LCA elektrotechnického výrobku Manuál pro posuzování životního cyklu výrobku
Příručka byla zpracována v rámci projektu E! 3517 FACTORY BESTPRODUCTTENEEST (Bestproduct Through a European Network on Environmental Engineering Sciences and Technologies)
Zpracoval: Ing. Jan Weinzettel, Ph.D., ČVUT FEL Doc. Ing. Ivan Kudláček, CSc., ČVUT FEL Ing. Pavel Rokos, ČVUT FEL
Odpovědní řešitelé: Ing. Kateřina Kreislová, Ph.D., SVÚOM s.r.o. Doc.Ing. Ivan Kudláček,CSc., ČVUT FEL
SVÚOM s.r.o., Praha Výzkum koroze a protikorozní ochrany Adresa: SVÚOM s.r.o. U Měšťanského pivovaru 934/4 170 00 Praha 7 Česká republika Tel.: +420 220 809 981, +420 235 355 851 – 3
[email protected]
Název: LCA elektrotechnického výrobku (Manuál pro posuzování životního cyklu výrobku) Nakladatel: SVUOM.Praha Zodpovědná osoba: Eva Kalabisová Místo vydání: Praha, Česká republika Vydáno společně s: ČVUT FEL Praha Měsíc a rok vydání: 12/2008 Pořadí: 1. vyd. Vazba: brož. Tisk: SVUOM.Praha
© SVÚOM, 2008 ISBN 978-80-903933-2-5
Obsah Úvod do metodiky LCA ............................................................................................................................ 1 1 Koncepce LCA ...................................................................................................................................... 1 1.1 Historie LCA .................................................................................................................................. 1 1.2 Životní cyklus výrobku ................................................................................................................... 2 1.3 Definice systému ........................................................................................................................... 3 2 Části metodiky LCA ............................................................................................................................. 4 2.1 Úrovně posuzování životního cyklu .............................................................................................. 4 2.2 Definice cílů a rozsahu .................................................................................................................. 6 2.3 Inventarizační analýza .................................................................................................................. 9 2.4 Hodnocení dopadů ...................................................................................................................... 16 3 LCA s použitím softwarového nástroje .............................................................................................. 24 Literatura................................................................................................................................................ 26
Úvod do metodiky LCA Negativní vlivy výrobků a procesů na životní prostředí nutí podniky k hledání metod, sloužících k odstranění nebo alespoň k zmírnění ekologických následků výroby nebo škod způsobených likvidací výrobků po ukončení doby technického života. Metody musí tedy zajistit komplexní vyhodnocení všech efektů, které předcházejí i následují po vlastním užívání výrobků a služeb. Koncept tedy sleduje celý životní cyklus výrobku, a tak jej někdy nazýván „Konceptem od kolébky do hrobu“. Jednou z nejznámějších a mezinárodně přijímaných metod ke zkoumání ekologického chování je tzv. „Hodnocení životního cyklu“ (Life Cycle Assessment - LCA), nebo též „Ekobalance“, případně REPA (Resource and Environment Profile Analysis). Hodnocení životního cyklu (LCA) se zabývá ekologickými dopady studovaného systému z hlediska kvality prostředí, lidského zdraví a využívání zdrojů. Koncepce LCA sleduje výrobek od vzniku až po jeho zneškodnění. Musí tedy zahrnovat těžbu, dopravu a vlastní zpracování surovin, z kterých je výrobek zhotoven. Dále vlastní výrobu, distribuci a servis. Životní cyklus je zakončen vhodným zneškodněním výrobku. LCA hodnotí dopady na lidské zdraví, vyčerpávání zdrojů, kvalitu prostředí a ale nezahrnuje ekonomické a sociální aspekty. Posuzování životního cyklu nám poskytuje komplexní obraz o výrobku, a to z pohledu zatížení životního prostředí výrobkem, procesem nebo činností. Jako měřítko se bere kvantifikace užité energie a materiálů i množství odpadu uvolněného do životního prostředí. Je třeba určit a zvážit možnosti, jimiž lze přispět ke zlepšení stavu. LCA poskytuje lepší pohled na některé techniky a myšlenkové postupy, které slouží k rozhodování a výběru variant procesu výroby. Zpočátku se studie o životním cyklu zaměřovaly na kvantifikaci energie, použitých materiálů i odpadu uvolňovaného do životního prostředí. S rostoucím plýtváním surovinami a energetickými zdroji se některé státy Evropy (Švýcarsko, Německo, Švédsko) začaly zabývat životním cyklem jako celkem. Začaly sledovat ekologickou zátěž během celého životního cyklu výrobku a snažily se hledat alternativy výroby a surovin, což položilo základ metodice LCA.
1 Koncepce LCA 1.1 Historie LCA První studie životního cyklu (nebo její části) se objevily na konci šedesátých a na počátku sedmdesátých let. Byly zaměřeny na sporné otázky kolem energetické účinnosti surovin, spotřebě surovin a likvidaci odpadu. V roce 1969 firma Coca-cola (Mr. E. Teastley) přišla s projektem, který se zabýval otázkou zda zvolit jako obalový materiál plast, nebo sklo. Bylo bráno v úvahu jak získávání materiálu, tak jeho likvidace (tedy od kolébky do hrobu). Studie, proti všemu očekávání jednoznačně odhalila jako nejlepší alternativu plast. Zpočátku se do popředí před odpad a výkon stavila spotřeba energie. Po skončení naftové krize priorita energie klesla a důležitost se přikládala všem fázím životního cyklu. Koncepce se začala standardizovat. Začátkem devadesátých let se LCA začala rozšiřovat z úzkého okruhu zájemců do všech průmyslových odvětví (zejména v Evropě a Severní Americe). V roce 1992 na summitu OSN byla metodologie pod vlivem narůstajícího zájmu označena za velmi slibný nový nástroj na ochranu prostředí. LCA v datech 1984 publikace EMPA (ekologické balící materiály) 1991 první práce SETAC 1992 (březen) první evropský návrh „Eco-štítků“ 1992 (červen) vytvoření SPOLD (výměna dat) 1993 Brusel, SETAC („Sbírka zásad“-směrnice) 1996 NF X30-300 (standardy ve Francii pro životní cyklus) 1997-2000 ISO 14040,41,42,43 (mezinárodní série standardů definující různé stupně metodologie LCA) 1999-2001 ISO 14020,25,48,49 (série standardů a dokumentací) 2006 ČSN EN ISO 14 040, ČSN EN ISO 14 044
1
LCA v současnosti Historie LCA je relativně krátká. Proto je metodika stále ve vývoji. Vývoj LCA brzdí mnoho skutečnosti, jako například: - složitost některých výrobních technologií a procesů, - vysoké náklady a dlouhá časová měřítka na realizaci metodiky, - některé závěry je třeba dělat již během zpracovávání studie a ne až v závěrečné zprávě - neexistuje zatím jednoznačná metodologie pro přesné a důsledné spojení inventarizačních údajů s určitými potencionálními dopady na životní prostředí. Z historických důvodů je nejvíce rozvinuta metodologie inventarizace označovaná někdy zkratkou 1 LCI .
Vývoj LCA v elektrotechnice Jednou z prvních studií životního cyklu byla analýza vlivů počítačového pracoviště mikroelektroniky a výpočetní techniky (MCC–1993). Další studie se již zabývaly výrobou nebo jejími částmi. Jako příklad lze uvést studii Molndal 1995, která se zabývala srovnáním pájek a vodivých lepidel u technologie povrchové montáže. Většina projektů byla a dosud je pouze pro vnitřní účely firmy. Některé studie jsou zaměřovány na metodologii LCA elementárních elektronických součástí. V posledních letech se metodologie prosazuje především v telekomunikační technice. 1993 1994/95 1997/98 1998 1998 2000 2000 2000
LCA počítačového pracoviště Srovnávací studie pájky a vodivého lepidla v technologii povrchové montáže Semicroelectronics: LCA elektrotechnických součástek Atlantic Consulting LCA zpráva pro EU o osobních počítačích Nokia: Studie životního cyklu mobilního telefonu Ericsson: Studie LCA systémů 3 generace. Motorola / Fraunhofer IZM: Studie zpracování křemíku Lucent: Soupis nástrojů pro zpracování polovodičů
1.2 Životní cyklus výrobku Pojem „životní cyklus výrobku“ názorně vyjadřuje Obrázek 1. Toto zjednodušené schéma znázorňuje jednotlivé stupně životního cyklu. Základem je získávání suroviny (například pro plastové produkty by to znamenalo těžbu nafty). Po získávání surovin následuje výrobní stupeň, kde jsou suroviny zpracovány do základních materiálů pro výrobu (nafta je zpracována na polymer, který je pak dále možné zpracovat na plasty). Tyto materiály se nyní mohou podílet na vlastní výrobě konečného produktu. Následuje distribuce, prodej a užívání výrobku. Na konci životnosti je třeba výrobek ekologickým způsobem zlikvidovat. Ekologicky nejšetrnějším řešením je recyklace výrobku (výrobek nebo jeho části můžeme znovu použít pro výrobu nového produktu). Části výrobku, které se nepodaří recyklovat, tvoří odpad. Je třeba si uvědomit, že jednotlivé části životního cyklu jsou spojeny dopravou, kterou je třeba rovněž zahrnout do životního cyklu. Jednotlivé části schématu spolu s dopravou nutnou pro přepravu produktů a materiálů vyžadují rovněž suroviny a energii a produkují odpad a emise.
