hodnot, a tudíž jsou ovlivněny současným užíváním vod.

Druhá část řešení se zabývala stanovením vodní stopy samotného procesu produkce energie ve vybraných energetických provozech (viz tabulku 3). Potvrdily se očekávané výsledky, že vodní stopa energetických provozů s průtočným chlazením je obecně nižší než vodní stopa provozů s recirkulačním chlazením. Situace u obou jaderných elektráren pak již naznačuje smysl LCA. Ačkoliv je specifická spotřeba obou jaderných elektráren podobná (1,979, resp. 2,079), tak dopad výroby elektrické energie v obou elektrárnách je již výrazně odlišný (7,48, resp. 11,74 m³ H₂O_ekv./MWh). Zjednodušeně lze prohlásit, že na proces výroby 1 MWh energie v elektrárně Dukovany je potřeba 11,74 m³ referenčního množství vody, které bylo stanoveno jako „průměrné celosvětové srážky“, zatímco v elektrárně Temelín pouze 7,48 m³.

Tabulka 4. Porovnání hodnot charakterizačních faktorů pro profily ČHMÚ a stanovených z hydrologických charakteristik profilů a z hydrologických charakteristik povodí III. řádu
Table 4. Comparison of values of characterisation factor of Czech Hydromet. Institute profiles computed from characteristics of profiles and characteristics of catchment

Je to dáno tím, že jaderná elektrárna Dukovany leží na méně vodném toku s menším povodím a nižší odtokovou výškou. Proto, ačkoliv její specifická spotřeba vody na výrobu 1 MWh energie činí jen 105 % specifické potřeby jaderné elektrárny Temelín, tak vodní stopa procesu produkce 1 MWh elektrické a tepelné energie je o 57,0 % vyšší než vodní stopa procesu produkce elektrické a tepelné energie v jaderné elektrárně Temelín. Je třeba si ale uvědomit, že tyto poměrové ukazatele platí pouze pro samotný dílčí proces výroby elektrické a tepelné energie v energetickém provozu. Vzhledem k tomu, že v rámci testování metody nebyla stanovena vodní stopa ostatních procesů v rámci životního cyklu (těžba primárních surovin, jejich úprava, doprava, nakládání s vyhořelým palivem, distribuce vyrobené energie atd.), nelze tyto stanovené poměry vztahovat k celému životnímu cyklu obou elektráren.

Vodní stopa testovaných provozů se pak odvíjí od množství produkované energie a je vyjádřena v m³ H₂O_ekv./rok. Takto získaná hodnota pak laicky řečeno představuje množství „průměrných celosvětových srážek“, které jsou „spotřebovány“ v energetickém provozu za rok. Je třeba upozornit, že se jedná pouze o jednu dílčí část vodní stopy, která je vztažena pouze k samotnému procesu výroby energie v elektrárně/teplárně, tj. není to hodnota vodní stopy celého životního cyklu produkce elektrické a teplené energie v těchto provozech.

Diskuse

Testovaná metoda se ukázala jako snadno použitelná. Pro lokální studie LCA je možné jako referenční množství použít průměrné srážky v České republice namísto „globálních“ srážek. Použití průměrných srážek v České republice lze doporučit zejména pro aplikace s kratším časovým krokem, tj. např. pro řešení po měsících, kdy je možno jako referenční uvažovat reálné měsíční srážky, zatímco v případě „globálních“ srážek lze použít 1/12 z ročních globálních srážek.

Autoři metody také předpokládají, že veškerá voda je dostupná pro užití, což samozřejmě je pouze teoretický předpoklad. V reálných podmínkách není možno využít ani veškeré srážky, ani veškerý odtok z povodí. Z pohledu aplikačního využití není zásadní problém např. u povrchového odtoku odečíst „minimální zůstatkový průtok“ či jinak definovaný „ekologický průtok“. V případě podzemních vod a srážek však tato konstrukce již není tak jednoznačná. Navíc se tímto rozšířením ztrácí určitá elegance navrženého konceptu a nezávislost konceptu na subjektivním rozhodování, neboť rozhodnutí o tom, co „se bude odečítat“, je subjektivní rozhodnutí řešitele studie.

