Az életciklus elemzésről Benkő Tamás, Mizsey Péter
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kémiai és Környezeti Folyamatmérnök i Tanszék Hungary - 1111 Budapest, Budafoki 8.
[email protected]
Áttekintés Problémafelvetés Az életciklus elemzés metodológiája Esettanulmány: PET palack vs. üveg További esettanulmányok
Az előadásban szereplő ábrák csak és tartalom csak oktatási célból készült és csak arra használható. Copyright © Tamás Benkő or feltüntetett forrás.
2
Visszatekintés
’60-as évek: környezettudatos (vegy)ipar szükségességének felismerése ◦ fenntarthatóság
Környezetkárosítás becslésének igénye ◦ Számos koncepció és eszköz Koncepciók: green chemistry, industrial ecology, etc. eszközök: environmental risk assessment, cost benefit analysis, eco-labelling, etc. 3
Visszatekintés
Life cycle thinking ◦ from cradle to grave – bölcsőtől a sírig ◦ from cradle to cradle – bölcsőtől a bölcsőig
Igény jelenezett egységes(ített) környezetkárosítást becslő eljárásra ◦ LCA: life cycle assessment Életciklus elemzés Életciklus analízis Életciklus (hatás)becslés
◦ Az egyetlen szabványosított eljárás 4
LCA
Termékek/eljárások teljes élettartalma alatt jelentkező környezeti hatásainak numerikus becslése ISO: International Standards Organisation ◦ ISO 14000 szabványsorozat
A szabvány az LCA-t négy lépésre osztja: ◦ Goal and Scope definition – Cél és rendszerhatárok definiálása ◦ Inventory analysis - Leltárelemzés ◦ Impact assessment - Hatásbecslés ◦ Interpretation - Értékelés 5
LCA Goal and Scope Definition (ISO 14041)
Inventory Analysis (ISO 14041)
Life Cycle Interpretation (ISO 14043)
Impact Assessment (ISO 14042) 6
Cél és rendszerhatárok
Az LCA tanulmány elkészítéséhez szükséges információk definiálása, megnevezése ◦ Az esettanulmány célja ◦ Functional unit - Funkció(s) egység
A tanulmány referenciaegysége – a környezeti kárbecslést eredményét erre az egységre vonatkoztatjuk Például: 1 nm fal lefestéséhez szükséges festék előállítása okozta környezeti kár Egy autó által 100 km távolság megtétele során okozott környezeti kár
◦ Rendszerhatárok definiálása:
Határvonal meghúzása „termékrendszer” és „környezet” között Folyamatábra
7
Cél és rendszerhatárok - folyamatábra -
8
Cél és rendszerhatárok
Szükséges adatok
◦ Anyag és energiaáramok = leltár Leltár = inventory (LCI)
◦ Környezeti hatáskategóriák Emberi egészség Légzőszervi megbetegedések Karcinogén hatások, stb
Ökoszisztéma savasodás öko-toxicitás klímaváltozás
Nyersanyagok fogyása
LCA panel !! 9
Leltárelemzés A rendszerhatárt átlépő (be- és kilépő) anyag és energiaáramok összegyűjtése, táblázatba rendezése Vonatkoztatás a referencia egységre
10