1
anglický název Life Cycle Inventory
2
Obrázek 1 - Znázornění životního cyklu 1.3 Definice systému Životní cyklus, tedy existence výrobku, lze popsat jako systém, který se svým okolím komunikuje pomocí vstupů a výstupů (Obrázek 2). Jedná se o souhrn operací na výrobku spojených s materiálovými a energetickými toky. Rozsah oboru vstupů a výstupů se stanoví na základě definice cílů a rozsahu studií.
Okolí systému Těžba surovin
Výroba produktu
Transport a distribuce
Vstupy
Výstupy Užití a údržba
Recyklace
Odpadové hospodářství Hranice systému Obrázek 2 - Schéma systému Vstupy zahrnují: - energie, - suroviny (primární, regenerovaný i recyklovaný základní materiál, který se používá ve výrobním procesu), - materiály, potřebné pro zajištění jednotlivých etap životního cyklu, - pomocné materiály (materiály, které se používají v systému výroby určitého výrobku, neslouží však přímo k jeho vytvoření).
3
Výstupy zahrnují: - vlastní výrobek (výrobek včetně primárního balení), - vedlejší produkty (produkt, který vzniká vedle hlavního výrobku a který může být dále komerčně využit), - znečištění (vody, ovzduší, zeminy, ostatní znečištění), - odpad z výroby (veškerý materiál bez obchodovatelné hodnoty, který se vypouští do životního prostředí prostřednictvím vzduchu, vody i půdy a nemá již prospěšné použití), - energetické emise (teplo, světlo, hluk, vibrace a záření). Hranice systému Okolím systému rozumíme prostředí mimo systém, které komunikuje se systémem prostřednictvím vstupů a výstupů. Okolí je od systému odděleno hranicí systému a lze si ho představit jako reálný svět, který do systému dodává energii a suroviny. Systém na druhou stranu dodává do reálného světa (okolí systému) škodliviny a exhalace, které je třeba eliminovat. Definice hranic systému je zcela subjektivní operace.
2 Části metodiky LCA 2.1 Úrovně posuzování životního cyklu Metodika LCA byla původně vyvinuta jako podpůrný nástroj k rozhodování mezi jednotlivými produkty. Během vývoje LCA se objevilo mnoho dalších možných aplikací, např.: - použití pro vnitřní potřebu podniku ve vývoji a zlepšování výrobku, - pro vnitřní plánování podniku, - pro externí prezentaci výrobku (marketingové účely), - jako podklady pro ekologickou politiku. Seznam není vyčerpávající, ale je zde ukázáno široké pole možných aplikací LCA. Tato rozmanitost se také projeví v úrovni a rozsahu studie. Podle typu studie a investora je třeba správně volit rozsah a způsob prezentace (případně komunikace s jinými studiemi LCA). Například ve srovnávací studii je třeba zvolit vhodnou funkční jednotku, hranice systému a kvalitu dat, tak aby bylo možné na základě výsledků rozhodnou, který výrobek je lepší a který nevyhovující. Použití LCA pro rozhodování mezi různými systémy je často spojené se spory o síle takových odhadů. Tyto spory jsou užitečné a vedou k rozvoji metodologie LCA. Obecně by se dal rozsah studie LCA rozdělit do tří úrovní: - pojmové LCA, - zjednodušené LCA, - detailní LCA. Většina úsilí ve vývoji a standardizaci LCA směřuje na detailní LCA. Nejdříve je uvedena pojmová a zjednodušená LCA. Přitom je třeba poznamenat, že není možné dělat přílišné rozdíly mezi pojmovým a zjednodušeným LCA, nebo mezi zjednodušeným a detailním LCA. Jedná se pouze o tři úrovně zaostření na danou problematiku. Bez ohledu na volbu rozsahu studie by LCA mělo zahrnovat celý životní cyklus výrobku. Uplatnění jednotlivých úrovní LCA podává Tabulka 1.
Tabulka 1 - Příklady doporučených rozsahů studií LCA Aplikace Vývoj výrobku Návrh pro dané prostředí Zlepšení produktu Marketing Strategické územní plánování Zbrojní průmysl
Pojmové LCA x x
x x
4
Zjednodušené LCA x x x x x x
Detailní LCA x
x
Pojmové LCA Pojmové LCA je nejjednodušší úrovní LCA. V této úrovni popisu životního cyklu se pracuje většinou jen s omezeným množstvím dat. Pojmové LCA často odpovídá na otázky typu: „Je zde úsilí o ekologickou marketingovou strategii“, „Je produkt významně odlišný od výrobků, které si konkurují“ nebo „Má zvolený produkt jasné výhody nebo naopak nedostatky ve zvolených sporných otázkách“. Na tyto otázky není třeba dělat vysoce kvalitní analýzu, která by byla zdlouhavá a tudíž drahá. Spíše se hledají přímé odpovědi. Omezení a zjednodušení zkoumaného systému se může dělat například, vynecháme-li jeden nebo více ovlivňujících faktorů, o kterých víme, že je stejně nedokážeme nebo je nemůžeme nahradit (vylepšit). Další možností je redukovat počet zkoumaných parametrů například vynecháním spotřeby energie v životním cyklu, ale ne související emise a jejich příspěvek k dalším jevům. Jako výsledek pojmové analýzy může být materiál nebo součást, která se nejvíce podílí na zkoumaných negativních dopadech. Pojmová LCA není vhodná pro marketingové účely nebo další veřejné šíření výsledků.
Zjednodušené LCA Cílem zjednodušené studie LCA je poskytnout v podstatě stejný výsledek jako u detailní LCA, ale s významnou úsporou času a financí. Zjednodušení představuje dilema. Je třeba rozpoznat oblasti uvnitř LCA, které lze zjednodušit nebo vynechat, aniž by byl výsledek významně ovlivněn. Zjednodušené LCA se skládá ze tří stupňů: - promítnutí (Screening) - rozpoznání důležitých částí systému (životního cyklu), - zjednodušení (Simplifying) - soustředění další práce na důležitých částech systému, - ocenění spolehlivosti (Assessing reliability) - kontrola zda zjednodušení se příliš neprojeví na zkreslení výsledku. Promítnutí LCA může pomoci poznat části (nebo stupně životního cyklu) produktu, které mohou být vynechány. Jako příklad použití promítnutí LCA je označení rizikových fází životního cyklu výrobku. Další využití promítnutí LCA může být sledování procesů, kde se vyskytují určité emise. Zjednodušené LCA může být veřejně publikováno, pokud se podnik vyhne nesprávnému výkladu výsledků a pokud uživatel bude upozorněn, že se jedná o zjednodušené LCA. Metodika detailního LCA je definovaná v normách ČSN EN ISO 14 040 a ČSN EN ISO 14 044. Tento postup se snaží co nejpřesněji stanovit vliv produktu na životní prostředí a předejít přesouvání environmentální zátěže mezi jednotlivými fázemi životního cyklu výrobku. Postup zpracování studie je rozdělen do čtyř fází: -
Definice cílů a rozsahu. Inventarizační analýza. Hodnocení vlivů. Interpretace životního cyklu.
Jednotlivé fáze na sebe časově navazují, ale zároveň mezi nimi dochází k výměně a kontrole informací. Studie tak má iterativní charakter, nelze-li zajistit konzistenci právě zpracované fáze s nějakou z předchozích fází, dojde k přepracování této předchozí fáze a všech fází na ni navazujících. Tato situace je výstižně zobrazena na Obrázku 3. Studie detailní LCA má za cíl sledovat rozsah a velikost vlivů životního cyklu výrobku na životní prostředí. Na základě takovéto studie je pak možno preferovat výrobky s prokazatelně nižším negativním vlivem. Studie vede k identifikaci ekologicky náročných částí výroby a snaží se hledat řešení.