Z principu metody vyplývá, že metoda není úplně vhodná pro některé aplikace například typu rozhodování o dopadech na dostupnost lokálních vodních zdrojů v různých lokalitách. Neboť výsledky charakterizačního modelu mají jen nepřímou vazbu na skutečnou dostupnost vody v místě posuzování.

V prezentovaných údajích nejsou také zahrnuty ztráty vody výparem z nádrží, které jsou součástí vodního hospodářství jednotlivých elektráren. V případě jaderné elektrárny Temelín představuje ztráta výparem z nádrže Hněvkovice přibližně 7 % rozdílu mezi odběrem a vypouštěním pro jadernou elektrárnu Temelín. V případě jaderné elektrárny Dukovany tvoří výpar z VD Dalešice-Mohelno dokonce okolo 14 %. Dále nejsou v této testovací aplikaci uvažována rozdílná místa odběrů a vypouštění, které mohou hrát při aplikaci metody značnou roli, např. elektrárna Temelín odebírá vodu z povodí 1-06-03, ale vypouští odpadní vody do povodí 1-07-05, korektní výpočet vodní stopy by měl veškeré odběry pro elektrárnu Temelín v povodí 1-06-03 uvažovat jako ztráty a naopak vypouštění v povodí 1-07-05 jako zisk vody s rozdílnými hodnotami charakterizačního faktoru.

Závěr

Charakterizační model postavený na obnovitelnosti vodních zdrojů se ukázal jako snadno použitelný nástroj umožňující použít jak data získaná měřením (či z nich odvozená), tak výsledky matematických modelů. Pro usnadnění aplikace metody v praxi byla připravena tabulka charakterizačních faktorů srážek a celkového odtoku pro jednotlivá povodí III. řádu. Testování ukázalo, že v případě vstupních dat z matematických modelů je důležitá validace a verifikace použitých dat, protože pro některá povodí jsou výsledky zatíženy chybou přesahující ±10–15 %. Konkrétní aplikace na 32 vybraných elektrárnách a teplárnách ukázala, že vodní stopa ve smyslu posuzování životního cyklu je nižší v provozech s průtočným chlazením oproti provozům s cirkulačním chlazením.

Testovaná metoda neřeší míru současného užívání vodních zdrojů a předpokládá, že veškerý odtok je dostupný uživatelům. Testovaná metoda také nijak neřeší problematiku degradace vod, vliv na ekosystémy a člověka. Pro tato posuzování životního cyklu je třeba použít jiné charakterizační metody. Výsledky zjištěné pomocí testované metody je možno označit pouze za vodní stopu nedostatku vody (Water scarcity footprint).

Poděkování

Článek vznikl v rámci projektu QJ1520322 Postupy sestavení a ověření vodní stopy v souladu s mezinárodními standardy řešeného s finanční podporou Ministerstva zemědělství v rámci Programu zemědělského aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje Komplexní udržitelné systémy v zemědělství 2012–2018 „KUS“. Charakteristiky povodí III. řádu spočítané modelem BILAN vznikly v rámci projektu Strategie ochrany před negativními dopady povodní a erozními jevy přírodě blízkými opatřeními v České republice, který je spolufinancován Evropskou unií – Evropským fondem pro regionální rozvoj, Státním fondem životního prostředí ČR a Ministerstvem životního prostředí ČR v rámci Operačního programu Životní prostředí. Údaje o operativní spotřebě vody v tepelných elektrárnách a teplárnách byla připravena v rámci projektu TD020113 Dopady socio­‑ekonomických změn ve společnosti na spotřebu vody řešeného s finanční podporou Technologické agentury České republiky.