Hatáselemzés Az LCI-ben lévő adatok környezetre gyakorolt hatásának becslése Lépései
◦ ◦ ◦ ◦
Classification Characterisation Normalisation Weighting
/ osztályozás / jellemzés / normalizálás / súlyozás
(opcionális)
(opcionális)
11
Hatásbecslés Classification [kg NO2, SO2, …]
LCI results
Impact category:
Acidification
Characterisation Category indicator
Proton release to nature
[H+]
Normalization, weighting Environmental relevance
Category endpoint(s)
Damages to vegetation 12
Impact Assessment
Jolliet et al. (2003), IMPACT 2002+. A new life cycle impact assessment methodology. IntJLCA 8, pp324-330. 13
Értékelés
Az eredmények értékelése és összevetése a kitűzött célokkal ◦ Legjelentősebb eredmények kiemelése ◦ Kiértékelés completeness check – teljesség vizsgálat sensitivity analysis – érzékenység vizsgálat uncertainty analysis – bizonytalanság vizsgálat
◦ Következtetések és javaslatok ◦ LCA panel!! 14
PET vs. Üveg
Példa: ásványvíz csomagolóanyaginak összehasonlítása ◦ Forrás: Sonnemann et al., Integrated LifeCycle and Risk Assessment for Industrial Processes
15
Cél és rendszerhatárok
Kérdés: melyik előnyösebb környezetvédelmi szempontból az ásványvíz fogyasztása a) b)
Egy utas PET palackból Visszaváltható üvegből
Functional unit: egy liter ásványvíz elfogyasztása kisüvegből. Vizsgált életút szakaszok:
◦ Palackgyártás ◦ Szállítás 16
Cél és rendszerhatárok Környezeti hatáskategória: greenhouse effect (GWP) üvegházhatás Vizsgált szennyezők: CO2 és CH4 CO2 ekvivalensben kifejezve
Compound
GWP factor [gCO2 eq. / g compound]
CO2
1
CH4
62
N2O
156
HFCs
3 500 – 15 000 17
Cél és rendszerhatárok: LCA modell CO2 CH4
CO2 CH4
Production of packaging material
Transport
System boundary
18
LCA modell - palackgyártás A PET-palackokat a palackozóban állítják elő (on-site) Az üvegpalackokat üveggyárban készítik (ex-site)
Production Bottle weight (g) Bottle capacity (lit)
Number of uses
PET
Glass
20
237
0.33
0.25
1
20
19
LCA modell - Szállítás
PET
Glass
Bottles + water
Bottles + water
16-t truck
3.5-t van
Empty bottles
Bottles + water
Bottles + water
16-t truck
16-t truck
3.5-t van
Empty bottles
Empty bottles
X
20
LCA modell - Szállítás Transport
PET
Glass
Palackozó és nagykereskedés közötti távolság (km)
50
50
Nagyker és kiskereskedés közötti távolság (km)
20
20
-
100
Üveggyár és palackozó közötti távolság
21
Leltárelemzés – Fajlagos kibocsátási adatok Emissions
Production
Transport
PET (1 kg)
Glass (1 kg)
16-t truck (tkm)
3.5-t van (tkm)
CO2 (kg)
3.45
9.68x10-1
3.46x10-1
1.54
CH4 (kg)
1.17x10-2
2.32x10-3
5.34x10-4
2.61x10-3
Source: Sonnemann et al., Integrated Life-Cycle and Risk Assessment for Industrial Processes, CRC Press 2004.