5
Obrázek 3 - Postup zpracování studie LCA jednotlivé fáze a jejich vzájemný vztah
2.2 Definice cílů a rozsahu Základem studie LCA je definice cílů, rozsahu, funkční jednotky a předpokládaného využití výsledků. V této úvodní části by měly být nalezeny potřebné informace pro inventarizační analýzu a návrh zlepšení. Definice cílů Definice cílů je nedílnou součástí technické koncepce LCA. Zadání studie musí jednoznačně obsahovat: - důvody vypracování studie, - využití závěrů studie a navazující rozhodnutí, - specifikace a rozsah požadovaných informací s uvedením pro jaký účel budou použity, - okruh uživatelů, kterým je studie určena (Zda výsledky studie budou použity interně pro zlepšení ekologického chování firmy nebo externě pro předání jiným organizacím. Je-li studie určena pro interní potřebu podniku, získané informace jsou věrohodnější a přesnější. Mají-li být výsledky využity externě, je přesnost těchto údajů nižší.).
Příklady cílů posuzování životního cyklu: - srovnání dvou nebo více produktů plnících stejnou funkci s cílem použít informace v marketingu nebo v uplatnění výrobků, - rozpoznat možnosti zlepšení v dalším vývoji existujících produktů nebo v inovaci nových produktů.
Rozsah studie Studie LCA by měla zahrnovat celý životní cyklus výrobku. S tím souvisí veliký objem dat. Některé metody analýzy se zjednodušují a zaměřují jen na část životního cyklu (např. likvidace výrobku). Další možností zjednodušení studie může být zaměření na jeden parametr cyklu výrobku (např. únik škodlivých látek do ovzduší). Takovéto postupy zjednodušení datového souboru se však neslučují s plnohodnotnou koncepcí LCA. Z výše uvedených důvodů je nutné zvolit vhodnou hloubku analýzy. Se zvětšováním rozsahu studie (s rozšiřováním hranic systému) roste riziko, že systém bude příliš složitý. Analýza pak může být finančně a časově náročná. Na druhou stranu při moc úzkém zaměření studie se dá očekávat, že nalezené řešení nebude optimální. Rozsah studie se stanovuje na základě definice cílů. Při tom je ale třeba brát i ohled na časové a ekonomické možnosti řešitele. Základem je definice systému, jeho hranic i okolí. Následuje definice dat a jejich klíčových identifikátorů. Kvalita a rozsah dat závisí na cíli studie. Další úpravy rozsahu studie se budou řídit podle klíčových problémů (např. nejdůležitější procesy, odpovídající typy dopadů a nejvhodnější návrhy na zlepšení).
6
Definice funkční jednotky Srovnávání dvou a více systémů nebo jednotlivých variant částí systémů je třeba dělat na základě stejné funkce. V prvních krocích práce na LCA je tedy třeba definovat funkční jednotku, která nastaví stupnici, pomocí které lze posuzovat rovnocennost mezi systémy. Funkční jednotka vychází z hlavní funkce systému (resp. výrobku) a představuje bázi, k níž se budou vztahovat všechny výsledky. Jinými slovy, jeden z hlavních účelů funkční jednotky je poskytnutí informací, která vstupní a výstupní data jsou normou pro posuzování. Funkční jednotka musí být jasně měřitelná a ohraničená. Výběr funkční jednotky není vždy přímý a může mít hluboký dopad na výsledky studia. Například systémy A a B vykonávají funkce x a y, které představují vybranou funkční jednotku, ale systém A navíc vykonává funkci z, která není zastoupena ve funkční jednotce. Aby vypovídající schopnost byla zachována, lze zvolit alternativu, kdy k hranici systému B přidáme funkci z. Při definování funkční jednotky je nejprve třeba přehledně popsat životní cyklus výrobku. Popis se provádí pomocí diagramů. Nejprve realizujeme přehledový (celkový) diagram, který slouží k základní orientaci v životním cyklu. Následným dělením celkového diagramu na dílčí diagramy se snažíme rozepsat životní cyklus na úroveň jednotlivých technologických operací. Po vytvoření dílčích diagramů následuje rozdělení životního cyklu na subsystémy. Následuje sběr dat pro vstupy a výstupy subsystémů. Pro posuzování životního cyklu jako celku je třeba vstupní a výstupní data sumarizovat a z takto získaných dat vytvořit celkový systém. Znalost vlivů a vazeb mezi subsystémy životního cyklu pak usnadní analýzu systému. Jednotlivé subsystémy jsou prostřednictvím vazeb na sobě závislé, proto změna chování jednoho subsystému nutně ovlivní chování druhého (Obrázek 4).
Celkový vývojový diagram životního cyklu Rozčlenění celkového vývojového diagramu na dílčí diagramy Rozdělení životního cyklu na subsystémy, sběr dat (vstupy a výstupy jednotlivých subsystémů) Definování celkového systému (sumarizace vstupů a výstupů subsystémů) Obrázek 4 - Základní schéma tvorby funkční jednotky
Celkový diagram slouží k ucelenému pohledu na životní cyklus. Pro vlastní analýzu je však nevhodný, protože není dostatečně podrobný. Z tohoto důvodu je třeba celkový diagram rozdělit na jednotlivé bloky (dílčí vývojové diagramy), které již mají omezenější rozsah. Menší rozsah umožňuje po převedení na subsystémy přehlednější a přesnější definování vstupů a výstupů subsystémů. Jednotlivé dílčí diagramy je možné podle rozsahu dále dělit až na úroveň jednotlivých technologických operací.
7
Dělení musí být tak koncipované tak, aby při návrhu zlepšení výrobku v závěru analýzy bylo možné jednotlivé části životního cyklu zaměňovat za alternativní řešení. Následná opravná analýza se pak podstatně zjednoduší. Hloubka dělení vývojového diagramu je definována v definici cílů a rozsahu. Tvorba dílčích diagramů je znázorněna v Tabulce 2.
Tabulka 2 - Příklad rozčlenění celkového vývojového diagramu na dílčí diagramy Číslo diag. 1
Dílčí diagramy
Technologické operace
Diagram 1
Technologická operace 1 Technologická operace 2 Technologická operace 3 Technologická operace 4
2
Diagram 2
3
Diagram 3 (závěrečný diagram)
Technologická operace 5
Diagram 1 Technologická operace 1
Technologická operace 2 Diagram 2 Technologická operace 3
Celkový diagram
Technologická operace 4 Diagram 3 Technologická operace 5 Obrázek 5 - Grafické znázornění rozčlenění celkového vývojového diagramu na dílčí diagramy
Jednotlivé části životního cyklu můžeme tedy popsat jako řadu na sebe navazujících subsystémů. Výstupy jednoho subsystému působí jako vstupy do následujícího subsystému. Počet subsystému je dán velikostí systému, dostupností údajů a rozsahem studie. Tato představa značně usnadňuje pohled na materiálové a energetické toky provázející celý cyklus výrobku. Jednotlivé propojení subsystémů, jejich vzájemné vazby popisují dílčí diagramy procesu. Rozdělení životního cyklu na subsystémy lze kvalifikovat jako přiřazení vstupů a výstupů k jednotlivým dílčím diagramům. Zpětně celkový systém získáme sumarizací vstupů a výstupů jednotlivých subsystémů. Hodnocení se provádí nejprve pro jednotlivé subsystémy a následnou sumací dopadů subsystémů se získá ekologický dopad celkového systému. K hodnocení dopadů se používjí ekologické indikátory. Zcela zvláštní kategorií je hodnocení závěrečného subsystému (zpravidla likvidace). Výstupem tohoto subsystému je kompletní použitý výrobek, tedy jakýsi výsledek předešlých subsystémů.
8
Výrobkový systém, jehož hranice jsou vymezeny, je nutné pro další zpracování rozložit na jednotkové procesy. Jednotkový proces je podle normy ČSN ISO 14 040 definován jako nejmenší část výrobkového systému, pro kterou jsou sbírány údaje během inventarizační analýzy.
