Συγκριτική αξιολόγηση και ανάλυση κύκλου ζωής υλικών κατασκευής πλοίων στο σύνολο της εφοδιαστικής τους αλυσίδας

Πολυχρονίδης, Δημήτριος

Comparative evaluation and life cycle analysis of shipbuilding materials throughout their entire supply chain

Διπλωματική εργασία

Author

Πολυχρονίδης, Δημήτριος

Date

2023-10-10

Advisor

Papapostolou, Christiana

Διπλωματική Εργασία (5.177Mb)

Keywords

Ανάλυση κύκλου ζωής (LCA) ; Εφοδιαστική αλυσίδα ; SimaPro ; Υλικά κατασκευής πλοίων ; Ναυπηγική βιομηχανία ; Ναυτιλία

Abstract

Στις μέρες μας, είναι χαρακτηριστικό πως οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του τομέα της ναυπηγικής, επηρεάζουν σε έναν σημαντικό βαθμό τόσο το περιβάλλον, όσο και την ανθρώπινη υγεία. Οι επιπτώσεις αυτές, προέρχονται κυρίως από τις φάσεις της κατασκευής, της συντήρησης και της ανακύκλωσης των πλοίων στο τέλος της ζωής τους. Για αυτόν τον λόγο, επιστήμονες αξιοποιήσαν το εργαλείο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ), με βασικότερο στόχο την μελέτη διάφορων υλικών κατασκευής πλοίων, έτσι ώστε να εντοπίσουν ποια υλικά είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον. Ουσιαστικά, η ΑΚΖ αποτελεί εργαλείο, το οποίο αναπτύχθηκε με κυριότερο στόχο την απλοποίηση των υπολογισμών των περιβαλλοντικών επιπτώσεων διάφορων προϊόντων σε ολόκληρο τον κύκλο της ζωής τους. Τα υλικά που έχουν μελετηθεί κυρίως είναι ο χάλυβας, το αλουμίνιο, το ξύλο και ορισμένα σύνθετα υλικά. Στην παρούσα εργασία, αξιοποίηθηκε το εργαλείο αυτό, σε συνδυασμό με το Microsoft Excel και το λογισμικό ΑΚΖ SimaPro και μελετήθηκαν οι επιπτώσεις μιας χαλύβδινης γάστρας ενός πλοίου, σε ολόκληρο τον κύκλο της ζωής της. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι φάσεις της κατασκευής, της συντήρησης και της ανακύκλωσης της, ενώ οι επιμέρους διεργασίες που μελετήθηκαν, ήταν η παραγωγή, η κοπή, η συγκόλληση και η προστασία του χάλυβα και φυσικά οι μεταφορές του χάλυβα και των υλικών. Ως στόχοι της παρούσας εργασίας, ήταν ο υπολογισμός των εκπεμπόμενων ρύπων και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής της χαλύβδινης γάστρας, ο προσδιορισμός των διαφορών που εμφανίζουν μεταξύ τους τα στάδια αυτά, των διαφορών που εμφανίζονται εάν αντί για χειροκίνητους υπολογισμούς των αποτελεσμάτων της ΑΚΖ, χρησιμοποιηθεί ένα λογισμικό ΑΚΖ και τέλος ο προσδιορισμός των διεργασιών που επιβάρυνουν περισσότερο το περιβάλλον. Όσον αφορά την πειραματική διαδικασία, στο Microsoft Excel ουσιαστικά δομήθηκε ένα εργαλείο υπολογισμών όλων των δεδομένων εισόδου και εξόδου της ΑΚΖ, με βάση ερευνητικά άρθρα κλπ. Ταυτόχρονα, όλοι οι αναγκαίοι συντελεστές για τους υπολογισμούς αυτούς αντλήθηκαν επίσης από ερευνητικά άρθρα, εργασίες κ.α. Στο SimaPro, όλες οι διεργασίες μαζί με όλους τους συντελεστές ήταν ενσωματωμένα μέσα στο λογισμικό και απλά δομήθηκαν τα επιθυμητά σενάρια. Με το πέρας της πειραματικής διαδικασίας, τα αποτελέσματα μεταξύ των 2 μεθόδων υπολογισμού εμφάνιζαν σημαντικές διαφορές, ειδικότερα κατά την φάση της αξιολόγησης των επιπτώσεων του κύκλου ζωής (AEKZ). Σε αυτήν, παρόλο που χρησιμοποιήθηκε η ίδια μεθοδολογία ΑΕΚΖ (ReCiPe 2016), παρατηρήθηκαν ποσοτικές διαφορές σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων. Το SimaPro ουσιαστικά έδινε αποτελέσματα από 0,3 εώς και 8 φορές μεγαλύτερα από ότι το Excel, με μερικές εξαιρέσεις στην φάση της ανακύκλωσης. Κατά την κανονικοποίηση των αποτελεσμάτων και στα 2 λογισμικά, η πιο επιβαρυμένη κατηγορία επιπτώσεων, ήταν αυτή του σχηματισμού φωτοχημικού όζοντος (Οικοσυστήματα) και επομένως έγινε κατανοητό ότι ανάλογα με την μέθοδο υπολογισμού των αποτελεσμάτων, αλλάζαν και οι απαιτούμενοι πόροι που χρειάζονταν για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων. Παρόλα αυτά και με τα 2 λογισμικά, παρουσιάστηκε η διεργασία της παραγωγής του χάλυβα, ως η διαδικασία με τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ένα αποτέλεσμα, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε νέες μελέτες ΑΚΖ που θα αφορούν την αντικατάσταση του χάλυβα με κάποιο άλλο υλικό, όπως το αλουμίνιο, έτσι ώστε να μελετηθούν και να συγκριθούν μεταξύ τους τα υλικά, με βάση τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους.