22
LeltárelemzésCsomagolóanyag-gyártás Emission due to packaging materialproduction (kg/1 lit of water)
PET
Glass
CO2 (kg)
2.09x10-1
4.59x10-2
CH4 (kg)
7.09x10-4
1.10x10-4
Bottle weight kg
Bottle capacity lit Number of uses
20 103 kg PET / bottle 0.33lit / bottle 1
3.45
Emission of material prod . kg / kg
kg CO2
kg PET
2.09 101
kg CO2
lit
23
LeltárelemzésSzállítás - tkm Emission due to transport of PET bottles (tkm/1 lit of water Track
Transported mass [ton]
Distance [km]
Index [tkm]
Bottling plant wholesaler 16-t truck
1.06x10-3
50
5.30x10-2
Wholesaler retail trader 3.5-t van
1.06x10-3
20
2.12x10-2
20 103 kgPET / bottle 1 kg water 0.33lit / bottle 1uses 3 1.06 10 ton 3 10 kg / ton 24
Leltárelemzés Szállítás - kibocsátás PET bottles (tkm/1 lit of water)
Index [tkm]
CO2 [kg]
CH4 [kg]
16-t truck
5.30x10-2
1.83x10-2
2.83x10-5
3.5-t van
2.12x10-2
3.27x10-2
5.54x10-5
5.10x10-2
8.37x10-5
Total:
25
Leltárelemzés Szállítás - tkm Glass bottles (tkm/1 lit of water)
Transported mass [ton]
Distance [km]
Index [tkm]
Glassworks bottling plant 16-t truck
4.74x10-5
100
4.74x10-3
Bottling plant wholesaler 16-t truck
1.95x10-3
50
9.74x10-2
Wholesaler retail trader 3.5-t van
1.95x10-3
20
3.90x10-2
wholesaler retail trader 3.5-t van
9.48x10-4
20
1.90x10-2
bottling plant wholesaler 16-t truck
9.48x10-4
50
4.74x10-2
237 103 kgGlass / bottle 0.25lit / bottle 20 uses 4.74 105 ton 3 10 kg / ton
237 103 kgGlass / bottle 1kg 0.25lit / bottle 1uses 1.95 103 ton 3 10 kg / ton 26
Leltárelemzés Szállítás - kibocsátás Glass bottles (tkm/1 lit of water)
Index [tkm]
CO2 [kg]
CH4 [kg]
16-t truck
1.50x10-1
5.17x10-2
7.99x10-5
3.5-t van
5.79x10-2
8.92x10-2
1.51x10-4
1.41x10-1
2.31x10-4
Total:
27
Hatásbecslés
A környezeti hatások becslése ◦ Üvegházhatású gázok kibocsátása
Environmental Load PET
CO2 [kg]
CH4 [kg]
GWP [kgCO2 eq./f.u.]
Production
2.09x10-1
x1
7.09x10-4
x62
2.53x10-1
Transport
5.10x10-2
x1
8.37x10-5
x62
5.62x10-2
TOTAL: CH4 [kg]
0.309
Environmental Load Glass
CO2 [kg]
GWP [kgCO2 eq./f.u.]
Production
4.75x10-2
x1
1.01x10-4
x62
5.27x10-2
Transport
1.41x10-1
x1
2.31x10-4
x62
1.55x10-1
TOTAL:
0.208 28
Értékelés Contribution of the pollutants to the total environmental load CO2
CH4
GWP [kg CO2 equivalent]
0,35
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 PET
Glass 29
Értékelés Contribution of the life cycle stages to the total environmental load
GWP [kg CO2 equivalent]
Production
Transport
0,35 0,3
0,25 0,2
0,15 0,1 0,05
0 PET
Glass 30
Értékelés Effect of re-useability parameter of glass bottles PET
Glass
GWP [kg CO2 equivalent]
1,400 1,200 1,000 0,800
0,600 0,400 0,200 0,000
1
2
3
4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Number of uses 31
Interpretation
Uncertainty data ◦ Specific emission for LC-stage: production LC-stage: transport
+/- 1% +/- 1%
32
33
Interpretation
34
Értékelés Comparison of environmental load -considering uncertaintyGlass
PET
160
140
Frequency
120 100 80
60 40 20
0 0,2050
0,2250
0,2450 0,2650 0,2850 IPCC GWP 20a, kg CO2 eq
0,3050
35
Interpretation
Based on the available data ◦ Use of glass bottles is better (GWP is lower) ◦ CO2 is the most important pollutant ◦ In the PET bottle LC: production is the “hot-spot” ◦ In the glass LC: transport is the “hot-spot” ◦ Minimum number of uses: 8
36
Case study 01. Waste solvent treatment Printing company – huge amount of waste solvents Treatment options:
1. Energy utilization – incineration 2. Material recycling – recovery with distillation
Incineration on the site Distillation on the site
with a classic, complicated method with a novel, more effective method
3. Simultaneous incineration and recovery Benko, T., Szanyi, A., Mizsey, P., Fonyo, Zs.: Environmental and economic comparison of 37 waste solvent treatment options. Central European Journal of Chemistry, 4(1) 2006 92–110.