Obrázek 6 - Jednotkový proces životního cyklu produktu Pro jednotkové procesy je nutné stanovit jejich vstupy a výstupy z hlediska materiálů, energií a emisí. Tím dojde ke shromáždění množství dat z životního cyklu produktu. Musí být určeno, zda jsou data v souladu s požadavky na kvalitu a rozsah studie LCA. Nashromážděná data mají být vztažena k referenční jednotce jednotkového procesu (například jednotka množství materiálu nebo energie) a dále přiřazena k funkční jednotce zkoumaného výrobkového systému. Tím dojde k určení skutečných materiálových a energetických vstupů a výstupů životního cyklu produktu připadajících na funkční jednotku. Tam, kde dochází k výrobě více produktů nebo k recyklaci různých materiálů a produktů uvnitř výrobní organizace, se mohou při zpracovávání inventarizační analýzy objevit problémy s přiřazením vstupů a výstupů jednotkových procesů k jednotlivým produktům. Pro takové případy stanovuje norma ISO 14 044 zásady alokace toků a úniků. Všude, kde je to možné, má být alokace založena na fyzikálních principech. Tam, kde jich nelze využít, je možné určit vlastní hledisko například cenu produktů (alokace na ekonomickém základě). To znamená, že environmentální zátěž procesu, kde se najednou zpracovává více produktů, se rozdělí mezi produkty úměrně jejich ceně.
2.3 Inventarizační analýza Inventarizační analýza je stěžejní část metodiky LCA. Zabývá se sběrem a úpravou dat. Začíná se u těžby surovin, pokračuje se přes výrobu produktu, distribuci, servis a končí ve fázi, kdy se produkt stává odpadem. Po celou dobu životního cyklu inventarizační analýza sbírá data ve formě vstupů a výstupů. Základní fáze inventarizační analýzy: - rozpoznání a znázornění materiálových a energetických toků působících ve studovaném systému, - rozdělení systému na subsystémy, - analýza subsystémů, - určení vstupů a výstupů systému, - alokace dat mezi hlavní a vedlejší produkty (u sloučených výrobních procesů).
2.3.1 Data potřebná pro inventarizační analýzu Nedílnou činností v inventarizační analýze je sbírání a zpracovávání dat. Úroveň a množství dat by měla být taková, aby vyhovovala cílům studie LCA.
9
Získávání dat: - přímým měřením na místě, - informační bulletiny a deníky, - knihy, zprávy, rokování, atd., - pohovory s pracovníky, - literární rešerší, hledání v databázích a na internetu, - výpočty, - kvalifikované odhady, - databáze, - LCA software, 2 - pomoci IOA analýzy, Slučitelnost dat Inventarizační analýza v sobě zahrnuje množství dat rozličného charakteru a měřítek. Proto je snaha vstupní a výstupní data znormalizovat, tedy zavést mezi nimi takovou jednotku (funkční jednotku), která by byla použitelná pro analýzu. Jako výsledek by měly mít všechny vstupy a výstupy ze systému odkaz na tuto funkční jednotku. Kvalita dat Data jsou často neúplná nebo nepřesná velkou měrou kvůli nedostupnosti kvalitních zdrojů. Svou roli zde hraje interní politika firem a snaha o zachování výrobního tajemství. Někdy jsou data dostupná, ale jsou v takovém tvaru, že jejich použití je nesnadné a zatížené velkou chybou (například údaje o emisích v ovzduší nebo ve vodě jsou udávané úhrnně a zastoupení konkrétního životního cyklu se ztrácí). Navíc data v průběhu studie stárnou. Z výše uvedených důvodů je nutné průběžné ověřovat platnost dat, s cílem zlepšit celkovou kvalitu dat.
2.3.2 Data z elektrotechnické výroby Pro elektrotechnický průmysl je příznačný rychlý inovační cyklus. Tento trend potvrzuje například Moorův zákon (Gordon Moore 1965), který říká, že počet tranzistorů v integrovaném obvodu se každých 18 měsíců přibližně zdvojnásobí (Obrázek 7). Rrychlý rozvoj je třeba zohlednit, protože vzhledem k poměrně dlouhému trvání analýzy by její výsledky již nemusely být aktuální. Je tedy třeba používat co nejnovější dostupná data, která je nutné během analýzy aktualizovat. Dalším úskalím dat v elektrotechnice je jejich rozsah. S nárůstem množství dat se studie komplikuje, prodlužuje a rostou její náklady. Studie přestává být pružná.
Počet tranzistorů v IO
8,5mil
5,5mil
4500
29000
90000
22800
1975
1978
1982
1985
1,2 mil
1989
3,7 mil
1993
Obrázek 7 - Moorův zákon 2
Input Output Analysis
10
1995
1999
Čas
Jako ukázku rozsahu dat potřebných ke studii v návaznosti na životní cyklus mobilního telefon, lze uvést materiálové složení integrovaného obvodu - viz Tabulka 3.
Tabulka 3 - Složení čipu PLCC Váha materiálu (mg)
Název materiálu
Přívody
739
Cu-slitina
Pouzdro
1520
Epoxidová pryskyřice
Čip
21
Křemík
Přikládací epoxid
6,4
Lepidlo
Spoje
1,6
Zlato
Pájka
12
Cín/Olovo
Název části
Materiálová analýza (složky) Cu Fe P SiO2 Epoxid Sb2O3 Br Si Al Ag Epoxidová pryskyřice Au Sn Pb
Procentuální zastoupení složek (%) 97,5 2,4 0,1 70 27 2 1 99,4 0,6 75 25 99,99 85 15
Tento integrovaný obvod je jen jedna z mnoha částí přístroje. S ostatními částmi materiálová skladba narůstá a s nimi narůstají i požadavky na data spojená se získáváním surovin, dopravou, zpracováním a likvidací. Z ekonomických a místních důvodů (naleziště nerostných surovin, cena pracovní síly, technologie,…) se často jednotlivé části elektrotechnického výrobku vyrábí v různých zemích světa. To komplikuje inventarizační analýzu při zahrnování vlivu dopravy na životní cyklus. Z důvodu rozvětvené globální sítě dodavatelů se zhoršuje přístupnost i kvalita dat.
Tabulka 4 - Příklad putování polovodičové součástky během její výroby Proces Příprava Si desky Zpracování Si desky Výroba IO Test Distribuce
Místní umístění Oregon Kalifornie Taiwan California Německo
Potřebný transport (km) 1000 11000 11000 13000 +X (k zákazníkovi)
Charakteristickým rysem elektrotechnického výrobku je různorodost použitých materiálů (kovy, plasty, izolanty, polovodiče) a rozličné technologie použité při jeho výrobě. Vedle toho jsou na moderní elektrotechnický výrobek kladeny zcela specifické požadavky. Je to jednak spolehlivost v nejnáročnějších provozních podmínkách, nízká energetická náročnost provozu elektrotechnických zařízení a jednak recyklovatelnost použitých materiálů po skončené době života elektrotechnického výrobku. V elektrotechnické výrobě se ve značné míře používají různé chemické sloučeniny. Oproti ostatním odvětvím mají jedinečnou úroveň čistoty. Požadavky na čistotu látek v elektrotechnické výrobě stále narůstají (Obrázek 8).
11
Max. kontaminace 100 ppb
VLSI
10 ppb
ULSI
1 ppb
SLSI
100 ppt
XLSI
1980
1985
1990
1995
2000
čas
Obrázek 8 - Nárůst úrovně čistoty v elektrotechnice (VLSI: very large scale integration, ULSI: ultra large scale integration, SLSI: super large scale integration, XLSI: extra large scale integration)
Kvůli specifickým výrobním a čistícím procesům v elektrotechnické výrobě lze běžně dostupná data z chemického průmyslu použít jen s určitým omezením. Nedostatek dat v elektrotechnice brání rychlé a spolehlivé analýze LCA. Detailní LCA se z důvodu nedostatku dat stává obtížná, zdlouhavá a tudíž i drahá. Rozsáhlou studii je vhodné aplikovat proto jen pro výrobky vyráběné ve velkých sériích nebo pro výrobky, u kterých životní cyklus způsobuje pro životní prostředí velkou zátěž. Pro malé série je řešením zjednodušené nebo pojmové LCA.