Abstract

Nowadays, it is typical that the environmental impact of the shipbuilding sector has a significant impact on both the environment and human health. These impacts mainly come from the phases of construction, maintenance and recycling of ships at the end of their life. For this reason, scientists have used the tool of Life Cycle Analysis (LCA), with the main objective of studying different shipbuilding materials in order to identify which materials are more environmentally friendly. Essentially, LCA is a tool developed with the main objective of simplifying the calculations of the environmental impact of different products throughout their life cycle. The materials that have been studied are mainly steel, aluminium, wood and certain composites. In this study, this tool was used in combination with Microsoft Excel and the LCA software SimaPro to study the effects of a steel ship hull, throughout its life cycle. More specifically, the phases of construction, maintenance and recycling were studied, while the individual processes studied were the production, cutting, welding and protection of steel and of course the transportation of steel and materials. The objectives of this study were to calculate the pollutant emissions and environmental impacts at each stage of the steel hull life cycle, to determine the differences between those stages, the differences that occur if an LCA software is used instead of manual calculations of the LCA results and finally to identify the most environmentally damaging processes. Regarding the experimental procedure, a tool for calculating all the input and output data of the LCA, based on research articles etc., was essentially structured in Microsoft Excel. At the same time, all the necessary coefficients for these calculations were also obtained from research articles, papers, etc. In SimaPro, all the processes along with all the coefficients were integrated within the software and the desirable scenarios were structured as needed. At the end of the experimental procedure, the results between the 2 calculation methods showed significant differences, especially during the life cycle impact assessment phase (LCIA). In this phase, although the same LCIA methodology was used (ReCiPe 2016), quantitative differences were observed in all impact categories. SimaPro actually gave results from 0,3 to 8 times larger than Excel, with a few exceptions in the recycling phase. When normalizing the results in both software, the most burdensome impact category was that of photochemical ozone formation (Ecosystems) and it was therefore understood that depending on the method of calculating the results, the resources that are needed to address the impacts changed. Nevertheless, with both software, the steel production process was presented as the process with the greatest environmental impact. A result, which may lead to new LCA studies involving the replacement of steel with another material, such as aluminium, so that the materials can be studied and compared with each other based on their environmental impacts.