Waste solvent treatment
Aim of the study: ◦ Selection of the best treatment option from environmental viewpoint
Method for environmental evaluation: ◦ Eco-indicator 99
Functional unit: ◦ Environmental impacts due to the waste solvent treatment during 1 hour. [Ecoindicator 99 points / hour]
LCA model and unit process flowchart: next slide 38
Waste solvent treatment - LCA model of the waste solvent treatment -
39
Waste solvent treatment
Data collection: ◦ Data acquisition from an existing (Swiss) incinerator LCA-model development Inputs and outputs of the incinerator as function of waste solvent mass flow and its heating value
◦ Precise chemical engineering modelling of distillation options LCA-model dev. Inputs and outputs of the distillery as function mass flow and composition of the waste solvent 40
Waste solvent treatment - Classic distillation and incineration -
41
Waste solvent treatment - Novel distillation and incineration -
42
Waste solvent treatment - interpretation
Based on the environmental evaluation ◦ Total recovery of the waste solvents (no incineration) with the novel distillation technique is the preferable option ◦ The older recovery technique is even a little bit worse than the incineration of the waste solvents.
43
Waste solvent treatment - environmental and economic analysis
Economic analysis of the treatment options related to 1 hour of operation Total annual costs [1’000 USD/year]
Environmental impacts [1’000 EI-99 points/year]
Incineration
26’400
(100%)
5’056
(100%)
Recovery with the classic method
6’430
(25%)
5’280
(104%)
Recovery with the novel method
2’860
(11%)
2’656
(53%) 44
Air pollution - Krakow
Case study: investigation of the air pollution data of an industrialized Polish city Aim of the study: ◦ Identification of the largest air pollution sources in the city.
Environmental evaluation method
◦ Eco-indicator 99 incl. environmental effects on Human health and Ecosystem Quality
Functional unit
◦ Environmental impacts of the annual airborne emissions of the investigated city
Mizsey, P., Delgado, L., Benko, T.: Comparison of environmental impact and external cost assessment methods, Int J Life Cycle Assessessment 2009 14:665–675.
45
Air pollution - Krakow
Data sources ◦ Annual emission data 11 pollutants 10 sources
◦ NILU Polska (Norwegian Institute for Air Research – Polish daughter company) Institut for Ecology of Industrial Areas
46
Air pollution - Krakow
47
Air pollution - Krakow
48
Air pollution – Krakow - Interpretation
Air pollutants causing the most environmental impacts in Krakow ◦ Particulate matters ◦ SOx ◦ NOx
Most environmental effects on: ◦ Human Health
Largest pollutant sources: ◦ District heating ◦ Road transport 49
Flue gas desulphurization
Burning of fossil fuels SO2 emission Different emission reduction techniques are available 1. Wet-limestone scrubbing (mostly applied) 2. Addition of dry-limestone to the combustion chamber 3. Regenerative SO2 removal applying CuO
Aim of the study ◦ Comparison and ranking of different SO2 emission reduction techniques based on their environmental performances 50
Flue gas desulphurization
Method for environmental evaluation ◦ Eco-indicator 99
Functional unit ◦ Environmental impacts due to the removal of 1 kg of S in form of SO2 from flue gas.
Data sources ◦ Input/output model development for the three options
51
Damage to Human health
Ecosystem quality
Resources
0,5 0,45 0,4
EI-99 points /kgS
0,35 0,3 0,25 0,2
0,15 0,1 0,05 0
Dry limestone addition Wet limestone scrubbing
CuO method
52
Az LCA alkalmazási területei
Alternatívák összehasonlítása ◦ Helyettesítő terméke ◦ Feldolgozó, hulladékkezelő eljárások
Hot-spot analízis Környezettudatos menedzsment, - döntéshozás Starégiaépítés !! LCA panel
53
Köszönöm a figyelmet!
54