2.3.3 Využití dat z IOA pro LCA Jak již bylo uvedeno inventarizační analýza je velice náročná na vstupní data. Ta nejsou v mnoha případech dostupná. Studie LCA je obvykle zpracovávána pro určitý produkt nebo službu. V tomto případě není problém s dostupností dat z procesů, které probíhají v rámci dané organizace, ale většina vstupů je dodávána jinými firmami, kde nemusí být sběr dat umožněn. V takovéto situaci je možné použít informace o procesech z komerčních databází. Ani ty ale nemusí požadovaný proces obsahovat. Proto byla vyvinuta další možnost, která je dnes často používána. Jedná se o Input Output 3 analýzu . Možnost použití IOA zvýšila skutečnost, že jsou v současnosti publikovány Input Output Tables (IOT) jednotlivých států a to včetně emisí do vzduchu. Základní myšlenkou celého přístupu je fakt, že ekonomický subjekt existuje díky tomu, že mu jiný ekonomický subjekt nebo přímo spotřebitel platí za jeho výstupy. Těmi mohou být výrobky i služby, mohou mít hmotnou i nehmotnou podstatu. Ekonomický subjekt na svém vstupu spotřebovává energie a materiály, za které rovněž platí penězi. U všech finančních toků se sleduje z kterého a do kterého ekonomického sektoru proudí. Při aplikaci IOL v LCA se nejdříve se sestaví matice užití (Use table) a matice výroby (Supply table). Tyto dvě matice tvoří základ Input output analýzy. Jejich schématické zobrazení je na Obrázku 9 a Obrázku 10. Obě matice jsou obvykle v monetárních jednotkách.
3
Základem koncepce IOA jsou práce W. Leontiefa, který za ně obdržel Nobelovu ceny.
12
Ekonomický sektor Produkt
Ekonomický sektor 1
Ekonomický sektor 2
Ekonomický sektor n
Konečná spotřeba
Celková spotřeba
y1
t1
y2
t2
…
y…
t…
Produkt n
yn
tn
…
Produkt 1 Produkt 2 U matice
Obrázek 9 - Schématické zobrazení matice užití
Ekonomický sektor Produkt
Ekonomický sektor 1
Ekonomický sektor 2
…
Ekonomický sektor n
Celková domácí výroba ∑řádku = q1
Produkt 1
∑řádku = q2
Produkt 2 M matice …
∑řádku = q…
Produkt n
∑řádku = qn
Celkové produkce ES
∑ sloupce = g1 ∑ sloupce = g2 ∑ sloupce = g.. ∑ sloupce = gn Obrázek 10 - Schématické zobrazení matice výroby
Řádky obou matic tvoří kategorie výrobků. Ke každé kategorii přísluší jeden charakteristický ekonomický sektor. Daný produkt ale může vznikat i v dalších ekonomických sektorech. Sloupce obou matic tvoří ekonomické sektory. V matici užití je vyjádřeno, jak je který produkt spotřebováván v každém ze sektorů. V matici výroby je vyjádřeno, kolik se vyrobilo daného produktu v jednotlivých sektorech. Pro další výpočty jsou definovány součtové vektory t, q a g. Vektor t vyjadřuje celkovou spotřebu výrobků mezispotřebou i konečnou spotřebou. Vektor q představuje celkovou domácí výrobu produktů, které jsou spotřebovány na výrobu jiných produktů, meziproduktů a na konečnou spotřebu. Pokud by neexistovaly dovozy, pak by se vektory t a q sobě rovnaly. Vektor g vyjadřuje celkové produkce jednotlivých ekonomických sektorů. Všechny hodnoty jsou uvedeny v monetárních jednotkách. Vhodnými algebraickými operacemi lze z matic užití a výroby vypočítat matici „technologických koeficientů“ A, (Obrázek 11). Pro výpočet matice A je nutné nejprve určit: - její požadovanou podobu - hypotézu ohledně technologie výroby Matici technologických koeficientů A můžeme vyjádřit ve formě „produkt na produkt“ nebo „sektor na 4 sektor“ („industry na industry“) . Matice „produkt na produkt“ ukazuje, kolik produktů se spotřebuje na výrobu jiných produktů a kolik je dodáno na konečnou spotřebu. Matice typu „sektor na sektor“ ukazuje, jak velká produkce je vyvolána konečnou spotřebou v jednotlivých sektorech. Celá matice je normovaná – koeficienty jsou vztaženy
4
Možné jsou i další kombinace, tedy „produkt na sektor“ a „sektor na produkt“, ale ty nejsou běžně používané.
13
k jednotkovému celkovému výstupu produktů (respektive sektorů) v monetárních jednotkách, tedy 5 k jedné koruně celkové produkce výrobku nebo sektoru. Dále je nutné přijmout jednu ze dvou hypotéz ohledně technologie výroby. Můžeme předpokládat, že: - každý produkt jednoho sektoru je vyroben stejnou technologií charakteristickou pro daný sektor (industry technology assumption), - každý výrobek je vyroben stejnou technologií bez ohledu na to, v jakém sektoru je vyráběn (product technology assumption). Oba uvedené předpoklady mají svá omezení a nejsou vždy pravdivé.
↓ Spotřebovává
Produkt
Konečná spotřeba
Celková spotřeba
Produkt 1
y1
1
Produkt 2
y2
1
Produkt …
y…
1
Produkt n
yn
1
Produkt 1
Produkt
Produkt 2
Produkt …
Produkt n
A matice → Dodává
Value Added Celková výroba
VA1
VA2
VA…
VAn
1
1
1
1
Obrázek 11 - Schématické znázornění matice A
Matici A lze vypočítat podle jednoduché algebraické rovnice, jejíž podoba je závislá na uvedených předpokladech a požadované podobě matice A. Vzorce pro výpočet matice A jsou přehledně podané v Tabulce 5. Matice A je technologickou maticí, která nám říká, jaké výrobky se přímo spotřebovaly na výrobu požadovaného výstupu (vektor konečné spotřeby) ekonomického systému. Prvky aij, vyjadřují, kolik produktu i bylo spotřebováno na výrobu jedné koruny výrobku j.
Pokud ale chceme spočítat celkovou výrobu produktů indukovanou v ekonomickém systému požadovaným výstupem, existují dvě možnosti, vedoucí ke stejnému výsledku: 2
3
n
a) sečíst nekonečnou řadu x = y + Ay + A y + A y + … + A y b) řešit rovnici x = Ax + y
5
Za výrobek (produkt) je považována i služba.
14
Tabulka 5 - Výpočet matice A podle různých předpokladů
Forma, předpoklad
Výpočet matice A
„Produkt na produkt“ industry technology assumption
A = U.(diag(g)) .M .(diag(t))
„Produkt na produkt“ product technology assumption
A = UM
-1
-1
-1
„sektor na sektor“ industry technology assumption
T
-1
A = M .(diag(t)) .U.(diag(t))
„sektor na sektor“ product technology assumption kde
T
A = MU
-1
-1
T
znamená transponovanou matici, diag diagonalizovaná matice příslušného vektoru
Výsledkem obou přístupů je řešení ve formě: -1
x = (I – A) y,
(1)
kde I - jednotková matice stejného řádu jako matice A, -1 (I – A) - Leontiefova inverzní matice, y - vektor konečné spotřeby, tedy celkového objemu výrobků v monetárních jednotkách, který opouští ekonomický systém ve formě zboží pro konečného spotřebitele x - celková indukovaná výroba produktů nutná na výrobu konečné spotřeby y a všech meziproduktů. Tímto způsobem je možné kvantifikovat nepřímé materiálové a energetické toky výrobků v monetárních jednotkách, tedy určit, jaké celkové nároky na energetické a materiálové toky byly vyvolány určitým produktem během jeho výroby v ekonomické sféře. V rovnici (1) stačí dosadit za vektor konečné spotřeby y jeho požadované složení. Pokud je dosazena celková konečná spotřeba, je výsledkem celková náročnost stávajícího ekonomického systému. Pokud použijeme diagonalizovanou matici vektoru y bude výsledkem celková produkce ve všech sektorech podle výrobků konečné spotřeby. Jestliže na místo vektoru y použijeme jednotkovou matici, bude výsledkem náročnost na všechny produkty na jednu korunu každého výrobku, tedy matice vhodná pro srovnání různých výrobků. Technologickou maticí A lze popsat i výrobkový systém. Řádky i sloupce jsou tvořeny jednotlivými procesy životního cyklu výrobku a prvky matice A představují jejich vstupy a výstupy. Pro každý proces je nutné v inventarizační analýze určit jeho elementární toky, emise do životního prostředí, spotřebu zdrojů a produkci odpadů atd.. Ty je možné shrnout ve formě matice vlivů F (např. Tabulka 6). Řádky této matice tvoří jednotlivé elementární toky, sloupce procesy. Prvky vyjadřují kolik daný proces vyžaduje elementárních toků. Matice A i F musí být normovány na jednotku výstupu procesů.
15
Tabulka 6 - Technologická matice A spolu s maticí emisí F
Proces
Dodává →
Emise
Těžba Výroba Užití … Emise CO2 (kg) Emise CH4 (kg) …
↓ Spotřebovává Výroba Užití (1 ks) (1 funkční jednotka) a12 a13 a22 a23 a32 a33 a...2 a...3
Těžba (1 t)
a11 a21 a31 a...1
…
a1… a2… a3… a......
f11
f12
f13
f1…
f21
f22
f23
f2…
f…1
f…2
f…3
f……
Matice A a F jsou přepisem inventarizační analýzy. Přepisem hodnocení dopadů je charakterizační matice C (Tabulka 7).
Tabulka 7 - Schématické znázornění charakterizační matice C
Dopad v kategorii 1 Dopad v kategorii 2 Dopad v kategorii …
Emise 1 c11 c21 c…1
Emise 2 c12 c22 c…1
Emise … c1… c1… c……
Charakterizační matice obsahuje koeficienty, podle kterých se přepočítají výsledky inventarizační analýzy na konkrétní dopady v jednotlivých kategoriích dopadů. Počet kategorií dopadů nemusí být shodný s počtem emisí, ale je nutné mít k dispozici charakterizační koeficienty pro všechny elementární toky matice F. Celkové působení životního cyklu výrobku na životní prostředí lze pak snadno zapsat ve formě vektoru e: e=F·x
(2)
Hodnocení dopadů lze rovněž vyjádřit ve formě vektoru d z maticové rovnice: d=C·e
(3)
kde C je charakterizační matice, která obsahuje koeficienty pro přepočet výsledků inventarizační analýzy na konkrétní dopady na životní prostředí v ekvivalentních jednotkách daných kategorií. V maticovém zápisu lze analogicky pokračovat i pro normalizaci a vážení výsledků.
2.4 Hodnocení dopadů Hodnocení dopadů (vlivů) vychází z údajů inventarizační analýzy. Klade si za cíl identifikovat a vyhodnotit důležitost vlivů zjištěných v inventarizační analýze. Hlavním cílem hodnocení dopadů je vytvoření vzájemné vazby mezi životním cyklem produktu a dopadu cyklu na životní prostředí. V této závěrečné fázi LCA se minimalizují dopady životního cyklu výrobku na životní prostředí. Je zde snaha hledat alternativní řešení výroby, která má vyprodukovat výrobek srovnatelných parametrů, avšak šetrnější vůči životnímu prostředí. Návrh zlepšení by měl vést ke snížení spotřeby energie, vyčerpávání zdrojů, snížení emisí znečištění a eliminování množství odpadu. Toho lze dosáhnout volbou ekologicky šetrnějších technologických postupů nebo volbou jiných materiálů, které by vedly ke
16
zlepšení stávajících vlastností výrobku. V případě srovnávání dvou a více výrobků dochází v této fázi LCA k porovnání výhod a nevýhod jednotlivých výrobků s následujícím rozhodnutím. Přístup k hodnocení dopadu, vycházející z ČSN EN ISO 14 044 je zobrazen na Obrázku 12.
Obrázek 12 - Postup při hodnocení dopadů 6
7
8
Nejprve je nutné vybrat kategorie dopadu , jejich indikátory a charakterizační model v závislosti na cílech a rozsahu studie LCA. Nejčastěji se používají následující kategorie dopadu, které lze rozdělit podle rozsahu působení: -
Globální o Skleníkový efekt o Narušování stratosférické ozónové vrstvy o Spotřeba surovin
6
Kategorie dopadu = třída reprezentující environmentální problémy, k nimž mohou být přiřazeny výsledky inventarizační analýzy 7 Indikátor kategorie (indikátor kategorie dopadu životního cyklu) = kvantifikovatelná veličina reprezentující kategorii dopadu 8 Charakterizační model = způsob přiřazení výsledků inventarizační analýzy životního cyklu k indikátorům jednotlivých kategorií dopadu
17
-
Regionální o Acidifikace a eutrofizace o Tvorba přízemního ozónu o Ekotoxicita o Smog
-
Lokální o o o o o o
Přímé toxické působení Land-use Radiace Kontaminace půdy Zápach Hluk.
Výsledky inventarizační analýzy se následně přiřadí k příslušným kategoriím dopadu podle charakteru působení na životním prostředí. Některé látky mohou být přiřazeny do více kategorií dopadu. Proces přiřazování výsledků inventarizační analýzy životního cyklu k jednotlivým kategoriím dopadu se nazývá klasifikace. Ke každé kategorii dopadu musí být určen její indikátor, na jehož ekvivalentní jednotky se přepočítají výsledky inventarizační analýzy přiřazené do dané kategorie. Například pro skleníkové plyny se jako ekvivalentní jednotka používá 1 kg oxidu uhličitého. Proces přepočítání výsledků inventarizační analýzy na ekvivalentní jednotky indikátorů kategorií se nazývá charakterizace. Předchozí prvky hodnocení dopadů jsou povinnou součástí studie LCA. Následující prvky jsou dobrovolné a slouží k zpřehlednění výsledků studie LCA. Jejich výběr záleží na cíli studie. Jedná se většinou o: - normalizaci – přepočítání výsledku indikátoru na referenční jednotku, - seskupování – třídění, řazení a sdružování kategorií dopadu do skupin v závislosti na 9 konečném bodu kategorie , nebo v závislosti na jiném hledisku (podle cíle studie), - vážení – při kterém jsou sdružovány výsledky indikátorů různých kategorií. Metody vážení a výsledky hodnocení dopadů před vážením však musí zůstat k dispozici, aby se předešlo zkreslení celkových výsledků, 10 - analýzu kvality údajů – provádí se pro snazší pochopení výsledků hodnocení dopadů. Poslední část studie LCA je zaměřena na hodnocení a kontrolu studie LCA z hlediska kompletnosti, citlivosti, konzistence a dalších. V této fázi je zpracována prezentace výsledků studie, zhodnocení její kvality, vysvětlení možných nejasností a hlavně zdůraznění významných problémů v životním cyklu produktu, tak aby byl podán jasný výsledek studie LCA, který je dále použitelný – například pro vývoj a zlepšení výrobku, marketing a další. Obecně při hodnocení dopadů se posuzuje, podle jakého mechanizmu působí látka na životní prostředí. Míru tohoto působení je možné přepočítat na ekvivalentní jednotku dané kategorie, nebo je možné sledovat působení až k určitému bodu, kde dojde ke konkrétnímu poškození konečného bodu kategorie, jak je znázorněno na Obrázku 13. Metodiky hodnocení dopadu se liší podle toho, zda se výsledek vztahují ke konečnému indikátoru (endpoint) nebo k látce, která má podobné vlivy (midpoint). S postupem hodnocení směrem ke konečnému bodu roste možnost výsledek konkrétně interpretovat, ale klesá přesnost výsledku (působení látek v životním prostředí není jasně kvantifikováno). Midpoint indikátorem může být například ekvivalentní hmotnost oxidu uhličitého pro globální oteplování, endpoint je například lidské zdraví pro hodnocení téže kategorie.
9
Konečný bod kategorie = základní vlastnost nebo aspekt přírodního prostředí, lidského zdraví nebo zdrojů, identifikující jejich environmentální problémy. 10 Analýza kvality údajů je pojem, který používá norma ISO 14 044. Ve skutečnosti se jedná o kvalitativní analýzu výsledků hodnocení dopadů.
18
Obrázek 13 - Působení látky v životním prostředí
2.4.1 Ekologické indikátory Hodnocení dopadu se provádí nejprve pro jednotlivé subsystémy a následnou sumací dopadů subsystémů se získá ekologický dopad celkového systému. K hodnocení dopadů používají ekologické indikátory. Základem je převedení příspěvků dílčích vlivů životního cyklu na společný základ - standard. K tomuto účelu je stanovena ekvivalentní jednotka (indikátor), kterou se hodnoty jednotlivých vlivů reprezentují. Prostřednictvím společného indikátoru pro všechny vlivy je možné provést srovnání a následné vyhodnocení. Při použití stejného indikátoru pro více analýz lze pak jednotlivé analýzy na základě tohoto indikátoru porovnávat. Indikátory zobrazují velikost škodlivých dopadů, ale nezohledňují negativní působení v dané lokalitě.
2.4.1.1 Indikátor TPI Indikátor TPI popisuje dopady materiálů a chemických látek na životní prostředí. Hodnota indikátoru TPI stoupá s negativními dopady zkoumané látky. Například zlato nebo křemík má hodnotu TPI = 0, což znamená, že nemají žádný negativní vliv na životní prostředí a lidské zdraví.
Tabulka 8 - Klasifikace indikátoru TPI Klasifikace indikátoru TPI Zdroj dat pro aplikaci indikátoru Rozsah studie Hodnoty indikátoru Předmět hodnocení Hodnocení
Systém a subsystémy Detailní LCA, pojmové LCA Vypočtené Materiály, chemické látky S narůstající hodnotou indikátoru narůstá ekologická zátěž
Pro výpočet indikátoru TPI je zapotřebí: -
vyhláška o nebezpečných látkách (R-hodnoty), evropské zákonodárství vydalo příkaz 67/548/EEC předepisující třídění, balení a značení nebezpečných látek, 3 nejvyšší přípustná koncentrace chemických látek v pracovním ovzduší (NPK-P) (mg/m ) (někdy se používá název MAK), klasifikace čistoty vody (WGK) – je charakterizována číselnou hodnotou v rozsahu od 0 (bez negativního dopadu) do 3 (pro látky s nejhorším dopadem).
19
K výpočtu indikátoru je možné použít freeware program TPI calculator.
Metodologie ProTox (výpočet indikátoru TPI)
vstupy
R-hodnoty MAK WGK
výstupy
Systém
Vstupní/výstupní data
Indikátor potenciálních toxických emisí
TPI
Zhodnocení toxicity, energie a odpadních vod
Obrázek 14 - Znázornění metody ProTox (výpočet indikátoru TPI)
Ohodnocení toxického potenciálu TPI se provádí jen pro rizikové chemické látky. Proto se nejdříve vstupní data roztřídí a vyberou se nebezpečné látky. Těm se pak přiřadí rizikovost podle stupnice 0 (neškodný) až 7 (velmi rizikový). Následuje agregace a zhodnocení materiálu.
Příklad kalkulace TPI pro rtuť (Hg): Vstupní hodnoty: 3 MAK= 0,08 mg/m (NPK-P) WGK 3 R23 (riziko při vdechnutí), R33 (nebezpečí při nahromadění) Krok 1: Ohodnocení na standardní stupnici od 0 (neškodný) do 7 (velmi rizikový) 4
NMAK = log (10 /(MAK)) = 5,1 Hodnotě WGK 3 odpovídá NWGK = 7 R23 v „překrývacím listě“ („Overlap list“) odpovídá NR MAK = 5 R33 ⇒ NR = 4 Krok 2: Nahromadění (agregace) Obecný tvar rovnice: Nprvek = Aggr (NR, max(NMAK, NR MAK), max (NWGK, NR WGK)) Ni
Kde: Aggr (N1…Nn) = ln ( ∑ e
-n+1)
Po dosazení do rovnic (5), (6) dostaneme tvar: Nr Nmak Nwgk 4 5,1 7 NHg = ln (e + e +e –3+1) = ln (e + e + e -2) = 7,18 Krok 3: Projekce do exponenciálního měřítka (od 0 do 100) SF (Scaling Factor) – faktor měřítka SF = 32,869 NHg
TPIHg = (e
7,18
– 1) / SF = (e
–1) / 32,869 = 39,91
20
(na 1 mg)
Ukázka hodnot TPI při výrobě Si desky pro elektrotechniku
Tabulka 8 - Hodnoty TPI pro výrobu jedné Si desky (o hmotnosti 7 gramů) Vstupní procesy (čištění) Chemické látky Hmotnost (g) H2SO4
212,5
H2O2
72,5
(NH4)2S2O8
0,8
Aceton
600
NH4F
50
HF
1,75
NH4OH 10 Celkové TPI na výrobu jedné Si desky
Klasifikace riskantních látek 3 R35, MAK 0.1 mg/m , WGK 1 3 R34, MAK 1.4 mg/m , WGK 1 R8, 22, 36/37/38, 42/43, WGK 1 R11, 36, 66, 67 MAK 3 1200 mg/m , WGK 1 R26/27/28, 35 MAK 1.5 3 mg/m , WGK 1 R26/27/28, 35 MAK 2.5 3 mg/m , WGK 1 R34, 50, WGK 2
TPI / mg
TPI k celkové hmotnosti
9,55
2 030 000
2,57
190 000
1,41
1 130
1,02
610 000
35,00
1 750 000
35,00
60 000
12,82
130 000 4 800 000
2.4.1.2 Eco-indikátor 95 (EI 95) Eco-indikátor 95 (99) je číslo, které signalizuje dopad materiálu nebo procesu na životní prostředí. Čím vyšší hodnota indikátoru, tím větší dopad. Eco-indikátor 95 (99) je univerzální nástroj pro posuzování vlivu jednotlivých částí životního cyklu na životní prostředí. Eco-indikátor 95 (99) je vhodný jak pro srovnávací studie, tak pro sledování ekologických dopadů jednoho výrobku.
Tabulka 9 - Klasifikace indikátoru EI Klasifikace Eco-indikátotu 95 Zdroj dat pro aplikaci Dílčí vývojové diagramy. indikátoru Rozsah studie Pojmové LCA Hodnoty indikátoru Tabelované Předmět hodnocení Materiály, doprava, procesy, likvidace, energie Hodnocení S narůstající hodnotou indikátoru narůstá ekologická zátěž
Hlavní přínos tohoto ekologického indikátoru je rozdělení životního cyklu výrobku do bloků, které lze libovolně obměňovat. Každý blok je reprezentován funkční jednotkou (číselnou hodnotou, jejíž jednotka je millipoints (mPt)) která vypovídá o vlivu bloku na životní prostředí. Hodnota Eco-indikátoru 95 (99) je předem vypočítána, její hodnoty jsou tabelovány. Díky tomuto přístupu se studie stává pružná a rychlá. Nevýhodou je nepřesnost způsobená tím, že hodnoty Eco-indikátoru nevychází z naměřených hodnot, ale pouze z předpokládaných dopadů. Eco-indikátor 95 (99) zahrnuje: -
vliv na člověka, skleníkový efekt, vliv na ozónovou vrstvu, okyselení, globální oteplování, vliv na rostliny a živočichy, toxické látky, těžké kovy, karcinogenní látky
21
Eco-indikátor 95 nezahrnuje: -
vyčerpávání surovin.
Tabelované hodnoty Eco-indikátoru 95 (99): -
materiály (zahrnují těžbu a následné zpracování mající za výsledek kompaktní materiál, budovy a stroje nejsou zahrnuty), technologické operace (jsou zahrnuty emise z procesu a spotřebovaná energie, není zde zahrnuto opotřebení strojů), dopravní procesy (zahrnují emise při těžbě a zpracování paliva, emise při spalování paliva), energie, likvidace odpadu (některé indikátory likvidace odpadu (recyklace) jsou záporná čísla, protože tvoří zisk pro životní prostředí).
Data popisující materiály, technologické operace, dopravní procesy a výrobu energie jsou získány z průměrných evropských hodnot. Zpracování odpadu a recyklační procesy jsou založené na holandských hodnotách kvůli nedostatku evropských dat. Není-li známa hodnota indikátoru Hodnoty indikátoru jsou tabelované. Může se ale stát, že požadovaná hodnota není dostupná. V tomto případě je možné: -
Zvážit zda chybějící údaj má významný příspěvek k celkovému dopadu životního cyklu na životní prostředí. Není-li významný, mlze ho zanedbat. Požadovanou hodnotu indikátoru je možné odhadnout pomocí rozsahu hodnot podobných materiálů. Pro tento účel lze využít služeb expertů, případně specializovaných programů.
2.4.1.3 Eco-indikátor 99 (EI 99) Eco-indikátor 99 je nástupce Eco-indikátoru 95. Je určován na základě aktuálnějších informací a navíc již zahrnuje vyčerpání surovin.
Tabulka 10 - Klasifikace indikátoru EI 99 Klasifikace Eco-indikátotu 99 Zdroj dat pro aplikaci indikátoru Rozsah studie Hodnoty indikátoru Předmět hodnocení Hodnocení
Dílčí vývojové diagramy. Pojmové LCA Tabelované Materiály, doprava, procesy, likvidace, energie S narůstající hodnotou indikátoru narůstá ekologická zátěž
2.1.4.4 „Damage factor“ Tabulka 11 - Klasifikace indikátoru „Damage factor“ Klasifikace „Damage factor“ Zdroj dat pro aplikaci indikátoru Rozsah studie Hodnoty indikátoru Předmět hodnocení Hodnocení
Systém a subsystémy Pojmové LCA, detailní LCA Výpočtem, Tabelované Chemické látky S narůstající hodnotou indikátoru narůstá ekologická zátěž
22
Hodnocení chemické látky je rozděleno podle tří pohledů: 1. The Egalitarian damage model (E) - hodnocení dopadu látky z dlouhodobého pohledu (1000 let). 2. The Individualist damage model (I) - hodnocení dopadu látky z krátkodobého pohledu. 3. Hierarchist damage model (H) - kompromis obou předchozích pohledů, lze brát jako standard. Jako standard lze použít model H, modely E, I se používají v podrobnějších analýzách. Dopad chemické látky je rozdělen do tří kategorií: 1. Lidské zdraví - Působení látky na člověka. Zahrnuje: Infekční onemocnění, dýchací onemocnění, onemocnění způsobené změnou klimatu, rakovinotvorné ionizující záření, rakovina způsobená ukládáním toxické látky v potravě, vzduchu a pitné vodě. Damage factor kritéria „Lidské zdraví“je vztažený na 1 kg. Jednotkou kritéria je DALY. Tento faktor je přejatý, původně byl vyvinut pro Mezinárodní zdravotnickou organizaci (WHO). Volba zdravotnické stupnice je výhodná, protože postihuje zdravotní problémy v závislosti na životních podmínkách.
2. Kvalita ekosystému - Toxicita látky pro pozemské a vodní organismy. Zahrnuje: Poškození ekosystému toxickými emisemi, efekt okyselení, zabrání půdy a zpracování rudy. Damage factor kritéria „Kvalita ekosystému“ je vztažený na 1 kg. Jednotkou kritéria je 2 PDF·m ·rok. Poškození ekosystému je reprezentováno relativním snížením počtu druhů živých organismů, oblastí a časem. V modelu jsou uvažovány nižší formy organismů (půdní a vodní mikro-organismy, rostliny, řasy, obojživelníci, ryby, atd.). Modelování účinku na vyšší organismy (ptáci, savci, plazy) je obtížnější z důvodu migrace a rozsáhlých potravních řetězců. Pro vyjádření jedovatosti se užívá PAF, který vyjadřuje účinek zkoumané látky na (většinou nižší) organismus.
3. Vyčerpávání zdrojů - Charakterizuje snižování nerostného bohatství. Zahrnuje vyčerpávání nerostů, vyčerpávání fosilních paliv. Koncentrace snadno dostupných zdrojů surovin se výrazně snižují. Z tohoto důvodu bude v budoucnu potřeba větší množství energie na jejich dobývání. Jeden Damage factor kritéria „Vyčerpávání zdrojů“ odpovídá jednomu dalšímu MJ energie (na 1 kg materiálu) potřebné k vytěžení suroviny (navýšené potřebné množství energie pro těžbu, zapříčiněné nižší koncentrací zdrojů). Působení látky na životní prostředí lze rozdělit do těchto kategorií: - Vzduch, - povrchové vody, - splaškové vody, - průmyslová půda, - zemědělská půda, - přirozená půda, - jídlo, - pitná voda.
23
Působení látky ve vzduchu, pitné vodě a jídle je zahrnuto v kategorii lidské zdraví, ostatní složky jsou zahrnuty v kategorii kvalita ekosystému.
2.1.4.5 Hodnocení na základě toxických vlastností LD50 (LC50) Kriteria hodnocení nebezpečných látek na základě toxikologických vlastností je dána nařízením vlády ČR č. 25/1999 Sb. Klasifikace vychází jak z akutních, tak z dlouhodobých účinků látky. Toxicita látek je vyjádřena pomocí poloviční latentní dávky DL50 (taková dávka toxické látky, která usmrtí právě 50% pokusných zvířat, kterým byla látka podána).
Tabulka 12 - Klasifikace indikátoru LD50 Klasifikace LD50 (LC50) Zdroj dat pro aplikaci indikátoru Rozsah studie Hodnoty indikátoru Předmět hodnocení
Systém a subsystémy Pojmové LCA, detailní LCA Tabelované Chemické látky
Klasifikovat stupeň toxicity zkoumané látky lze pomocí Tabulky 13.
Tabulka 13 - Klasifikace stupně toxicity zkoumané látky Vysoce toxická LD50 orálně, potkan LD50 dermálně, potkan nebo králík LC50 inhalačně, potkan (aerosoly nebo částice) potkan LC50 inhalačně, potkan (plyny nebo páry) potkan Toxická LD50 orálně, potkan LD50 dermálně, potkan nebo králík LC50 inhalačně, potkan (aerosoly a částice) LC50 inhalačně, potkan (plyny nebo páry) Zdraví škodlivá LD50 orálně, potkan LD50 dermálně, potkan nebo králík LC50 inhalačně, potkan (aerosoly a částice) LC50 inhalačně, potkan (plyny nebo páry)
< 25 mg/kg < 50 mg/kg < 0,25 g/l za 4 hod < 0,5 g/l za 4 hod 25 < LD50 < 200 mg/kg 50 < LD50 < 400 mg/kg 0,25 < LC50 < 1 mg/l za 4 h. 0,5 < LC50 < 2 mg/l za 4 h. 200 < LD50 < 2000 mg/kg 400 < LD50 < 2000 mg/kg 1 < LC50 < 5 mg/l za 4 hod. 2 < LC50 < 20 mg/l za 4 hod.
3 LCA s použitím softwarového nástroje Při praktickém zpracování studie LCA se vychází z požadavků uvedených norem. Aplikace všech těchto požadavků v praxi je však velice komplikovaná. Proto se důležitou podporou staly softwarové nástroje (např. GaBi, Bousted, SimaPro). S jejich pomocí se zpracování LCA studie výrazně usnadňuje. Softwarový nástroj zjednodušuje všechny fáze studie LCA. Nejprve si uživatel definuje prvky cíle a rozsahu studie podle předložené šablony. Při zpracování inventarizační analýzy má uživatel možnost zadávat vlastní procesy s jejich vstupy a výstupy nebo využít vestavěných knihoven procesů. 11 12 Výrobkový systém bývá rozdělen na „foreground“ a „background“ procesy. Foreground procesy jsou analyzovány více do detailů, případně jsou zpracovatelem zcela vytvořeny. Cílem je získat konkrétní údaje, zatímco background procesy jsou často přebírané z knihoven procesů a jejich data
11 12
Z anglického jazyka, zde ve významu „v popředí“. Z anglického jazyka, zde ve významu „v pozadí“.
24
jsou obecnějšího charakteru. Soulad procesů vybraných z knihoven s definovaným cílem a rozsahem je zjednodušen zvýrazněním shody u nabízených procesů. Nejdůležitější částí komerčních softwarových nástrojů je hodnocení dopadů. Uživatel má možnost výběru z několika dostupných metod hodnocení dopadů. Výsledek je zobrazen formou grafů nebo tabulek snadno převoditelných do jiných programů pro další zpracování. Více informací o softwarové podpoře LCA pomoci programu SimaPro bude v další (připravované) publikaci.
25
Literatura ČSN EN ISO 14 040:2006 Environmentální management - Posuzování životního cyklu - Zásady a osnova ČSN EN ISO 14 044:2006 Environmentální management - Posuzování životního cyklu - Požadavky a směrnice Khan FI, Hawboldt K, Kabal MT. Life Cycle Analysis of wind–fuel cell integrated system. Renewable Energy 30, pp. 157 – 177, Elsevier Ltd. 2005. Schleisner L. Life cycle assessment of a wind farm and related externalities. Renewable Energy 20, pp. 279 – 288, 2000. Sørensen B. Life-Cycle Analysis of Renewable Energy Systems. Renewable Energy 5, pp. 1270 – 1277, Elsevier Science Ltd. 1994. Strømman A, Solli C, Hertwich E. Hybrid Life-Cycle Assessment of Natural Gas Based Fuel Chains for Transportation. Environmental Science and Technology 40 (8), 2006, pp. 2797 – 2804. Hauschild MZ. Assessing Environmental Impacts in a LIFE-CYCLE Perspective. Environmental Science & Technology 81A – 88A, Američan Chemical Society, 2005. Leontief W. Environmental repercussions and the economic structure: an input-output approach. Review of Economics and Statistics 1970; 52 3:262–271. Leontief W. Quantitative input-output relations in the economic systems of the United States. Rev. Econ. Stat. 1936, 18 (3), 105-125. Machado G, Scheffer R, Worrell E. Energy and carbon embodied in the international trade of Brazil: an input output approach. Ecological Economics 39 pp 409 – 424. 2001 Rebitzer G, Ekvall T, Frischknecht R, et al. Life cycle assessment Part 1: Framework, goal and scope definition, inventory analysis, and applications. Environment International 30, 2004, pp. 701– 720. Hauschild MZ. Assessing Environmental Impacts in a LIFE-CYCLE Perspective. Environmental Science & Technology 81A – 88A, American Chemical Society, 2005.
26
